储能型光伏发电系统能量控制策略研究论文(PDF 62页).pdf

湖南大学 硕士学位论文 储能型光伏发电系统能量控制策略研究 姓名 黎涛 申请学位级别 硕士 专业 电气工程 指导教师 罗隆福 20110520 储能型光伏发电系统能量控制策略研究 摘要 随着光伏产业的迅猛发展 光伏发电已经成为一种较为成熟 可靠的技术 并逐渐从过去的独立系统 朝大规模并网方向发展 但是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 因此 储能型光伏并网系统作为一 种灵活 稳定的小型分布式发电系统 必将成为今后光伏产业研究与应用的重点 本文采用蓄电池储能单元作为光伏发电系统的能量缓冲装置 用以控制光伏 发电功率输出 系统以实现具有智能控制和保护功能的储能型光伏发电并网系统 为目标 在总结和分析前人所做工作的基础上 着重于直流侧能量输出控制分析 及相关系统设计与研制 文中首先建立了基于等效电路的电池储能光伏发电系统 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 实现系 统输出的电能质量和工作稳定性仿真研究 在理论分析的基础上 本文进一步对系统进行软硬件设计 来验证方案的可 行性 文中以T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 控制芯片为核心 设计了一套模块化的储能型光伏 发电系统 整个系统可分为光伏系统模块 储能系统模块以及系统管理模块 在 硬件模块化的基础上 设计一套能量管理系统 增强模块之间的兼容性 在软件 设计中 利用D S P 编程代替部分硬件电路设计 提高系统的可移植性 文中提出 了一种基于蓄电池的光伏系统M P P T 控制策略 针对B o o s t 电路占空比进行变步 长扰动观测 该算法结构简明 计算量小 满足系统控制要求 搭建一套蓄电池 充放电电路 优化蓄电池能量流动过程 并加入相关保护电路 延长蓄电池使用 寿命 保证系统可靠运行 仿真与实验结果均表明所设计的并网系统灵活性强 能够有效的实现系统功 率可控稳定输出 关键词 光伏发电 电池储能系统 功率控制 D C D C 变换器 并网 A b s t r a c t W i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ep h o t o v o l t a i c P V i n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s t h e p r e s e n tP Vg e n e r a t i o ns y s t e mb e c o m e sam a t u r ea n dw e l la p p l i e d t e c h n i q u e i t d e v e l o p st o w a r d st oag r i d c o n n e c t e dd e r e c t i o ni n s t e a do f s t a n d a l o n eP Vs y s t e m B u t t h eo u t p u tp o w e ro fP Vs y s t e mi sv u l n e r a b l et ot h ei m p a c to fc h a n g e si nt h ee x t e r n a l e n v i r O n m e n ta n de x i s t sm a n yu n c e r t a i n t i e s A saf l e x i b l ea n ds t a b l ee n e r g yg e n e r a t i o n s y s t e m t h eP Vb a s e do nt h eb a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m P V B E SS w i l lb et h en e w h o ts p o t so fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h eP Vi n d u s t r y T h i sp a p e rp r e s e n t sr e s e a r c ho nt h ep o s s i b i l i t yo fe m p l o y i n gab a t t e r ye n e r g y s t o r a g em e t h o di n P Vg r i d c o n n e c t e dp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mt o e n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo fi t sp o w e rq u a l i t ya n ds t a b i l i t y B a s e do nt h es u r v e ya n da n a l y s i so f t h ec u r r e n tr e s e a r c hw o r k t h i sp a p e rd i