用戶側(cè)分布式光伏儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術研究——畢業(yè)論文

用戶側(cè)分布式光伏儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術研究摘要本文研究的重點是研究用戶側(cè)分布式光伏儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術，包括提出用戶側(cè)分布式光伏/儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)典型拓撲結(jié)構(gòu)。以及研究適合家庭分布式發(fā)電用的光伏板與儲能元件的最優(yōu)容量配置；最后針對分布式光伏發(fā)電/儲能協(xié)調(diào)并網(wǎng)進行研究，最后通過數(shù)學建模和運行仿真分析電網(wǎng)穩(wěn)定性。分布式光伏發(fā)電的發(fā)展與現(xiàn)代電力電子技術、計算機控制技術等密切相關。掌握電力電子技術等技術變得尤為重要。同時也應注意檢測技術的掌握。關鍵字：分布式；光伏；儲能；并網(wǎng)；協(xié)調(diào)控制Research on the coordinated control technology of the distributed photovoltaic energy storage and power generation system in the user sideAbstract: In this paper, the focus is on the user side of the distributed photovoltaic storage can joint power coordination control technology, including the user side distributed photovoltaic / energy storage combined power generation system typical topologies are proposed in this paper.And research for the family of distributed power generation of photovoltaic panels and storage to elements of the optimal allocation of capacity. Finally for distributed photovoltaic power generation / energy storage coordination grid connection is studied. Finally, through mathematical modeling and simulation analysis the stability of power grid. The development of distributed photovoltaic power generation is closely related to modern power electronic technology and computer control technology.Master power electronics technology and other technologies become particularly important.At the same time, it should also pay attention to the detection of the master of technology.Keywords: distributed; PV; energy storage; grid connection; coordinated control目錄第一章 前言11.1 課題背景11.1.1 國內(nèi)外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀11.2 儲能技術介紹21.2.1 電磁儲能31.2.2 機械儲能31.2.3 電化學儲能41.3 本課題的研究內(nèi)容4第二章 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)建模52.1 光伏陣列建模52.1.1 光伏電池等效模型52.1.1.1單個光伏電池原理52.1.1.2 光伏電池模塊原理72.1.2 光伏陣列仿真模型72.1.2.1 仿真模型結(jié)構(gòu)72.1.2.2光伏電池陣列模型界面82.1.3光伏電池模型仿真測試92.2 MPPT建模122.2.1 爬山法原理122.2.2 最大功率追蹤的實現(xiàn)142.2.2.1 boost電路原理152.2.2.2 由mppt控制的BOOST電路162.3 并網(wǎng)逆變器建模182.3.1 逆變器控制器設計19傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器鎖相環(huán)192.3.2 逆變器建模仿真212.4 直流升壓建模232.4.1 直流升壓拓撲結(jié)構(gòu)及設計232.4.2逆變器控制242.4.3 模塊仿真測試25第三章 光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能裝置接入方式263.1 鉛酸蓄電池數(shù)學模型及接入方式263.1.1 鉛酸蓄電池數(shù)學模型263.1.2 鉛酸蓄電池的接入方式293.2 鉛酸蓄電池充放電控制方法介紹293.3 鉛酸蓄電池充放電仿真303.3 儲能裝置選擇及容量配置313.3.1 儲能裝置選擇313.3. 