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      溫室獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)的仿真研究

      2019-10-25 01:27:00范哲超鄔明亮賀雨凱
      江蘇農(nóng)業(yè)科學 2019年13期
      關鍵詞:仿真溫室

      范哲超 鄔明亮 賀雨凱

      摘要:隨著我國現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)技術的不斷發(fā)展,開始大規(guī)模普及溫室種植,致使電力能耗增加,因此亟需研發(fā)可再生能源應用,以促進溫室生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。擬構建1種溫室獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)仿真模型,設定光伏陣列的安裝容量、電路類型、逆變器輸出電壓和變壓器變比等參數(shù),闡述光伏電池原理、最大功率點跟蹤原理和獨立型逆變器的控制方法,在MATLAB軟件的Simulink平臺上搭建系統(tǒng)仿真模型,通過仿真結果驗證了系統(tǒng)的可行性。

      關鍵詞:溫室;光伏儲能供電系統(tǒng);仿真

      中圖分類號: S624.4+1;S126 ?文獻標志碼: A ?文章編號:1002-1302(2019)13-0272-05

      隨著傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭,能源危機逐漸成為當前人類發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)之一,世界各國正積極尋找高效、環(huán)保的替代能源。光伏發(fā)電是一種無噪音、無污染、易維護的可再生能源發(fā)電形式,隨著光伏電池效率的提升,光伏發(fā)電越來越受到關注。根據(jù)負載類型的不同,光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為并網(wǎng)型和獨立型[1]。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要應用在分布式光伏與大型地面光伏電站,其負載就是電力系統(tǒng);獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)也稱為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng),其負載是用電負荷,適用于微電網(wǎng)、用電困難的偏遠地區(qū)等。

      近年來,我國溫室產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷發(fā)展,一方面農(nóng)業(yè)種植利潤逐步提高,另一方面能耗和成本也大幅提升。隨著黨的十九大精神得到深入貫徹,國家大力發(fā)展綠色農(nóng)業(yè),重點推行節(jié)能減排政策,增加可再生能源在溫室中的應用已經(jīng)成為現(xiàn)代溫室可持續(xù)發(fā)展的重要手段。因此,研究適用于溫室的獨立型光伏儲能(photovoltaic/energy storage,簡稱PV/ES)供電系統(tǒng),保證溫室供電的可靠性,節(jié)約溫室電能損耗,具有比較重要的實際意義和推廣價值[2-3]。

      1 獨立光伏儲能供電系統(tǒng)的設計

      1.1 系統(tǒng)拓撲結構

      溫室獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)的拓撲結構如圖1所示,其中箭頭表示能量的流動方向。光伏陣列是系統(tǒng)的能量來源,由多個光伏組件串、并聯(lián)而成。由于光伏電池是一種非線性的直流電流源[4],需要利用DC/DC(直流/直流)變換器來對其進行最大功率點跟蹤(maximum power point tracking,簡稱MPPT)控制,DC/DC變換器與蓄電池并聯(lián),連接至直流母線電容,穩(wěn)定逆變器直流側電壓,確保蓄電池出現(xiàn)故障時,光伏陣列仍能向外輸出功率。蓄電池在系統(tǒng)中起到“削峰填谷”的作用,即當光伏輸出功率大于溫室負荷時,蓄電池充電;當光伏輸出功率小于溫室負荷時,蓄電池放電。由此可見蓄電池與直流母線之間的能量流動是雙向的。獨立型逆變器將光伏陣列和蓄電池產(chǎn)生的直流電能變換為交流電能向溫室負荷供電,同時溫室負荷也由市電進行供電。

      1.2 系統(tǒng)的整體設計

      1.2.1 光伏陣列容量的設計 在確定光伏陣列的安裝容量前,首先需要了解溫室負荷的功率及運行方式,溫室負荷功率與運行方式見表1。

      根據(jù)表1所列負荷,統(tǒng)計溫室負荷的最大功率Pmax=2 kW,日用電量Egh≈11 kW·h。以呼和浩特市為例,各月日均峰值日照時數(shù)如圖2所示,一般用平均峰值日照時數(shù)乘以陣列的容量來估計每天的平均發(fā)電量(即1 kW的光伏裝機容量每天可發(fā)電度數(shù))。

