含蓄电池储能的光伏并网发电系统的建模与仿真

1 含蓄电池储能的光伏并网发电系统的建模与仿真 董旭柱 1 ，雷金勇 1 ，饶 宏 1 ，黄晓东 2 ，刘 怡 1 ，李 鹏 3 （ 1.南方电网科学研究院，广州 510080； 2.南方电网调峰调频发电公司，广州 510630； 3.天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室，天津 300072） 摘要： 光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光能转化为电能的直接发电方式。近年来，太阳能光伏发电已成为一 种重要的分布式发电形式。与此同时，光伏发电受光照和温度等外界条件的影响较大，其功率输出具有较强的间 歇性和随机性，因此实际中通常需要配置一定的储能装置以改善整个系统的动态和静态特性。通过对光伏 -蓄电池 混合发电系统进行暂态建模与仿真研究，分析了储能在光伏发电中的作用。 关键词： 光伏发电；储能技术；混合仿真系统；最大功率点追踪；建模 Modeling and Simulation of Grid-connected Hybrid Photovoltaic/Battery Distributed Generation System DONG Xuzhu 1 , LEI Jinyong 1 , RAO Hong 1 , HUANG Xiaodong 2 , LIU Yi 1 , LI Peng 3 (1.Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510080, China; 2.China Southern Power Grid Power Generation Company, Guangzhou 510630, China; 3.Key Laboratory of Power System Simulation and Control of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China) Abstract: Photovoltaic (PV) generation is the technique which uses photovoltaic cell to convert solar energy to electric energy. Nowadays, PV generation is developing increasingly fast as a renewable energy source. However, the disadvantage of PV generation is intermittent for depending on weather conditions. Thus, the battery energy storage is necessary to help to get a stable and reliable output from PV generation system for loads and to improve both steady and dynamic behaviors of the whole generation system. The paper analyses the role of energy storage in photovoltaic generation system based on the modeling and simulation of grid-connected hybrid photovoltaic/battery distributed generation. Keywords: photovoltaic generation, energy storage technology, hybrid simulation, maximum power point tracking, modeling 作者简介 ： 董旭柱（ 1970—） ，男，陕西人，高级工程师，博士，从事智能电网方面的研究和管理工作； E-mail: dongxz@csg.cn 2 1 引言 寻求新型能源、实现洁净无污染且可再生发电，是人类社会持续健康发展的迫切需求。