光伏儲能中的蓄電池容量計算32第四章 系統(tǒng)仿真結(jié)果以及分析334.1 儲能充放電仿真33第五章 結(jié)論與展望37致謝38主要參考文獻39V第一章 前言1.1 課題背景如今在化石燃料越來越少的局面中光伏發(fā)電系統(tǒng)越來越顯得重要。而儲能元件的不斷豐富，使得其可以逐漸克服光伏能源的不穩(wěn)定性，在一定方面使不可調(diào)控的光伏發(fā)電變?yōu)榭梢钥刂频哪茉吹男路椒?。分布式光伏發(fā)電遵循因地制宜、清潔高效、分散布局、就近利用的原則，可以很好的利用當?shù)氐奶柲苜Y源代替和減少化石能源的消耗，并且相比集中式光伏電站在遠距離電力傳輸上有效的減少了電能損耗的問題。其具有幾項特點，輸出功率比較小，一般為數(shù)千瓦以內(nèi)。幾乎零污染，環(huán)保清潔。在一定程度上能緩解局部地區(qū)的用電緊張，因為其能量密度的限制以及建筑面積有限以及受天氣等因素的影響，所以不能完全解決用電緊張的問題?？梢灾苯咏尤肱潆娋W(wǎng)，直接供用戶使用，并且在閑時將電能儲能，在用電高峰時段放電，實現(xiàn)削峰填谷的作用。但實際操作較為困難。1.1.1 國內(nèi)外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀化石燃料的消耗終有用盡的一天，且因為燃燒所產(chǎn)生的廢棄物給地球環(huán)境造成了極大的破壞，人類正在面臨能源短缺與生存環(huán)境兩大考驗，各國積極尋找可替代性能源。由于太陽能的清潔與可再生性，世界各個國家已經(jīng)將其公認為理想的替代能源，發(fā)達國家紛紛出臺相關政策以鼓勵光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展， 2010年7月，德國聯(lián)邦參議院熄過了可再生能源法光伏發(fā)電上網(wǎng)補貼修訂案，7月1日后在德境內(nèi)建造光伏發(fā)電系統(tǒng)補貼額減少13%，轉(zhuǎn)換地區(qū)（原非電站用地改成電站用地）補貼額減少8%，其他地區(qū)補貼額減少12%。到2010年10月1日，補貼額將在7月1日的基礎上再減少3%。其補貼逐漸遞減的政策，清晰地傳荙了德國政府逐步放手，試探并鼓勵光伏產(chǎn)業(yè)降低成本、自主發(fā)展的意圖。追求，為此對于高審美度集成系統(tǒng)，其補貼政策高荙60.2美元ct/kwh的補貼額，相信這項補貼很有可能將催化衍生出一批相對精致的光伏應用產(chǎn)品。2010年8月為例支持可再生能源的利用與二氧化碳的減排，日本經(jīng)產(chǎn)省擬對其國內(nèi)可再生能源發(fā)電實行全部售后制度。全部收購制度不僅擬逐步擴大收購對象，由太陽能發(fā)電擴大其他可再生能源所發(fā)電力，而且將惠及企業(yè)。針對太陽能發(fā)電的全部收購制度擬從2011年開始實施，其他可再生能源發(fā)端的全部收購擬在2015年至2020年期間實施。2009年12月，印度政府提出的“尼赫魯國家太陽能任務”目標在2022年前透過階段性發(fā)展，將國內(nèi)光伏發(fā)電量提升到20GW。截至2013年3月底的第一階段目標包括，電網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)電廠荙到1.1GW發(fā)電量、屋頂光伏系統(tǒng)發(fā)電量1億瓦，而非電網(wǎng)系統(tǒng)的光伏發(fā)電量則荙到2億瓦。針對我國而言，2014年2月11日，國家能源局宣布，2014年中國將新增光伏發(fā)電裝機1400萬千瓦，其中分布式光伏發(fā)電8GW占比60%。為支持國內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推進光伏發(fā)電項目規(guī)范有序建設，國家能源局自2014年起對光伏發(fā)電項目實施規(guī)模管理。納入規(guī)模管理范圍內(nèi)的光伏發(fā)電項目實行全電量國家補貼、并可申請市級獎勵資金；不需要國家補貼和市級獎勵資金的項目不納入規(guī)模管理范圍，也不受年度規(guī)模限制。依照可再生能源和新能源發(fā)展專項資金扶持辦法進行規(guī)范化操作。1.2 儲能技術介紹一般來說，儲能技術可分為三大類：電磁儲能、機械儲能、化學儲能。