分布储能式新能源直流电加热系统及运行仿真分析

2020-11-06张琪瑞徐明宇郝文波

黑龙江电力 2020年3期

周封，林坤，张琪瑞，徐明宇，郝文波，姜鹏

(1.山东科技大学电气与自动化工程学院，山东青岛 266590； 2.哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，哈尔滨 150080；3.国网黑龙江省电力有限公司，哈尔滨 150090；4.国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030)

0 引言

随着化石能源的日益枯竭，传统的能源供给形式越来越不能满足人们的需要，光能、风能等可再生能源的分布式发电系统得到了大力发展，储能技术被认为是解决目前和将来电网中新能源发电并网等问题的可行方案。直流电网技术具备大规模新能源汇集及远距离输送能力，且可实现不同电压等级、不同区域网络电力系统的广域互联，成为现阶段研究的重点[1]。

目前，国内外相关机构已经对直流配电网、储能技术以及新能源接入电网等问题进行了探索性的研究开发，并取得了一些突破性成果。在直流配电网方面，冯延明等研究员对直流配电网的环状拓扑结构和两端拓扑结构的可行性进行了探讨，并对分布式能源和储能装置并入交流配电网和直流电网进行了对比研究，证明接入直流配电网能够有效节省DC/AC变换器和滤波装置[2]。叶莘等研究员提出了直流配电网供电能力评估指标以及多目标评估函数，对直流配电网的供电能力进行了研究[3]。在储能技术以及新能源接入电网方面，姚良忠等研究员提出一种考虑中国能源资源及负荷分布特征的大规模新能源接入高压直流电网的典型拓扑结构，并指出发展高压直流电网的技术需求[4-5]。朱耿峰等研究员进行了储能系统对提高新能源发电接入电网能力的研究，并证明储能系统对解决新能源发电系统接入电网问题起到了关键的作用[6]。

上述文献就直流配电网、储能技术以及新能源接入电网等问题进行了单方面的研究[7-8]。但系统实际运行时情况复杂，不同情况下系统运行状态与用电需求不同，因此，需要一种可以满足系统各种状况下要求的高压直供直流电加热系统。

基于以上分析，设计一种分布储能式新能源高压直供直流电加热系统。该系统将高压交流电转化为低压直流电给电加热装置供电，并可在谷电价时储存电能，同时，新能源发电装置给储能装置供电的功能可以在多种工作状况下正常工作，满足电加热系统的用电需求。该系统既解决了峰电价时供电不足、谷电价时电能浪费的问题，又解决了新能源接入电网困难的问题，同时可以满足不同情况下的用电需求，对提高电能利用率、降低成本以及推动新能源发电应用方案的普及和推广有着至关重要的作用。

1 高压直供直流电加热系统方案设计及工况分析

分布储能式新能源高压直供直流电加热系统由以下几部分组成：高压配电柜、储能装置、直流加热元件、电加热装置、新能源发电装置。储能装置则由整流模块、放电直流母线、蓄电池组组成。

分布储能式新能源高压直供直流电加热系统整体框图如图1所示。从图1可以看出，系统通过整流模块直接将6 kV左右的高压交流电转化为低压直流电，并根据需要给直接加热元件供电。在谷电价时，系统给电加热装置供电的同时将多余电能储存；在峰电价时，由储能装置给电加热装置供电；同时，新能源发电装置为储能装置提供电能。蓄电池组可分组同时进行充电和放电，但由于放电直流母线上电压不匹配，配电网与蓄电池组不可同时供电。该系统可根据不同工况进行电能供给，既解决了峰电价时供电不足、谷电价时电能浪费的问题，又解决了新能源接入电网困难的问题。

图1 系统整体框图

由于1天中不同时间段用户用电量不同，电加热装置所需电量也不相同，因此，系统运行时存在多种情况，系统工况分类如图2所示。

从图2可以看出，新能源分布储能式高压直供直流电加热系统运行时可以分为12种工况，电加热装置工作时有8种工况，电加热装置不工作时有4种工况。其中，蓄电池组给电加热装置供电时，不能对该组蓄电池组充电。

2 高压直供直流电加热系统模型的建立

2.1 三电平PWM整流器模型

分布储能式新能源高压直供直流电加热系统的整流模块分为整流器与高压DC/DC变换器。整流器使用三相三电平PWM整流器，三相三电平PWM整流器可以等效成图3所示的电路模型，可以实现交、直流侧可控的四象限运行[9-12]。由图3可以看出，三电平PWM整流器模型电路主要由交流回路、整流器的整流桥、直流回路三部分组成。图中，e为三相电网电源，L为进线电感，C为母线电容，RL为负载。

图3 三电平PWM整流器电路模型

忽略功率开关管的开关损耗，由整流器整流前后的功率相等得到：

i·v=idc·vdc

(1)