      圖2中呼和浩特市光照條件最差的月份為12月,日均峰值日照時數(shù)為2.31 h;光照條件最好的月份為5、6月,日均峰值日照時數(shù)為6.46 h;全年日均峰值日照時數(shù)為4.55 h。在配置光伏陣列安裝容量時,需要考慮功率平衡與能量平衡2個方面,但是光伏陣列與負荷之間存在蓄電池這一緩沖介質(zhì),并且光伏陣列的輸出功率受氣象條件影響,并不能保證負荷的最大功率與光伏陣列的最大輸出功率同時出現(xiàn),因此只需要考慮能量平衡。設光伏陣列的安裝容量為CPV,峰值日照時數(shù)為TPV,為了滿足光伏陣列與負荷之前的能量平衡,有如考慮到多余的光伏電能無法通過獨立逆變器并網(wǎng),為了避免能量浪費,使用最大日均峰值日照時數(shù)對光伏陣列安裝容量進行配置,得到CPV=1.7 kW,考慮到效率因素的影響并保留一定的裕量,取CPV=2 kW。

      以JKM250P型號的光伏組件為例,將其作為光伏陣列的基本單元,其參數(shù)如下:標稱功率為250 W,開路電壓(Uoc)為37.7 V,最大功率點電壓(Ump)為30.5 V,短路電流(Isc)為 8.85 A,最大功率點電流(Imp)為8.20 A。由于光伏組件的標稱功率為250 W,因此需要將8塊光伏組件串、并聯(lián)后使用。

      1.2.2 電路參數(shù)的設計 綜合考慮器件的耐壓與耐流水平,本研究將8塊光伏組件4串2并后使用。考慮到普適性,本研究選用48 V的鉛酸蓄電池作為儲能介質(zhì),其正常工作電壓范圍約為42~56 V,這個電壓顯然低于串聯(lián)后光伏組件的工作電壓,因此選用Buck電路對蓄電池進行充電。

      另一方面,溫室負荷需要380 V的交流電進行供電,顯然使用蓄電池進行逆變無法直接獲得此電壓,因此在逆變之后需要額外使用變壓器升壓。設變壓器的低壓側線電壓,即逆變器的輸出線電壓為Vinv,蓄電池的電壓為Vbat,根據(jù)逆變器的工作原理,直流側電壓必須高于交流側線電壓的幅值,即:

      2 光伏發(fā)電相關研究

      2.1 光伏電池的原理

      光伏電池的發(fā)電原理是半導體P-N結半導體的光生伏特效應,其特性受到光照度、表面溫度以及自身參數(shù)的影響,表現(xiàn)出非常強的非線性。在工程中,通常使用光伏電池的工程數(shù)學模型對其進行建模[5],這種? 利用光伏電池的工程數(shù)學模型,可以得到JKM250P型太陽能光伏組件在不同溫度、不同光照度下的輸出特性。由圖3、圖4可知,光伏電池最重要的輸出特性在于其在某一特定工作條件下有且只有1個最大功率點,這就要對光伏電池進行MPPT理論分析。

      2.2 基于Buck電路的MPPT技術

      根據(jù)光伏電池具有唯一最大功率點的特點,為了在最大程度上提高太陽能的利用效率,需要使用MPPT技術來控制光伏電池工作在最大功率點上。在本設計中,光伏電池經(jīng)過Buck電路實現(xiàn)MPPT并向蓄電池進行充電,Buck電路的拓撲結構如圖5所示。

      假設Buck電路工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)下,占空比為D,同時電路中的器件均理想,有如式(5)所示Buck電路的輸入、輸出電壓關系:

      2.3 擾動觀察算法(perturbation and observation control,簡稱P&O)的原理

      MPPT算法的作用在于能夠得到使光伏電池工作在最大功率點的占空比。常用的MPPT算法包括固定電壓法、電導增量法、擾動觀察法等傳統(tǒng)算法,以及模糊控制、自適應算法、神經(jīng)網(wǎng)絡等智能算法。在本研究的仿真中,采用擾動觀察算法。