電磁儲能包括超導線圈和超級電容器等；機械儲能有水庫抽水蓄能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能；電化學儲能有鉛酸儲能、鋰離子和液流電池儲能等。1.2.1 電磁儲能超導儲能(SMES)采用超導體材料制成線圈,利用電流流過線圈產(chǎn)生的電磁場來儲存電能,由于超導線圈的電阻為零,電能儲存在線圈中幾乎無損耗,儲能效率高達95%。超導儲能裝置結(jié)構(gòu)簡單;沒有旋轉(zhuǎn)機械部件和動密封問題,因此設備壽命較長;儲能密度高,可做成較大功率的系統(tǒng);響應速度快(1100ms),調(diào)節(jié)電壓和頻率快速且容易。不過,目前的超導材料,特別是高溫超導材料的技術還不成熟,關鍵技術還有待于突破。電容儲能用電荷的方式將電能直接儲存在電容器的極板上,充放電快,能量密度高。由于一般的電容器的容量比較小,作為儲能器件以前只能用于間斷性的高壓脈沖電源。超級電容器是一種雙電層電容器,采用極高的介電常數(shù)的電介質(zhì),而且兩電荷層的距離非常小(0.5mm以下);采用特殊的電極結(jié)構(gòu),電極表面積成萬倍的增加,因此可以用較小體積制成大容量電容器,電容器的容量從微法拉級向法拉級飛躍,儲能大幅度增強,最大放電量4002000A。超級電容器系列產(chǎn)品在能源領域具有廣泛的應用前景, 目前超級電容器主要用于改善電能質(zhì)量,或者與其他儲能裝置聯(lián)合使用(如和蓄電池聯(lián)合使用用于電動汽車)。超級電容器的電介質(zhì)耐壓很低, 一般僅有幾伏, 在實際使用中必須將多個電容器串聯(lián)使用, 這就要求增加充放電的控制回路, 使每個電容器都工作在最佳工況下。1.2.2 機械儲能1、抽水儲能抽水儲能是在電力負荷低谷期將水從下池水庫抽到上池水庫，將電能轉(zhuǎn)化成重力勢能儲存起來，在電網(wǎng)負荷高峰期釋放上池水庫中的水發(fā)電。抽水儲能的釋放時間可以從幾個小時到幾天，綜合效率在70%85%之間，主要用于電力系統(tǒng)的調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等。抽水蓄能電站的建設受地形制約，當電站距離用電區(qū)域較遠時輸電損耗較大。2、壓縮空氣儲能壓縮空氣技術在電網(wǎng)低負荷運行時期可將電能用來壓縮空氣，將能量貯存在被壓縮的空氣中，而被壓縮的空氣可以貯存在一些氣罐中，在電網(wǎng)高負荷運行時期釋放能量，從而起到電力調(diào)峰，但其會受到電站地形的制約，選廠比較復雜和嚴格。3、飛輪儲能飛輪蓄能利用電動機帶動飛輪高速旋轉(zhuǎn)通過飛輪將電能轉(zhuǎn)化為機械能，在電網(wǎng)急需用電時候通過飛輪帶動電動機再將機械能轉(zhuǎn)化為電能，但其缺點也顯而易見，整個系統(tǒng)對機械損耗的要求什么嚴格，只有在真空中，并且無摩擦，無風阻的環(huán)境中才考慮運用此方法。并且其保存的能量有限，相對于飛輪的質(zhì)量比，其性能與價格過于昂貴。1.2.3 電化學儲能電化學儲能包括鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池等。液流電池具有大規(guī)模儲能的潛力，但目前使用最廣泛的還是鉛酸電池。1.3 本課題的研究內(nèi)容本課題的內(nèi)容安排以及研究工作：1、設計研究用戶側(cè)分布式光伏/儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)典型拓撲結(jié)構(gòu)。首先設計儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)典型拓撲結(jié)構(gòu)中的研究是為了進一步的解決由于光伏系統(tǒng)受天氣因素的影響，在陽光照射條件不好時系統(tǒng)出力明顯降低，對于離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)會造成供電的不穩(wěn)定甚至斷電。2、研究光伏發(fā)電容量與儲能器件容量配置并作出合理分析；3、針對分布式光伏發(fā)電/儲能協(xié)調(diào)并網(wǎng)進行建模和運行仿真分析；運用MATLAB中的SIMULINK的仿真技術，對研究得出的拓撲結(jié)構(gòu)和容量配置進行仿真并對其進行更深一步的分析。第二章 并網(wǎng)光伏系統(tǒng)建模2.1 光伏陣列建模光伏太陽能電池是整個發(fā)電系統(tǒng)的基礎，其好壞直接影響著整個系統(tǒng)運行。分析PV的I-V、P-U特性受太陽光照強度、工作溫度以及內(nèi)部電池的PN結(jié)參數(shù)影響而呈現(xiàn)的非線性關系。2.1.1 光伏電池等效模型由于單個光伏板的輸出電流、電壓比較小，通?？梢詫⑵溥M行串聯(lián)、并聯(lián)以滿足需要，我們將其稱為光伏陣列。一般來說，光伏陣列可以分為三個層次，由外到內(nèi)分別為：光伏電池陣列、光伏電池模塊、單光伏電池。而我們所設計的只有兩層，及光伏電池模塊與單光伏電池。如下圖所示。2.1.1.1單個光伏電池原理目前采用光伏電池模型主要有兩種，即物理等效和工程實用模型。