面向棉田灌溉的光-储联合供电系统设计

胡 衡 ，任甜甜 ，王玉巍 ，任 鹏，张慧娥

（1.新疆工程学院能源工程学院，乌鲁木齐 830023；2.新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐 830017）

为解决能源危机与环境恶化带来的双重挑战，当今世界各国正积极开发利用可再生能源。随着中国能源转型“碳达峰”与“碳中和”战略目标的提出，光伏发电作为一种绿色、环保、可再生的发电形式，其应用领域和规模势必会越来越大［1，2］。因太阳能受季节、天气、时间的约束性较强，光伏发电的间歇性和波动性特征明显，会造成系统供电不稳定［3］。而加入储能装置后的光-储系统，可将电能先存储再平稳输出，从而充分保障负荷所需的电能质量和供电可靠性要求。

新疆作为中国最大的优质棉生产基地，主要得益于其得天独厚的自然条件。据统计，2020 年新疆棉花种植面积为250.2 万hm2，占全国种植面积的78.9%，产量达516.1 万t，较上年增产3.2%。但新疆地区气候干旱少雨的特点又直接制约了棉花产量，这个问题在棉花盛产地南疆四地州尤其突出，因此解决南疆棉田的灌溉问题显得尤为关键［4，5］。虽然当前中国棉田灌溉系统正逐步走向智能化发展，但它所需的稳定电力保障仍主要来自电网，且以传统煤电为主，所以棉田灌溉系统在实现绿色低碳和节能减排目标上尚有一定差距。南疆棉花种植区大多属于偏远不发达区域，甚至电网覆盖不全，灌溉用电难以保障。此外，南疆地区棉花的种植周期自每年4 月开始播种，9 月结束采摘，平均日照时数较长。因此，充分利用好当地丰富的太阳能资源，满足棉田灌溉系统的光-储联合供电功能需求，可为缓解该地区用电需求紧张和实现绿色智能农业发展提供关键技术参考，具有重要的实际意义和推广价值［6，7］。

1 系统总体方案设计

根据棉田灌溉需求，光-储联合供电系统的总体拓扑结构如图1 所示，图中箭头表示电能流方向。光伏电池阵列由若干个电池板单元按串、并联方式组成，实现太阳能转化成电能过程。由于光伏阵列输出电压受环境光照强度和温度影响明显，为了提升光伏发电效率，通常需要加入最大功率点跟踪（Maximum power point tracking，MPPT）控制环节。

图1 系统拓扑结构示意图

储能模块选用技术成熟、应用广泛、成本较低的铅酸蓄电池形式，在双向DC-DC 变换器的控制下实现能量在光伏直流母线与蓄电池间的双向流动，充分发挥“削峰填谷”作用，以此保障系统供电的稳定和可靠。根据光伏发电和棉田负荷动态变化情况，光-储联合供电系统共有4 种典型运行状态，如表1所示。棉田灌溉系统中负荷所需电能有直流（DC）和交流（AC）两种形式，其中交流电可利用变流环节通过逆变和变压后获得。

表1 光-储联合供电系统4 种典型运行状态

2 光-储联合供电系统的设计

2.1 光伏发电单元设计

光伏发电单元的设计包括阵列安装容量和联接方式的设计，具体设计需根据棉田灌溉负荷的功率和运行状态进行。本系统以新疆阿克苏市某兵团农场棉田为对象开展研究设计，总灌溉面积约15 hm2，采用自动滴灌技术并实行网格化管理，划分为12 个灌溉单元，每个单元安装1 个单寸灌溉用电磁阀，单阀控制面积约0.08 hm2。因此，负荷主要为间断运行的水泵与变频器装置及持续运行的控制单元模块等，设计时可忽略功耗较低的电磁阀、检测及执行元件等的影响［8］。根据实际所选定的主要设备型号统计得出该棉田负荷的最大功率Pmax=2.2 kW，日耗电量Wec≈12 kW·h。

