储能型光伏系统功率控制仿真分析

罗隆福， 黎 涛， 邓建国， 陆格文

(湖南大学电气与信息工程学院， 长沙 410082)

储能型光伏系统功率控制仿真分析

罗隆福， 黎 涛， 邓建国， 陆格文

(湖南大学电气与信息工程学院， 长沙 410082)

光伏发电系统输出功率易受外部环境的影响，存在诸多不确定因素。该文采用蓄电池储能单元作为光伏并网的能量缓冲装置，以控制并网的功率输出。文中建立了基于等效电路的电池储能光伏并网系统整体动态数学模型，设计相应的控制策略，对系统的输出功率进行控制，并以随机光照强度的扰动为例，对系统输出的电能质量和稳定性进行仿真研究。结果表明，该并网系统灵活性强，能很好实现系统功率可控稳定输出。

光伏发电； 电池储能系统； 功率控制； 并网； 动态模型

随着新能源的日益普及，太阳能发电在电力系统中所占的比重将越来越大。而太阳能是一种间歇性能源，受气候和环境的影响严重，输出功率具有不稳定性和不可预测性。大规模光伏并网装置的投入，对电力系统的电能质量、稳定性和安全运行都将造成无法忽略的影响。因此，光伏系统需要配置一定容量的储能装置，以确保其供电的持续性和可靠性。

目前正在研究的储能技术有超导储能技术、超级电容器储能技术、飞轮储能技术等，文献[1，2]中介绍了超导储能技术和飞轮储能技术在风电场中的运用，并建立数学模型和仿真运算，文献[3，4]分析了蓄电池和超级电容混合储能系统在独立光伏系统中的运用，文献[5]对光伏和蓄电池混合系统的几种运行方式进行经济效益分析。综合各项技术特征，蓄电池储能在光伏并网中的运用，至今仍然是最经济有效的方式之一。

本文采用光伏发电(PV)系统与蓄电池储能系统(BESS)联合应用的方案，实现装置功率可调输出，保证系统的发电可靠性与稳定性，发挥光伏系统在电网削峰填谷中的作用；并适时充当UPS电源，保障用户侧在电网断电情况下的基本需求；提高电力设备利用率，获取更大的经济价值。

1 系统结构

图1所示为本设计中PV-BESS混合系统电路布置图及其控制方案。该系统主要包括一套PV系统、一个Boost升压斩波器、一个蓄电池组和一个双向交/直流转换器。根据湖南省用电特性曲线分析，按每天的负荷特性可分为白天电网峰值阶段、白天电网谷值阶段、夜间电网峰值阶段、夜间电网谷值阶段四个时间段。因此可设置本系统的运行方案如下：

a)白天电网用电高峰时，PV-BESS可调负荷恒功率输出。

b)白天电网用电低峰时，PV系统可以给蓄电池充电。

c)BESS在午夜电网用电高峰时可调负荷恒功率输出。

d)BESS在午夜电网用电低峰时充电。

e)PV-BESS可作为UPS给重要负载充当备用电源。

PV-BESS的具体运行条件和功能如表1所示。

图1 PV-BESS拓扑图及其控制方案

时刻光照条件系统功能白天电网峰值阶段辐射充分PV⁃BESS混合供电辐射不充分PV⁃BESS混合供电无有效辐射BESS单独供电白天电网谷值阶段辐射充分PV向蓄电池充电辐射不充分PV⁃BESS停止工作无有效辐射PV⁃BESS停止工作夜间电网峰值阶段无BESS单独供电夜间电网谷值阶段无电网向蓄电池充电

与传统的蓄电池储能光伏系统相比，本系统增加了蓄电池容量，从而满足PV-BESS混合系统恒功率输出的要求，消除环境因素对电网所产生的波动，并极大地提高了双向交/直流转换器的利用率，同时在电网故障情况下满足了居民的基本生活用电。

