山区型温室群光储混合供电系统仿真研究

任 鹏，谢永流，王玉巍，史瑞静,3，王长云，艾则麦提•图尔洪

（1.新疆工程学院能源工程学院，新疆 乌鲁木齐 830023；2.国网三明供电公司，福建 三明 365099；3.新疆大学电气工程学院，新疆 乌鲁木齐 830046；4.新疆农业大学机电工程学院，新疆 乌鲁木齐 830000；5.和田职业技术学院，新疆 和田 848000）

0 引言

伴随着传统能源剧烈消耗带来的能源枯竭、温室效应等问题日益严重，地球能源结构正面临着巨大挑战[1-2]。随着农业种植、养殖规模的不断发展，“五位一体”的大棚温室群数量也在进一步扩增，导致温室群耗电量增加。我国要大力发展绿色农业生产，降低化石等不可再生能源的消耗，实施节能减排措施[3-4]。

风、光等新能源发电技术是一种绿色、损耗少、易维护的可持续发电技术，研究可再生能源温室群供电系统，在保证温室群供电可靠性的同时可减少传统能源消耗，降低农业电能损耗。范哲超等[5]建立独立型温室光储供电系统，实现温室负荷可靠供电。王立舒等[6]针对农业太阳能供电型温室大棚提出一种最大功率跟踪算法，实现太阳能的最大化利用。杨昌登等[7]针对太阳能供电农业物联网进行设计，提升了农业清洁能源的有效利用。上述研究均在一定程度解决了太阳能清洁能源在农业方面的利用，但欠缺考虑太阳能发电不规律对农业负荷用电稳定性的影响。

本研究针对新疆维吾尔自治区（以下简称新疆）和田地区山区型温室群，根据地区全年峰值日照时数，确定光伏系统容量和型号。考虑光伏出力的不确定性和单储能系统供电的局限性，以蓄电池和超级电容构成混合和储能系统平抑光伏出力带来的温室群用电功率波动，研究温室群光储混合供电系统仿真模型，对我国农业能源消耗的结构转变具有重要的推广价值和现实意义。

1 独立型温室群光储供电系统设计

1.1 供电系统拓扑结构

本研究拟构建一种山区型温室群光储混合供电系统模型，针对新疆和田地区温室群工作用电规律，设计适宜容量的光储混合供电系统；在研究光伏系统、混合储能系统的基础上，采用扰动观测法实现光伏电池的最大功率追踪；根据储能元件工作特性，采用二阶滤波器和DC/DC 变换电路实现储能系统的充放电控制；通过直流逆变技术将汇总到直流母线侧的电能变为交流电给温室群交流负荷供电。山区型温室群光储供电系统拓扑结构如图1 所示。

图1 山区型温室群光储混合供电系统拓扑结构Fig.1 Topological structure of optical storage hybrid power supply system for greenhouse group in mountainous area

1.2 供电系统设计

进行山区型温室群光储混合供电系统研究前，需先确定单个温室内部各个负荷消耗功率，其内部负荷运行模式及消耗功率如表1 所示。

表1 温室负荷运行模式及消耗功率Tab.1 Greenhouse load operation mode and power consumption

由表1 可知，单个温室系统用电设备最大耗电功率为Pmax=3.05 kW，经统计计算得日消耗电量Er=12 kW•h。由于电能具有随发随用、不易储存的特性，而光伏电池的出力规律受自然条件的影响较大，具有一定的不确定性，不能保证系统功率平衡，还需加入储能系统引入弹性机制平抑负荷功率波动。

以新疆维吾尔自治区和田地区为例，其各月日均峰值日照时数如图2 所示，常用光伏阵列容量乘以平均峰值日照时数估算光伏系统日均发电量。由图2 可知，和田地区峰值日照条件随季节的变化存在较大差异，峰值日照时数最多的是6 月，日均峰值日照时数为6.83 h；光照条件最差的是12 月，日均峰值日照时数为2.53 h；全年日照峰值为4.83 h。在配置光伏电池容量时，需考虑功率与能量两方面平衡，由于存在储能系统这一弹性功率调节机制，而且温室群最大耗电功率与光伏阵列最大功率输出难以同时出现，故本研究只考虑能量平衡。