为进一步确定光伏阵列安装容量Cpv的大小，还需对该棉田的光照条件进行统计分析，阿克苏市各月的日均峰值日照时数Tpv分布情况如图2 所示。由图2 可知，阿克苏市年度日均峰值日照时数为4.44 h，光照条件在6 月达到最优，其值为6.23 h。根据能量守恒可知，要保证光伏发电量与棉田灌溉负荷用电量之间的平衡关系，需满足式（1）。

图2 阿克苏市日均峰值日照时数统计

为充分利用光照资源和发挥蓄电池储能功能，选取最大日均峰值日照时数来计算光伏阵列安装容量，得出Cpv=1.8 kW。考虑效率因素制约并保留一定裕量后，取Cpv=2.0 kW。选定型号为JKM250P-60的光伏组件构成光伏发电单元，其参数如下：最大功率Pmp=250 W，最佳工作电压Vmp=30.5 V，最佳工作电流Imp=8.2 A，开路电压Voc=37.7 V，短路电流Isc=8.85 A。因此，共需要8 块该型号的光伏组件，且按照4 串2 并形式进行组合使用。

2.2 双向DC-DC 变换器设计

双向DC-DC 变换器实际上是指实现DC-DC 变换器的双象限运行，其输入输出电压的极性不变，但电流方向可以根据应用要求来改变。双向DC-DC变换器的输入、输出端口的调换仍可完成电压变换功能，且功率能够实现双向流动［9］。光-储双向DCDC 变换器作为连接光伏电池阵列、蓄电池储能及棉田负荷的纽带，起到能量传输变换的作用，其主电路如图3 所示。光伏发电单元经二极管VD3 与双向DC-DC 变换器相连，VD3 的作用是防止电流反向流动对光伏组件造成损害。主电路中采用2 个电力MOS 管 V1、V2，且各自反并联一个二极管VD1、VD2。电感L 是实现升压功能的重要元件，滤波电容C1 能够维持蓄电池电压U 相对稳定。本设计选取光伏直流母线电压Udc=48 V，选用36 V、1 200 Ah的铅酸蓄电池组作为储能装置。通过对双向DCDC 变换器进行有效控制，能够实现当光伏发电功率较高时，蓄电池达到充电状态，储存剩余电能；当光伏出力不足时，蓄电池进入放电模式，释放部分电能。

图3 光-储双向DC-DC 变换器主电路

2.3 变流环节设计

棉田灌溉系统中需使用水泵、变频器等大功率负荷，其工作电压通常为380 V 的交流电。因此，光-储联合供电系统还需配置相应的交流变换环节来将直流母线电压逆变成三相交流电压，同时加入变压器升压至380 V。设逆变器输出相电压的幅值为VPase-peak，则根据逆变器工作特性可知：

式中，m为调制比，在此选取m=0.8，则VPase-peak=22 V。

升压环节选用常规三相双绕组变压器，其一次侧输入线电压为逆变器输出相电压的倍，设此升压变压器的变比为k，则有：

根据式（3）可计算出变比k=10。

3 系统控制策略设计

3.1 MPPT 控制策略

由于光伏阵列的出力受光照强度、温度等因素约束，其输出电压与功率是非线性变化的。当电压等于某一特定值时，若功率达到峰值，则称该点为最大功率点。显然，随着环境条件的改变最大功率点不是恒定不变的。为提升棉田灌溉光伏供电系统的发电效率，本设计采用扰动观察法来实现MPPT 环节的控制。扰动观察算法首先对光伏阵列输出电压以预设的扰动步长与频率进行扰动，然后实时判断扰动前后输出功率的大小，并据此确定下一时刻扰动电压的方向，最终使其工作在最大工作点处［10，11］。扰动观察算法具体流程如图4 所示。