dt h em a i nr e s e a r c h o nt h ep r o b l e m so f P V B E S Sd e v e l o p m e n ta n dt h ee n e r g ym a n a g ec o n t r o l a i m i n ga tt h e r e a l i z a t i o no f t h ep r a c t i c a lP V B E S St h a tc a nc o n t r o lt h eg e n e r a t i o na n dm a n a g et h ew h o l es y s t e m s Am a t h e m a t i cm o d e lo fb a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e mb a s e do ne q u i v a l e n tc i r c u i ta n d a p h o t O V O l t a i c b a s e d g l o b a ld y n a m i c m a t h e m a t i c a l m o d e lf o rP V B E S S g r i d c o n n e c t e ds y s t e ma r eb u i l t a n dc o r r e s p o n d i n gc o n r t o l s t r a t e g yi sd e v e l o p e dt o c o n t r o lt h eo u t p u tp o w e r B a s e do nt h e s em o d e l s as i m u l a t i o np l a t f o r mo fP V B E S S i sd e v e l o p e db yu s i n gS i m u l i n ko ft h eM a t l a bt oa n a l y s et h ep o w e rq u a l i t y a n d s t a b i l i t y B a s e do nt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s t h et h e s i sg a v ead e t a i l e di n t r o d u c t i o no nt h e h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r ed e s i g nw h i c ht a k et h eT M S 3 2 0 F 2 8 18a st h ec o n t r o lc o r e T h ea r c h i t e c t u r ea n di m p l e m e n to ft h eP V B E S S i sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s i t p r o p o s e daf l e x i b l em o d u l a rs t r u c t u r e w h i c hc o m p o s e do fP Vg e n e r a t i o nc o n t r o l s y s t e m b a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e ma n ds y s t e mm o n i t o r s y s t e m B a s e do nt h e m o d u l e sd e s i g n a ne n e r g yc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e dt os o l v et h ec o m p a t i b i l i t i e s a m o n gt h em o d u l e sa n ds o f t w a r em o d u l e sa r ed e v e l o p e do nD S P w h i c hc a np e r f o r m s o m ef U n c t i o n st h a th a r d w a r ec a nd o T h i sd e s i g nh a sp r o p e r t i e so fr e l i a b i l i t y a n d f l e x i b i l i t y A n dt h e n a ne f f i c i e n tM P P T m e t h o df o rP V B E S Si s p r e s e n t e d u s i n gt h e v a r i a b l es t e pp e r t u r b a t i o no b s e r v a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ed u t yc y c l eo fB o o s t c o n v e r t e r T h i sc o n