温室独立型光伏储能供电系统的仿真研究

范哲超 邬明亮 贺雨凯

摘要：随着我国现代设施农业技术的不断发展，开始大规模普及温室种植，致使电力能耗增加，因此亟需研发可再生能源应用，以促进温室生产的可持续发展。拟构建1种温室独立型光伏储能供电系统仿真模型，设定光伏阵列的安装容量、电路类型、逆变器输出电压和变压器变比等参数，阐述光伏电池原理、最大功率点跟踪原理和独立型逆变器的控制方法，在MATLAB软件的Simulink平台上搭建系统仿真模型，通过仿真结果验证了系统的可行性。

关键词：温室;光伏储能供电系统;仿真

中图分类号： S624.4+1;S126  文献标志码： A  文章编号：1002-1302（2019）13-0272-05

随着传统能源的逐渐枯竭，能源危机逐渐成为当前人类发展所面临的巨大挑战之一，世界各国正积极寻找高效、环保的替代能源。光伏发电是一种无噪音、无污染、易维护的可再生能源发电形式，随着光伏电池效率的提升，光伏发电越来越受到关注。根据负载类型的不同，光伏发电系统可以分为并网型和独立型[1]。并网型光伏发电系统主要应用在分布式光伏与大型地面光伏电站，其负载就是电力系统;独立型光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统，其负载是用电负荷，适用于微电网、用电困难的偏远地区等。

近年来，我国温室产业规模不断发展，一方面农业种植利润逐步提高，另一方面能耗和成本也大幅提升。随着党的十九大精神得到深入贯彻，国家大力发展绿色农业，重点推行节能减排政策，增加可再生能源在温室中的应用已经成为现代温室可持续发展的重要手段。因此，研究适用于温室的独立型光伏储能（photovoltaic/energy storage，简称PV/ES）供电系统，保证温室供电的可靠性，节约温室电能损耗，具有比较重要的实际意义和推广价值[2-3]。

1 独立光伏储能供电系统的设计

1.1 系统拓扑结构

温室独立型光伏储能供电系统的拓扑结构如图1所示，其中箭头表示能量的流动方向。光伏阵列是系统的能量来源，由多个光伏组件串、并联而成。由于光伏电池是一种非线性的直流电流源[4]，需要利用DC/DC（直流/直流）变换器来对其进行最大功率点跟踪（maximum power point tracking，简称MPPT）控制，DC/DC变换器与蓄电池并联，连接至直流母线电容，稳定逆变器直流侧电压，确保蓄电池出现故障时，光伏阵列仍能向外输出功率。蓄电池在系统中起到“削峰填谷”的作用，即当光伏输出功率大于温室负荷时，蓄电池充电;当光伏输出功率小于温室负荷时，蓄电池放电。由此可见蓄电池与直流母线之间的能量流动是双向的。独立型逆变器将光伏阵列和蓄电池产生的直流电能变换为交流电能向温室负荷供电，同时温室负荷也由市电进行供电。

1.2 系统的整体设计

1.2.1 光伏阵列容量的设计 在确定光伏阵列的安装容量前，首先需要了解温室负荷的功率及运行方式，温室负荷功率与运行方式见表1。

根据表1所列负荷，统计温室负荷的最大功率Pmax=2 kW，日用电量Egh≈11 kW·h。以呼和浩特市为例，各月日均峰值日照时数如图2所示，一般用平均峰值日照时数乘以阵列的容量来估计每天的平均发电量（即1 kW的光伏装机容量每天可发电度数）。

图2中呼和浩特市光照条件最差的月份为12月，日均峰值日照时数为2.31 h;光照条件最好的月份为5、6月，日均峰值日照时数为6.46 h;全年日均峰值日照时数为4.55 h。在配置光伏阵列安装容量时，需要考虑功率平衡与能量平衡2个方面，但是光伏阵列与负荷之间存在蓄电池这一缓冲介质，并且光伏阵列的输出功率受气象条件影响，并不能保证负荷的最大功率与光伏阵列的最大输出功率同时出现，因此只需要考虑能量平衡。设光伏阵列的安装容量为CPV，峰值日照时数为TPV，为了满足光伏阵列与负荷之前的能量平衡，有如考虑到多余的光伏电能无法通过独立逆变器并网，为了避免能量浪費，使用最大日均峰值日照时数对光伏阵列安装容量进行配置，得到CPV=1.7 kW，考虑到效率因素的影响并保留一定的裕量，取CPV=2 kW。

以JKM250P型号的光伏组件为例，将其作为光伏阵列的基本单元，其参数如下：标称功率为250 W，开路电压（Uoc）为37.7 V，最大功率点电压（Ump）为30.5 V，短路电流（Isc）为 8.85 A，最大功率点电流（Imp）为8.20 A。由于光伏组件的标称功率为250 W，因此需要将8块光伏组件串、并联后使用。

1.2.2 电路参数的设计 综合考虑器件的耐压与耐流水平，本研究将8块光伏组件4串2并后使用。考虑到普适性，本研究选用48 V的铅酸蓄电池作为储能介质，其正常工作电压范围约为42～56 V，这个电压显然低于串联后光伏组件的工作电压，因此选用Buck电路对蓄电池进行充电。