作为可再生能 源的一种，太阳能具有资源丰富、开发方便、清洁无污染等优点，光伏发电作为太阳能发电的主要应用形 式，已成为一种重要的分布式发电技术 [1] 。光伏发电受光照和温度等外界条件的影响较大，其功率输出具 有较强的波动性与间歇性，给电能质量和电网调度带来了很大的挑战，因此实际中通常配备一定的储能装 置组成光伏 -蓄电池混合发电系统，改善系统动态和静态特性特性。 对电力用户而言， 光伏 -蓄电池混合发电系统保证光伏电池在负荷波动较快和较大的情况下运行在稳定 的输出水平，改善输出电压和系统频率，提高用户电能质量；对电网企业而言，原先不可调度的分布式发 电作为可调度机组单元运行，有利于电网调度管理；对可再生能源发电企业而言，其自身有义务对自身输 出功率作出预测，并提前通知电网公司。如果预测误差较大，将会受到处罚，所以发电企业可以通过配置 一定形式和容量的储能，保证实际输出功率值与上报的功率预测值吻合，提高发电企业经济效益。 本文首先介绍了含蓄电池储能的光伏并网发电系统的详细暂态模型，光伏电池通过电力电子变流器接 入电网，蓄电池储能经由一个双向 DC/DC 换流器接入光伏系统的直流侧。利用 PSCAD/EMTDC 对光伏系 统、蓄电池储能系统和控制系统详细建模，并对该混合发电系统进行了动态仿真，最后对仿真结果进行了 分析。 2 光伏阵列模型 光伏电池是光伏发电系统中最基本的电能产生单元，单体电池的输出功率较小，需经串并联形成光伏 阵列以获得较高的输出电压和较大的输出功率。常用光伏电池的数学模型可分为理想模型、单二极管模型 和双二极管模型三种 [2-4] ，其中 ,单二极管等效电路模型适用于单晶硅光伏电池，它由一个光生电流源 I ph 和 一个非线性二极管 D 并联而成，并考虑电池内部损耗 R s 和 R sh ，电路结构如图 1 所示。 ph I s R sh RD I V + _ 图 1 光伏电池的单二极管等效电路模型 电路对应的伏安特性为： () (1) s qV IR sAkT ph s sh VIR II Ie R + + =− −− （ 1） 式中， V 是光伏电池输出电压； I 是光伏电池输出电流； I ph 是光生电流源电流； I s 是二极管饱和电流； q 是 电子电量常量（ 1.602e － 19 C）； k 为玻尔兹曼常数（ 1.381e － 23 J/K）； T 是光伏电池工作绝对温度值； A 是 二极管特性拟合系数； R s 和 R sh 分别是光伏电池串联和并联电阻。光生电流是光照强度和电池温度的函数， 可以表示成： , () ph ph ref T ref ref S IICT S ⎛⎞ ⎡ ⎤=+− ⎜⎟ ⎣ ⎦ ⎝⎠ （ 2） 式中， S 为实际辐照度 (W/m 2 )； S ref 为标准条件下辐照度； T ref 为标准条件下光伏电池工作绝对温度； C T 为 温度系数（ A/K） ； I ph,ref 为标准条件下的光生电流值。 3 二极管饱和电流随着电池温度的变化而变化，满足关系式： 3 11 , g ref qE Ak T T ssref ref T II e T ⎡ ⎤⎛⎞ ⎢ ⎥⎜−⎟ ⎜⎟ ⎢ ⎥ ⎝⎠⎣ ⎦ ⎛⎞ = ⎜⎟ ⎝⎠ （ 3） 式中， I s,ref 为标况下二极管饱和电流 (A)； E g 为禁带宽度 (eV)，与光伏电池材料有关。 当光伏电池经过串、并联组成光伏阵列时，通常认为串并联在一起的光伏模块具有相同的特征参数， 忽略连接电阻并假设模块具有理想的一致性，可将光伏阵列进行等效。 3 蓄电池模型 蓄电池等效电路模型最为适合动态特性仿真。蓄电池具有多种不同的等效电路模型 [5， 6] ，根据不同的 仿真目的可以选择不同的仿真模型。文献 [7]基于 Shephred 蓄电池模型，提出了一种用于动态仿真的通用 等效电路，将荷电状态（ SOC）作为唯一的状态变量，此时，蓄电池可以等效为一个受控电压源和一个电 阻串联组成的电路，如图 2 所示。 + - I E V R b b b 图 2 蓄电池通用等效电路模型 受控电压源的表达式为： ( )0 exp b b Q E EK A Bidt Qidt =− + −⋅ − ∫ ∫ （ 4） 式中： E b 是蓄电池的空载电压 (V)； E 0 是蓄电池的恒定电压 (V)； K 是极化电压 (V)； Q 是蓄电池的容量 (A· h)； A 是指数区域幅值 (V)； B 是指数区域时间常数的倒数 (A· h － 1 )。 