【《光储型微电网仿真平台分析案例》4900字】

光储型微电网仿真平台分析案例从实际工程的需求出发，主要关注光幅阵列和储能的输出特性、最大功率跟踪模型、并网与孤网运行状态下逆变器的控制策略、储能的充放电控制策略等，搭建了光储型微电网仿真平台，用来研究微电网的运行特性，并验证微电网的控制策略和方案。1.1仿真平台总体模型结构光储型微电网仿真平台总体模型如图4-1所示。此光储型微电网系统从10/0.4kV的变压器，再接入10kV的配电网。并且放一个可以迅速反应开段的闸刀在PCC上，当发生扰动时，大电网被迫停止运行，电能供应的就很难迎合光储型微电网系统中各个设备的使用的时候，闸刀立即关闭，这时，微电网系统和大电网系统无连接，变成孤网运行状态。该光幅并网型微电网系统，涵盖一系列光幅发电单元和一系列储能元件，光幅发电系统的逆变器运用并网逆变器，控制策略使用恒定输出功率测控方法。储能变频器采用双向变频器。蓄电装置连接着电力网，母线电源禁止联锁。在外部放电的储能过程中，设置系统的标准电压和频率作为系统的标准电源。位于储能元件后的逆变器应用变频控制理念[19]。图4-1光储型微电网结构图1.2光幅电池的仿真1.2.1光幅电池的仿真模型在现实生活中，光幅电池的规范状况：辐射力度Sref=1000W/m2，温度Tref=25°C下，构建出光幅电池输出电流、电压数学建模如式（4-1）—式（4-3）所示：（4-1） （4-2）（4-1） （4-3）（4-4）（4-5）（4-6）（4-7）（4-8）（4-9）式中，U、I是光幅电池输出电压（V）与电流（A）；C1和C2是修正系数。补偿系数a、b、c的典型取值为a=0.0025/°C、b=0.5、c=0.00288/°C。e是自然常数，数值等于2.71828。式（4-4）—式（4-9）为修正后的光幅电池参数计算公式（4-4（4-4）（4-5）（4-6）（4-7）（4-8）（4-9）按照上建立的公式，在Matlab/Simulink中，搭建光幅电池仿真数学建模，然后将各个单元进行组装，这样一来，就可以快速改变参数，个人界面的参数选择如图4-2和图4-3所示。图4-2光幅单元封装界面图4-3参数界面设定1.2.2光幅电池的仿真分析为了不同型号的光幅电池模型，可以改变光幅组件的参数，在光幅电池的输入部分，修正参考数值S和T，于是得出光幅电池在变化的外界温度和太阳能光强度时的输出特性。本文在这一节，专门针对光幅电池建模进行了一次光幅电池损耗特性的标准测试。经过此次仿真，就可以得出太阳能电池输出的图像：I-U特性、P-U特性曲线，建模结论如图4-4、图4-5所示，以此得出，证明搭出的光幅电池仿真建模，还是可以真实的仿真出光幅电池输出功率下电压、电流随之的变化特性。图4-4I-U特性曲线图4-5P-U特性曲线通过上面的仿真结果可以得出，太阳能光幅电池输出功率曲线，存在一个最大值。领会光幅电池的建模结构，了解输出特征，于光幅电池在最大功率处调整建模的剖析具有重大内涵。1.3最大功率跟踪模型由以往的理解证明，对太阳能发电组件分析，其输出电流和电压都不是线性特征的。处于变化的辐射强度和温度下，太阳能组件仿真出的输出电压和输出功率曲线都是不一样的。因此，在不同的外界光照和周围温度下，仿真出的特征也有是有变化的[21]。最大功率点跟踪(MPPT)是离网太阳能光幅的关键控制问题[22]。1.3.1最大功率跟踪方法本实验采用了扰动观测方法。进行扰动观测法观察室，尤其当太阳辐射强度随时间迅速变化时非常有效。P&O方法是周期性地干扰。如果扰动后PV单元的输出功率在此之后增加，则下一个扰动方向与该方向相同；反义言之，下一个扰动方向和之前背离，这样就可以根据估计，跟踪到太阳能电池的最大输出功率点。修正中间环节实际上是一个功率优化过程，允许太阳能电池在最大功率点周围旋转，其原理如图4-6所示。图4-6扰动观察法原理1.3.2最大功率跟踪点算法仿真模型本文展示了光幅电池的MPPT控制，运用了Boost电路，以及扰动观察法，来跟踪最大功率。扰动观察法可以不定时的增减Boost电路中的传进电压，并且定位太阳能光幅元件的发出最大功率的那个点，整个算数原理如图4-7所示。