光儲一體化供電系統仿真分析

高遙，胡石峰，朱瑞金

（1.西藏農牧學院 水利土木工程學院，西藏林芝，860000；2.西藏農牧學院 電氣工程學院，西藏林芝，860000）

0 引言

當前全球能源需求大幅增加,煤炭、石油等資源枯竭,二氧化碳及PM2.5 排放等環境污染問題日益突出,以光伏為代表的清潔能源取代化石能源成為第三次世界工業革命主要標志之一[1]。2011 年，各國政府相繼推出光伏補貼政策，推動太陽能大規模商業化，同時太陽能發電技術的進步推動該產業成本持續下降，部分國家地區已可以實現平價上網，太陽能發電達到了迅速上升的重要時期。2017 年，各地區光伏市場增長迅速，太陽能產業新增裝機容量將近100GW，同比增長29%左右，各地區累計裝機容量已經超過400GW[2]。2020 年后，全球太陽能裝機量緩慢增長，到2025 年底有望達到約700GW。光伏發電技術經實踐證明是切實可行的，近年來國家在大力發展新能源方面給出了很多支持政策，推動可再生能源的利用，鼓勵光伏產業的前進，光伏行業發展前景廣闊。

但是，隨著可再生新能源滲透率的不斷提高，其固有的并網容量小、出力的隨機性和波動性、地理位置分散等特點對新型電力系統建設提出了更多的挑戰。儲能系統作為能平抑光伏發電波動性和隨機性的有效手段，可以平滑光伏電力輸出，提升光伏電力質量[3]。儲能與光伏的結合實現了對能源的存儲以及發出，光儲技術在提升了光伏適用性的同時使其更加便于調節，有利于實現大規模的可再生能源并網發電，對光伏廣泛利用是不可或缺的支撐技術。因此，分布式光伏儲能技術的研究有重要意義。

基于以上分析和研究，本文針對光伏發電系統，提出光儲一體協調控制運行技術。運用MATLAB 中的Simulink 仿真軟件，首先建立光伏發電系統模型，包括太陽能電池板模塊和逆變器控制模塊。然后編寫MPPT 程序調試系統各參數輸出，使光伏板工作在最大功率狀態。最后搭建電池控制模塊，編寫電池控制程序，調節儲能電池的充放電時間和光伏的輸出時間與功率，通過電池的儲能作用，達到平抑光伏發電的隨機性與波動性、保證供電質量的目的。仿真結果表明，MPPT 算法能使光伏板在電壓穩定的前提下工作在最大功率點附近。通過電池儲能和光伏板協調控制，可以保證光儲一體化系統24 小時的輸出電壓穩定在48V，既可直接對發電站二次設備供電，也可經逆變后對其他設備供電或直接并網。

1 光儲一體化供電系統概述

光儲一體化供電系統可以視作為綜合性系統，它由光伏單元和能量儲存單元組成。光儲一體化供電系統不僅可以并網運行，也可以離網運行，既可以在電網需要供電時提供電能，也可離網時通過儲能單元把能量儲存起來。實現電力削峰填谷等服務，有效保證了電能可靠地供應，使得整個系統方便、可靠、安全和穩定。

■1.1 光伏發電原理

光伏電池的 I-V 物理特性會隨著外界環境和溫度發生改變，光伏電池簡化模型如圖1 所示。由圖1 可以看出，光伏電池模型可以等效成二極管[4]，當環境溫度和光照強度都不變時，光照所產生的電流Iph也保持不變，所以光伏板可等效成一個電流源。Rsh為等效電阻，其阻值與漏電流成反比，即漏電流越大Rsh越小，漏電流越小Rsh就越大。

圖1 光伏電池簡化模型

光伏電池的I-V 數學模型表示為：

其中：Iph為光生電流，I0為二極管反向飽和電流，Rsh為光伏等效并聯電阻，Rs為光伏等效串聯電阻，Upv為輸出電壓，Ipv為輸出電流,A為二極管特性因子，K為玻爾茲曼常數，為1.38×10-23J/K，T為絕對溫度。

■1.2 儲能系統

儲能系統在光伏電站中的作用主要體現在以下幾個方面:

（1）確保系統穩定性。在光伏電站系統中，光伏輸出功率曲線和負載曲線有很大的不同，并且都具有不可預測的波動特性。通過能量存儲系統的能量存儲和緩沖，即使光伏功率快速波動，系統仍能以穩定的輸出水平運行[5]。

（2）充當能量儲備。當光伏發電不能正常運行時，儲能系統可以起到后備和過渡的作用[6]。例如，當電池陣列無法在夜間或雨天發電時，能量存儲系統可以作為電源，實現對負荷的平穩供電。儲能容量取決于負載需求[7]。