t r o ls t r a t e g ym e e t ss y s t e mr e q u i r e m e n t s a n dr e q m r e saf e w n u m b e r so fa r i t h m e t i co p e r a t i o n s I nt h ee n d Ac h a r g ea n dd i s c h a r g ec o n t r o ls t r a t e g y I I I 储能型光伏发电系统能量控制策略研究 f o r s t o r a g eb a t t e r y a r e s u g g e s t e d a n dc o r r e s p o n d i n gp r o t e c t i o nf u n c t i o n sa r e p r o v i d e d t oe n s u r et h ep e r f o r m a n c ea n dt h eo p e r a t i o n a ll i f eo ft h eb a t t e r i e sa n dt h e s t a b i l i t yo ft h ew h o l es y s t e m B o t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ti ti sf l e x i b l e a n dc a nb ew e l lo u t p u tt h ep o w e rs c h e d u l a b l i t ya n ds t a b i l i t y K e yW o r d s p h o t o v o l t a i c b a t t e r ye n e r g ys t o r a g es y s t e m p o w e rc o n t r o l D C D C c o n v e r t e r g r i d c o n n e c t e d I V 硕f 学位论文 1 1 太阳能光伏发电 第1 章绪论 1 1 1 利用太阳能的必然性 工业革命以来 随着社会经济的迅速发展和人民生活水平的不断提高 世界 对能源的需求量日益增加 目前世界上大部分的能源仍来自于一次能源的矿物燃 料 但无论从世界还是从中国来看 常规能源都是非常有限的 而且它们在使用 过程中对环境和气候产生的负面影响等问题也日益凸显 从长远来看 可再生能 源将是未来人类的主要能源 目前世界上大多数发达国家和部分发展中国家也十 分重视可再生能源发展 积极发挥其对未来能源供应的重要作用 因此 寻求绿 色替代能源 发展低碳经济 促进和实现可持续发展已经成为世界各国面临的共 同选择 目前使用的可再生能源主要包括风力发电 地热能 太阳能发电及热利用 潮汐能以及燃料电池等 1 2 而太阳能作为一种最普遍 最直接的可再生能源 正 逐步成为国际社会公认的不可再生能源的理想代替品1 3 1 据国际权威机构预测 到本世纪6 0 年代左右 全球可再生能源利用在整个能源结构中的比例将超过5 0 而利用太阳能的比例也将发展至世界能源利用构成的1 3 1 5 4 1 因此 太阳能作 为大自然赋予人类取之不尽 用之不竭的洁净绿色可再生能源 虽然地面上的太 阳辐射能随时间 地理纬度 气候变化的实际可利用量较低 但其具有巨大的开 发潜力与广阔利用空间 5 太阳能利用技术和产业也正逐步由技术开拓期步入蓬 勃发展时代 太阳能发电成本有望降低到与常规电价相竞争的水平 一个大规模 利用太阳能的新时代正在来临 6 J 1 1 2 光伏发电的优点及存在的问题 太阳能作为一种极其普遍的能源 它既是一次能源 又是可再生能源 它与 一次能源中的传统矿物燃料相比具有明显的优点 目前太阳能主要应用于热水 发电 制冷 采暖等领域 并在太阳能电池 太阳能汽车 太阳能房建筑等高新 技术领域有了进一步的发展 综合当前的各种利用情况 太阳能的利用主要分为 太阳能的热利用和太阳能光电利用两种方式 太阳能的热利用是将太阳能转换成 热能后使用 主要体现在太阳灶 太阳能热水器以及利用集热器把太阳能辐射能 转变成热能来发电的太阳能发电方式等 太阳能光电利用则是指利用 光生伏打 储能型光伏发电系统能量控制策略研究 效应 将太阳的辐射能光子转变成电能的过程 其主要体现在太阳能光发电站以 及太阳能电池等方面 虽然传统的光热利用具有成本低 利用方便等优点 但热 能不便于传输 能量转换难度大 而光电利用能使太阳能以电能的方式输出 与 传统的电能利用相结合 传输方便 通用性高 因而光伏发电受到广泛关注 1 9 5 4 年第一个太阳能电池问世和1 9 5 7 年第一颗人造卫星上天 是光伏技术开 发 利用的起点 经过5 0 多年来的研究与发展 已逐步形成一门新的光伏科学与 光伏工程 7 1 光伏发电系统主要由光伏电池板 控制器 逆变器等电力电子器件 组成 发电设备精简 安装维护方便 使用清洁无污染 与传统水力 火力发电 具有很多独特的优点 8 9 a 储量丰富 我国幅员辽阔 太阳能资源丰富 绝大多数地区年平均日辐射 量在4 k W h m 2 以上 西藏最高可达7 k W h m 2 我国国土面积内年平均接受到的太 阳能能量约为5 6 l0 2 2 焦耳 相当于高达1 7 0 0 0 亿吨理论储量的标准煤 太阳能资 源开发利用的潜力非常广阔 