2 控制原理分析

2.1 光伏发电系统原理分析

光伏发电系统包括太阳能电池和DC/DC电路两部分，传统的太阳能电池模型如图2所示[6]。

图2 太阳能电池等效电路模型

它包括等效电流源Iph(电池所产生的光生电流)，光伏电池内部等效串联电阻Rs和一个二极管，其输出电流-电压方程如下：

Is=Iph-ID=

(1)

其中：ID为太阳能电池在无光照时的饱和电流(A)；ISC为短路电流(A)；Ir为光照强度(%)；I0为PN结的反向饱和电流(A)；VS为太阳能电池的输出电压(V)；e为电子电荷(1.6×10-19C)；k为波尔兹曼常数(0.86×10-4eV/K)；T为热力学温度(K)；m为PN结的曲线常数。

光伏电池板是太阳能电池使用的基本单元，它通常是由多块单体电池片经过串、并联连接构成，其输出电压一般为十几至几十伏左右。本文建立的光伏电池板的模型由两个支路并联，每条支路由36块单体电池串联构成，取PN结的曲线常数为2。其I-U特性和P-U特性如图3所示，由图可知，在一定的温度和辐射强度下，光伏电池具有唯一的最大功率输出点，但在实际运行中，无法保证光伏电池总是工作在最大功率点上。因此，在光伏电池和蓄电池组之间加入Boost升压电路，根据上述光伏电池特性，改变VS的值就可以控制光伏阵列的输出功率。由于Boost变换器的另一侧为蓄电池组，输出电压Ud被箝位于蓄电池组两端的电压，根据其输入输出的电压关系Ud=E/(1-D)可知：改变占空比D就可以改变光伏阵列的工作点，并导致输出功率的变化。如图3，在25℃、辐射强度为1 kW/m2条件下，光伏电池板工作在Vs=17V，Is=3 A时，有最大输出功率51 W。

图3 光伏电池板在不同辐射下的I-V和P-V特性

2.2 电池储能系统原理分析

BESS主要由蓄电池组、逆变器、控制装置等组成。蓄电池作为本套系统的主要储能设备，它的荷电状态SOC(state of charge)以及对蓄电池的端电压的预测是整套系统发电规划的运行平衡的重要环节。本文采用图4所示电池组等效电路[7]。图中：电容Cb两端电压表示电池的电动势，电阻Rb与Cb并联用以描述电池自放电；电阻Rovc、Rovd与电容Cov组成的电路网络用以描述电池的超电势；电阻Rbc、Rbd为电池内阻。充电过程中，电流通过电阻Rovc、Rbc，放电时，电流通过电阻Rovd、Rbd，理想二极管起到不同状态下选择电路理想电阻值的作用。

图4 电池组等效模型

根据基尔霍夫电压电流定律，以蓄电池放电状态为例，由图4所示等效模型可知：

(2)

(3)

(4)

PV系统给蓄电池充电和电网给蓄电池充电的方法及控制方案在文献[8～10]等中均有提及，本文重点对PV-BESS并网供电方案进行研究。

(5)

式中Vgm和δ表示电网电压幅值和相位，Igm和δ1表示PV-BESS输出电流幅值和相位。由于本系统能够排除环境因素对系统产生的波动影响，满足额定状态恒功率输出，设取光照充分时PV输出功率为参考额定输出功率值PN，因此可得给定值Igm=2PN/Vgm。网侧采用LCL滤波电路，适当设置阻尼电阻[12]，有效消除PWM逆变电路产生的特性谐波。由于电流闭环是一阶系统，具有较高的稳定性，而且在电流反馈作用下，能提高系统的响应速度。