图2 新疆和田地区峰值日照时数Fig.2 Peak sunshine hours in Hetian Region of Xinjiang

光储供电系统与温室群负荷之间的能量应满足式（1）。

式中Cpv−光伏阵列安装容量，kW

Tpv−峰值日照时数，h

Er−日消耗电量，kW•h

由于电能具有随发随用、不易存储的特性，即光伏阵列发出的多余电能无法被蓄电池和温室群负载完全消纳，为减少能量损失，以最大均峰值日照时数配置光伏阵列的安装容量，求得Cpv≈1.76 kW，保留一定余量，实际取值Cpv＝2 kW，取温室群规模为10，则Cpvz＝20 kW。

选取光伏电池参数如表2 所示，共需150 块光伏电池，考虑电路元件的耐压、耐流特性问题，将其分为15 组，每组10 块光伏电池串联使用。

表2 温室群光伏系统供电单元参数Tab.2 Parameters of power supply unit of greenhouse group photovoltaic system

2 光伏阵列供电系统设计

2.1 光伏电池输出特性曲线

根据光伏电池数学模型，建立温室群光伏系统供电单元数学模型，单块电池具体参数设置如表2 所示，在工作温度25 °C，太阳光辐射强度由强至弱分别为1 200、1 000、800、600、400 W/m2时，经过相关计算获得U-I和U-P特性曲线如图3 所示。

图3 光照强度变化时光伏电池输出特性曲线Fig.3 Output characteristic curve of photovoltaic batteries with changes in light intensity

由图3 可知，不同光强下的最大功率点电压和电流不同，光强增加或降低，其电压和电流也会改变，在环境条件发生改变时，总对应着一对电流与电压使光伏电池输出功率在当前环境条件下达到最大值，即为最大功率输出点。

2.2 光伏电池最大功率追踪

光伏电站大多建在光资源丰富、环境变化复杂的平原地带，通过实时跟踪最大工作点电压增强光利用率，达到提高光伏系统输出功率的目的，这一过程称为最大功率追踪。根据U-I、U-P特性曲线，使其运行在当前环境下最大功率点，从而实现MPPT 控制[8]。本研究采用扰动观测法（Perturbation and Observation，P&O）实现MPPT 控制，其流程如图4 所示。

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

3 混合储能系统控制策略

采用蓄电池和超级电容组成的混合储能系统平抑由于光伏电池不规则出力造成的系统功率波动，通过二阶滤波器分配超级电容和蓄电池分别承担的参考功率，根据各参考承担功率计算相应的充放电电流，通过控制DC/DC 电路追踪参考电流进而输出参考功率，平抑功率波动。

3.1 光储混合供电系统功率约束

温室群光储供电系统中，功率供需平衡约束条件如式（2）所示。

式中Pv−光伏阵列输出功率，kW

Pba−蓄电池/超级电容输入功率，kW

Psc−蓄电池/超级电容输出功率，kW

Pgird−网内波动功率，kW

Pba,gird、Psc,gird−蓄电池、超级电容参考承担功率，kW

PL−负荷需求，kW•h

SOCba、SOCsc−蓄电池、超级电容实际荷电状态，%

SOCba,max、SOCsc,max−蓄电池、超级电容最大允许荷电状态，%

SOCba,min、SOCsc,min−蓄电池、超级电容最低允许荷电状态，%

若Pgird>0，储能系统充电；Pgird<0，储能系统放电。

混合储能功率分配一般采用分频控制法，采用二阶滤波器划分波动功率[9-10]。其控制框图如图5 所示。通过二阶滤波器得到各储能元件参考出力规律后，混合储能系统控制策略。①蓄电池充放电控制：在功率分配策略下得到Pba,gird，根据蓄电池端电压获得蓄电池充放电参考电流ibaref，采用单电流环控制蓄电池充放电电流iba。②超级电容储能系统：根据式（2）输出Psc,gird，电流内环通过控制超级电容充放电参考电流iscref来追踪给定Psc,gird，电压外环控制保证直流母线电压稳定。