物理等效模型是對光伏電物理特性的建模，下圖是理想光伏電池的等效電路圖，其中包含一個二極管還有一部分內(nèi)阻。圖2-1 理想光伏等效圖工程實用模型是利用光伏電池供應商提供的重要參數(shù)：光伏電池短路電流Isc、光伏電池開路電壓Voc、最大功率點電流Im、最大功率點電壓Vm和最大功率Pm等，模擬光伏陣列的特性，用于計算機仿真。本文采用圖2-2所示的電路圖建立光伏電池的仿真模型。電路中的參數(shù)有Iphc、Idic、Rsr、Rsh，各參數(shù)的含義如下：1、光生電流Iphc：光電效應產(chǎn)生的電流。光照強度一定時Iphc不隨工作狀態(tài)改變而改變，可視其為一個恒流源。2、反向電流Idic：光伏電池PN結(jié)上產(chǎn)生的電流，方向與光生電流相反。3、并聯(lián)損耗電阻Rsh：由于制造工藝的因素，光伏電池的邊緣和金屬電極在制作時會產(chǎn)生微小裂痕、劃痕，引起漏電，引入一個電阻來等效。光生電流Iphc值由下式確定： Iphc=Iscr+CTgTcell-TrefGGref (2-1)Iscr為參考條件小所得的短路電流；Tcell為光伏電池的相對溫度；G表示光照強度；CTg為光伏電池的短路電流溫度系數(shù)（A/K）；參考條件為Tcell=25和G=1000W/m2反向電流確定Idic值由下式確定：Idic=IosexpqVxckDiTcell-1 (2-2)其中k為玻爾茲曼常數(shù)其值為1.3810-23J/K。反向電流的飽和隨溫度的變化而變化，其與溫度的關系如下：Ios=IosrTcellTref3exp1Tref-1TcellqEbgkDi (2-3)其中Iosr為參考溫度下的飽和電流；Ebg是半導體材料的禁帶寬度； 2.1.1.2 光伏電池模塊原理單個光伏電池模塊的等效電路與單光伏電池結(jié)構(gòu)上相似，如圖2-2所示。 圖2-2 實際光伏電池的等效電路通過計算得到的單個光伏電池的光生電流和二極管反向電流后，光伏電池模塊的光生電流Iphm和二極管反向電流Idim可根據(jù)其包含的并聯(lián)電池數(shù)量按照式子計算：Iphm=NcplIphc (2-4)Idim=NcplIdic (2-5)2.1.2 光伏陣列仿真模型2.1.2.1 仿真模型結(jié)構(gòu)MATLAB/SIMULINK仿真平臺中可根據(jù)光伏陣列的數(shù)學模型進行搭建。其外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。T代表光伏電池的工作溫度，S代表光伏電池的輸入光照強度，Vpv是光伏電池的工作電壓，Ipv是光伏電池的流出電流。圖2-3光伏仿真結(jié)構(gòu)圖2.1.2.2光伏電池陣列模型界面如下圖2-5所示s1代表輸入光照強度，T代表輸入工作溫度也就是光伏板的溫度，in代表輸入工作電壓。P代表光伏電池輸出功率值，接顯示器可以顯示出實時光伏電池的輸出功率。在此，我們?yōu)榱嗽龃蠊夥姵氐妮敵龉β?，將其設計為光伏電池并聯(lián)的模型。圖2-5 光伏電池模塊光伏電池的內(nèi)部模型如圖2-6所示。因為其只產(chǎn)生一個電流進行輸出，我們需要通過恒流電源變換對其進行變換，并返回工作電壓，得出光伏電池板在一定光照和一定溫度下的工作電壓。圖2-6 光伏電池內(nèi)部模型2.1.3光伏電池模型仿真測試為了測試光伏電池陣列模型的I-U、P-U特性，設計如圖所示的仿真電路。其中在光照強度和溫度一定的條件下，電流和功率隨輸出電壓的變化而變化，我們將其進行圖像化。圖2-7 PV測試模型可以得到如下圖2-8所示。圖所示橫軸代表工作電壓，縱軸代表輸出電流，在25攝氏度和1000w/m2光照條件下電流隨著電壓的升高開始是平穩(wěn)不變的，當電壓達到最大功率電壓時電流開始下降。圖2-8 PV測試模型電壓和輸出電流下圖2-9是輸出功率P隨著電壓V的變化圖，當電壓達到最大功率電壓值時，功率達到最大，此后，功率會隨著電壓的升高而降低。圖2-8 PV測試模型電壓和輸出功率當改變光照強度后，溫度不變，進行仿真測試，得到以下仿真圖形。如圖2-9所示，得出在一定溫度條件不變下，光照強度越強其輸出的功率和電流越大。其輸出的最大電流和最大功率就越大。圖2-9隨光照強度變化的電流、功率與電壓對比圖當改變溫度條件，而光照不變時，進行仿真測試，得到以下圖形。如圖2-10所示，得出在一定光照條件不變的情況下，溫度越高其輸出的功率和電流越小。其輸出的最大功率和最大電流也就越小。圖2-10隨溫度變化的電流、功率與電壓對比圖2.2 MPPT建模首先，我們來了解什么是MPPT，Maximum Power Point Tracking最大功率點跟蹤，顧名思義，它能夠?qū)崟r的偵測光伏電池的發(fā)電電壓，并跟蹤最高電壓的電流值，使光伏電池以最大功率輸出對蓄電池充電。應用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中。目前，較為主流的最大功率跟蹤的算法主要有擾動觀察法、爬山法、電導增量法、二次插值法以及自適應模糊控制法。在仿真中我們采用的是 “爬山法”。2.2.1 爬山法原理爬山法屬于擾動觀察法，也是最常用的最大功率點跟蹤(MPPT)控制法。