b 分布广泛 我国地理位置优越 属于世界上太阳能资源分布最为广泛的国 家之一 其中太阳能年辐照总量每平方米超过5 0 0 0 兆焦耳 年日照时数超过2 2 0 0 小时以上的地区约占国土面积的2 3 以上 尤其对于常规能源缺乏的边远地区有 许多特殊优势 方便就地取材 直接开发利用 c 经济环保 据科学家估算 太阳的寿命还有大约3 4 亿年之久 是真正意义 上取之不尽 用之不竭的能源 不会遭受能源危机 燃料涨价等客观因素的限制 而且对其能量的开发利用不产生任何污染 是理想的清洁能源 具有非常高的环 保价值 d 建设方便 太阳能发电系统属于模块化安装 建设速度快 可以自由设置 系统容量 方便灵活 而且受地理因素限制极小 可就近供电 因此减小了输电 线路建设成本以及长距离输电导致的电能损失 太阳能资源虽然具有上述几方面常规能源无法比拟的优点 但其在实际发电 应用中也存在一些问题 主要表现在以下几个方面 a 能量密度低 虽然到达地球表面的太阳能辐射总量很大 但其能量密度却 很低 根据国家气象资料显示 湖南省属于太阳能资源较差地区 在夏季天气晴 朗的情况下 垂直于太阳光方向l m 2 面积上接收到的太阳能功率平均仅在8 0 0 W 左 右 若按全年日夜平均 则仅有14 0 W m 2 左右 因此 在利用太阳能时 想要捕 捉到尽可能大的功率 往往需要大面积的收集装置和高效率的转换设备 而目前 的太阳能利用装置普遍效率低 成本高 这也很大程度上制约着太阳能利用的进 一步发展 b 发电不稳定性 由于受到地理位置 环境变化等客观因素影响 到达地面 的太阳能辐射强度的变化具有随机性和间断性 在太阳能发电系统中 一般情况 2 硕士学位论文 下其输出功率波动较大 因此将会带来诸如电压脉冲 跌落 瞬时供电中断或能 量波动等一系列的电能质量问题 为了提高系统稳定性 系统必须加入储能环节 但目前蓄能仍是太阳能利用中较为薄弱的一个环节 同时也提高了太阳能发电的 利用成本 c 发电系统可靠性低 当前太阳能发电系统的发展趋势是与电网连接 实现 向电网馈电 提供削峰填谷 电压支撑 紧急功率支持等功能 进一步发挥太阳 能发电在微网中的作用 但是太阳能发电系统输出功率不能及时跟踪负荷的变化 而且在环境因素等外部条件变化较快时 它不能够稳定的输出电能 难以保证供 电的持续性和可靠性 由于日照强度 环境温度等自然条件的变化导致光伏发电不能持续稳定的输 出电能 影响系统稳定性 因此在系统中配置一定容量的储能装置 对光伏并网 发电系统具有非常重要的作用 1 0 1 2 1 2 光伏发电及其电池储能系统 1 2 1 系统构成 太阳能光伏发电系统运行主要分为并网运行 离网运行和混合运行三种模式 并网运行是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段 成为电力工业组成部分 的重要方向 也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势 如图1 1 所示 光伏并网发电系统可以按照系统功能分为两类 一类为不含储能环节的不可调度 式光伏并网发电系统 另一类为含有储能环节的可调度式光伏并网发电系统 a 可调度式光伏并网发电系统 b 不可调度式光伏并网发电系统 图1 1 光伏并网发电系统示意图 能能型光伏发电系统能苗控制策略研究 前者不带储能装置 造价相对较低 但由于易受环境因素影响 不能有效调 控并网时间 为电网削峰填谷效果较差 因此难以有效的运用到智能电网的统一 调度中来 而可调度式光伏并网发电系统增加了储能环节 系统工作时间和并网 功率大小可以根据储能容量人为设定 而且仅需满足当日内3 4 小时调峰任务 不需要像离网运行系统中要求储能容量满足几天的工作需求 造价比独立光伏系 统大大降低 而且可调度光伏并网系统馈电可靠性高 灵活性强 发电单元可调 度性好 能够有效按照预定的发电规划并网发电 更容易在智能电网中发挥作用 目前正在研究的适用于可调度式光伏并网发电系统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 蓄电池储能技术等 超导储能技术代 表着储能研究领域的高新技术方向 能快速响应电力系统需求 但由于其技术难 度大 控制要求高 近期还很难得到突破性进展 飞轮储能系统是一种机电能量 转换装置 利用飞轮旋转的动能储存能量 设备较为庞大 受飞轮材料性质及其 转动惯量限制 暂未得到广泛应用 超级电容器因其充放电速度快 效率高 管 理方便等优点 正日益受到人们重用 但也因为其能量密度低 端电压波动较大 和价格相对昂贵等因素 有待进一步研究发展 1 3 1 6 蓄电池储能技术是目前各种 储能技术中使用最广泛 技术最成熟的一种方式 其性能稳定 工作可靠 价格 低廉 制造方便等优点 使其相对其他储能方式仍然具有不可替代的地位 因此 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 1 2 1 系统工作方式 目前 已投入并网运行的光伏电站并不多 且大部分为不可调度式光伏并网 发电系统 系统省去储能装置 通过逆变器直接并入低压配电网 由于当前各系 统规模均较小 其容量相对电力系统容量忽略不计 因此并网后不会给电网带来 多大影响 但随着光伏并网系统迅速发展 其电能质量好坏必将受到严格要求 本文采用光伏发电 P V 系统与蓄电池储能系统 B E S S 