该模型假设蓄电池内阻在充放电过程中始终保持恒定；蓄电池的参数均是根据放电特性曲线得到，并 且假定完全适用于充电特性。 4 光伏和蓄电池混合并网发电系统 4.1 系统结构 图 3 是光伏和蓄电池混合并网发电系统的结构示意图。光伏阵列和蓄电池分别通过 DC/DC 变换器接 于公共直流母线，然后经由一个三相全桥逆变器接入交流电网。当光伏电池发出的功率超过上报电网公司 的功率预测值时，光伏电池会对蓄电池充电，将多余的电能储存；当光伏电池发出的功率少于上报电网公 司的功率预测值时，蓄电池则放电，将储存的功率向电网输出。光伏系统、蓄电池储能和并网逆变器分别 具有独立的控制目标： 光伏阵列需要保持最大功率输出状态； 蓄电池储能通过充放电维持系统功率的平衡， 并且保持直流母线电压的稳定；逆变侧通过控制并网逆变器来保证交流母线处的功率和上报的功率预测值 吻合。 4 三相全桥逆变器 蓄电池 Boost-Buck 交流母线 光伏 阵列 Boost 光伏系统 蓄电池储能系统 直流 母线 控制光伏阵列始终输出最大功率 维持直流母线电压稳定 控制交流母线处的有功功率和无功功率稳定 PCC a v b v c v ga v gb v gc v 线路 交流电网 ga i gb i gc i 图 3 蓄电池储能和光伏混合仿真系统示意图 4.2 系统控制 光伏 -蓄电池混合发电系统涉及的控制主要包括最大功率点跟踪、光伏电池升压控制、蓄电池充放电控 制和逆变器控制，下面逐一进行阐述。 4.2.1 最大功率点跟踪 在特定的外界环境下，光伏电池可以运行在不同的电压和电流，但是只有唯一的电压和电流使得此时 光伏电池的输出功率最大。为了提高光伏发电的效率，必须对光伏电池进行最大功率点跟踪，保证光伏电 池始终向电网输送最大的功率。 最大功率点跟踪（ Maximum Power Point Tracking， MPPT）是指根据光伏电池的输出特性，利用控制 策略保证其工作在最大功率输出状态， 以最大限度地利用太阳能。目前， MPPT 控制算法很多 [8， 9] ，其中，扰动观测法（ Perturbation and Observation Method， P&O）由于具有算法简单、所需变量少、易于实现等优点，应用最为广泛。扰动观测 法 [10] 的原理是周期性地检测光伏阵列的端电压和电流，对光伏阵列电压施加一个小的扰动，并观测输出功 率的变化方向，进而决定下一步的控制信号。如果输出功率增加，则继续朝着相同的方向改变工作电压， 否则朝着相反的方向改变。 值得注意的是，由于扰动观测法时刻对电压进行扰动，稳态时光伏电池的实际运行点会在最大功率点 附近小幅度振荡，因此，如果采用较大的扰动量，虽然可以较快地跟踪到最大功率点附近，但达到稳态后 的跟踪精度相对降低，相反，如果采用较小的扰动量，虽然可以改善算法的精度，但是跟踪的速度会变慢。 为了同时改善算法的精度和提高跟踪的速度，可以根据光伏电池的运行点实时改变扰动大小，即采用变步 长扰动观测法 [11， 12] 。 4.2.2 光伏电池升压控制 由于光伏阵列的输出电压一般较低，而负载需要更高等级的工作电压，所以 Boost 电路的使用可以允 许电压等级较低的光伏电池工作，进而节省成本。光伏阵列和 Boost 斩波器之间一般接有直流电容器，降 低高次谐波。图 4 为 Boost 斩波电路及其控制的示意图 [13] 。 5 pvI + - dc V 光伏 电源 LI + - pv V MPPT pv I 电压 控制器 dc,ref V 电流 控制器 pv C dc C pvV L dc + - + - PWM 调制 控制器 Boost电路 图 4 Boost 电路及其控制 4.2.3 蓄电池充放电控制 蓄电池运行时需要具备双向运行的要求，即蓄电池既能够向外部系统供给电能（放电） ，又能够从外 部系统获得电能（充电） 。蓄电池接入光伏发电系统时，经双向 DC/DC 变换器接于光伏发电系统直流侧的 接入方式由于具有灵活性高、控制方式简单、所需电池电压等级低等优点，实际中应用较广 [14] 。图 5 是蓄 电池储能系统的结构示意图，通过 Boost-Buck 电路实现电流的双向流动。 