式中：v是整流器交流侧电压；i是整流器交流侧电流；vdc是整流器直流侧电压；idc是整流器直流侧电流。

由式(1)可知，通过控制交流侧的电压电流就可以控制直流侧的电压电流，反之，通过控制直流侧的电压电流也能控制交流侧的电压电流。

Three-Level Bridge模块是一个桥臂数可选的三电平中点钳位变换器。相对于常规的两电平变换器，使用相同开关器件时，三电平中点钳位变换器的每一个主功率开关管上承受的电压峰值只有两电平PWM整流器的一半，且在相同的开关频率及控制条件方式下，三电平 PWM 整流器输入电流的谐波远小于两电平整流器，所以三电平 PWM 整流器适合于高压大功率的场合。该系统选择3桥臂变换器，每个桥臂由4个开关器件(Q1～Q4，IGBT)、4个反并联二极管(D1～D4)、2个中点钳位二极管(D5、D6)组成，三电平变换桥拓扑图如图4所示。

三电平PWM整流模块采用电压外环和电流内环的双闭环串级控制结构[12]。外环为电压环，通过对直流母线电压的调节得到交流电流的指令瞬时值。内环为电流环，根据电压外环输出的电流指令进行电流控制，使整流器的实际输入电流能够跟踪给定电流，实现单位功率因数正弦波电流控制。

图4 三电平变换桥拓扑图

2.2 高压DC/DC变换器模型

高压DC/DC变换器模型结构如图5所示，由8个基础子模块(SM1～SM8)并联组成。

图5 高压DC/DC变换器结构图

子模块结构如图6所示。其中，V为一个全控器件IGBT，RL1为负载，C1为滤波电容，U0为负载电压。负载电压的平均值为

式中：ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关周期；D为占空比，D=ton/T。

由图5可知，U0最大值为E，减小占空比D，U0随之减小，因此可以通过调节占空比调节输出电压[13]。在该系统中，通过Buck电路将电压降至500 V给电加热装置供电。一个子模块输出功率可达到300 kW，模块化高压DC/DC变换器出功率可达到2 MW。

Buck变换器使用脉冲宽度调制的控制方法，保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton，保持输出电压稳定。

图6 子模块模型图

2.3 蓄电池充放电模型

储能装置中的蓄电池组运行时需要既能够向电加热装置供给电能(放电)，又能够从整流模块或新能源发电装置获得电能(充电)。图7是蓄电池充放电模型，通过Buck电路实现蓄电池组充电，通过Boost电路实现蓄电池组放电。

蓄电池采用磷酸铁锂电池，磷酸铁锂电池规格为12.8 V/200 A·h，参数如表1所示。若电加热装置每天所需约5 MW·h的电量，1组蓄电池总容量为200×10=2 000 A·h，所需电量为12.8×10×2 000=0.256 MW·h，则共需要5÷0.256≈20组蓄电池。每组蓄电池组由100个蓄电池组成，每组蓄电池的链接方式为10个串联、10个并联。

表1 磷酸铁锂电池参数表

图7 蓄电池充放电模型图

图7中，蓄电池充电电路原理与Buck斩波电路相同。充电电路输出电压U1为

U1=α1E1

式中：E1为充电电路输入电压；α1为占空比。

蓄电池放电Boost斩波电路中，当可控开关V2处于通态时，蓄电池向电感L2充电，同时电容C2上的电压向负载RL2供电。由于C2足够大，可以基本保持输出电压U3为恒值。当V2处于断态时，蓄电池与L2同时向C2充电并向负载RL2提供能量。设V2处于通态的时间为Ton，处于断态的时间为Toff，则蓄电池充电电路的输出电压U3为

式中：U2为放电电路输入电压；T/Toff为升压比，调节其大小，可以改变输出电压U3的大小。

升压斩波电路中，在V2处于通态的期间，因电容C2的作用使得输出电压保持不变，但实际上C2值不可能无穷大，故实际输出电压会低于理论输出电压。因此，使用基于PI的控制算法调整占空比，使输出电压保持稳定。

2.4 光伏列阵模型

光伏电池的等效模型如图8所示。

图8 光伏电池等效模型图

光伏电池输出电流和电压为

U=UD-Rs·I

式中：Iph为正比于太阳电池面积和入射光辐射度的生光电流；Rs为光伏电池板内部损耗的等效串联电阻；Rsh为漏电损耗的等效并联电阻；Is为二极管饱和电流；q为电子电量常量，q=1.602e-19C；k为玻尔兹曼常数，k=1.381e-23J/K；T为光伏电池工作绝对温度值；A为二极管特性拟合系数[14-15]。

图9为光伏电池放电模型。其中，光伏组件采用多晶275 W组件，固定安装采用最佳倾角为 22°，光伏阵列将 20块电池组件串联成为 1列，每列功率为275×20=5 500 W，共需1 000÷5.5≈182列，需要电池板共182×20=3 640块。通过Boost变换器对蓄电池组充电，使用最大功率点跟踪技术，使得光伏系统的传输功率一直工作在最佳状态，保持输出电压的稳定。

图9 光伏电池放电模型图

3 高压直供直流电加热系统仿真模型的建立及典型工况分析

利用Matlab/Simulink对分布储能式新能源高压直供直流电加热系统的仿真模型进行搭建，并针对系统在不同情况下的工作状态进行仿真，分析配电网对电加热装置供电(不充电)、配电网对电加热装置供电的同时对蓄电池组充电、蓄电池组对电加热装置供电的同时配电网对其他蓄电池组充电的3种典型工况。