联合应用的方法 设计了 一套基于铅酸蓄电池储能的光伏发电并网系统 P V B E S S 文中研究了光伏系 统与蓄电池混合运行的特点 蓄电池充放电性质等 并结合当前能源紧缺和大型 城市用电负荷特性等情况 对小型光伏系统蓄电池储能管理在光伏并网稳定性控 制和电力系统削峰填谷中所能发挥的作用进行分析 并对系统的控制运行和可行 性进行分析 参考下图1 2 湖南省用电特性曲线 系统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 夜问电网峰值阶段 夜间电网谷值阶段四个工作时 间段 根据不同时段需求 设置P V B E S S 系统工作模式 对系统能量进行合理控 制 并实现如下系统功能 4 硕十学位论文 1 4 0 0 0 厂 E 三至 三 1 2 0 0 卜 7 i 7 l i 0 0 0 0 筻卜二二 6 0 0 0 卜 一 E 三三一 9 p p p p p p 芦 p 图1 2 湖南省2 0 0 9 年冬夏典型日负荷曲线 曲P V B E S S 系统向电网并网馈电 消除光伏发电系统中存在的由于环境不稳 定性对电网所带入的波动影响 在白天非电网峰值阶段光伏电池向蓄电池充电 充分利用太阳能 并适时补充蓄电池电量 用以降低蓄电池备用容量 减小放电 深度 峰值阶段与蓄电池共同供电 维持系统稳定输出 提高系统的稳定性与可 靠性 扑 b 蓄电池容量选择匹配光伏阵列容量 并以智能电网调度规划以及I G B T 逆 变电路的额定工作状态等因素为参考条件 有效发挥光伏系统在电网中削峰填谷 的作用 并充分利用逆变器等电力电子器件 使其能始终工作在额定状态 提高 利用率 c 夜间用电低谷时电网向蓄电池充电 充分利用电力系统冗余电能 并有效 防止蓄电池出现欠充状态 提高蓄电池利用率及寿命 d P V B E S S 可作为U P S 给重要负载充当备用电源 当电网故障等断电情况发 生时 P V B E S S 可代替柴油发电机等作为U P S 给重要负载提供紧急电源 其具体运行条件和功能如表1 1 所示 表1 1P V B E S S 运行条件和功能 储能型光伏发电系统能量控制策略研究 1 3 本文所做的研究工作 本文以实现具有智能调度控制的小型储能型光伏发电系统为目标 在总结与 分析现有光伏发电系统的基础上 着重分析混合供电模式下P V B E S S 系统研制以 及能量输出控制两个方面 实现系统各部分功能模块化 提出一种恒功率输出光 伏并网控制策略 设计了一套P V B E S S 日一g 量智能控制系统 实验中光伏电池组通过一级升压电路将电压提升至直流母线电压 蓄电池通 过充放电控制器与直流母线连接 系统再通过D C A C 电路逆变并网 因此在本文 P V B E S S 系统中 存在多个不同电压等级之间的变换 本文主要完成16 0 W 光伏并 网系统中各D C D C 电路设计 并针对实际运用场合 对其拓扑及控制策略进行优 化设计 其主要包括以下方面内容 a 基于D C D C 电路的直流侧能量输出控制 该部分内容主要包括D C D C 电路 拓扑的选择 功率开关管以及电路相关参数的选择设计 驱动电路的设计与保护 各单元效率分析及其控制稳定性分析等 b P V B E S S 系统中光伏阵列最大功率跟踪方法的研究 根据系统的实际情 况 详细分析了目前存在的光伏系统最大功率控制方法 提出了基于蓄电池储能 的光伏系统M P P T 变步长扰动控制策略 并对其进行仿真和实验验证 证明了方 法的实用性和可靠性 C P V B E S S 系统中蓄电池智能充放电控制设计 在研究铅酸蓄电池充放电特 性的基础上 设计了一套适合光伏电池充电模式的三段式充电控制电路 满足蓄 电池充电性能要求 并设计了一套基于P I 算法的双环控制策略 搭建带耦合电感 的交错并联B o o s t 升压电路 提高蓄电池放电控制稳定性 d 基于D S P 的P V B E S S 系统综合控制设计 结合P V B E S S 系统性能要求及相 关应用环境 将系统各部分设计模块化 增强系统的兼容性 在模块化设计的基 础上 通过D S P 控制芯片 开发一套具有智能发电管理控制的系统 为小型光伏 并网系统融入智能电网统一调度提供一种参考 在本试验中 由于后级逆变器并网控制 孤岛检测等问题研究由他人合作完 成 本文不涉及其具体设计与控制 6 硕士学位论文 第2 章储能型光伏发电系统特性 本文中储能型光伏发电系统 P V B E S S 属于可调度式光伏并网发电系统 其 装置示意图如图1 1 a 所示 P V B E S S 系统中包括光伏电池组 蓄电池 D C D C 变换 D C A C 逆变器以及升压变压器等相关电力电子器 系统通过采用相关控制 策略 将光伏电池产生的电能合理有效的储存或馈入电网 实现系统能量稳定输 出 满足可调度式光伏并网发电系统要求 本章将对混合供电系统中光伏发电系 统与电池储能系统特性进行分析介绍 2 1 光伏发电系统特性 2 1 1 光伏电池及其分类 光伏电池种类繁多 按其构成材料可分为以下几种 a 晶体硅光伏电池 此类光伏电池原材料丰富 光电转化效率高 目前已发 展成为应用最广的光伏电池种类 但其制造工艺复杂 晶体硅提取过程中耗费大 量能源 仍需进一步改进提高 b 非晶硅光伏电池 此类光伏电池原材料丰富 制造工艺简单 制造过程能 耗低 具有低沉本 高回报率等优点 c 化合物半导体光伏电池 