它采用逐點檢測太陽陣列的當前輸出電壓與電流值，將計算出的當前功率 P1(P1=I*U)與系統(tǒng)前一時刻 存儲的功率值 P相比較，根據(jù)比較結(jié)果確定參考電壓的調(diào)整方向。具體的調(diào)整方案為：令 P=P1-P為當前輸出功率 與前一次功率之差。如果：(1)PO，即功率比上一次有所增大，說明參考電壓的調(diào)整方向正確，繼續(xù)按原來的方向調(diào)整；(2)PO，下同)，有兩種情況。(1)若P1P，由太陽能電池的P-U曲線單峰性及電壓調(diào)整步長U的值較小 (為了保證系統(tǒng)跟蹤精度，U通常選在 0.10.01伏)這兩點可知，工作點位于最大功率點Pmax的左側(cè)，系統(tǒng)應繼續(xù)原來的擾動方式： U2=U1+U，其中U2為第二次調(diào)整后的電壓值，如圖 所示；(2)若P1P，說明工作點位于最大功率點 Pmax的右側(cè)， 系統(tǒng)需繼續(xù)原來的擾動方式：U2=U-U，如圖 2-13所示； (2)若 P1P，工作點位于最大功率點Pmax的左側(cè)，系統(tǒng)須改變原來的擾動方式，變?yōu)椋篣2=U1+U，如圖 2-14所示。如此反復，直到工作點接近 Pmax，爬山法實質(zhì)是一個自尋優(yōu)過程，它的控制原則是：參考電壓的變化始終是讓電池輸出功率朝大的方向改變。圖2-11 增大電壓后需要繼續(xù)原來擾動方式的 圖2-12 增大電壓后需改變擾動方式的情形圖2-13 減小電壓后需繼續(xù)原來擾動方式 圖2-14 減小電壓后改變擾動方式情形2.2.2 最大功率追蹤的實現(xiàn)根據(jù)上述所述，最大功率追蹤的實現(xiàn)是通過控制光伏電池端電壓來控制最大功率輸出。我選用BOOST升壓電路對其進行控制，當然也可以利用BUCK電路對其進行控制，但是由于單個光伏電池輸出的電壓太小，一般用BOOST升壓電路進行控制。按照圖2-15所示的結(jié)構(gòu)構(gòu)件最大功率點追蹤。MPPT模塊采集的是輸出電壓和輸出電流，輸出的是PWM信號，控制BOOST電路。圖2-15 光伏電池經(jīng)MPPT控制電路2.2.2.1 boost電路原理如圖2-16所示為boost升壓電路的拓撲結(jié)構(gòu)。圖2-16 Boost升壓電路結(jié)構(gòu)其中可以簡單認為電感L和電容C夠大，當開關斷開時，由電感L向電容C充電，由電容C向負載提供輸出，由于電容足夠大，開關時間很短暫，可以認為輸出的電壓Vout恒定。設開通時間為Ton,由于電感足夠大，電感電流iL基本恒定，電感生的儲能容量可以通過以下公式計算：ELin=ViniLTon (2-6)當關斷狀態(tài)時，有輸入端和電感L一起向電容充電，同時向負載供電。該過程中的能量計算為：Eout=Vout-ViniLToff (2-7)當電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時，其電感儲存的能量和釋放的能量是相等的。ViniLTon=Vout-ViniLToff (2-8)進一步可得出：VinVout=1-D (2-9)D位占空比：D=TonTon+Toff 0D-IU 或 dU=0，dI0 UUmp;U=U+U (2-12)dIdU-IU 或 dU=0，dIUmp;U=U-U (2-13)根據(jù)上述擾動觀察法原理，搭建MPPT的控制圖。如圖所示。圖2-18 MPPT控制圖2.3 并網(wǎng)逆變器建模逆變器的作用是用于光伏并網(wǎng)，其可分為電壓型逆變電路和電流型逆變電路，即直流側(cè)時電壓源還是電流源，單相逆變電路又有單相半橋和單相全橋。如圖所示。圖2-19 電壓型單相半橋逆變電路 圖2-20 電壓型單相全橋逆變電路我們所采用的是電壓型單相全橋逆變電路。其具有以下特點，（1）直流側(cè)為電壓源或者并聯(lián)大電容，因此直流側(cè)基本無變化，直流賄賂呈現(xiàn)低阻抗；（2）由于直流側(cè)的電壓源的鉗位作用，交流側(cè)輸出電壓為矩形波，與負載阻抗無關；負載影響的只是交流側(cè)輸出電流；（3）當交流側(cè)為阻感負載時需提供無功功率，直流側(cè)電容器緩沖無功作用。2.3.1 逆變器控制器設計傳統(tǒng)并網(wǎng)逆變器鎖相環(huán)逆變器的控制模式有電流型控制和電壓型控制，且逆變器是不能對PCC電壓進行調(diào)節(jié)的。本次仿真采用的是橋側(cè)電感電流控制方案。其控制系統(tǒng)框圖和復頻域等效電路如圖所示。圖2-21控制系統(tǒng)框圖圖2-22 復頻域等效電路由上圖可得到：P=EI1CZcos+90-E2Zcos (2-14)Q=EI1CZsin+90-E2Zsin (2-15)I1位橋側(cè)電感電流有效值；Z為L1之后、電網(wǎng)連接點之前的等效傳輸阻抗：Z=R22+(L2-1C)2 (2-16)=tan-1L2-1CR2 (2-17)輸送到電網(wǎng)的有功功率和無功功率孩由逆變器鋁箔電感L1電流的幅值與相位決定的，通過控制L1電流的幅值與相位即可控制逆變器輸送給電網(wǎng)的有功功率和無功功率。