【《南疆光伏电站储能系统设计与仿真研究》15000字】

南疆光伏电站储能系统设计与仿真研究前言当前我国新一代能源工程技术正在高速发展已经有了很大的进步,光伏和风力发电占据我国电力系统的比例也愈加优势。随着光伏太阳能发电的容量和功率占比日益增加,无储能系统的光伏电站所凸显的问题也日益明显，建设光伏储能体系具有重要的意义。储能体系按照储能的原理属性可以将储能系统大致划分为机械性的储能,化学性的储能，物理性的储能,电磁性的储能等。本文简述了各种储能系统的结构与原理，结合南疆地区的环境地理特点合理的选择锂离子化学储能电池作为设计的储能系统的基本储能单元。光伏电站的储能系统的设计要设计出合适的直流控制部分，系统逆变交流控制部分，以及储能蓄电池充放电控制设计。需要对各个系统进行建模，然后模拟仿真。本文简要介绍和分析了两种MPPT的追踪方法，经过对于两种不同的控制算法的控制过程的分析以及结合光伏发电的实际运用的有关分析，本设计经过综合衡量后决定采用扰动观测法的光伏发电的最大功率点的跟踪的方法去跟踪光伏电池的最大功率点，并达到相关输出最大功率的目的。通过扰动观测法以及对于BOOST升压电路的相关控制完成对于光伏发电的有效控制，能够在控制系统的控制下在保证系统稳定的前提下尽量输出更大的功率。光伏系统并网输出之前要经过直流/交流转换电路，并需要对转换过程的相关控制进行合理的控制。本文采用双闭环电压电流PI控制系统。文章中对有关步骤进行了详细的说明。光伏发电系统要想维持输出电压及功率的稳定，需要设计出一套合适的储能系统。本文通过有关的工程案例选择采用直流升降压控制电路。本文对有关流程进行了相关说明。本文最后通过对系统的建立与模拟仿真，确定了本储能系统方案在光伏电池发电时在保证系统正常供电的前提下能够将多余电量供给蓄电池储存起来。当光伏电池发电受限时，储能电池在保证自身安全的条件下能够正常放电保持系统的稳定。关键词：光伏太阳能发电;储能体系;南疆地区;蓄电池；模拟仿真目录TOC\o"1-3"\h\u18141引言 引言1.1光伏电站储能系统的研究1.1.1光伏电站目前的现状截止至2020年末,我国的可再生能源光伏发电设备的总装机容量在新能源中的占比已经超过百分之四十,年光伏发电总量高达22000亿千瓦时,年光伏发电总量占百分之三十左右。太阳能产业具有巨大的市场潜力和巨大的经济增长潜力,其在电力系统中占据着越来越重要的位置。由于我国南疆地区干燥多风少雨,年平均日照时长、地广人稀、尤其适用于光伏发电的研究和应用。太阳能由于发电的过程中没有产生任何气体和噪声，污染较小且在发电中操作维护简便,是目前现代人们实施节能减排的最高效率手段之一[1]。但传统的供电系统需求却是任何一个时刻都要实现电力的供需均衡。这意味着电力供应必须根据负荷需求实时调整电力供应，这也导致了电力机组实时有备用的存在，造成了能源的浪费。当电力系统电能供不应求时，电力系统将面临着短暂的供电中断。无储能系统的太阳能发电站发电时易受环境的影响，其输出功率既不稳定又不可靠，易对电网产生较大的冲击。光伏发电量受光照影响较大，不易与电网中的用电负荷相协调，经常会有弃光的发生，不能较好的与电网的供需要求相平衡造成资源的浪费。当前随着我国对于“超级电网”、“智能电网”战略的提出，光伏发电与“智能电网”的问题日益凸显。1.1.2无储能系统的光伏电站存在的主要问题光伏发电容量远远低于负荷需求，且光伏发电系统造价昂贵，大规模增加容量会增加大量开支，且光照强度低时会造成大量设备的闲置。无储能系统的光伏发电系统直接并网，当电力网工作在恶劣环境下时会对电网产生较大的冲击。光伏发电高峰期与电力系统用电高峰期时间重叠区度小，通常会造成光伏发电站在发电高峰时段弃光现象的发生与电网系统用电高峰期无电可输的窘迫情况，造成资源的浪费。1.1.3建设光伏储能系统的意义随着光伏发电装机的容量及比重越来越大，无蓄能装置的光伏电站所带来的问题日越来越备受关注。由于储能系统则能够很好的改善光伏电站电能波动、电压冲击等问题，所以越来越多的光伏电站配置了储能系统。储能系统能够在光伏发电不适合上网时，对电能进行存储，在电网负荷较高时释放电能满足电力需求。