此类光伏电池具有I I I V 族 I I V 族等众多种类 其转化效率高 但原材料缺乏 化合物材料污染环境 1 7 1 据市场研究表明 目前常用的光伏电池均属于晶体硅光伏电池 晶体硅光伏 电池可分为单晶硅电池和多晶硅电池两种 1 8 单晶硅电池具有能量转化效率高 技术最为成熟 使用寿命长等优点 而多晶硅电池价格便宜 效率仅次于单晶硅 电池 综合以上各项因素 本文采用由长沙某太阳能有限公司提供的单晶硅光伏 电池板 其主要性能参数如下 最大功率 8 0 W p 开路电压 2 1 6 V 短路电流 5 3 4 A 电池效率 1 6 5 工作环境温度范围 4 0 8 0 标准测试条件 A M l 5 l k W m 2 2 5 尺寸 6 7 6 9 8 2 x 3 0 m m 本系统购入2 块上述光伏电池板 采用串联连接接入系统 进行光伏发电研 7 储能型光伏发电系统能量控制策略研究 究测试 系统性能稳定 工作状况良好 2 1 2 光伏电池工作特性分析 光伏发电是根据光生伏打效应原理 利用光伏电池将太阳能直接转化为电能 的一种方式 其具体过程为 当光伏电池表面受到太阳能辐射时 激发其内部P N 节中原子的价电子 并产生大量处于非平衡状态的电子 空穴组合 而其中大部分 自由碰撞的电子一空穴组合将对外表现出导电状态 形成一种光生电场 当此光生 电场接通外电路形成导通状态时 即可对外输出电能 此种发电模式与传统发电 机运行等发电原理完全不同 并且在发电过程中无噪声 无污染 是一种极具理 想的发电方式 光伏电池是一种具有典型的非线性特性元件 从其工作原理分析 传统的光 伏电池可用如图2 1 所示模型描述1 1 9 卜 一 I n 7 l 一 图2 1 太阳能电池等效电路模型 模型包括等效电流源易 电池所产生的光生电流 光伏电池内部等效串联电 阻R 和一个二极管 其I V 特性方程如式2 1 所示 坠 盘生 2 一厶 k 一厶 枞r 一1 2 1 其中 易一光伏电池在无光照时的饱和电流 A I s c 一短路电流 A L 光照强度 I o P N 结的反向饱和电流 A 妒一光伏电池的输出电流 A V s 一光伏电池的输出电压 V q 电子电荷 1 6 1 0 1 9 C k 波尔兹曼常数 O 8 6 1 0 4e V K T 一热力学温度 K m P N 结的曲线常数 R 厂光伏电池的表面电阻 体电阻 电极电阻以及电极与硅表面接触电阻等 组成 Q 8 硕士学位论文 在理想的光伏电池模型中 R 很小 通常可忽略不计 光生电流I D h 与光伏电 池面积及光照强度成正比 光伏电池板是光伏阵列使用的基本单元 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 由式2 1 分析可知 光伏电 池在一定工作状态下可近似看做一个等效电流源 其输出功率可用流经电池的电 流与电压的乘积表示 图2 2 中给出了在环境温度为2 5 C 的情况下 光伏电池所受 到的光照强度分别为1 k W m 2 O 7 5 k W m 2 O 5 k W m 2 时 理想光伏电池板的输出 I V 特性 输出P V 特性 a 光伏电池板在不同辐射下的I V 特性 b 光伏电池板在不同辐射下的P V 特性 图2 2 光伏电池板在不同辐射下的I V j f f l P V 特性 根据式2 1 所示关系 同理利用此数学模型可绘制出温度的变化与光伏电池的 输出特性关系如图2 3 所示 图中取光照强度为l k W m 2 在不同环境温度下所具有 的I V 和P V 特性 忙0 T 2 5 之弋 一一一T 5 0 T 7 5 1 j t 一 I t II 1 51 0 1 5加2 5 啪M 光伏电池板在不同温度下的I V 特性 b 光伏电池板在不同温度下的P V 特性 图2 3 光伏电池板在不同温度下的I V 和P V 特性 综合两图可以清楚看出在外部环境变化时 通常可认为短路电流受光照强度 影响较大 开路电压受温度影响较大 最大功率点也在较大电压范围内变动 其 9 储能型光伏发电系统能量控制策略研究 运行特征为 光伏电池具有很强的非线性特征 并随温度和光照强度的影响 输 出性能有较大波动 其电压工作范围宽 当电压较低时 电流变化不明显 而当 工作电压接近开路电压时 电流下降率很大 输出功率急速变低 2 0 2 1 并且在特 定环境下 太阳能电池仅具有唯一的最大功率点 综上可知 光伏电池主要存在以下几个重要技术参数 2 2 a 短路电流I x S h o r t C i r c u i tC u r r e n t 在某一特定的光照强度和环境温度 下 当外电路短路 即圪矿 0 时 所对应的光伏电池最大输出电流 b 开路电压 O p e n C i r c u i tV o l t a g e 在某一特定的光照强度和环境温度 下 当外电路开路 即 P 矿 0 时 所对应的光伏电池最大输出电压 c 最大功率点工作电流L 在某一特定的光照强度和环境温度下 光伏电 池工作在最大功率点时的输出电流 d 最大功率点工作电压圪 在某一特定的光照强度和环境温度下 光伏电 池工作在最大功率点时的输出电压 e 最大功率点输出功率只 在某一特定的光照强度和环境温度下 光伏电 池工作在最大功率点时的输出功率 即尸删 酞 其中伏安特性曲线与功率电压关系曲线是分析光伏电路运行原理 对其进行 系统电路设计及相关优化控制的理论基础和依据 2 1 3 光伏电池最大功率特性分析 