最一开始，搜集并记录光幅元件端电压U、端电流I，并且，输出这一时刻的典雅与电流的乘积，记录为功率P，接着，和刚刚记录下的上一时刻P对比大小，如果比之前的数值大，那么就向着与此一致的方向提高或减弱太阳能组件的两端电压；与此相反，就向相对的一面更改。周而复始，一直找寻输出最大功率的点。图4-7扰动观察法原理流程图1.3.3仿真分析本文所搭载的光储型微电网仿真模型里，首先，光幅发电系统应用为两级式结构，在第一级结构里，使用了Boost升压电路，第二级结构里，使用了逆变器[23]。通过改变Boost电路中的占空比值，光幅电池的最大功率输出模型就可以仿真出结果。本文所构建的光幅电池MPPT控制仿真模型，如图4-8所示。在图4-7中，在Boost升压调节模块，综合融入了光幅组件的MPPT算法，最后得出，该电路可以使光幅阵列持续最大功率输出，再经过修正MOSFET管的占空比例，让太阳能组件运行在最高功率点周围。这样一来，Boost单元就能获取最终电压，并将其调整增加到并网逆变器所需要的运行水平。图4-8太阳能光幅组件MPPT仿真模型运行在标准状态下时：温度T=25°C，辐射强度S=1000W/m2，对光幅电池进行仿真分析研究，结果如图4-9—图4-12所示，就可以先后得到太阳能组件的各个输出参数模型。图4-9太阳能组件输出功率图4-10太阳能组件输出电压图4-11太阳能组件输出电流图4-12Boost输出电压改变原始的光照强度，在对光幅电池进行仿真分析。电池原始温度T=25℃，光照强度S=l000W/m2。在0.2s时，光照强度下降到600W/m2。在0.4s后，S再上升到800W/m2，温度不变。仿真输出的光幅电池的各项基础参数及Boost电路输出电压如图4-13—图4-16所示。图4-13光幅电池输出电流图4-14光幅电池输出电压图4-15光幅电池输出功率图4-16Boost输出电压更换电池环境温度，再进行仿真研究。最初，电池温度T=25℃，辐射强度S=1000W/m2。在0.2s时，调节电池温度，使之上升到40℃在0.4s时，再次调节电池温度，使之减小到30℃。仿真结果：太阳能组件输岀的各项参数及Boost电路输出电压如图4-17—图4-20所示。图4-17太阳能组件输出功率图4-18太阳能组件输出电压图4-19太阳能组件输出电流图4-20Boost输出电压由以上的仿真图像就能得出结论，不管辐射强度还是光幅组件表面温度出现多大的改变，太阳能组件由于可以实现MPPT控制，所以，不管怎样，太阳能组件对最大功率点的追随效果都很明显，这就使太阳能组件能够在最大功率点周围运行。由此得出，最大功率点追踪模型通过扰动观察法建立，此方法可以有效的追随光幅电池的最大功率点，还能做到在全部控制过程中，保持动态性能优良。1.4光储型微电网控制系统设计1.1.1P/Q控制器设计太阳能光幅组件的容量较大电网小很多，因此，在光储型微电网并网运行时，标准电压和标准频率都来自于大电网。因此，为保证光幅发电的最大能源利用率，在光幅发电系统中，对逆变器的控制不可或缺，通过逆变器控制来保证最大有功功率输出[24]。在太阳能光幅组件并联系统中，接入大电网运行时，逆变器通用的控制方式为电压源电流控制策略。太阳能光幅组件并联系统中，接入大电网运行时，通过操作同步转动坐标系，坐标轴中d轴、q轴分量电流，用来完成P、Q的单独解耦控制，同时，三相垂直坐标轴（a、b、c）与同步转动（d，q）坐标系的变换矩阵如式（4-10）—式（4-11）所示，三相静止坐标系转换为同步旋转坐标系的仿真模块如图4-21所示： （4-10） （4-11）图4-21静止坐标系与同步旋转坐标系转换仿真逆变器的控制为电压外环、电流内环的双闭环控制结构，对逆变器的控制基于SVPWM调制方式，以达到输出电流跟踪电网电压的效果。图4-22逆变器并网控制图图4-22为电流内环控制系统。（Udc-Udc*）的值等于外环电压，经过PI调节后，id*作为参考电流d轴分量，参考电流q轴分量iq*设置为零，尽量维持最大有功功率输出。（4-12）（4-13）式中，id、iq分别为电网电流的d轴和q轴分量；ω指电网电压的角频率（rad/s）;L指线路电感（H）。1.1.2V/F控制器设计V/f控制策略与P/Q控制策略的解耦方式几乎相同。