楊自然，武文斌，黃紹平

（湖南工程學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院，湘潭411104）

太陽能光伏發(fā)電有間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置一定容量的儲能裝置，利用儲能裝置快速調(diào)節(jié)能力，能夠平抑功率波動，改善電能質(zhì)量，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性［1-7］.本文對一個(gè)帶蓄電池儲能的并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性進(jìn)行仿真分析，以分析蓄電池儲能裝置對系統(tǒng)運(yùn)行的影響和系統(tǒng)控制策略的有效性.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

帶蓄電池儲能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示，由光伏陣列（PV）、功率變換器、最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制器、并網(wǎng)控制器等組成.其中，光伏陣列（PV）經(jīng)DC/DC 和DC/AC 兩級變換器接入交流母線，蓄電池組經(jīng)DC/DC 雙向變流器接入直流母線.圖1 中Vdc為直流母線電壓，Vdcref為直流母線參考電壓，Ibat為蓄電池充放電電流，UPV、IPV分別為光伏陣列輸出電壓和電流，Pref、Qref為有功功率和無功功率的參考值，Ugabc、Igabc分別為電網(wǎng)三相電壓、電流.

圖1 帶蓄電池儲能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 儲能變換器控制策略

儲能變流器為雙向DC/DC 變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示.它既能工作于Buck 模式，又能工作于Boost 模式，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動.

圖2 雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率大于負(fù)載所需功率時(shí)，蓄電池充電存儲電能.此時(shí)變流器工作于Buck降壓模式.當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率小于負(fù)載所需功率時(shí)，蓄電池儲能系統(tǒng)放電釋放能量.此時(shí)變流器工作于Boost 升壓模式.雙向DC/DC 變換器采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，如圖3 所示.圖中，iL、iLref分別為負(fù)載電流實(shí)際值和參考值.

圖3 雙向DC/DC變換器控制原理框圖

1.3 并網(wǎng)變流器控制策略

圖4 光伏并網(wǎng)變流器控制原理框圖

2 系統(tǒng)建模

2.1 光伏陣列模型

單體光伏電池串并聯(lián)組成的光伏陣列輸出的電流Itotal和電壓Vtotal為

式中，Np、Ns分別為光伏電池組件的并聯(lián)和串聯(lián)個(gè)數(shù)；IL為單體電池光生電流；I0為單體電池反向飽和電流；V 為光伏電池單元電壓；I 為光伏電池單元電流；q 為電子電荷常數(shù)，q＝1.6×10-19；K 為玻兒滋曼常數(shù)，K＝1.38×10-23J/K；A 為是二極管常數(shù)因子；Tj為光伏模塊的結(jié)溫；Nscell為光伏組件中串聯(lián)單體光伏電池個(gè)數(shù).

2.2 系統(tǒng)模型

根據(jù)圖1 的電路模型和功率變換器控制策略，在MATLAB/Simulink 平臺上建立帶蓄電池儲能的并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真模型，如圖5 所示.

圖5 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

3 仿真分析

仿真參數(shù)設(shè)置如表2 所示.

本例仿真光伏組件選用型號為Sun Power SPR-415E-WHT-D 的產(chǎn)品，廠家提供的光伏組件技術(shù)參數(shù)如表1 所示.

表1 光伏組件技術(shù)參數(shù)

表2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)

假定環(huán)境溫度為25 ℃，光照強(qiáng)度在t＝［0，0.5，0.75］s 時(shí)，光照強(qiáng)度S＝［600，1000，800］W/m2，Pref＝［120，0，-18］kW，Qref＝0 Var，仿真結(jié)果如圖6 所示.

圖6 光伏發(fā)電系統(tǒng)仿真波形

由仿真波形圖6（a）、圖6（b）可知，光伏陣列PV經(jīng)MPPT 后，在不同光照下，PV 始終按照MPPT 跟蹤最大功率輸出；由圖6（d）、圖6（e）可知，在不同時(shí)間段內(nèi)，不同光照強(qiáng)度下，逆變器始終按照給定輸出.由于負(fù)載功率為10 kW，則逆變器輸送給電網(wǎng)的功率等于逆變器輸出功率減去負(fù)載功率，剛好與圖6（f）相吻合.由圖6（c）、圖6（j）可知，在0～0.5 s，蓄電池放電，0.5～1 s 時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)，直流母線電壓維持在650 V.在0～0.5 s 內(nèi)，S＝600 W/m2時(shí)，蓄電池處于放電狀態(tài)，此時(shí)PV 輸出功率約為8 kW，逆變器輸出功率為12 kW，則需要蓄電池放電約4 kW；在0.5～0.75 s 內(nèi)，S＝1000 W/m2時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)，此時(shí)PV 輸出功率約為15 kW，逆變器輸出功率為0 kW，則需要蓄電池放電約-15 kW（即充電15 kW）；在0.75～1 s 內(nèi)，S＝800 W/m2時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)，此時(shí)PV 輸出功率約為12 kW，逆變器輸出功率為-18 kW，則需要蓄電池放電約-30 kW（即充電30 kW）.蓄電池充放電的能量剛好與圖l 相吻合.

4 結(jié)論

通過對帶蓄電池儲能的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行仿真測試，可得到以下結(jié)論：

（1）蓄電池儲能變流器能夠根據(jù)光伏發(fā)電輸出功率大小快速進(jìn)行充放電，維持系統(tǒng)功率平衡，消除光伏發(fā)電間歇性、隨機(jī)性的影響.

（2）采用蓄電池儲能，能保證直流母線電壓穩(wěn)定，使得并網(wǎng)逆變器能夠按照電網(wǎng)功率需求發(fā)出相應(yīng)的有功功率和無功功率，為并網(wǎng)運(yùn)行提供了保障.