由上文分析可知 光伏电池是一种极不稳定的电源 它随日照强度 环境温 度以及负载的变化 输出功率随之发生很大波动 为了提高光伏电池工作效率 使其尽可能多的输出电能 就需要通过引入相关的控制装置及策略 对其进行最 大功率控制 使其在不同环境条件下 仍能工作在最大功率输出状态 根据工程 经验 采用最大功率点跟踪可以使光伏阵列的年功率输出提高5 2 0 2 3 1 由于光伏电池的非线性特性 只有在特定的负载状态下 才有确定的输出电 流和电压 图2 4 所示为光伏电池工作点示意图 曲线表示光伏电池输出I V 特性 斜线表示负载电阻的I V 特性 二者的交点即光伏电池的工作点 啪M 图2 4 光伏电池工作点 1 0 硕士学位论文 由图可知 当两条I V 特性曲线交点在最大功率点时 此时负载和光伏电池就 处于阻抗匹配状态 光伏电池工作在最大功率输出状态 但由于环境因素以及负 载的变化 要使二者始终实现匹配 就必须在光伏电池与负载之间加入控制环节 实时改变负载的等效阻值 目前常用的控制方法是在光伏电池与负载之间加入 D C D C 变换电路 通过控制其开关占空比 就可以改变光伏阵列的等效负载 实 现光伏系统的最大功率控制 其电路拓扑图如图2 5 所示 图2 5 带D C D C 变换器的光伏系统模型 圪u t 在图2 5 所示电路中 通过控匍 D C D C 电路占空比a 来动态改变电路负载匹配 状况 实现电路最大功率控制 M P P T 为了简化分析 假设该D C D C 电路为 B o o s t 升压电路 负载为等效电阻局 根据戴维南定理 由光伏电池端1 2 1 看进去 B o o s t 电路与负载可视为等效电阻 在忽略器件损耗的前提下 咒 值等于 与 的比值 由功率平衡可得关系式 圪乇 v o L 吃 吃 2 R 2 2 根据B o o s t 升压电路原理 可得出 圪乇 2 1 一口 2 足 2 3 因此得出等效电阻尺 R 1 一a 2 局 2 4 由上述分析可知 通过改变D C D C 电路占空比a 就能改变负载等效电阻值 从而达到光伏电池工作点的目的 实现M P P T 控制 由图2 2 2 3 所示光伏电池输 出功率特性曲线可知 以最大功率点为参考点 分为左右两侧 当光伏电池输出 电压大于最大功率点电压时 其输出功率随光伏电池输出电压的增加而减小 而 当光伏电池输出电压小于最大功率点电压时 其输出功率随光伏电池输出电压的 降低而减小 因此 在控匍 D C D C 电路占空比的同时 需充分考虑此输出功率特 性 通过改变负载等效电阻 调节光伏电池输出电压 使其在不同环境情况下进 行最大功率跟踪 目前常见的用于光伏电池最大功率跟踪的D C D C 变换电路主要 有B o o s t B u c k B o o s t B u c k 电路等 而光伏系统控制中也存在多种M P P T 算法 其常用的几种控制方法及优缺点如表2 1 所示 2 4 2 7 储能型光伏发电系统能量控制策略研究 表2 1 常用M P P T 控制方法及其优缺点对比 1 2 硕士学位论文 2 1 3P V B E S S 系统的能流模型 在储能型光伏发电并网系统中 能源来自于光伏阵列和蓄电池 由表1 1 分析 可知 系统存在如图2 6 所示几种能量流动情况 模型 a 为在白天电网峰值阶段 需要P V B E S S 系统为电网提供电力时 P V B E S S 系统工作 为其提供恒定功率 模型 b 为在白天电网用电低峰时 光伏电池为蓄电池充电 充分利用太阳能 并 且适时补充蓄电池能量 模型 c 中所示为夜间用电高峰期间 以及冬季白天出现 阴冷天气等情况 此时光伏电池不能有效工作 而电网却处于空调取暖等用电高 峰 因此投入蓄电池储能系统单独为电网供电 充分利用分布式电源在电力系统 中所起到的削峰填谷的作用 模型 d 为夜间电网用电低谷时 利用电网给蓄电池 充电 一是有效利用电力系统多余电力 二是为蓄电池稳定充电 保证在次日工 作中电力充足 并防止出现蓄电池欠充状态 提高蓄电池使用寿命 光伏阵列 E l P V B E S S 混合系统供电模型 光伏阵列 b P V 向蓄电池充电模型 光伏阵列 c B E S S 系统单独供电模型 光伏阵列 d 电网向蓄电池充电模型 图2 6P V B E S S 能流模型 1 3 仳能型光伏发电系统能量控制策略研究 2 2 蓄电池储能系统特性 2 2 1 蓄电池工作特性 在P V B E S S 中 蓄电池作为本套系统的储能环节 对系统稳定输出电能具有 十分重要的作用 如表1 1 所示 在日照充足的条件下 可以存储光伏电池多余的 电能 在日照不充足时 补充系统所需电能 维持P V B E S S 系统稳定输出 满足 系统调度需求 发挥光伏系统在分布式发电中所起到的削峰填谷的作用 目前常 用的蓄电池主要有铅酸蓄电池 M H N i 电池和锂聚合物电池等 表2 2 中简要比较 了目前几种常用的蓄电池储能方式的性能属性 2 8 1 表2 2 蓄电池储能方式比较 近年来光伏产业的蓬勃发展也带动了储能电池产业的迅速发展 给蓄电池产 业的发展带来了巨大推动力 国内外正积极发展新型蓄电池 目前正在实验研究 的有镍镉强碱性电池 钠硫电池等 但投入产业化仍需时日 而已经开始应用的 M H N i 电池因其成本较高 在分布式发电领域 也没有明显的发展优势 考虑到 蓄电池本身的特点 以及光伏发电系统的成本等因素 目前在蓄电池储能的环节 