光伏电站储能系统能够改善光伏发电所带来的诸多问题，所以当前有必要设计出一种合适的储能系统以满足电力系统的需求与发展。图1-1带有储能装置的光伏发电系统1.2目前国内外储能系统研究现状相关技术的概述1.2.1储能技术的分类电能的存储按照其所运用的存储方式的不同又细分为机器性储能系统,电磁性储能系统,电化学性储能系统等[2]。1.2.1.1机械储能类（1）抽水储存蓄能:抽水储存蓄能是现阶段我国电力系统中使用最多的一种蓄能方式。抽水式蓄能系统可以调节电力系统的输入容量比较大,它能够使得电网输出力相对较低时,将其电能通过转化成水位的势能进行储蓄和利用,在用电需求达到高峰时即可实现发电的作用,故被普遍应用于各类电力系统储蓄[3]。但抽水蓄能系统需要非常大量的库容水在水资源匮乏的地区不适用，且选址麻烦，所以在水资源匮乏及地势较为平缓的南疆地区并不太适合。（2）压缩空气的储能:所谓的压缩空气的储能就是将所收集到的压缩气体存放到一个完全密闭的空间内,在电网负载提升的过程中释放出被压缩的压缩空气来推动压缩空气发电机械的发电。压缩空气的储能技术比较成熟。通常情况下压缩空气的能量密度很大,所以这些压缩空气通常被储存在一些密闭性比较好的岩石洞穴或者矿井中，所以其选址也较为困难。（3）飞轮式储能：所谓的飞轮式储能就是一种电机拖曳飞轮,将其中的电能变成飞轮上的机械能的一种储能系统[4]。飞轮式储能功率很高，响应速度快，但储能时间较短。我国目前的飞轮储能刚刚起步，技术不为成熟，且该储能系统不可长时间储存能量故也不太适合南疆地区的光伏储能系统。1.2.1.2电磁储能类（1）超导磁储能：超导磁能储能可以将发电站发出的电能直接转化成磁场的能量并存储在超导线圈内的一种超导技术。超导磁储能器具有毫秒级反应速度和转化效率高等特点，并能始终与系统保持同步，提高了系统的稳定性[5]。但是超导储能需要严格低温或严格高温，其发展潜力巨大，但目前尚未大规模采用。（2）超级电容储能：超级电容器可以通过快速充放电来储存和释放能量，具有很好的发展前景。超级带电容相较于其他的储能方式其具有远高于其他储能方式的储能充放电次数，具有对于工作环境的温度要求的范围广泛、系统的维修保养费用成本较低的特点。在电力系统中，超级电容器多用于短时高功率负荷的供电和用电高峰的供电。但超级电容器的存储能力仍然有限，而且价格昂贵，尚未得到大规模使用。1.2.1.3电化学储能电化学储能是利用电池充电进行储能的系统，该类型储能运用最为广泛。目前的产品铅酸复合电池、锂离子复合电池、镍氢电池、流液电池、钠硫电池等都已经实现了大规模运用。目前电池储能系统在电力系统中运用最为广泛，技术也十分成熟，且平均年限使用成本相对较低、储能时间长、容量调整范围广。电化学储能的潜力十分巨大。表1-1几种储能方式特性比较储能方式能量密度W·h/kg功率密度W/kg充放电次数次效率（%）超级电容2-107000-18000>1000000>95飞轮5-50180-1800100000090-95超导<1180-1800100000090蓄电池30-200100-700100080-851.3光伏发电储能系统的选择1.3.1光伏储能系统的选择指标光伏发电具有波动性大，发电高峰与用电高峰不同步的特点，故光伏电站的储能系统须有稳定性强、反应速度快、存储容量较大等特点。考虑到光伏电站光伏板投资大，使用年限25年以上，所以储能系统要具有充放电时间很长、维护稳定可靠、技术成熟、价格尽可能低的特点。1.3.2选择合适的储能系统光伏电站容量小，所以光伏电站不需要搭建一个容量非常大的储能系统。蓄电池储能是人类大规模储能的主要的运用方式，在各种领域中储能蓄电池都有着广泛的应用，运用电池储能也是目前各种储能方式中研究最为全面透彻的一种储能方式。其他的储能系统与储能蓄电池进行有关的对比。由于抽水蓄能、压缩空气的储能对于地理和环境的要求更高，并不适宜在南疆地区建立相应的储能系统。同时飞轮储能的储能持续时间短，不适合光伏电站长时间储能的要求。电磁储能费用较高，目前尚未大规模采用。