光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制仿真分析

新疆希望電子有限公司 劉 越

光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制仿真分析

新疆希望電子有限公司 劉 越

光伏發(fā)電系統(tǒng)在功率的輸出方面容易受到外部環(huán)境的干擾，因此，它的干擾成分眾多。本文就對(duì)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)中的蓄電池的單員進(jìn)行功率系統(tǒng)的仿真控制，以光伏并網(wǎng)為能量緩沖裝置，從而來(lái)控制發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出。在文中建立以等效電路為基礎(chǔ)的電池蓄能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，并根據(jù)這個(gè)光伏系統(tǒng)建立整體的數(shù)學(xué)動(dòng)態(tài)模型和相應(yīng)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制策略，從而對(duì)系統(tǒng)中的光伏網(wǎng)絡(luò)輸出功率進(jìn)行監(jiān)控。并以隨機(jī)光照的強(qiáng)度為干擾，對(duì)系統(tǒng)的輸出電能質(zhì)量和穩(wěn)定性進(jìn)行仿真研究。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)往，并網(wǎng)系統(tǒng)的靈活性強(qiáng)，能夠很好的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功率的穩(wěn)定性控制，能夠使電能的輸出不受外界因素的影響。

光伏；儲(chǔ)能；系統(tǒng)；功率；控制；仿真

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷加強(qiáng)，日益普及的不只是電子網(wǎng)絡(luò)，還有新能源發(fā)展。在電力系統(tǒng)的發(fā)展中，風(fēng)力發(fā)電不再是唯一，太陽(yáng)能發(fā)電已成為電力公司的首選，并且占有的比重越越來(lái)越多。因?yàn)?，太?yáng)是一種間歇性的能源，它受環(huán)境和氣候的影響。因此，它輸出的功率也存在不可確定的風(fēng)險(xiǎn)性。因?yàn)樘鞖馐嵌嘧兊?，是不可預(yù)測(cè)的。在電力系統(tǒng)的發(fā)展中大規(guī)模的對(duì)光伏并網(wǎng)的裝置進(jìn)行投資，能夠大幅度的提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量穩(wěn)定性和安全性。但是，它仍然會(huì)受到外界環(huán)境和氣候的干擾，因此，在光伏系統(tǒng)的的使用運(yùn)行中，就要對(duì)其系統(tǒng)加裝一定容量的儲(chǔ)能裝置，從而，在供電的過(guò)程中保證電能輸出，使電力具有持續(xù)性和可靠性。

PV系統(tǒng)在白天電網(wǎng)用電的峰值也可以不斷的給蓄電池充電。Bess系統(tǒng)在夜晚的運(yùn)行方案是電網(wǎng)高峰用電，它可以將用電高峰值數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)為負(fù)荷的恒功率輸出數(shù)據(jù)。Bess系統(tǒng)在夜晚電網(wǎng)用電高峰時(shí)，也可以給電池充電。所以，作為UPS的重要負(fù)載備用電源PV-BESS就可以給它無(wú)限的電力。因此，它與以往沿用的蓄電池光伏電能儲(chǔ)備系統(tǒng)相比，這個(gè)系統(tǒng)就增加了蓄電池儲(chǔ)蓄電力的容量，使其能滿(mǎn)足PV-BESS在混合電力系統(tǒng)中的使用性。使恒定功率的輸出能夠滿(mǎn)足用電的要求，預(yù)防并消除外界因素對(duì)電網(wǎng)功率輸出所產(chǎn)生的能量波動(dòng)性。極大的提高了太陽(yáng)能雙向交/直流轉(zhuǎn)換器的利用率。同時(shí)，在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，也能夠?qū)用竦幕旧钣秒娞峁┍Ｕ稀?/p>

1　光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制原理分析

1.1光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)電的原理

太陽(yáng)能電池的DC/DC電路是光伏發(fā)電系統(tǒng)重要部分。它與以往的太陽(yáng)能電池模型相比，電池所產(chǎn)生的光生電流Iph就成為它的等效電流。電池內(nèi)部的等效串聯(lián)電阻R和二級(jí)管，所輸出的電流電壓方程為：