图5 PV-BESS控制结构图

3 算例仿真与分析

3.1 系统简化图和参数设置

本算例中仿真一台能够恒定输出功率为2KW的小型PV-BESS单相并网模型，如图6所示。

光伏阵列由40块上述光伏电池板串并联组成。假设系统的额定工作状态为光照强度1 kW/m2、环境温度25℃，在此状态下，光伏阵列的工作电压为DC170V，工作电流为DC12A，输出功率为DC2040 W。蓄电池容量计算按照最坏情况分析，即连续阴雨天气，太阳能电池不工作，而PV-BESS系统需要在用电高峰时期满负荷运行(计8 h)。按照蓄电池容量计算公式：

(6)

可算出容量C=30 kWh。蓄电池组电压为DC425 V。其中，日用电量：Q=16 kWh，支持天数D=1，温度修正系数K=1.2，逆变器效率η1=0.92，蓄电池充放电效率η2=0.85，放电深度S=0.8。可得电池储能系统参数为[13]：Cb=70.6F，RS=10 kΩ，Rvod=0.001 Ω，Cov=1 F，Rbd=0.013 Ω。

图6 PV-BESS并网简化图

3.2PV-BESS恒功率出力

考虑到光伏系统稳定性主要受到光照强度的影响，仿真过程中用光照强度的突变来研究系统的动态性能。随机产生用于仿真的光强信号如图7所示，光伏电池的环境温度选取为T=25℃。图8所示为PV-BESS在光强变化下的动态响应情况，由图可知，BESS具有快速的功率吞吐能力，能够补偿光伏阵列产生的功率输出波动，保证系统恒功率出力。图9为PV系统与PV-BESS系统在环境变化时并网情况对比分析，由图8、9可知：没有BESS时，光强的变化导致并网电流输出随之波动，而PV-BESS系统则响应迅速，使得并网电流输出稳定，提高系统的可靠性。

图7 用于仿真的光强信号

图8 PV-BESS动态响应

图9 PV系统与PV-BESS系统公共连接点电流波形

4 结语

蓄电池储能管理系统的应用，可以极大地提高光伏等可再生能源发电的性能和稳定性。本文针对光伏发电并网系统，设计了一种输出功率可控性型混合方案，提出相应的控制策略，满足系统恒功率出力，减小环境因素对电网产生的影响。仿真结果表明，PV-BESS能够在光照强度大幅变化的情况下反映迅速，始终保持恒定出力，并网电流波动小，降低环境波动对电网所产生的冲击。这种混合系统结构简单，控制灵活，对解决光伏等可再生能源的不稳定性具有理论和现实意义。

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SimulationAnalysisforConstantPowerControlofPhotovoltaicSystemwithBatteryEnergyStorage

LUO Long-fu， LI Tao， DENG Jian-guo， LU Ge-wen

(College of Electric and Information Engineering， Hunan University,Changsha 410082,China)

The output power of photovoltaic(PV) system is vulnerable to the impact of changes in the external environment and exists many uncertainties.The research on the possibility of employing a battery energy storage method in PV grid-connected power generation system to enhance the performance of its power quality and stability was done. A mathematic model of battery energy storage system(BESS) based on equivalent circuit and a photovoltaic based on global dynamic mathematical model for PV-BESS grid-connected were built,and corresponding conrtol srtategy was developed to control the output power. Based on these models,illumination change random for example, a simulaiton platform of PV-BESS was developed by Simulink of the Matlab to analyze the power quality and stability. Simulation results show that it is flexible and can improve the stability of output power.

photovoltaic； battery energy storage system(PV-BESS)； power control； grid-connected； dynamic model

2010-05-24；

2010-07-09

TM615

A

1003-8930(2011)06-0087-05

罗隆福(1962-)，男，教授，博士生导师，中国电机工程学会高级会员，研究方向为现代电器设备的设计和优化、新型换流变压器的研制和高压直流输电新理论等。Email:llf@hnu.cn 黎 涛(1986-)，男，硕士研究生在读，研究方向为交直流电能变换技术与装备、太阳能发电并网技术。Email:lakestephen@163.com 邓建国(1956-)，男，教授，研究方向为电机瞬变过程及电机控制系统的仿真。Email:hudadjg@163.com