从国内目前的技术水平及上述综合因素与各种储能系统的特点及南疆特殊的地理气候条件的特点去考虑，南疆地区的光伏电站应当建设电化学储能系统。由于运用电池进行储能，只要适当调整电池的数量就能够调整出一套合适的配套的储能系统,而且蓄电池模块化的设计也给采用蓄电池春储能的光伏电站储能系统的设计节省了大量的时间。由于采用蓄电池储能的储能系统相比于其他储能而言适应性更加广泛，所以在各个国家对光伏发电站的储能系统的建设中都已经有了非常广泛的运用。美国、智利、日本等发达国家的储能系统大多采用钠硫电池、锂离子电池等运用储能蓄电池进行储能的储能手段作为光伏发电系统的主要的储能方式以提升光伏电站在电力系统中的有关运用。当前国内各个省份相继出台了储能的政策，光伏储能系统应不低于装机容量的百分之二十配置。国内目前正逐步建立锂离子电池储能系统，液流电池也逐渐被大规模运用。锂电池是目前国内非常盛行的一种储能手段。由于太阳能发电易受环境因素的影响，所以一般要配备蓄电池系统才能更好的并网工作。储能电池配合光伏发电系统，能较好的解决厂用电的需求及满足系统部分峰谷问题，能间断对系统的放电，能够较好缓解目前国内能源紧缺的问题。锂电池储能比其他蓄电池能够更好的适应太阳能发电系统，综合考虑选用锂离子电池作为南疆光伏电站的基本储能单元，并完成相关设计。1.3.3各种储能类型的占比图1-2各种储能形式占比图1.4本章小结储能系统的划分按照储能原理来进行区分，储能方式大致分为机械运动进行储能类的储能系统、运用电磁场进行电力存储的电磁类的储能系统以及采用电化学进行储能类的储能系统，本章通过对比各种储能系统的特点结合目前国内外对于光伏电站储能系统的研究与发展，结合南疆地区特殊的地理环境特点选择出锂电池作为本次设计的储能系统的基本单元。2光伏电站储能系统DC/DC变换的研究2.1DC/DC变换电路的原理及作用光伏发电电池板属于半导体型发电结构，外界环境的相关变化都会引起光伏板输出的结果。当光伏板所受到的光照强度及周围环境温度变化时光伏板的输出电压就会受到波动。如果光伏板直接与逆变器相连就会直接造成逆变器交流侧输出电压发生大较大的波动。通过分析我们知道只有逆变器的输出电压高于或等于电网电压时逆变器才会输出电能。所以为了一直保证逆变器输出电压稳定通常先将与逆变器相连接的直流电路调节电压后再输出。2.2DC/DC拓扑结构及其原理分析图2-1Boost电路原理图如图2-1所示UPV为光伏板等效电源这里用电压源来等效，Ri表示光伏板内部等效阻抗，RL为负载等效阻抗，电容为滤波电容，T输出电压表达式为：UL其中D为开关器件的占空比，D<1,故UL其值其值始终超过大于Upv，达到升压的目的，通过调整开关管输入的开关信号的占空比D就已经可以达到调整输出电压幅值改变了。2.3BOOST升压电路参数的设计BOOST升压电路的参数设置主要目的是对升压电感参数和输入滤波电容参数进行设计，BOOST升压电路是在电流连续状态下工作,一个工作周期内升压电感上的电流充放电所输出的功率与电源基本相等。假设一个光伏电源终端不存在电能损耗,Ppv=PRL，Ppv是一个光伏电池终端所发出的功率，PRL为光伏发电系统所输出的电能让外部负载进行工作时所需要消耗电能的功率，PPV=IPV∗UPV，PL=(1−D)式中Ts为采样的周期，η为电感上的纹波电流系数，η=∆IL/IL，当D=1/3时L有最大值Lmax,为了满足纹波的正常，则要求电感的取值应满足电容C的设计应满足下式：C≥P式中ηv为电压2.4DC/DC控制器的控制策略光伏阵列的输出特性是非线性输出的,意味着光伏板在不同的工作环境条件下其内部的等效阻抗是不同的,光伏板在受到外部环境的影响下其不同的输出电压点对应着不同的输出功率，通过数学关系我们知道只有光伏发电系统的在输出电能时内部阻抗与外部阻抗完全相同时光伏阵列才能输出最大功率，而在MPP中正常工作的光伏电池阵列具有独特的等效内部阻抗[6]。因此,如果我们能够通过采用有效控制策略来实时调整各种条件下太阳能电池阵的等效负载阻抗,并且能够使之自动跟踪各种太阳能电池阵的等效内部阻抗,就已经可以稳定地完成最大的输出功率。