一种并网型风光互补发电系统的建模与仿真

张明锐，林承鑫，王少波，欧阳丽

（1. 同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804；2. 上海环保工程成套有限公司，上海 200070；3. 上海电气集团股份有限公司 中央研究院，上海 200070）

太阳能和风能是分布最广、利用率最高的可再生能源，但受季节、地理、气候等多种因素的制约，呈现出较强的不确定性。然而，二者在时间和地域上有一定的互补性，同时在储能、逆变环节均可共用，适合联合发电，实现资源互补，可以提高系统供电的可靠性，并减小对电网的冲击。与独立光伏或风电系统相比，风光互补发电系统（Wind/PV Hybrid Generation System，WPHGS）可以获得较稳定的功率输出，提高设备利用率，降低系统造价，在保证同样供电的情况下，可以减少储能设备的配置容量[1-5]。为了平抑风光互补发电系统输出功率的剧烈波动、提高逆变器直流侧电压的稳定性，需要合理配置储能设备容量，在功率波动较快或较大的情况下能够运行在一个稳定的输出水平[6-7]。目前，国内外学者对离网型WPHGS的研究较多，主要集中在系统结构设计、数学建模与仿真、储能设备的配置、系统电源容量优化配置等方面[8-9]，而对并网型WPHGS的研究则刚刚起步，还需要更多的深入研究。早期的WPHGS采用独立的直流斩波电路和逆变电路，结构复杂，并网时需要两种逆变器同步进行，控制难度大[10]；文献[11]设计了共直流母线式风光互补发电系统的整体结构，通过逆变环节电压外环的控制策略，保持直流电压稳定，但未配置储能环节，使其输出功率波动大，控制难度较高。这些研究提出的系统方案均没有配置储能设备。文献[12]引入蓄电池储能系统，可以随着频繁的功率波动进行充电或者放电，但蓄电池的充放电次数少，充放电电流不能过大，难以同时满足短时功率调节和长时功率支撑的需求。

本文提出一种基于固态变压器结构（Solid State Transformer，SST）的并网型风光互补发电系统，光伏阵列和风力发电机接入700 V低压直流母线，共用直流升压电路和逆变电路，在直流升压环节加入高频变压器，同时增加超级电容和蓄电池，增加了系统可控性。最后，本文对所设计系统的工作特性进行仿真研究，验证了该系统模型的正确性和可行性。

1 系统结构

并网型风光互补发电系统基于固态变压器结构设计[13]。固态变压器是一种采用电力电子器件的新型变压器，其结构如图1所示，由高、低压全控变流器和以高频变压器为核心的DC/DC变换环节组成。并网型风光互补发电系统主要由光伏阵列、风力发电机、整流电路、直流升压电路、逆变电路、储能装置、电网等组成，如图1所示。光伏阵列输出的直流电和风力发电机发出的交流电经整流后一起汇入低压直流母线，经高频变压器升压转换成高压直流，储能装置将高压直流稳定在18 000 V，最后经逆变电路并入电网。该系统采用高频变压器升压、共用直流升压电路和逆变电路，可以显著减小系统体积和成本，提高设备利用率。

图1 基于固态变压器的并网风光互补发电系统结构Fig. 1 Grid-connected wind/PV hybrid generation system on SST

当光照强度或者风速剧烈变化时，风光互补发电系统输出功率和逆变器直流侧电压波动较大，需要配置一定容量的储能装置以维持输出稳定。鉴于超级电容功率密度大，循环寿命长，可大电流、快速充放电，故在高压直流母线侧配置一定容量的超级电容，除了作为能量储备装置，还可以平抑功率波动，维持直流电压稳定。蓄电池由于能量密度高，接于低压直流母线处，作为系统的能量储备装置，以提供短时能量支持。

2 系统模型

2.1 光伏发电系统模型

根据光伏电池的物理模型[14]，得其输出特性方程为：

式中，I为光伏电池输出电流；Iph为光生电流；Io为光伏电池内部PN节反向饱和电流；q为电荷常数；U为光伏电池输出电压；Rs为光伏电池的串联等效电阻；Rsh为光伏电池的并联等效电阻；n为PN节特性因子；k为波耳滋曼常数；T为光伏电池温度。

光伏电池的等效串联电阻RS很小，而等效并联电阻Rsh却很大，在工程应用中，可以忽略不计。光伏组件通常由若干个光伏电池串并联而成，进而组成光伏阵列，因此，光伏组件的输出特性曲线方程可以等效成：