3.1 高压直供直流电加热系统仿真模型的建立

建立分布储能式新能源高压直供直流电加热系统，仿真模型如图10所示。

该系统仿真模型包括三电平PWM整流模块、DC/DC变换器模块、蓄电池组充电模块、蓄电池组模块、蓄电池组放电模块、光伏电池模块。系统中蓄电池组用3组蓄电池组表示，1组负责给电加热装置供电，1组由配电网充电，1组由光伏电池充电。参数设置如下：配电网额定交流电压6 kV；蓄电池额定电压128 V；整流器侧输入电压6 kV；经高压DC/DC变换器后输出电压500 V；电网频率50 Hz；开关器件均使用IGBT管；蓄电池最大充电电流及放电电流均为120 A。

3.2 配电网对电加热装置供电工况

如图10所示，闭合断路器1、3(Breaker1、3)，其余断路器断开，模拟系统电加热装置工作时配电网给电加热装置供电且不充电工况，对系统进行仿真。通过调整负载阻值使输出功率达到500 kW，仿真一段时间后闭合断路器16(Breaker16)，使输出功率达到1 MW，得到三电平PWM整流器直流侧电压与电流及系统输出电压与电流的仿真结果图，如图11、图12所示。

图10 系统仿真模型

图11 整流器直流侧电流与电压

图12 系统输出电流与电压

通过图11可以看出，仿真5 s后改变负载阻值，电流从100 A变为200 A，但整流器直流侧电压保持5 000 V不变。通过图12可以看出，系统输出电压一直保持在500 V，输出电流从1 000 A变为2 000 A。通过图11与图12的对比可以看出，输出与输入功率基本相同。通过改变负载阻值可以改变输出功率，输出电压保持不变。因此，系统能够正常运行，并满足电加热装置的用电需求。

3.3 配电网对电加热装置供电同时对蓄电池组充电工况

如图10所示，闭合断路器1～9(Breaker1～9)，其余断路器断开，模拟系统谷电价电加热装置工作时配电网给电加热装置供电同时给蓄电池组充电工况。设定负载阻值0.25 Ω，即输出功率1 MW，根据额定参数设定蓄电池组，使蓄电池组初始充电状态为容量的30%，对系统进行仿真。分别测量整流器直流侧电压与电流、系统输出电压与电流、蓄电池组充电电路输入电压与电流、蓄电池组状态，得到仿真结果如图13～15所示。

图13为整流器直流侧电流与电压以及系统输出端电流与电压，从图中可以看出，整流器直流侧电流为254.5 A，电压为5 000 V，则总输入功率为1.272 5 MW；系统输出电流为1 900 A，输出电压为500 V，则输出功率为0.95 MW。图14为蓄电池组充电电路输入电流与电压波形图，从图中可以看出，1组蓄电池组输入电流为215 A，输入电压为500 V，则输入功率为107.5 kW，则3组蓄电池组输入功率为107.5×3=322.5 kW。由此可以得到，配电网给系统提供1.272 5 MW的电能，其中，0.95 MW的电能用来给电加热装置供电，322.5 kW的电能用来给蓄电池组充电。仿真结果证明输入输出功率保持不变，因此系统可以稳定运行。

图13 整流器直流侧电流与电压及系统输出电流与电压

图14 蓄电池组充电电路输入电流与电压

图15 蓄电池组充电时状态

图15为蓄电池组充电时状态结果图。图中蓄电池电荷状态一直处于上升趋势，蓄电池组充电，蓄电池内部电流与电压和参数吻合，蓄电池组正常运行。

在配电网对电加热装置供电的同时对蓄电池组充电的工况下，系统可以满足供电需求并稳定运行。

3.4 蓄电池组对电加热装置供电同时配电网对其他蓄电池组充电工况

如图10所示，闭合断路器1、2、5、8、10、13(Breaker1、2、5、8、10、13)，其余断路器断开，模拟系统谷电价电加热装置工作时蓄电池组对电加热装置供电同时配电网对其他蓄电池组充电工况。1组蓄电池组最多提供50 kW的电能，在实际系统中，当电加热装置需要1 MW电能时(最大)，需要20组蓄电池组同时充电才能满足供电需求。仿真时只进行3组蓄电池组供电仿真，2组蓄电池给电加热装置供电，1组蓄电池充电。设定负载阻值为2.5 Ω，即输出功率为100 kW, 设定供电蓄电池组初始充电状态为容量的90%，充电蓄电池组初始充电状态为容量的30%，对系统进行仿真，仿真结果如图16～19所示。

图16 单组蓄电池组输出电流与电压

图17 系统输出电流与电压

图16为单组蓄电池组输出的电压与电流，由图可以看出，输出电流为100 A，电压为500 V，则输出功率为50 kW。单组蓄电池组可以稳定地为电加热装置提供电能。图17为系统输出电流与电压，输出电压稳定在500 V，输出电流为200 A，则输出功率为100 kW，蓄电池组可以满足电加热装置不同的供电需求，系统可以稳定运行。