V/f控制方法的原理图如图4-23所示。对于已给的标准电压解耦后得到Udref、Uqref，系统中真实电压解耦后算出Ud、Uq。经由标准电压和真实电压解耦后算出的d、q旋转坐标中的差额，通由PI控制器，最终得出对应坐标系中的标准内环电流。为尽可能缩短微电网与大电网链接，或者断开时系统的幅值，从而保证光储型微电网独立运行时的平稳，规定标准频率f=50Hz。图4-23V/f控制策略结构1.4仿真平台参数设计基于Matlab/Simulink建立如图4-24所示的光储型微电网系统仿真平台。图4-24光储型微电网仿真图中，由太阳能光幅组件、蓄电池以及负载组成的光储型微电网系统。在标准状况下（T=25℃，S=l000W/m2），光幅电池的MPPT额定电压取值为380V，太阳能组件并联系统通由并网逆变器链接大电网与微电网系统中，太阳能并网逆变器为实现光幅发电输出最大有功功率，釆用了恒功率控制策略。光幅并网逆变器，无功功率等于零。当光储型微电网系统与大电网连接时，蓄电池进行充电，保证充足的电量，为独立运行保留基础；系统孤网运行时，大电网系统的标准电压、参照频率则由蓄电池负责[25]。将蓄电池的SOC值设定在25%—75%。1.三相逆变器一种用于光幅发电系统中光幅储能微网仿真平台的两级三相太阳能并网逆变器。在微电网实际工作中，蓄电池负责输出电能，即逆变器运行在逆变模式。并网运行时，蓄电池负责充电，即逆变器运行在整流状态下。2.LC滤波器设计由于光储型微电网系统釆用的电力电子装置很多，这些设备会在开关频率处产生谐波。因此需要虑波器进行虑波，这里釆用的是LC虑波器。虑波器参数选择至少想到两方面因素：一是尽可能减小由电感引发的基波电压磨损，二是挑选适当的电容值来充分确保基础波的电流值到最小。（1）滤波电感L的选择基础波电压的磨损效果决定了逆变器在低频运行条件下输出速度的电阻参数的大小。选择越小越好。滤波电流的最小值主要由感应电流纹波的大小决定。在全输出功率下感应电流纹波峰值的最大值为总电流峰值的15%。逆变器控制信号采用SVPWM脉冲，电流值计算如下： （4-14）式中，是电感电流纹波波峰值（A）；是SVPWM的载波频率（Hz）。（2）滤波电容C的选择电容与电感的选择息息相关，应根据选择的电感选择电容，若电容的数值挑选较大，则会造成功率效率变低，以及造成的基础波磨损，因而也会面临造价问题。因此，想要遇见最优的虑波结果，电容值的挑选就必须根据现有状况具体分析。依据以往的经验，可以得到式（4-15）、式（4-16）：（4-15（4-15）（4-16）式中，是滤波器截止频率Hz；是基波频率Hz；是SVPWM的载波频率Hz。3.隔离变压器设计隔离变压器作用于电力设备和电源之间的电气隔离，算是一种特殊的变压器[26]。想要提高电力系统的安全系数和稳定性，就必须在系统中接入隔离变压器，对电力系统中的重要负载的供电性能的提高意义重大[27]。1.直流母线电容设计通过增加光幅系统互连逆变器的直流总线容量，抑制系统互联操作期间产生的谐波，并在直流侧与逆变器的交流侧之间切换时作为缓冲器。在现实生活工作中，当电力系统在电容器充放电循环中放电最大放电电流时，必须将电容器两端的压降控制在所需值内。1.5光储型微电网并网运行仿真分析通过分析微电网再介入大电网状态下建模仿真，解析所得出的结果，需要主要查看太阳能组件输出的最大功率。对环境的温度和光照辐射强度变化来研究微电网的并网运行特性。建模的时长设定为2s，仿真建模研究大致方法如下：1.开始时刻，太阳能组件温度取为25°C，辐射强度为1000W/m2。2.0.3s时，光照强度改变为600W/m2，其他参数保持不变，对系统进行仿真。3.0.6s时，光照强度改变为800W/m2，其他参数保持不变，对系统进行仿真。图4-25光幅电池输出功率图4-26直流母线电压图4-25、图4-26是对太阳能发电系统中，在接入大电网运行时的系统仿真。图为太阳能电池功率输出以及系统直流母线电压的波形图。在光照强度改变的瞬间光幅电池的输出电压波形存在一定的振荡，但是能很快寻找到最佳工作点并稳定输出。图4-27并网电压电流及A相电压波形图4-27改变光照强度，光幅