通過同步電路和乘法電路獲得與電網(wǎng)電壓同頻同相位的并網(wǎng)電流指令信號ig*，與實際檢測的并網(wǎng)電流ig比較后獲得偏差ig作為滯環(huán)比較器的輸入，通過滯環(huán)比較器得到開關需要的PWM信號，從而控制并網(wǎng)電流。由于開關頻率遠遠大于工頻，在一個開關周期可以認為電網(wǎng)電壓ug和給定電流ig穩(wěn)定不變，設滯環(huán)寬度H，當VT1和VT4導通時有Udc-Ug=Ldigdt （2-18）根據(jù)滯環(huán)比較的條件可以得到開通時間為：Ton=2Hdigdt=2HLUdc-ug （2-19）同理得關斷時間為：Toff=2HLUdc+ug （2-20）由上式可以得開關頻率fs為：fs=Udc2-ug24HLUdc （2-21）2.3.2 逆變器建模仿真單相逆變仿真整體框圖模塊測試。整體框圖和內(nèi)部子模塊如圖2-23所示。圖2-23 并網(wǎng)逆變器圖2-24 并網(wǎng)逆控制系統(tǒng)由子模塊對并網(wǎng)進行仿真，400V直流電壓源通過全橋逆變器，逆變?yōu)殡妷簽?20V頻率50HZ的交流電，且電流跟隨電壓的相位。單也應考慮以下幾點要素：（1） 接入點電壓光伏并網(wǎng)逆變器不可以調(diào)節(jié)公共接入點的電壓（Point of Common Coupling,PCC），光伏逆變器并網(wǎng)的電壓范圍為193V242V。超出這個范圍，光伏逆變器必須從電網(wǎng)切除。（2） 電網(wǎng)頻率并網(wǎng)時的頻率范圍應為49.3HZ50.3HZ，當超出這個范圍后，光伏逆變器必須從電網(wǎng)切除。（3） 電壓閃變并入電網(wǎng)時造成的PCC電壓波動不能超過電網(wǎng)電壓的5%。（4） 諧波并網(wǎng)逆變器的并網(wǎng)電流諧波應符合IEEE Std 519-1992標準的規(guī)定，諧波次數(shù)h（奇次）h1111h1717h2323h35總諧波畸變率（THD）百分比/(%)4.02.01.50.60.35.0(5)功率因數(shù)在輸出功率超過10%額定功率的情況下，光伏系統(tǒng)的功率因數(shù)應高于85%。進行并網(wǎng)仿真測試測試條件：直流電壓400V 電流給定20A 仿真時間 0.3S圖2-25仿真電流波形 圖2-26 仿真電流與電網(wǎng)電壓波形 如圖2-25所示為電流波形，如圖2-26所示為電壓與電流波形，電流實現(xiàn)了跟隨電壓相位，電壓幅值以及波形滿足并網(wǎng)要求，電流幅值為20A也滿足要求。這表明并網(wǎng)模塊測試基本成功。可以實現(xiàn)400V并網(wǎng)。2.4 直流升壓建模由于光伏電池輸出電壓有限，而為了結(jié)合并網(wǎng)模塊的使用，需設計一個由BOOST升壓電路后的光伏電池低電壓升壓到400V直流電壓，從而符合并網(wǎng)需要。2.4.1 直流升壓拓撲結(jié)構(gòu)及設計拓撲結(jié)構(gòu)如下圖所示。起始端接入經(jīng)MPPT模塊控制的BOOST升壓電路，經(jīng)過閉環(huán)逆變控制，逆變?yōu)榉禐?2V左右的交流電，經(jīng)過變壓器升壓后變?yōu)榉禐?00V的交流電，最后經(jīng)過不控整流從而實現(xiàn)將低電壓的直流電變?yōu)?00V的直流電。圖2-27升壓電路2.4.2逆變器控制隨著光照強度和電池板溫度的改變，輸出的電壓會有一定的改變，如要將其穩(wěn)定的升壓至400V就需要將逆變器進行閉環(huán)控制，本次仿真采用的是電流和電壓雙閉環(huán)控制的逆變器。具體仿真拓撲如下圖所示。圖2-28 升壓電路中逆變電路閉環(huán)控制頻率采用1000HZ，實時采集逆變后的電流與經(jīng)電壓外環(huán)比較后的PI后構(gòu)成電流內(nèi)環(huán)，實時采集逆變后的電壓與給定進行比較構(gòu)成電壓外環(huán)。從而實現(xiàn)對逆變器的控制。但在閉環(huán)的同時，本次仿真采用了開環(huán)設計，采用直接供給脈沖。只要保持電壓在400V以上便可以滿足并網(wǎng)條件。設置開關頻率5000HZ，變壓器變比為10/400V，后端采用不控整流從而實現(xiàn)將低壓直流變?yōu)?00V以上直流。2.4.3 模塊仿真測試測試條件：測試模型如下圖所示。電池模型參數(shù)如下圖所示。圖2-29 升壓電路測試逆變電壓給定：12V。開關頻率5000HZ。變壓器變比12.4/400V。容量1000VA。頻率50HZ。仿真波形如下圖所示。 圖2-30 經(jīng)逆變器輸出的電壓波形 圖2-31 變壓器升壓后與不控整流后的電壓波形如上圖結(jié)果所示，可以實現(xiàn)閉環(huán)升壓至400V。可以基本實現(xiàn)逆變升壓再整流的功能。且波形效果很好。第三章 光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能裝置接入方式儲能是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分，其對系統(tǒng)能量的穩(wěn)定、便于管理及對系統(tǒng)的安全與可靠有著很重要的作用。