Iph-ID =ISC(Ir/100)-I0(e(Qvs+IsRs)/mkT)-1= Is

其中，為太陽(yáng)能的電池ID在沒(méi)有陽(yáng)光條件下，飽和電流ISC就變?yōu)槎搪冯娏?。光的照射?qiáng)度Ir。PN結(jié)點(diǎn)反向飽和電流I0。太陽(yáng)能電池的輸出電壓vs。電子電荷e（1.6*10-19C）。k是玻爾茲曼常數(shù)（0.86*10-4Ev/K）。熱力學(xué)的溫度t。PN結(jié)點(diǎn)的常數(shù)曲線(xiàn)m。

太陽(yáng)能電池運(yùn)行的基本單元就是光伏電池板，它是由串聯(lián)的多塊兒?jiǎn)误w電池片組合而成的。十幾至幾十伏都是它的一般輸出電壓，所以在建立光伏系統(tǒng)電池板發(fā)電模型時(shí)，就要走兩個(gè)并聯(lián)支路。但是，這兩條電路的支路各需要36塊兒?jiǎn)误w的電池串聯(lián)而成，從而取得PN結(jié)點(diǎn)的曲線(xiàn)常數(shù)為2。其I-U特征和P-U特征如圖所示。在圖中，我們也可以看到在溫度設(shè)定下和輻射條件滿(mǎn)足情況下，光伏電池具有唯一的最大功率輸出點(diǎn)。但是，在實(shí)際的運(yùn)用中，是無(wú)法保證光伏電池的總功率是在最大的輸出點(diǎn)上的。所以，Boost的升壓電路時(shí)光伏電池和蓄電池組運(yùn)行發(fā)展的橋梁。因?yàn)?，vs的值可以被光伏電池的特性改變，所以，光伏的陣列輸出功率也是能夠控制并改變的。因此，蓄電池組的外端就要與Boost變換器相連，Ud就能夠箝位于蓄電池組兩端的輸出電壓。根據(jù)電壓輸入、輸出的關(guān)系，Ud=E/(1-D)，可以知道，在光伏列陣的工作點(diǎn)上改變占空比D就可以使輸出的功率產(chǎn)生變動(dòng)，尤其是在25攝氏度時(shí)，輻射強(qiáng)度為1KW/m2的條件下，電池板在光伏模式工作時(shí)，有最大的輸出功率為62W。

1.2電池儲(chǔ)備系統(tǒng)電能原理分析

蓄電池組、控制裝置、逆變器組成，蓄電池都是BESS的主要儲(chǔ)能設(shè)備，它的核電狀態(tài)SOC和對(duì)蓄電池的端電壓的預(yù)測(cè)是整套系統(tǒng)發(fā)電規(guī)劃的運(yùn)行平衡環(huán)節(jié)。在圖片中，電路電容Cb等效電路，它在電池組兩端出現(xiàn)的電壓數(shù)據(jù)就是電池的電動(dòng)勢(shì)。電阻Rb與Cb并聯(lián)，說(shuō)明電池是處于自由放電模式。電阻Rove、Rovd與電容Cov組成的電路網(wǎng)，可以看出電池存在的超電勢(shì)。電阻Rbc、Rbd，是電池的內(nèi)阻。在充電過(guò)程中，電阻Rove、Rbc持續(xù)放電，并從電阻Rovd、Rbd之間通過(guò)。因此，二極管兒在不同的狀態(tài)下，所選擇的電路值不同。

在穩(wěn)定的光伏發(fā)電運(yùn)行時(shí)，蓄電池電壓Vd兩端電能與平波電容一樣。其電壓都流入PWN。電流I也通過(guò)逆變器在蓄電池Ib和光伏的發(fā)電系統(tǒng)Ip中運(yùn)行。逆變器中的電流也與三角波信號(hào)比較，其控制方法相似。將電流的實(shí)際值與指令值的差，經(jīng)PI運(yùn)行后在與高平三角載體比較。其中，Vgm是系統(tǒng)采樣時(shí)電網(wǎng)電壓信號(hào)，Igm為輸出值。因?yàn)樗l同率，不及逆變器損耗。