蓄电池 L b S 2 S 1 i b C dc 图 5 双向 DC/DC 换流器 当蓄电池充电时，双向 DC/DC 变换器作为 Buck 电路使用；当蓄电池放电时，双向 DC/DC 变换器则 作为 Boost 电路使用 [15] 。双向 DC/DC 变换的主要控制目标是维持直流侧电压恒定。当蓄电池充电或放电 时，直流侧电压始终保持稳定，可以减小整个系统电压和频率的波动 [16] 。图 6 是双向 DC/DC 变换器的控 制示意图。 PI PI = AND AND NOT 2 S 1 S dc V ,dc ref V ,bref I b I PWM 调制 signal ,dc ref V dc V 图 6 双向 DC/DC 变换器的控制示意图 4.3 并网逆变器控制 光伏阵列和蓄电池都是直流源，需要经过逆变才能接入交流电网。并网逆变器控制的主要目标是保证 交流母线处的功率和上报的功率预测值吻合，功率参考值为之前上报电网公司的功率预测值。此时，逆变 器的控制方式采用 dq 坐标系下的恒功率控制 [17-21] 。逆变器侧的控制策略可表示为图 7。 6 + - PΔ ∑ , , gd i gd p K K s + + - ∑ ∑ ∑ d IΔ maxgd V maxgq V , , gqi gq p K K s + + + - - mingd V mingq V , , gdi gd p K K s ′ ′ + , , gq i gq p K K s ′ ′ + Lω Lω ∑ ∑ + + + + + - P g P g,ref QΔQ g Q g,ref I gd,ref I gd q IΔI gq,ref I gq V gd V gq V gq,ref V gd,ref maxgq I mingq I maxgd I mingd I 图 7 并网逆变器的控制策略 5 算例仿真 本文利用 PSCAD/EMTDC 对含蓄电池储能的光伏并网发电系统详细建模，并针对光照发生变化和输 出功率预测值发生变化情况进行仿真研究。 算例从零状态启动， 0～ 0.7 s 时，光照强度为标况下的 1 000 W/m 2 ，光伏系统按其额定容量 106 kW 输 出； 0.7～ 1.1 s 时，光照强度变为 800 W/m 2 ，此时光伏系统输出功率有所降低。 0～ 1.1 s 时，上报的功率预 测值为光伏系统额定容量，此时逆变器输出参考值和光伏系统额定容量保持一致； 1.1～ 1.5 s 时，上报的功 率预测值降低，则逆变器有功功率参考值随之降低，使得蓄电池处于充电状态。整个仿真过程中，逆变器 的控制参考值都为上报电网公司的功率预测值，功率差额通过蓄电池充放电弥补。如图 8 所示。 (a) 功率输出 (b) 直流电压 (c) 光伏阵列电流 (d) 蓄电池荷电状态 图 8 106 kW 光蓄混合发电系统仿真结果 从仿真结果中可以看出，在 0.7 s 之前，上报的功率预测值和实际光照强度下的光伏电池输出吻合，不 存在预测误差，逆变器输出控制参考值为此时光伏阵列的实际功率输出，蓄电池输出为零，其荷电状态保 持不变；在 0.7～ 1.1 s 时，光照强度有所减弱，但是功率预测值保持不变，则逆变器功率指令不变，光伏 7 阵列输出降低，蓄电池进入放电状态以维持逆变器输出不变，荷电状态呈现下降趋势；在 1.1～ 1.5 s 时， 上报的功率预测值降低，则逆变器功率指令也随之降低，并低于光伏阵列输出，蓄电池进入充电阶段，荷 电状态呈现上升趋势。另外，从仿真结果还可以看出，光伏 -蓄电池混合发电系统输出波动较小，说明储能 装置能够改善系统输出电压和系统频率。 仿真结果表明， 光伏 -蓄电池混合发电系统能够利用储能系统充放电特性弥补波动能源发电预测值的误 差，有利于电网调度管理，并能提高用户电能质量。 6 结论 本文通过对光伏 -蓄电池混合发电系统进行暂态建模与仿真 研究，分析了储能在光伏并网发电中的作 用，仿真结果表明：储能装置既在短期动态层面提高了系统电能质量，又在长期动态层面平滑了功率输出， 更贴近上报预测值，有利于电网调度管理，提高企业经济效益。 参考文献 [1] Darren M Bagnall, Matt Boreland. 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