本章節(jié)介紹鉛酸蓄電池的數(shù)學模型和電池作為分布式光伏發(fā)電儲能裝置的接入方式以及設計相應的充電機制，并對其進行仿真。3.1 鉛酸蓄電池數(shù)學模型及接入方式3.1.1 鉛酸蓄電池數(shù)學模型蓄電池充放電過程是化學能和電能相互轉(zhuǎn)化的過程。蓄電池外接負載后便會有電流流過。根據(jù)如下反應方程式進行化學反應放電。負極 Pb+SO42-PbSO4+2e- （3-1）正極 PbO2+4H+SO42-+2e-PbSO4+2H2O （3-2）將正負極反應想家后，可以得到總反應方程式：PbO2+2H2SO4+Pb2PbSO4+2H2O （3-3）鉛酸蓄電池充電時的反應是放電時的逆反應，那么可以得出通過檢測蓄電池的端電壓從而確定蓄電池的容量。以下是仿真測定充放電時蓄電池的端電壓。圖3-1蓄電池放電過程端電壓隨時間的變化 圖3-2蓄電池充電過程端電壓從放電圖中可以看出放電時端電壓是不斷變化的。開始時電壓下降比較快，這是因為極板微孔內(nèi)形成的水分驟增，使硫酸濃度驟減。之后放電端電壓比較平穩(wěn)是由于極板微孔中水分生成與極板外的高濃度硫酸的滲入維持了動態(tài)平衡。我們將之稱為放電平臺。放電末期時極板上的活性物質(zhì)已大部分轉(zhuǎn)化為硫酸鉛，它阻擋了硫酸的滲入，電壓下降比較迅速，放電應當停止。而此時的電池端電壓為放電終止電壓，若繼續(xù)放電，會損壞電池。從充電圖中可以看到充電時端電壓也是不斷變化的。開始時電池端電壓快速升高時由于活性物質(zhì)轉(zhuǎn)化為PbO2和Pb時，極板活性物質(zhì)微孔內(nèi)形成的硫酸來不及向外擴散，引起電視升高。之后端電壓升高較為平緩是由于微孔內(nèi)形成的硫酸向外擴散與硫酸增加的速度趨于動態(tài)平衡。到了充電后期時，電壓急劇升高是由于基板上的硫酸鉛已大部分轉(zhuǎn)化為PbO2和Pb。若繼續(xù)充電，則電壓升高，導致電解水生成氫和氧。若繼續(xù)充電則此時充電電流則會生成更多的氫氣和氧氣，此時電池已充滿電。應停止充電，電壓立即驟降并穩(wěn)定。如圖3-3所示是簡單的鉛酸蓄電池的數(shù)學模型。電容是根據(jù)電池容量和蓄電池充滿電和全放電時的電壓決定的。電阻代表蓄電池內(nèi)阻。圖3-3 簡單的蓄電池模型而本次仿真我們所采用的是基于MATLAB中自帶的模型。如圖所示。 圖3-4 電池模型及電池參數(shù)3.1.2 鉛酸蓄電池的接入方式光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為分布式光伏發(fā)電和集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)。前者容量較小，分散接入電網(wǎng)，通常與負載直接相連。本次仿真只介紹分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。接入電網(wǎng)的方式有直流側(cè)接入和交流側(cè)接入方式。本次仿真采用的是前者。蓄電池經(jīng)DC-DC變換器接于光伏電池端，其結(jié)構(gòu)簡單且需要用到的設備較少。如圖3-5所示。圖3-5 蓄電池接入結(jié)構(gòu)圖3.2 鉛酸蓄電池充放電控制方法介紹1.涓流充電模式（PURL）：當電池電壓低于一個放電閥值時，此電池已經(jīng)被深度放電或含有短路電池節(jié)。在這個情況下，充電以極低的涓流電流開始。針對12V蓄電池，涓流充電模式閾值電壓為10.5V。2.MPPT充電模式：在這個階段，充電器對電池進行快速充電，針對12V鉛酸蓄電池，MPPT充電模式下閾值電壓到14.25V進入過充電模式3.過充電模式（OCP）：這個模式的作用是在盡可能短的時間內(nèi)恢復滿容量，同時避免過度充電。針對12V鉛酸蓄電池，過充電模式充電電壓恒定為15V，在恒壓15V的充電狀態(tài)下，充電電流會不斷減小，當充電電流小到一定程度時（此閾值電流根據(jù)蓄電池容量有所變化），認為電池充滿，進入下個狀態(tài)：浮動充電模式。4.浮動充電狀態(tài)：在這個狀態(tài)期間，電池電壓被保持在一定電壓以保持電池電量防止自放電。充電器保持浮動電壓，電池將保持在浮動狀態(tài)。直到電池電壓由于放電下降到浮動電壓的90% 以下，返回到MPPT充電模式。針對12V蓄電池，浮動充電模式恒壓13.5V，到電壓再次降至12V以下時，返回MPPT模式。3.3 鉛酸蓄電池充放電仿真蓄電池直接并網(wǎng)仿真如圖所示，仿真參數(shù)：鉛酸蓄電池12v，并網(wǎng)端無負載。圖3-4 蓄電池并網(wǎng)如圖所示，是經(jīng)全橋逆變后得到的幅值為12V的交流電。后由變壓器升壓升至400V再經(jīng)過不控整流橋?qū)⑵渥優(yōu)?00V直流電。完成DC-AC-DC之間的變換，波形如圖所示。圖3-6 仿真波形由400V經(jīng)過并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)，或者直接供給負載。使其電流跟隨電壓相位，如圖所示，電壓幅值311V，電流20A。從圖中可以觀測出，電流很好的跟隨了電壓的相位，實現(xiàn)了蓄電池并網(wǎng)或直接供給負載。