式中，ns为光伏电池串联的数目；np为光伏电池并联的数目。

结合式（1）、式（2），在温度T=25 ℃时不同光照强度下光伏阵列U-I，U-P特性曲线如图2所示。

图2 光伏电池在不同光照强度下的特性曲线Fig. 2 Characteristic curves of PV different light intensities

为了提高光伏阵列的利用效率，本文采用扰动观察法[15]进行最大功率跟踪，对光伏阵列的输出电压施加周期性扰动，并检测输出功率值相对于前一个周期的变化情况，从而确定扰动方向。扰动观察法算法简单，容易实现，动态跟踪效果好，得到广泛的应用。

2.2 风力发电系统模型

由空气动力学可知，风力机从风中捕获的机械功率Pm和机械转矩Tm表达式为[16]：

式中，ρ为空气密度；R为风轮半径；υ为风速；ω为风力机转速；λ为叶尖速比；β为桨距角；Cp为风能捕获系数，它是叶尖速比和桨距角的函数。

最大风能跟踪是风力发电控制的核心内容，其特性由风力机决定，在桨距角不变的情况下，风能利用系数Cp随着叶尖速比λ的变化而变化，因此只要保持风机转速ω满足最佳叶尖速比λ=λopt，即可获得最大功率，此时Cp=Cp_max，风机获得的最大功率为：

风力机的功率-转速特性曲线如图3所示。

图3 风力机的功率-转速特性Fig. 3 Power /rotational speed characteristics of the wind turbine

永磁同步发电机在d-q旋转坐标系中的电压和电磁转矩方程为：

式中，usd、usq为定子电压的d、q分量；isd、isq为定子电流的d、q分量；Ls、Rs为定子电感、电阻；ωe为发电机电转速；ω为发电机机械转速；p为发电机的极对数；Ψ为永磁体的磁链。

2.3 储能装置建模

超级电容采用经典的简化模型[17]，由理想电容器C与等效阻抗Rp并联，再与等效阻抗RS相串联，其结构如图4所示。

图4 超级电容等效电路Fig. 4 Equivalent circuit of the super capacitor

蓄电池采用等效电路模型[18]，如图5所示，由可控电压源串联恒定电阻组成，可以动态反映蓄电池的充放电特性，对应的等效电路方程为：

式中，U为蓄电池端口电压；E为可控电压源的空载电压；ibatt为蓄电池工作电流；Ro为蓄电池的内阻。

图5 蓄电池等效电路Fig. 5 Equivalent circuit of the battery

3 控制策略

从固态变压器的结构和原理可知，SST由高、低压全控变流器和DC-DC变化环节组成，蓄电池和超级电容分别接在低压侧直流母线处和高压侧低压直流母线处，各个控制环节以PI控制为基础，控制目标各不相同[19]。

低压全控变流器采用转速外环，电流内环双闭环控制方式，转速外环的给定值是最大风能跟踪得到的转速值，反馈值是发电机转速，控制目标是保证直流电压恒定，并实现单位功率因数。控制框图如图6所示。

图6 低压全控变流器控制框图Fig. 6 Control diagram of the low-voltage controlled converter

DC-DC变化环节的两个变流器均采用PWM 控制，驱动信号为占空比为50%的互补触发脉冲，主要作用是进行电压等级变换和电气隔离。

高压全控变流器采用电压、电流双闭环控制策略，并结合同步锁相控制技术，实现并网电流与电网电压同频同相，超级电容接在高压直流母线处，通过合理设计高压变流器的控制策略，可以保证超级电容两端的电压稳定在恒定值。控制框图如图7所示。

图7 高压全控变流器控制框图Fig. 7 Control diagram of the high-voltage controlled converter

蓄电池接在低压直流母线处，当风光互补系统的输出功率低于蓄电池放电时的下限功率时，蓄电池放电，反之，当风光互补系统的输出功率高于蓄电池充电时的上限功率时，蓄电池充电。

4 储能装置的选择

太阳能、风能等可再生资源容易受天气等自然因素的影响，具有随机性和间歇性，需要配置一定容量的储能装置以维持输出功率稳定。如何根据气象条件和功率输出要求确定储能装置的类型和容量，直接影响系统的并网电压和功率特性[20]。本文提出一种基于平均功率的储能设备容量计算方法。

设Ppv为光伏阵列发电功率；Pwd为风电功率；Ps为储能设备功率；Pt为系统总功率，则

光伏阵列全天发出的电能为

风力发电机全天发出的电能为

则风光互补发电系统全天输出的平均功率为

图8是我国南方某地晴天时光照强度和风速的变化曲线，图9为风光互补发电系统对应的输出功率曲线，光伏阵列与风机的技术参数如表1、表2所示。

图8 某地晴天光照强度和风速的变化曲线Fig. 8 Curves of light intensity and wind speed on a fine day in a certain area