图5 混合储能系统控制框图Fig.5 Control block diagram of hybrid energy storage system

3.2 DC/DC 变换器设计

由图1 可知，双向DC-DC 变换器是储能装置的核心部分，通过双向DC-DC 变换器来协调能量在直流母线、负载和储能系统之间的双向流动，达到稳定直流母线电压的目的[11-12]。选用非隔离型双向DC/DC 变换器，具有功率器件少、成本低、可靠性高等优点，拓扑结构如图6 所示。

图6 双向DC/DC 变换器拓扑结构Fig.6 Topology of bi-directional DC/DC converter

分别建立双向DC/DC 变化器在Buck 与Boost 工作模式下的状态空间模型，选取储能侧电容电压Uc2，直流侧电容电压Uc1和电感电流iL为状态变量；d1、d2分别为双向变换器Buck/Boost 模式的占空比；Udc和Us分别为直流侧和储能侧电压；Rdc和Rs分别为直流侧和储能侧的等效电阻；C1和C2分别为直流侧和储能侧的电容。以晶闸管是否导通、二极管是否续流，将DC/DC电路划分为2 种工作模式。

3.2.1 Buck 模式状态空间模型

Buck 模式下的状态空间方程如式（3）所示。

对式（3）加入小信号扰动，在消去稳态分量和二次项分量后，其传递函数如式（4）所示。

3.2.2 Boost 模式状态空间模型

Boost 工作模式与Buck 类似，Boost 模式下状态空间方程如式（5）所示，传递函数如式（6）所示。

4 仿真分析

根据设计的光伏电池阵列、混合储能系统功率协调控制策略，在Matlab/simulink 中搭建温室群光储混合供电系统仿真模型，并进行验证分析，具体仿真参数如表3 所示，仿真模型如图7 所示。设置光伏阵列工作环境（T=25 °C、S=1 000 W/m2），光照强度在3s时变为500 W/m2，初始负荷为20 kW，2 s 时增加2 kW。山区型温室群光储混合供电系统各模块仿真输出如图8 所示，其中Ps为储能系统输出功率。

图7 温室群光储混合供电系统仿真模型Fig.7 Simulation model of greenhouse group light storage hybrid power supply system

图8 山区型温室群光储混合供电系统仿真输出Fig.8 Simulation output of optical storage hybrid power supply system for mountain greenhouse group

表3 温室群光储混合供电系统仿真参数Tab.3 Parameters of greenhouse group optical storage hybrid power supply system

由图8 可知，①0～0.15 s，温室群系统初始负荷为20 kW，光伏系统输出功率无法满足温室群负荷需求，超级电容、蓄电池在0.05 s 内输出功率维持系统功率平衡。②0.15～2.00 s，随着光伏电池输出功率趋于平稳，超级电容暂停输出功率，蓄电池稳定输出平抑低频波动功率。③2～3 s，光照强度不变，温室群负荷突增2 kW，超级电容迅速输出电能，平抑高频功率波动，待蓄电池输出稳定后，超级电容降低输出功率，维持直流母线电压稳定。④3～5 s，光照强度在3 s 时变为500 W/m2，光伏阵列输出功率降低至10 kW，负荷不变，混合储能系统增加输出功率，保障温室群负荷工作用电。

综上，随着光照强度和温室群负荷的变化，储能系统可平抑由以上因素所造成的波动功率，维持温室群光储混合供电系统稳定，保证系统负荷用电的可靠性。

5 结束语

针对山区型温室群光储混合供电系统进行建模仿真研究，以新疆和田地区山区型温室群为研究对象。根据地区全年峰值日照时数设计并选取光伏阵列安装容量及型号，在建立光伏电池模型的基础上，采用扰动观察法实现最大功率追踪；采用二阶滤波器对混合储能系统进行功率分配，以DC/DC 电路实现能量的双向传递并建立相关传递函数数学模型；在相关仿真软件中搭建了山区型温室群光储混合供电系统仿真模型，验证了其在温室群负荷波动、光强变化时系统供电稳定性。结果表明仿真模型满足温室群负荷用电需求，验证了仿真模型的有效性，可为后续建立硬件研究提供一定参考。