通常我们采用的DC/DC控制器不仅要实现对于电压的稳定输出的需求同时我们要兼备对于光伏电池最大输出功率的控制。我们成采用的控制方法如下。2.4.1电导增量法控制策略我们通过光伏电池板的功率输出图像P−U知，当某个环境条件下光伏电池的输出功率达到某个区间的范围内的输出的最大值时，光伏电池输出的最大功率的最大点它所对应的光伏板的输出电压是独一无二与之相对应的。由数学极值的有关的数学关系我们知道当光伏电池输出功率达某个还环境的光照及温度下到最大功率点时其该点的导数的数值等于零。根据上面提到的数学分析的关系，我们可以利用一些手段通过不断地对光伏板的输出电压进行一定的扰动然后再在检测机制通过不断地对光伏板的输出的功率与电压的变化进行分析来判断光伏电池在相应条件下是否输出最大功率[7]。有关控制运算如下：dPdU=I+U∙dIdUdIdU=−IUdIdU−IU≤B控制策略图如下图所示：图2-2控制电导增量法控制策略图2.4.2控制扰动电压方向的控制策略我们可以人为的设计一套控制算法，当光伏电池开始工作以后，选择合适的扰动量K我们控制扰动器开始工作，起初随机设置一个电压扰动方向。当光伏电池的电压受到扰动之后，通过分析比较扰动前后光伏电池的输出功率P的变化来确定扰动电压下一步的扰动方向[8]。控制策略图如下图所示：图2-3控制扰动电压方向的控制策略2.4.3DC/DC控制策略的选择以及电路仿真相较于目前控制策略中我们常用的两种控制方法，第一种方法具有更高的控制精度控制策略,但是也相对较为复杂。相比于第一种控制方法，虽然第二种控制方法的控制精度不如第一种方法的控制精度，但是只要合理的选择每次进行扰动的电压的大小我们就能够把光伏板的输出功率控制在最大功率点附近很小的范围之内，在工程运用中仍然具有很大的运用空间。且该控制策略控制方法简单，控制系统不宜产生紊乱。所以此设计选择第二种控制策略。根据上述光伏模型，采用扰动观测法控制的最大功率点跟踪输出的DC/DC控制电路的Simulink仿真模型如下图所示：图2-4扰动观测法MPPT模拟2.5本章小结本章主要分析了DC/DC升压电路的作用及原理，BOOST电路由于结构简单，控制系统简单且易于实现对电压的控制，所以经常被我们用作光伏板的升压电路。DC/DC控制电路对于电压的调节不仅要满足接入逆变器侧电压的稳定还要满足光伏电池最大输出功率的调节。我们利用扰动观测法，来控制DC/DC电路的输入与输出。并且在最后利用Simulink中的相关器件搭建出一套合适的仿真电路。3光伏电站储能系统的DC/AC逆变器研究3.1光伏发电系常用的DC/AC拓补结构及其原理如下图所示为一种常见的光伏发电系统三相并网拓扑结构，Udc为直流侧的等效电压源，C表示的是直流电源侧的稳压滤波电容。VT1−VT6表示IGBT开关管[9]。图3-1三相全桥型逆变器拓扑结构3.2光伏发电系统逆变器的整体结构前文我们已经介绍了BOOST电路的相关原理及作用。BOOST电路最重要的一个作用之一是需要与逆变器电路的DC/AC部分相结合最终在电网侧输出稳定的交流电。因为光伏板的输出电压是非常容易受到外界因素的干扰，因而光伏电池的输出十分不稳定。所以我们必须配合BOOST直流升压电路才能使得逆变器的输出更加稳定。所以BOOST电路通常作为逆变电路的前级电路。前后级电路相互配合构成了逆变器电路的整体结构。光伏发电系统逆变器的整体结构如下图所示：图3-2光伏发电系统逆变器的整体结构3.3DC/AC控制器的控制选择与设计3.3.1DC/AC控制器的控制方法的选择目前对于逆变器DC/AC控制的方法主要有PID控制法，PI控制法，无差拍控制法等。PID控制法也就是我们常说的比例积分微分控制方式，是利用数学的方式进行有关调节的一种方式。通过调节比例系数能够快速的将系统误差放大反映出来，比例系数越大则系统的调节速度越快。通过调节积分时间系数能够将系统的微小偏离量通过积分的形式放大，提高了系统的静态稳定性。通常情况下系统在一些恶劣环境条件下系统的瞬时跳动的速度很大，这就需要引入一个微分量来反映系统的瞬时跳动速度来提高系统的动态稳定性。共同由比例，积分，微分来调节系统稳定的控制系统的方法被我们称为PID控制系统。