任 鵬，謝永流，王玉巍，史瑞靜,3，王長云，艾則麥提?圖爾洪

（1.新疆工程學(xué)院能源工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830023；2.國網(wǎng)三明供電公司，福建 三明 365099；3.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046；4.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000；5.和田職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 和田 848000）

0 引言

伴隨著傳統(tǒng)能源劇烈消耗帶來的能源枯竭、溫室效應(yīng)等問題日益嚴(yán)重，地球能源結(jié)構(gòu)正面臨著巨大挑戰(zhàn)[1-2]。隨著農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖規(guī)模的不斷發(fā)展，“五位一體”的大棚溫室群數(shù)量也在進(jìn)一步擴(kuò)增，導(dǎo)致溫室群耗電量增加。我國要大力發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，降低化石等不可再生能源的消耗，實(shí)施節(jié)能減排措施[3-4]。

風(fēng)、光等新能源發(fā)電技術(shù)是一種綠色、損耗少、易維護(hù)的可持續(xù)發(fā)電技術(shù)，研究可再生能源溫室群供電系統(tǒng)，在保證溫室群供電可靠性的同時(shí)可減少傳統(tǒng)能源消耗，降低農(nóng)業(yè)電能損耗。范哲超等[5]建立獨(dú)立型溫室光儲(chǔ)供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫室負(fù)荷可靠供電。王立舒等[6]針對農(nóng)業(yè)太陽能供電型溫室大棚提出一種最大功率跟蹤算法，實(shí)現(xiàn)太陽能的最大化利用。楊昌登等[7]針對太陽能供電農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提升了農(nóng)業(yè)清潔能源的有效利用。上述研究均在一定程度解決了太陽能清潔能源在農(nóng)業(yè)方面的利用，但欠缺考慮太陽能發(fā)電不規(guī)律對農(nóng)業(yè)負(fù)荷用電穩(wěn)定性的影響。

本研究針對新疆維吾爾自治區(qū)（以下簡稱新疆）和田地區(qū)山區(qū)型溫室群，根據(jù)地區(qū)全年峰值日照時(shí)數(shù)，確定光伏系統(tǒng)容量和型號(hào)?？紤]光伏出力的不確定性和單儲(chǔ)能系統(tǒng)供電的局限性，以蓄電池和超級(jí)電容構(gòu)成混合和儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑光伏出力帶來的溫室群用電功率波動(dòng)，研究溫室群光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)仿真模型，對我國農(nóng)業(yè)能源消耗的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變具有重要的推廣價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

1 獨(dú)立型溫室群光儲(chǔ)供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本研究擬構(gòu)建一種山區(qū)型溫室群光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)模型，針對新疆和田地區(qū)溫室群工作用電規(guī)律，設(shè)計(jì)適宜容量的光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)；在研究光伏系統(tǒng)、混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用擾動(dòng)觀測法實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率追蹤；根據(jù)儲(chǔ)能元件工作特性，采用二階濾波器和DC/DC 變換電路實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制；通過直流逆變技術(shù)將匯總到直流母線側(cè)的電能變?yōu)榻涣麟娊o溫室群交流負(fù)荷供電。山區(qū)型溫室群光儲(chǔ)供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 山區(qū)型溫室群光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of optical storage hybrid power supply system for greenhouse group in mountainous area

1.2 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

進(jìn)行山區(qū)型溫室群光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)研究前，需先確定單個(gè)溫室內(nèi)部各個(gè)負(fù)荷消耗功率，其內(nèi)部負(fù)荷運(yùn)行模式及消耗功率如表1 所示。

表1 溫室負(fù)荷運(yùn)行模式及消耗功率Tab.1 Greenhouse load operation mode and power consumption