上仍大量的使用铅酸蓄电池 铅酸蓄电池具有成本低廉 原材料丰富 端电压高 使用寿命长等优点 而 且制造技术成熟 有广阔的销售渠道以及大规模生产能力 它的正负电极分别为 二氧化铅和铅 以硫酸为电解质 通过化学反应完成电池的充放电过程 该过程 可用如下化学反应方程式表达 P b 0 2 1 4 H I 8 0 4 2 e 一等P b s 0 4 2 H 2 0 2 5 P b S 0 4 P b S 0 4 2 e 一 2 6 式2 5 2 6 分别表示铅酸蓄电池在其正负极板上所进行的化学反应过程 为 简化表达式 可将二者结合为式2 7 所示化学方程式 P b 2 H 2 S 0 4 P b 0 2 案P b s 0 4 2 H 2 0 P b S 0 4 2 7 1 4 硕士学位论文 由上述反应方程式可以看出 该可逆反应对应于蓄电池的充放电过程 充放 电电流越大 相对应的化学反应过程就越剧烈 而且在传统的充电过程末期 如 果充电电流过大 超出化学反应剩余活性物质的需求时 则充电电流将对水进行 电解 造成剧烈的冒泡现象 影响蓄电池的使用寿命 因此 在P V B E S S 系统中 需充分考虑蓄电池充放电控制对蓄电池造成的影响 防止其过度损坏影响系统整 体性能 下面简要介绍铅酸蓄电池几个主要的特性参数 a 蓄电池的容量 充电容量皱 绞 f c I c d t Q c 为蓄电池充电所消耗的电量 其中乇为充电电流 t c 为充电时间 放电容量Q Q r 乃衍 Q d 为蓄电池放电所释放的电量 其中厶为放电电流 乙为放电时间 蓄电池放电率以及电解液的温度会对其充放电产生影响 通常情况下采用2 5 时1 0 d 时放电率取得的容量作为蓄电池的额定容量C 1 阳引 b 荷电状态S O C S t a t eo fC h a r g e 蓄电池的荷电状态S O C S O C 眵么 Z 蓄电池的荷电状态是用来反映其剩余容量的物理量 其中Q 为蓄电池当前的 剩余容量 瓯 为蓄电池的额定容量 c 放电深度D O D D e p t ho fD i s c h a r g e 蓄电池放电深度D O D D O D 1 一S O C Z m 蓄电池的放电深度是反映其放电量Q 与额定容量瓯 比值的物理量 它与蓄 电池的使用寿命密切相关 d 放电速率 D i s c h a r g eR a t e 蓄电池放电速率一般用时率或倍率表示 时率是指用放电时间来表示蓄电池 的放电速率 即以某一电流值放电至终止电压时所经历的时间来表示 倍率是指 用蓄电池容量数值的倍数来表示蓄电池放电电流的数值 例如在本系统采用的 3 6 A h 铅酸蓄电池中 如果放电速率为0 2 c l 则表示蓄电池以0 2x 3 6 7 2 A 的电 流放电 目前常用倍率来表示蓄电池的放电速率 e 自放电现象 S e l f D i s c h a r g e 自放电现象普遍存在于蓄电池之中 当蓄电池在非工作状态时 式2 7 所示化 学反应过程在电池内部活性物质间仍在白发进行 从而导致电池内部化学能量损 失 容量下降 但自放电不会对蓄电池寿命产生影响 只需在使用过程中考虑其 1 5 储能型光伏发I 乜系统能量控制策略研究 造成的能量损失 2 2 2 蓄电池仿真模型的建立 由上节分析可知 蓄电池的荷电状态和充放电过程等都是蓄电池能量利用过 程中非常重要的因素 也是整套系统发电规划运行平衡中的重要环节 本节建立 基于M A T L A B 的蓄电池仿真模型 用以分析蓄电池在不同放电速率下的电池特 性 以及端电压与S O C 之间的联系 通过建模仿真分析 可以优化蓄电池充放电 控制设计 并大大减少了对蓄电池特性实验分析的必要性 本文采用图2 7 所示电 池组等效电路口0 图中 电容C b 两端电压表示电池的电动势 电阻R b 与C b 并联用 以描述电池自放电 电阻R o v 尺o v d 与电容C o v 组成的电路网络用以描述描述电池 的超电势 电阻凰 凰d 为电池内阻 充电过程中 电流通过电阻尺o c 风 放电 时 电流通过电阻R o v d 凰d 理想二极管起到不同状态下选择电路理想电阻值的 作用 尼 圈2 7 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2 6 所示等效模型 得出以下关系式 厶 紫 2 8 C 6 警 鲁 厶 2 9 巳警 等 厶 2 1 0 本文采用6 F M 3 6 型号阀控免维护铅酸蓄电池作为系统储能单元 即 蓄电 池由6 个单体电池组成 额定电压为1 2 V 电池额定容量为3 6 A h 参照蓄电池具 体参数 对模型进行仿真分析 得出如图2 8 所示电池放电特性图 依据图2 7 所 示电池放电特性 可对系统蓄电池容量 充放电电路参数进行合理选择 维护蓄 电池乃至整个系统安全稳定运行 同时为了防止蓄电池过放电 还需设置对应的 放电终l 匕电压 本文通过搭建蓄电池保护电路 有效维护蓄电池安全运行 1 6 g g 车 声l 霉g 目自 目j 一 S 趟 唧 裴 熊阁 曩黧意嚣鬻噤鬻黧瓣鬈嚣 辜呈茎 要登蓁萋篡慧羹茎羔霎罢雾巍纛焉磊焉茹蒜 互瓣燃耄1 6 黑嚣搿董篓翕黧茹戮 妻薹耄 纛曩冀譬 誊筌喜翟凳丧塞妻萎嘉譬耄篆蔷篆黧翼器呈薹羞 磊焘三 寸 系统能量输出稳定 将由蓄电池储能系统输出电能以弥补尤伏电佃撇夕叫脯里 c 搿1 1 Q 1D 玎 2 O Q要鼍凳冀燃量支撑的天数 由于系统可在蒯氐谷时