图9 风光互补发电系统输出功率曲线Fig. 9 Output power curve of wind/PV hybrid generation system

表1 光伏系统参数Tab. 1 Parameter of the photovoltaic system

表2 风机系统参数Tab. 2 Parameter of the wind power system

当风光互补发电系统的总功率大于平均功率时，系统给储能设备充电，反之，储能设备放电。在总数N个点中大于Pave的的点有M个，小于Pave的点有K个，则储能设备所需要的充电电能为储能设备所需要的放电电能为因此，整个系统储能设备的容量为

当系统的输出功率Pt=Pave时，Ps=0，即储能设备的充电电能等于放电电能，此时

当系统的输出功率Pt>Pave时，Ps>0，即储能设备的充电电能小于放电电能，此时

当系统的输出功率Pt

因此，当Pt=Pave时，储能设备的容量达到最小。

5 仿真分析

在MATLAB/SIMULINK中搭建了风光互补发电系统模型。根据（14）式可求得晴天典型日平均功率为174.03 kW，因此，储能设备的容量配置为174 kW时，储能设备所需容量是最小的。

5.1 风电系统独立运行特性

风电系统单独工作时，设系统在风速v=8 m/s时起动，在t=0.4 s时风速上升至12 m/s，在t=0.8 s时风速下降至10 m/s，如图10所示。

由图10可以看出，风速变化时，风力发电机输出的功率由60 kW升至210 kW，最终恢复至120 kW。并网处系统输出电流是正弦的，并且与电网电压同频同相，实现单位功率因数运行。说明风机模型具有很好的最大功率跟踪性能。

5.2 光伏发电系统独立运行特性

光伏系统单独工作时，设系统工作时光照强度S=1 000 W/m2，在t=0.4 s时光照强度降至400 W/m2，在t=0.8 s时光照强度上升到800 W/m2，仿真时间为1 s，如图11所示。

图10 风力发电系统单独并网时的运行特性Fig. 10 Operation characteristics of the grid-connected wind power system

图11 光伏发电系统单独并网时的运行特性Fig. 11 Operation characteristics of the grid-connected photovoltaic power system

由图11可以看出，类似于单独风电系统，光伏系统输出有功功率和并网电流的变化趋势与光照强度的变化一致，并网电流基本保持正弦，与电网电压同相位，满足并网运行的要求。

5.3 风光互补发电系统运行特性

风光互补并网系统工作时，光照强度在t=0.4 s时由S=400 W/m2上升为1 000 W/m2，风速在t=0.7 s时由8 m/s上升为12 m/s，运行情况如图12所示。

图12可以看出，风光互补发电系统的有功功率随着光照强度和风速的增加而相应的增加，并网电流始终与电网电压保持同步，具有很好的最大功率跟踪性能，能够满足并网运行的要求。

5.4 储能系统的控制效果

5.4.1 超级电容的功率平抑性能

仿真光照强度和风速发生剧烈变化时超级电容储能装置的功率支持效果。假设0.4 s时模拟系统受阴影的影响，光照强度由1 000 W/m2急剧下降至200 W/m2，持续1 s后恢复至1 000 W/m2，0.6 s时模拟风速急剧上升，由8 m/s上升到12 m/s，持续1 s后恢复至8 m/s。图13给出配置超级电容前后，风光互补发电系统并网功率和逆变器直流侧电压变化情况，由图13可以看出，增加超级电容后，并网功率波动明显变小，逆变器直流侧电压更加稳定。

图12 风光互补发电系统并网时的运行特性Fig. 12 Operation characteristics of the grid-connected wind/PV hybrid generation system

图13 增加超级电容储能前后并网功率和高压直流母线的特性曲线Fig.13 Characteristic curve of the grid-connected power and high voltage DC bus with and without super-capacitor

5.4.2 蓄电池的功率支持效果

当PPmax时，系统给蓄电池充电，SOC增大，当Pmin

6 结论

本文提出的基于超级电容和蓄电池的混合储能系统可较好地平抑并网型风光互补发电系统的功率波动，提高分布式电源的供电可靠性和电能质量，并降低了系统备用容量要求，实现分布式发电功率就地峰谷调节，增强了电网消纳风光电能的能力。本文设计的风光互补系统较好地解决了储能装置的快速出力特性与高能量密度需求之间的关系，为开发高性价比的大规模并网型风光互补系统提供了有益的思路。

图14 蓄电池充放电时，系统输出功率与SOC的特性曲线Fig. 14 Characteristic curve of the output power and SOC when the battery charges and discharges

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