图4 扰动观察MPPT 控制流程

3.2 双向DC-DC 变换器控制策略

光-储联合供电系统要求能量双向流动，采用的双向DC-DC 变换器需具备升降压双向变换功能，其控制应实现直流侧输入、输出有功功率的控制。根据控制目标的不同，一般采取恒流控制或恒压控制策略［12，13］。为控制本光-储双向 DC-DC 变换器实现蓄电池高效恒压充电和恒流放电，设计出一种电压电流双闭环控制策略，其控制框如图5 所示。图中Uref、Iref分别为给定参考电压值、电流值，IL为负荷电流，AVR、ACR分别为电压外环、电流内环PI 参数，Gm(s)、Gi(s)、Gv(s)分别为调制环节传递函数、输出电流对占空比的传递函数及负载电压对电流的传递函数，Hi(s)、Hv(s)分别为电流内环、电压外环采样环节的传递函数，它们的参数均可根据系统参数推导确定。

图5 电压电流双闭环控制策略框

在双闭环控制结构中，内环为电流环，用以使电流的输出快速跟随输入；外环为电压环，用以调整输出电压使之跟随给定值。电流内环与电压外环均采用PI控制器，其中P 是比例调节，主要用于减小系统偏差，I是积分调节，常用来消除稳态误差，二者结合后能够较好满足快速性与稳定性要求。

3.3 逆变器控制策略

光-储联合供电系统大多时间都是作为独立电源向棉田负荷供电，为其提供电压和频率支撑。因此，光-储联合供电系统需保证在无市电保障下向负载提供电能，因而适宜采用电压/频率（V/f）控制策略［14，15］。V/f控制的基本思想是无论直流母线侧输出功率怎样变化，其出口电压幅值和频率均维持不变，同时保持对负荷功率的一定跟随性。本设计采用电压电流双闭环V/f控制策略，且以输出电压为外环控制，滤波电感电流为内环控制，如图6 所示。图中，uref为给定电压参考值，udref、uqref分别是电压参考值的d、q轴分量；id与iq、idref与iqref分别为交流侧电流d、q轴分量的实际值与参考值；ud与uq、usd与usq分别为逆变器输出电压d、q轴分量的实际值与参考值；f为给定频率指令；Ls为交流侧耦合电感；ω为电压初始电角度；θ为电压相位角。

图6 双闭环V/f 控制策略框

这种基于PI 调节的电压外环与电流内环相结合的双闭环V/f控制策略，既实现了对逆变器输出电压有效值进行有效控制，又对输出电流的波形进行较好控制。电压外环控制为交流侧维持稳定电压支撑，电感电流内环控制能够及时跟踪负荷的变化，进而提高动态响应速度。

4 仿真验证设计

基于上述各环节的设计，利用Simulink 搭建面向棉田灌溉的光-储联合供电系统的仿真模型如图7 所示。

图7 光-储联合供电系统Simulink 仿真模型

仿真开始前，选择可变步长的Ode45 算法，同时设定初始时刻的光照强度为1 000 W/m2，温度为25 ℃保持不变。假设在0.1 s 时光照强度降低至1 000 W/m2，运行仿真后，光伏发电单元的输出功率和A 相电压的波形分别如图8、图9 所示。当光照条件较好、光伏出力较多时，蓄电池进入恒压充电模式，其充电曲线如图10 所示；当光照条件较差、光伏出力不足时，蓄电池进入恒流放电状态，其放电曲线如图11 所示。

图8 光伏发电单元输出功率仿真结果

图9 A 相电压波形仿真结果

图10 蓄电池恒压充电曲线仿真结果

5 结论

本研究针对棉田灌溉用电问题提出了一种光-储联合供电的方案。通过仿真结果可以看出，基于扰动观察法的MPPT 控制策略不仅能够实现光伏发电单元在0.042 s 内跟踪到最大功率输出，而且可以保证光照条件突变后快速捕捉到新的最大功率点；基于双闭环的V/f控制策略使得逆变器输出交流电压波形畸变较小且经变压器升压后能够维持对应的相电压基波幅值为311 V；同时，基于电压电流双闭环的双向DC-DC 变换器控制策略能够维持蓄电池以36 V 的电压进行恒压充电和以6.5 A 的电流进行恒流放电状态。仿真结果验证了光-储联合供电系统的可行性，能够较好地满足棉田灌溉负荷的用电需求。

图11 蓄电池恒流放电曲线仿真结果