（3）提高電能質量和可靠性。光伏發電系統存在不穩定性，其電壓尖峰和電壓降以及負載側的其他部件都會引起電網波動，從而影響整個電力系統。加入足夠容量的儲能后可以削減電壓尖峰，填補負荷低估，從而保證電能的質量和可靠性[8]。

■1.3 最大功率點追蹤算法

最大功率點追蹤是常用在風力發電機及光伏太陽能系統的技術，目的是在各種情形下都可以得到最大的功率輸出[9]。主要包括固定電壓法、短路電流法、極限追蹤控制法、擾動觀察法以及現代智能算法等多種算法。光伏板控制器可以依靠多種策略來找到模組的最大功率輸出。所以最大功率點追蹤控制器有多種不同的算法，并且根據運作條件選擇適當的算法。

2 光儲一體化供電系統模型構建

光儲一體化供電系統分為發電、儲能和MPPT 控制算法三部分。其中，發電部分包括升壓電路設計和濾波設計等。儲能包括電池模型搭建及其相關參數設計，重點是儲能電池的充放電狀態判斷。MPPT 算法是光伏發電的重要技術，合理的控制算法可以使光伏板時刻工作在最佳狀態。

■2.1 發電部分

2.1.1 升壓電路

由于光伏板最大功率電壓為28V,遠小于電池的充電電壓48V,所以需要設計升壓電路對光伏板發出電能的電壓進行抬升。通過控制理想IGBT 來控制電路的通斷,達到對光伏板電壓升壓的目的。圖2 為升壓電路模塊，其中加入二極管的目的是防止升壓時電流回流,并聯電阻的目的是增加二極管載流能力。

圖2 升壓電路

2.1.2 濾波電路

由于太陽能光伏板發出的電中存在諧波，且大量電力電子器件的使用也對線路中引入了諧波，所以電路中采用RC 濾波和RL濾波。以提高電能質量，增加電力系統的可靠性，圖3 為濾波電路。

圖3 濾波電路

■2.2 儲能部分

2.2.1 PID 控制

PID 控制分單閉環和雙閉環控制,其中PID 單閉環控制的動態響應較慢、對負載的擾動抑制有一定的局限性,因此本文選擇PID 雙閉環控制。雙閉環控制的優點主要有如下三點:

(1)雙環控制系統可以有效消除濾波電路的諧振峰。

(2)系統采用了電容電壓作為控制系統電壓的其中一個信號反饋余量。對于因負載電壓擾動造成系統制輸出信號電壓波形的微小波動，可以迅速地對系統進行濾波補償,有效地提高了控制系統本身對負載電流擾動情況的整體適應性,極大提高了系統整體的系統動態性能,減輕了整個系統的對于有效抑制系統負載電壓擾動能力的負擔[10]。

(3)用電流作為反饋輸入,可以使得系統對突加負載時可能造成的過電流現象進行補償,有效地提高了系統對沖擊電流的抵抗能力[11]。

2.2.2 電池控制原理

電池控制系統涉及PID 模塊、PWM 模塊以及SUM 模塊,對預測電壓、預測電流和用戶端電壓、電流進行算法比較,為電池的充放電狀態的判斷提供依據。電池控制模塊如圖4所示。

圖4 電池控制原理

■2.3 最大功率點追蹤算法

本文最大功率點追蹤采用擾動觀察法計算。如圖5 所示，算法需要輸入光伏板的電壓和電流，通過計算輸出光伏板電壓的控制值，以達到光伏板穩定電壓和最大功率輸出的目的。

圖5 擾動觀察法流程圖

首先對MPPT 算法進行初始值設置，限制輸出參考值最大和最小以及初始值。設置計算之前的電壓和電流均為0。計算光伏板功率為,功率變化量為更新后的功率值與上一時間段功率值之差。

然后對參考電流值進行更新，當光伏板的功率在減小而電壓卻在增大時，說明最大功率點在左側，應減小電壓值以使光伏板工作在最佳功率且電壓穩定在最大功率點的電壓值。當光伏板的功率在減小電壓也在減小時，說明最大功率點在右側，應增加電壓值以使光伏板工作在最佳功率且電壓穩定在最大功率點的電壓值。當光伏板的功率在增大而電壓也在減小時，說明最大功率點在左側，應減小電壓值以使光伏板工作在最佳功率且電壓穩定在最大功率點的電壓值。當光伏板的功率在增大電壓也在增大時，說明最大功率點在右側，應增加電壓值以使光伏板工作在最佳功率且電壓穩定在最大功率點的電壓值。

為了保證數據的準確性，參考電壓的控制值不應超過規定的上限和下限。當低于最小值時仍按照最小值進行計算，超過最大值時仍按照最大值進行計算。

3 仿真結果分析

以擾動觀察法計算最大功率追蹤點，對控制器進行控制，使光伏板恒保持在最大功率出力狀態。同時控制升壓電路將光伏板的電壓升至電池電壓48V 后接入電池為電池充電。光伏板采用5 并聯和1 串聯的形式，開路電壓為36.3V，短路電流為7.84A。工作溫度為25℃。本文選用的儲能裝置是通用電池模型,額定電壓設置為24V,額定容量50Ah。仿真的散發采樣周期設定為125e-6 秒。