由表1 可知，單個(gè)溫室系統(tǒng)用電設(shè)備最大耗電功率為Pmax=3.05 kW，經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算得日消耗電量Er=12 kW?h。由于電能具有隨發(fā)隨用、不易儲(chǔ)存的特性，而光伏電池的出力規(guī)律受自然條件的影響較大，具有一定的不確定性，不能保證系統(tǒng)功率平衡，還需加入儲(chǔ)能系統(tǒng)引入彈性機(jī)制平抑負(fù)荷功率波動(dòng)。

以新疆維吾爾自治區(qū)和田地區(qū)為例，其各月日均峰值日照時(shí)數(shù)如圖2 所示，常用光伏陣列容量乘以平均峰值日照時(shí)數(shù)估算光伏系統(tǒng)日均發(fā)電量。由圖2 可知，和田地區(qū)峰值日照條件隨季節(jié)的變化存在較大差異，峰值日照時(shí)數(shù)最多的是6 月，日均峰值日照時(shí)數(shù)為6.83 h；光照條件最差的是12 月，日均峰值日照時(shí)數(shù)為2.53 h；全年日照峰值為4.83 h。在配置光伏電池容量時(shí)，需考慮功率與能量兩方面平衡，由于存在儲(chǔ)能系統(tǒng)這一彈性功率調(diào)節(jié)機(jī)制，而且溫室群最大耗電功率與光伏陣列最大功率輸出難以同時(shí)出現(xiàn)，故本研究只考慮能量平衡。

圖2 新疆和田地區(qū)峰值日照時(shí)數(shù)Fig.2 Peak sunshine hours in Hetian Region of Xinjiang

光儲(chǔ)供電系統(tǒng)與溫室群負(fù)荷之間的能量應(yīng)滿足式（1）。

式中Cpv?光伏陣列安裝容量，kW

Tpv?峰值日照時(shí)數(shù)，h

Er?日消耗電量，kW?h

由于電能具有隨發(fā)隨用、不易存儲(chǔ)的特性，即光伏陣列發(fā)出的多余電能無法被蓄電池和溫室群負(fù)載完全消納，為減少能量損失，以最大均峰值日照時(shí)數(shù)配置光伏陣列的安裝容量，求得Cpv≈1.76 kW，保留一定余量，實(shí)際取值Cpv＝2 kW，取溫室群規(guī)模為10，則Cpvz＝20 kW。

選取光伏電池參數(shù)如表2 所示，共需150 塊光伏電池，考慮電路元件的耐壓、耐流特性問題，將其分為15 組，每組10 塊光伏電池串聯(lián)使用。

表2 溫室群光伏系統(tǒng)供電單元參數(shù)Tab.2 Parameters of power supply unit of greenhouse group photovoltaic system

2 光伏陣列供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 光伏電池輸出特性曲線

根據(jù)光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型，建立溫室群光伏系統(tǒng)供電單元數(shù)學(xué)模型，單塊電池具體參數(shù)設(shè)置如表2 所示，在工作溫度25 °C，太陽光輻射強(qiáng)度由強(qiáng)至弱分別為1 200、1 000、800、600、400 W/m2時(shí)，經(jīng)過相關(guān)計(jì)算獲得U-I和U-P特性曲線如圖3 所示。

圖3 光照強(qiáng)度變化時(shí)光伏電池輸出特性曲線Fig.3 Output characteristic curve of photovoltaic batteries with changes in light intensity

由圖3 可知，不同光強(qiáng)下的最大功率點(diǎn)電壓和電流不同，光強(qiáng)增加或降低，其電壓和電流也會(huì)改變，在環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，總對應(yīng)著一對電流與電壓使光伏電池輸出功率在當(dāng)前環(huán)境條件下達(dá)到最大值，即為最大功率輸出點(diǎn)。

2.2 光伏電池最大功率追蹤

光伏電站大多建在光資源豐富、環(huán)境變化復(fù)雜的平原地帶，通過實(shí)時(shí)跟蹤最大工作點(diǎn)電壓增強(qiáng)光利用率，達(dá)到提高光伏系統(tǒng)輸出功率的目的，這一過程稱為最大功率追蹤。根據(jù)U-I、U-P特性曲線，使其運(yùn)行在當(dāng)前環(huán)境下最大功率點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)MPPT 控制[8]。本研究采用擾動(dòng)觀測法（Perturbation and Observation，P&O）實(shí)現(xiàn)MPPT 控制，其流程如圖4 所示。