      擾動觀察算法通過對光伏電池的輸出電壓進行周期性擾動,實時比較擾動前后光伏電池輸出功率的大小,從而確定下一時刻電壓調(diào)節(jié)的方向。當光伏電池的輸出電壓增大時,若ΔP>0,應當繼續(xù)增大電壓;若ΔP<0,應當改變電壓調(diào)整方向。當光伏電池的輸出電壓減小時,若ΔP>0,應當繼續(xù)減小電壓;若ΔP<0,應當改變電壓調(diào)整方向。擾動觀察算法可以用圖6所示的流程來表示。

      3 獨立逆變器控制方法

      目前逆變器的控制方法主要包括恒功率控制(PQ control)、恒壓/恒頻控制(V/f control)和下垂控制(droop control)[6],獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)需要在無市電的情況下向負荷提供電壓,因此需要采用V/f控制。

      當采用V/f控制時,逆變器相當于一個受控的電壓源,所有負荷需求都需要由它滿足。V/f控制策略采用輸出電壓/電流瞬時雙閉環(huán)控制,如圖7所示。內(nèi)環(huán)是電感電流瞬時調(diào)節(jié)環(huán),構成電流隨動系統(tǒng),能夠加快抗擾的動態(tài)過程,用以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能;外環(huán)是瞬時電壓控制環(huán),用于改善系統(tǒng)輸出電壓的波形,使其具有較高的輸出精度。

      V/f控制的電壓電流雙閉環(huán)控制策略框如圖8所示。電流環(huán)采用比例調(diào)節(jié),增加逆變器的阻尼系數(shù),使整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定;電壓環(huán)采用比例積分調(diào)節(jié),使得輸出電壓波形瞬時跟蹤給定值。引入電流、電壓狀態(tài)反饋量來實現(xiàn)d、q軸間的解耦控制;同時引入負載電壓、電流前饋補償,在負載變化時對電

      壓進行補償。

      4 系統(tǒng)仿真驗證

      根據(jù)上文介紹的原理,在Simulink中搭建獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)的仿真模型,如圖9所示。

      假設負載為2 kW,其余仿真參數(shù)見表2。假設初始時刻的光照度為1 000 W/m2,在0.1 s時光照度突變?yōu)?500 W/m2,運行仿真后,光伏陣列的輸出功率、負載側的三相電壓、A相電壓快速傅里葉變化(FFT)分析的結果分別如圖10、圖11、圖12所示。

      5 結論

      由圖10可以看出,在仿真開始運行后,在擾動觀察法的作用下,光伏陣列的輸出功率能夠在0.01 s內(nèi)跟蹤到最大功率點,此后保持穩(wěn)定輸出;當光照度突變時,光伏陣列的輸出功率能夠在0.02 s內(nèi)跟蹤到新的最大功率點,從而驗證了MPPT的有效性。由圖11可以看出,負載側的三相電壓能夠保持平衡,并且畸變情況良好,根據(jù)圖12所示的FFT分析結果,逆變器輸出電壓的基波幅值為319.7 V,即有效值約為226 V,符合供電電壓要求;電壓諧波總畸變率為0.6%,低于國標要求范圍,能夠保證溫室用電設備的正常工作。仿真結果驗證了所設計系統(tǒng)的可行性。

      參考文獻:

      [1]張 瑩,侯鵬飛. 獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT功能的設計與仿真[J]. 電力學報,2015,30(1):45-48.

      [2]范哲超,陸 明. 基于國產(chǎn)PLC的光伏供電溫室控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學,2017,45(15):223-227.

      [3]余 情,楊金明. 光伏發(fā)電技術在溫室中的應用[J]. 新能源進展,2015,3(4):251-255.

      [4]鄔明亮,戴朝華,鄧惠文,等. 基于單體光伏/單體儲能電池模組的新型光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2017,45(3):56-61.

      [5]傅 望,周 林,郭 珂,等. 光伏電池工程用數(shù)學模型研究[J]. 電工技術學報,2011,26(10):211-216.

      [6]溫 鎮(zhèn),唐 昕,許金明,等. 不同控制策略影響下光伏發(fā)電電能質(zhì)量特性研究[J]. 水電能源科學,2015(11):202-206.

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