带蓄电池储能的并网型光伏发电系统运行特性仿真分析

2020-10-24杨自然武文斌黄绍平

湖南工程学院学报（自然科学版） 2020年3期

杨自然，武文斌，黄绍平

（湖南工程学院电气与信息工程学院，湘潭411104）

太阳能光伏发电有间歇性、随机性的特点，在太阳能光伏发电系统中配置一定容量的储能装置，利用储能装置快速调节能力，能够平抑功率波动，改善电能质量，提高系统运行的可靠性和稳定性［1-7］.本文对一个带蓄电池储能的并网型太阳能光伏发电系统运行特性进行仿真分析，以分析蓄电池储能装置对系统运行的影响和系统控制策略的有效性.

1 系统结构与控制策略

1.1 系统结构

带蓄电池储能的光伏并网发电系统结构框图如图1 所示，由光伏阵列（PV）、功率变换器、最大功率点跟踪（MPPT）控制器、并网控制器等组成.其中，光伏阵列（PV）经DC/DC 和DC/AC 两级变换器接入交流母线，蓄电池组经DC/DC 双向变流器接入直流母线.图1 中Vdc为直流母线电压，Vdcref为直流母线参考电压，Ibat为蓄电池充放电电流，UPV、IPV分别为光伏阵列输出电压和电流，Pref、Qref为有功功率和无功功率的参考值，Ugabc、Igabc分别为电网三相电压、电流.

图1 带蓄电池储能的光伏并网发电系统结构框图

1.2 储能变换器控制策略

储能变流器为双向DC/DC 变换器，其拓扑结构如图2 所示.它既能工作于Buck 模式，又能工作于Boost 模式，实现能量的双向流动.

图2 双向DC/DC变换器拓扑结构

当光伏发电系统输出功率大于负载所需功率时，蓄电池充电存储电能.此时变流器工作于Buck降压模式.当光伏发电系统输出功率小于负载所需功率时，蓄电池储能系统放电释放能量.此时变流器工作于Boost 升压模式.双向DC/DC 变换器采用电压外环、电流内环双环控制结构，如图3 所示.图中，iL、iLref分别为负载电流实际值和参考值.

图3 双向DC/DC变换器控制原理框图

1.3 并网变流器控制策略

图4 光伏并网变流器控制原理框图

2 系统建模

2.1 光伏阵列模型

单体光伏电池串并联组成的光伏阵列输出的电流Itotal和电压Vtotal为

式中，Np、Ns分别为光伏电池组件的并联和串联个数；IL为单体电池光生电流；I0为单体电池反向饱和电流；V 为光伏电池单元电压；I 为光伏电池单元电流；q 为电子电荷常数，q＝1.6×10-19；K 为玻儿滋曼常数，K＝1.38×10-23J/K；A 为是二极管常数因子；Tj为光伏模块的结温；Nscell为光伏组件中串联单体光伏电池个数.

2.2 系统模型

根据图1 的电路模型和功率变换器控制策略，在MATLAB/Simulink 平台上建立带蓄电池储能的并网型太阳能光伏发电系统仿真模型，如图5 所示.

图5 光伏并网发电系统仿真模型

3 仿真分析

仿真参数设置如表2 所示.

本例仿真光伏组件选用型号为Sun Power SPR-415E-WHT-D 的产品，厂家提供的光伏组件技术参数如表1 所示.

表1 光伏组件技术参数

表2 光伏并网发电系统参数

假定环境温度为25 ℃，光照强度在t＝［0，0.5，0.75］s 时，光照强度S＝［600，1000，800］W/m2，Pref＝［120，0，-18］kW，Qref＝0 Var，仿真结果如图6 所示.

图6 光伏发电系统仿真波形

由仿真波形图6（a）、图6（b）可知，光伏阵列PV经MPPT 后，在不同光照下，PV 始终按照MPPT 跟踪最大功率输出；由图6（d）、图6（e）可知，在不同时间段内，不同光照强度下，逆变器始终按照给定输出.由于负载功率为10 kW，则逆变器输送给电网的功率等于逆变器输出功率减去负载功率，刚好与图6（f）相吻合.由图6（c）、图6（j）可知，在0～0.5 s，蓄电池放电，0.5～1 s 时，蓄电池处于充电状态，直流母线电压维持在650 V.在0～0.5 s 内，S＝600 W/m2时，蓄电池处于放电状态，此时PV 输出功率约为8 kW，逆变器输出功率为12 kW，则需要蓄电池放电约4 kW；在0.5～0.75 s 内，S＝1000 W/m2时，蓄电池处于充电状态，此时PV 输出功率约为15 kW，逆变器输出功率为0 kW，则需要蓄电池放电约-15 kW（即充电15 kW）；在0.75～1 s 内，S＝800 W/m2时，蓄电池处于充电状态，此时PV 输出功率约为12 kW，逆变器输出功率为-18 kW，则需要蓄电池放电约-30 kW（即充电30 kW）.蓄电池充放电的能量刚好与图l 相吻合.