圖4 P&O 法控制流程Fig.4 Control process of P&O method

3 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

采用蓄電池和超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)平抑由于光伏電池不規(guī)則出力造成的系統(tǒng)功率波動(dòng)，通過二階濾波器分配超級(jí)電容和蓄電池分別承擔(dān)的參考功率，根據(jù)各參考承擔(dān)功率計(jì)算相應(yīng)的充放電電流，通過控制DC/DC 電路追蹤參考電流進(jìn)而輸出參考功率，平抑功率波動(dòng)。

3.1 光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)功率約束

溫室群光儲(chǔ)供電系統(tǒng)中，功率供需平衡約束條件如式（2）所示。

式中Pv?光伏陣列輸出功率，kW

Pba?蓄電池/超級(jí)電容輸入功率，kW

Psc?蓄電池/超級(jí)電容輸出功率，kW

Pgird?網(wǎng)內(nèi)波動(dòng)功率，kW

Pba,gird、Psc,gird?蓄電池、超級(jí)電容參考承擔(dān)功率，kW

PL?負(fù)荷需求，kW?h

SOCba、SOCsc?蓄電池、超級(jí)電容實(shí)際荷電狀態(tài)，%

SOCba,max、SOCsc,max?蓄電池、超級(jí)電容最大允許荷電狀態(tài)，%

SOCba,min、SOCsc,min?蓄電池、超級(jí)電容最低允許荷電狀態(tài)，%

若Pgird>0，儲(chǔ)能系統(tǒng)充電；Pgird<0，儲(chǔ)能系統(tǒng)放電。

混合儲(chǔ)能功率分配一般采用分頻控制法，采用二階濾波器劃分波動(dòng)功率[9-10]。其控制框圖如圖5 所示。通過二階濾波器得到各儲(chǔ)能元件參考出力規(guī)律后，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略。①蓄電池充放電控制：在功率分配策略下得到Pba,gird，根據(jù)蓄電池端電壓獲得蓄電池充放電參考電流ibaref，采用單電流環(huán)控制蓄電池充放電電流iba。②超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)：根據(jù)式（2）輸出Psc,gird，電流內(nèi)環(huán)通過控制超級(jí)電容充放電參考電流iscref來追蹤給定Psc,gird，電壓外環(huán)控制保證直流母線電壓穩(wěn)定。

圖5 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制框圖Fig.5 Control block diagram of hybrid energy storage system

3.2 DC/DC 變換器設(shè)計(jì)

由圖1 可知，雙向DC-DC 變換器是儲(chǔ)能裝置的核心部分，通過雙向DC-DC 變換器來協(xié)調(diào)能量在直流母線、負(fù)載和儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的雙向流動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定直流母線電壓的目的[11-12]。選用非隔離型雙向DC/DC 變換器，具有功率器件少、成本低、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 雙向DC/DC 變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.6 Topology of bi-directional DC/DC converter

分別建立雙向DC/DC 變化器在Buck 與Boost 工作模式下的狀態(tài)空間模型，選取儲(chǔ)能側(cè)電容電壓Uc2，直流側(cè)電容電壓Uc1和電感電流iL為狀態(tài)變量；d1、d2分別為雙向變換器Buck/Boost 模式的占空比；Udc和Us分別為直流側(cè)和儲(chǔ)能側(cè)電壓；Rdc和Rs分別為直流側(cè)和儲(chǔ)能側(cè)的等效電阻；C1和C2分別為直流側(cè)和儲(chǔ)能側(cè)的電容。以晶閘管是否導(dǎo)通、二極管是否續(xù)流，將DC/DC電路劃分為2 種工作模式。