2　光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)功率的計(jì)算仿真分析

2.1簡(jiǎn)化系統(tǒng)圖與電能參數(shù)的設(shè)置

在能夠恒定輸出功率的2KW小型PV-BESS單相并網(wǎng)模型中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。在這個(gè)仿真模型中，光伏模型的建設(shè)由40塊光伏電池板，并聯(lián)、串聯(lián)組合。假設(shè)，在系統(tǒng)運(yùn)行中，它的為光照強(qiáng)度是1KE/m2,額定工作狀態(tài)下的環(huán)境溫度，25度時(shí),DC170V是這種光伏模型的工作電壓。DC12A是它的工作電流,DC32040W為光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率。按照最壞的情況分析，在連續(xù)幾天內(nèi)都沒(méi)有陽(yáng)光，太陽(yáng)能蓄電池不在工作狀態(tài)。在用電的高峰期PV-BESS的系統(tǒng)就需要滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行八小時(shí)。

按照蓄電池容量計(jì)算為：C=Q*D*K/n1*n2*S。可算出一天內(nèi)：C=30KWh。蓄電池組電壓：R=DC425V。其中日用電量Q=16KWh。溫度修正系數(shù)k=1.2，逆變器效率n1=0.92，蓄電池充電效率n2=0.58，放電深度S=0.8。

圖1　PV-BESS簡(jiǎn)化圖

圖2　仿真光強(qiáng)信號(hào)

2.2PV-BESS恒功率出力

因?yàn)楣夥到y(tǒng)電能穩(wěn)定性主要受陽(yáng)光強(qiáng)度的影響。所以，在仿真的過(guò)程中，用光照的強(qiáng)度來(lái)突出它的動(dòng)態(tài)變化。隨著光照的強(qiáng)度越強(qiáng)，當(dāng)環(huán)境溫度選取為t= 25度時(shí)，光伏電池的PV-BESS在陽(yáng)光的強(qiáng)度變化下，它的動(dòng)態(tài)響應(yīng)力越來(lái)越強(qiáng)。BESS它具有快速的功率吞吐能力，能夠補(bǔ)償光伏模式設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的功率輸出波動(dòng)。保證系統(tǒng)功率的出力。PV系統(tǒng)與PV-BESS是系統(tǒng)在沒(méi)有BESS的陽(yáng)光變化時(shí)，就會(huì)造成并網(wǎng)電流輸出異常。而PV-BESS系統(tǒng)因?yàn)轫憫?yīng)速度快，并網(wǎng)電流輸出時(shí)就穩(wěn)定，就能提高它的系統(tǒng)安全和可靠性（見(jiàn)圖2）。

3　結(jié)語(yǔ)

在蓄電池的能量?jī)?chǔ)備管理與使用方面，光伏系統(tǒng)的模型設(shè)計(jì)能極大的提高電能的可再生發(fā)電性能和穩(wěn)定性。本文就對(duì)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制仿真性進(jìn)行分析，利用一組電力輸出功率可控的混合光伏能量?jī)?chǔ)備模型，發(fā)現(xiàn)他的控制策略，滿(mǎn)足系統(tǒng)恒功率的出力，減外界因素對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的阻礙。仿真的結(jié)果表明：在光照強(qiáng)度大幅度變化的情況下PV-BESS能夠果斷反應(yīng)，并保持恒定出力。因?yàn)椋娏骶W(wǎng)絡(luò)的波動(dòng)小，就能夠降低外界波動(dòng)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)所產(chǎn)生的沖擊。所以，這種混合的系統(tǒng)，它不緊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易控制，還能是光伏能源在儲(chǔ)備時(shí)保持穩(wěn)定=，有一定的作用性，能夠保持它的穩(wěn)定輸出。

[1]王建華,張方華,龔春英.滯環(huán)電流控制逆變器建模及分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2010(06).

[2]張國(guó)駒,唐西勝,齊智平.平抑間歇式電源功率波動(dòng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2011(20).