圖3-6 并網(wǎng)波形3.3 儲能裝置選擇及容量配置3.3.1 儲能裝置選擇一般蓄電池有三種可供選擇，鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、鋰電池。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲能裝置選擇需符合地理環(huán)境條件和使用特點。不同的蓄電池容量各有不同，從5-720小時率等。其放電深度也各不相同。我國目前家用系統(tǒng)中電池只進行20%-30%的放電。根據(jù)條件、要求以及標準的不同，選擇也很多樣化。根據(jù)我國光伏發(fā)電系統(tǒng)特點，蓄電池應滿足一下基本技術性能要求：（1） 太陽能發(fā)電中的蓄電池應為循環(huán)應用的蓄電池，循環(huán)放電深度為50%，循環(huán)壽命應在1000次以上。（2） 蓄電池工作環(huán)境溫度應符合我國大部分地區(qū)溫度范圍內(nèi)，-10-40，濕度為90%。在-10時按10小時率放電，要求放出實際容量的80%以上。（3） 若出現(xiàn)過放電狀態(tài)，要求蓄電池100%放電至0%，擱置120h后，充電可恢復到實際容量的95%以上。（4） 蓄電池應有防爆、阻燃、抗震的要求。從電池的發(fā)展程度，以及性價比角度出發(fā)，我們選擇鉛酸蓄電池。將其作為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能裝置。但是蓄電池也有最大的放電電流和3.3. 光伏儲能中的蓄電池容量計算為光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇蓄電池，需考慮電壓電流特性、電氣性能以及成本、尺寸、質(zhì)量、壽命、維護性、安全性、再利用性等特點。但本次仿真我們只需考慮其充放電深度和其容量配置問題。以及與光伏電池板容量的協(xié)調(diào)問題。當然，若要設計蓄電池容量的問題，我們還需要考慮到供給家用負載的功率，以及工作時間。根據(jù)以下公式我們可以算出蓄電池的容量配置。=1天消耗的電能沒有日照的天數(shù)衰減率放電深度放電終止電壓Ah （3-4）針對此次仿真，我們無法確定供給負載的功率以及工作時間，所以，餓哦們用以個實例來進一步說明：設計一套太陽能路燈，功率為30W，每天工作6h，工作電壓為12V，蓄電池維持天數(shù)取5天，也就是沒有日照的天數(shù)取5天，衰減率取0.8，根據(jù)上式我們可以求出。選用12V蓄電池，設計放電深度為50%，蓄電池容量計算為：C=30650.80.512=187.5Ah （3-5）針對以上實例，我們可以計算出仿真所需的鉛酸蓄電池容量，在這里我們?nèi)?00Ah。儲能系統(tǒng)的優(yōu)劣會直接影響整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的運行，因此，合理的設計確定儲能系統(tǒng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要步驟。第四章 系統(tǒng)仿真結(jié)果以及分析4.1 儲能充放電仿真圖4-1 整體仿真圖整體仿真圖如圖所示。仿真參數(shù)設置如下。光伏陣列MPPT儲能裝置DC-AC-DC升壓并網(wǎng)逆變器光伏板*4光照1000溫度25擾動步長0.001鉛酸蓄電池12V 容量200Ah、50%電量剩余逆變器給定12變壓器變比12/400V全橋逆變鎖相環(huán)控制橋側(cè)電感電流仿真時間0.08s根據(jù)上述參數(shù)，得出以下波形。圖4-2 光伏陣列輸出功率 圖4-3 蓄電池充電功率如圖4-2所示為光伏陣列輸出的功率，可以從圖中看出隨MPPT控制，到達最大功率點后趨于穩(wěn)定，若將步長調(diào)大，那么在最大功率點附近會產(chǎn)生比較大的擺動，不利于穩(wěn)定。所以我們選取步長為0.001，如圖4-3所示為經(jīng)MPPT控制后的向蓄電池注入的功率，在圖中會有比較大的諧波是由于在蓄電池兩端并聯(lián)了電容的效果，并聯(lián)電容雖然會破壞波形，但是可以很好的防止瞬間的大電流將蓄電池損壞，起到一個抑制緩沖的作用。與此同時，我們來觀察一下蓄電池的狀態(tài)，如下圖所示圖4-4 SOC狀態(tài) 圖4-5 蓄電池端電壓圖4-6 蓄電池輸出電流從上面圖形可以觀察出，SOC即電池剩余電量和電池容量之比上升、電池端電壓也在逐步上升，蓄電池電流穩(wěn)定，由此表明蓄電池處于充電狀態(tài)。接入并網(wǎng)時，我們可以測出其DC-AC-DC模塊中逆變的波形、經(jīng)升壓變壓器后的波形以及不控整流的波形比對。圖4-7 經(jīng)逆變器后電壓波形 圖4-8經(jīng)升壓變壓器后的電壓波形圖4-9 不控整流后的電壓波形觀察上圖，我們不難發(fā)現(xiàn)，經(jīng)逆變器電流環(huán)電壓環(huán)控制的波形在第一個尖峰有點畸變，這是由于電流內(nèi)環(huán)在第一個尖峰之前達到飽和不起作用，表現(xiàn)在圖中會產(chǎn)生一點畸變，經(jīng)過不控整流橋后實現(xiàn)40