3.2.1 Buck 模式狀態(tài)空間模型

Buck 模式下的狀態(tài)空間方程如式（3）所示。

對式（3）加入小信號(hào)擾動(dòng)，在消去穩(wěn)態(tài)分量和二次項(xiàng)分量后，其傳遞函數(shù)如式（4）所示。

3.2.2 Boost 模式狀態(tài)空間模型

Boost 工作模式與Buck 類似，Boost 模式下狀態(tài)空間方程如式（5）所示，傳遞函數(shù)如式（6）所示。

4 仿真分析

根據(jù)設(shè)計(jì)的光伏電池陣列、混合儲(chǔ)能系統(tǒng)功率協(xié)調(diào)控制策略，在Matlab/simulink 中搭建溫室群光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行驗(yàn)證分析，具體仿真參數(shù)如表3 所示，仿真模型如圖7 所示。設(shè)置光伏陣列工作環(huán)境（T=25 °C、S=1 000 W/m2），光照強(qiáng)度在3s時(shí)變?yōu)?00 W/m2，初始負(fù)荷為20 kW，2 s 時(shí)增加2 kW。山區(qū)型溫室群光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)各模塊仿真輸出如圖8 所示，其中Ps為儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率。

圖7 溫室群光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)仿真模型Fig.7 Simulation model of greenhouse group light storage hybrid power supply system

圖8 山區(qū)型溫室群光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)仿真輸出Fig.8 Simulation output of optical storage hybrid power supply system for mountain greenhouse group

表3 溫室群光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.3 Parameters of greenhouse group optical storage hybrid power supply system

由圖8 可知，①0～0.15 s，溫室群系統(tǒng)初始負(fù)荷為20 kW，光伏系統(tǒng)輸出功率無法滿足溫室群負(fù)荷需求，超級(jí)電容、蓄電池在0.05 s 內(nèi)輸出功率維持系統(tǒng)功率平衡。②0.15～2.00 s，隨著光伏電池輸出功率趨于平穩(wěn)，超級(jí)電容暫停輸出功率，蓄電池穩(wěn)定輸出平抑低頻波動(dòng)功率。③2～3 s，光照強(qiáng)度不變，溫室群負(fù)荷突增2 kW，超級(jí)電容迅速輸出電能，平抑高頻功率波動(dòng)，待蓄電池輸出穩(wěn)定后，超級(jí)電容降低輸出功率，維持直流母線電壓穩(wěn)定。④3～5 s，光照強(qiáng)度在3 s 時(shí)變?yōu)?00 W/m2，光伏陣列輸出功率降低至10 kW，負(fù)荷不變，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)增加輸出功率，保障溫室群負(fù)荷工作用電。

綜上，隨著光照強(qiáng)度和溫室群負(fù)荷的變化，儲(chǔ)能系統(tǒng)可平抑由以上因素所造成的波動(dòng)功率，維持溫室群光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)穩(wěn)定，保證系統(tǒng)負(fù)荷用電的可靠性。

5 結(jié)束語

針對山區(qū)型溫室群光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真研究，以新疆和田地區(qū)山區(qū)型溫室群為研究對象。根據(jù)地區(qū)全年峰值日照時(shí)數(shù)設(shè)計(jì)并選取光伏陣列安裝容量及型號(hào)，在建立光伏電池模型的基礎(chǔ)上，采用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)最大功率追蹤；采用二階濾波器對混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行功率分配，以DC/DC 電路實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞并建立相關(guān)傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型；在相關(guān)仿真軟件中搭建了山區(qū)型溫室群光儲(chǔ)混合供電系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證了其在溫室群負(fù)荷波動(dòng)、光強(qiáng)變化時(shí)系統(tǒng)供電穩(wěn)定性。結(jié)果表明仿真模型滿足溫室群負(fù)荷用電需求，驗(yàn)證了仿真模型的有效性，可為后續(xù)建立硬件研究提供一定參考。