另一方面，温室负荷需要380 V的交流电进行供电，显然使用蓄电池进行逆变无法直接获得此电压，因此在逆变之后需要额外使用变压器升压。设变压器的低压侧线电压，即逆变器的输出线电压为Vinv，蓄电池的电压为Vbat，根据逆变器的工作原理，直流侧电压必须高于交流侧线电压的幅值，即：

2 光伏发电相关研究

2.1 光伏电池的原理

光伏电池的发电原理是半导体P-N结半导体的光生伏特效应，其特性受到光照度、表面温度以及自身参数的影响，表现出非常强的非线性。在工程中，通常使用光伏电池的工程数学模型对其进行建模[5]，这种  利用光伏电池的工程数学模型，可以得到JKM250P型太阳能光伏组件在不同温度、不同光照度下的输出特性。由图3、图4可知，光伏电池最重要的输出特性在于其在某一特定工作条件下有且只有1个最大功率点，这就要对光伏电池进行MPPT理论分析。

2.2 基于Buck电路的MPPT技术

根据光伏电池具有唯一最大功率点的特点，为了在最大程度上提高太阳能的利用效率，需要使用MPPT技术来控制光伏电池工作在最大功率点上。在本设计中，光伏电池经过Buck电路实现MPPT并向蓄电池进行充电，Buck电路的拓扑结构如图5所示。

假设Buck电路工作在电感电流连续状态下，占空比为D，同时电路中的器件均理想，有如式（5）所示Buck电路的输入、输出电压关系：

2.3 扰动观察算法（perturbation and observation control，简称P&O）的原理

MPPT算法的作用在于能够得到使光伏电池工作在最大功率点的占空比。常用的MPPT算法包括固定电压法、电导增量法、扰动观察法等传统算法，以及模糊控制、自适应算法、神经网络等智能算法。在本研究的仿真中，采用扰动观察算法。

扰动观察算法通过对光伏电池的输出电压进行周期性扰动，实时比较扰动前后光伏电池输出功率的大小，从而确定下一时刻电压调节的方向。当光伏电池的输出电压增大时，若ΔP>0，应当继续增大电压;若ΔP<0，应当改变电压调整方向。当光伏电池的输出电压减小时，若ΔP>0，应当继续减小电压;若ΔP<0，应当改变电压调整方向。扰动观察算法可以用图6所示的流程来表示。

3 独立逆变器控制方法

目前逆变器的控制方法主要包括恒功率控制（PQ control）、恒压/恒频控制（V/f control）和下垂控制（droop control）[6]，独立型光伏储能供电系统需要在无市电的情况下向负荷提供电压，因此需要采用V/f控制。

当采用V/f控制时，逆变器相当于一个受控的电压源，所有负荷需求都需要由它满足。V/f控制策略采用输出电压/电流瞬时双闭环控制，如图7所示。内环是电感电流瞬时调节环，构成电流随动系统，能够加快抗扰的动态过程，用以提高系统的动态性能;外环是瞬时电压控制环，用于改善系统输出电压的波形，使其具有较高的输出精度。

V/f控制的电压电流双闭环控制策略框如图8所示。电流环采用比例调节，增加逆变器的阻尼系数，使整个系统工作稳定;电压环采用比例积分调节，使得输出电压波形瞬时跟踪给定值。引入电流、电压状态反馈量来实现d、q轴间的解耦控制;同时引入负载电压、电流前馈补偿，在负载变化时对电

压进行补偿。

4 系统仿真验证

根据上文介绍的原理，在Simulink中搭建独立型光伏储能供电系统的仿真模型，如图9所示。

假设负载为2 kW，其余仿真参数见表2。假设初始时刻的光照度为1 000 W/m2，在0.1 s时光照度突变为 500 W/m2，运行仿真后，光伏阵列的输出功率、负载侧的三相电压、A相电压快速傅里叶变化（FFT）分析的结果分别如图10、图11、图12所示。

5 结论

由图10可以看出，在仿真开始运行后，在扰动观察法的作用下，光伏阵列的输出功率能够在0.01 s内跟踪到最大功率点，此后保持稳定输出;当光照度突变时，光伏阵列的输出功率能够在0.02 s内跟踪到新的最大功率点，从而验证了MPPT的有效性。由图11可以看出，负载侧的三相电压能够保持平衡，并且畸变情况良好，根据图12所示的FFT分析结果，逆变器输出电压的基波幅值为319.7 V，即有效值约为226 V，符合供电电压要求;电压谐波总畸变率为0.6%，低于国标要求范围，能够保证温室用电设备的正常工作。仿真结果验证了所设计系统的可行性。

参考文献：

[1]张 莹，侯鹏飞. 独立式光伏发电系统MPPT功能的设计与仿真[J]. 电力学报，2015，30（1）：45-48.

[2]范哲超，陆 明. 基于国产PLC的光伏供电温室控制系统设计与实现[J]. 江苏农业科学，2017，45（15）：223-227.

[3]余 情，楊金明. 光伏发电技术在温室中的应用[J]. 新能源进展，2015，3（4）：251-255.

[4]邬明亮，戴朝华，邓惠文，等. 基于单体光伏/单体储能电池模组的新型光伏储能发电系统[J]. 电力系统保护与控制，2017，45（3）：56-61.

[5]傅 望，周 林，郭 珂，等. 光伏电池工程用数学模型研究[J]. 电工技术学报，2011，26（10）：211-216.

[6]温 镇，唐 昕，许金明，等. 不同控制策略影响下光伏发电电能质量特性研究[J]. 水电能源科学，2015（11）：202-206.