■3.1 基礎數據

（1）光伏板數據

光伏板的電壓和功率關系與光伏板的工作溫度有關，由圖6 可以看出，當光伏板工作溫度為25℃時，其最大功率為1050W，此時對應電壓值為29V。

圖6 溫度為25℃時電壓與功率關系

光伏板的電壓和電流關系與光伏板的工作溫度有關，由圖7 可以看出，當光伏板工作溫度為25℃，最佳工作點的電壓為29V 時，與此相對應的工作電流值為37A。

圖7 溫度為25℃時電流與電壓關系

（2）光照強度數據

圖8 為一天二十四小時的光照強度數據，從0 時至4 時光照強度為0，太陽升起后光照強度逐漸增強，到中午12 時獲得最大值。在之后就逐漸減小，最后在18 時降為零。

圖8 光照強度波形圖

通過MPPT 算法輸出電壓參考量，控制光伏板的電壓，從而達到光伏板電壓穩定、功率一直在最大點的目的。圖9 為電流隨光照強度變化圖，隨著光照強度的增大或減小，為了保持電壓不變，電流應隨光照強度變大或減小。

圖9 光伏板輸出電流

■3.2 仿真結果分析

一天之中，因為光照強度一直在改變，所以光伏板的輸出功率也在改變，通過MPPT 算法，使輸出功率在當前光照強度下最大。圖10 為調節后的光伏板輸出功率變化。可以看出，光伏板輸出功率變化趨勢與光照強度變化一致。

圖10 光伏板輸出功率圖

如圖11 所示，Vbus 為用戶電壓，也可以理解為上網電壓，Vref 為負載參考電壓。用戶電壓設置為48V，既可為光伏電站內部低壓設備供電，也可經逆變后并網。由于光伏出力隨光照強度變化且具有隨機性和波動性，所以用戶的電壓和電流會根據光伏板的變化而變化的。在加入儲能電池后，負載電壓會如圖11 所示保持在一個穩定的范圍，由圖11 可以看出實際電壓與理想電壓值幾乎一致，達到了對負荷穩定供電的目的。

圖11 載電壓與電流圖

圖12 是在一天之中，電池的剩余電量隨著光照強度的變化趨勢。從圖中可以看出電池剩余電量在0 時至7 時從45%逐漸降低，這說明電池處于放電狀態。當光照強度為零或過低的時候，電站也應滿足用戶的供電需求，但夜間無光照，光伏發電無法輸出電能，此時由電池給用戶供電，所以電池的剩余電量就會變少。在7 時之后，光照逐漸變強，此時由光伏板給用戶供電同時給電池充電，所以電池的剩余電量逐漸增加。下午光照變弱，又由電池給用戶供電，剩余電量又會變少。

圖12 電池剩余電量

通過觀察圖13 電池電壓波形圖可以看出，電池電壓的波形圖實際上和剩余電量的波形圖類似，因為電池的電壓會隨著電池剩余電量而變化，剩余電量多電池電壓就高，剩余電量少電池電壓就小。

圖13 電池電壓圖

圖14 為MPPT 算法預測的理想電流與光伏板實際輸出電流圖，通過算法控制光伏板輸出的實際電流與預測電流的波形圖基本一致，驗證了MPPT 算法控制的有效性。

圖14 際電流與預測電流

圖15 電池充電電壓

通過升壓電路和MPPT 算法控制，負荷的電壓穩定在48V，在光照強度發生變化時，雖然電壓會有短暫波動，但通過MPPT 算法和儲能電池調節均能迅速回到48V。

4 總結

一天之中的光照強度不同，所以導致光伏發電具有波動性和隨機性，本文以光伏板5 并聯和1 串聯的形式，開路電壓為36.3V，短路電流為7.84A，工作溫度為25℃為基礎。通過擾動觀察法編寫MPPT 程序，并加入儲能電池，對光儲一體化供電系統進行仿真。仿真結果表明:

（1）雖然一天中光照強度不斷變化，但通過MPPT 算法調節，光伏板電壓可以穩定在27V，電流隨光照強度變化，使光伏板一直工作在最大功率點附近，最大化利用了太陽能電池板的發電潛力。

（2）光儲一體化供電系統通過光伏系統和儲能系統的協調控制，使儲能系統在光伏發電高峰時進行電能儲存，在光伏發電低谷時充當電源對負載進行供電，達到了削峰填谷的目的，增強了系統供電的穩定性。仿真結果證明光儲一體化供電系統對平抑光伏發電波動性和隨機性具有很好的作用。