PID控制系统是最为常见的控制方式，在工程运用中十分的广泛。PI控制系统就是少了微分调节的控制系统，该种系统在稳定的系统或者瞬时动态变化速度不大的可调控制系统中运用也较为广泛。另一种控制系统就是PR控制系统，它是在比例微分控制器的基础上附加可以较少失真的有关的稳态误差的谐振器件来减少原来系统的控制误差，可以提升系统对于静态误差的控制精度。还有一种我们常见的控制系统，误差拍控制系统可以对瞬时性的误差进行相应的补偿完成反馈控制，虽然该办法控制精度好但是容易受到外界因素的影响所以实际应用中并不常见。我们要设计的逆变器控制系统其电网侧功率无限大，电网侧虽然时时刻刻都会受到电力系统各种负载启动与关闭的影响，但总的来说电网侧电压基本恒定不发生变化，所以采用的控制系统运用比例积分控制系统就能满足我们的设计要求。且该控制系统结构简单该控制系统比较容易搭建并且易于控制。因为结构简单所以控制系统稳定性较好，能够满足我们对于并网光伏逆变系统的设计需求，所以本文将采用比例积分控制系统作为并网谷光伏逆变器的控制系统。3.3.2PI控制器的控制原理PI控制器的结构原理图如下图所示：图3-3模拟PI控制的电路该种控制系统的表达式为：WpI该种控制方式的原理图如图所示：图3-4比例积分控制系统原理图3.3.3利用PI控制方法的逆变器的电压电流控制系统在对于电流的控制，我们往往会对并网逆变器的电流进行相应的分析的时侯会采用坐标分解变换对分解出来的交直轴上的电压电流进行想应的分析经过运算得出合理的控制方式。利用坐标变换分解进行比例积分控制的控制系统如下图所示：图3-5利用坐标分解法的电流的比例积分的控制方法逆变器工作的时候有关电流的内环控制方程如下pidiq=1Lk通过测量直流侧母线电压Udc的值再通过运算计算出与母线的参考电压Udc∗的∆Udc，再利用坐标变换将∆Udc通过PI控制器计算出参考电流Id∗。此种方式被我们成为电压外环的PI控制方式。利用坐标变换将分解得到的d轴电流与Id∗做差比较得出∆Id。将∆Id通过PI控制计算出d轴参考电压Ud∗，被称为电流并网内环控制方式[10]。同理可以计算得出参考电压运用MATLAB构造的电压电流双闭环PI控制系统策略如下图所示：图3-6电压电流双闭环PI控制系统策略3.4光伏电站DC/AC并网控制整体结构经过上文的分析得知，要想能够让光伏系统稳定的并网发电。光伏电站需要有直流升压电路，最大功率追踪控制部分，逆变电路部分，逆变电路控制器部分等组成。系统的总体思路是，光伏板在最大功率控制器的控制下调制出占空比合适的脉冲，控制直流升压电路输出与逆变器适合的电压。逆变器控制部分采用电压外环电流内环的双闭环的PI控制系统，来控制逆变器的反馈输出。将控制部分整体组合在一起，组成对于光伏并网控制系统的整体框架。系统的整体结构如图所示：图3-7光伏并网发电控制系统整体系统3.5本章小结本章分析了光伏电站长见的三相桥式DC/AC逆变电路的拓扑结构及其原理分析。由于光伏发电的不稳定性强，所以光伏发电逆变并网之前要经过直流升压电路升压后才能更好的配合逆变电路完成电能的并网传送。本章简要介绍了几种常用的逆变电路的控制方法。因为电网的波动范围小瞬时稳定性强，所以本文采用常见的PI控制器控制逆变器的并网工作。最终将光伏阵列DC/DC控制电路与DC/AC控制电路结合，设计出系统整体的控制方案。4南疆光伏电站储能系统建模与相关设计我们需要设计出一套合适的储能系统，该储能系统必须满足光伏系统的发电量高于电网对于光伏系统电能的需求量的时候，储能系统能够利用储能蓄电池储存系统发出的多余的电量。在光伏系统的发电受到周围环境因素引起波动的时候能够保持光伏并网系统的稳定。储能系统在进行充放电的时候储能电池的电量受到控制系统的监测与保护，防止储能系统电池由于不合理的进行过度充放电导致储能系统蓄电池无法恢复的内部损害。图4-1带有储能系统的光伏电站的能量流动图4.1储能系统双向能量变换控制电路的建立与参数设置4.1.1储能系统双向能量变换控制电路路模型的建立蓄电池要具有充放电的功能就要由充放电控制电路进行相应的控制。往往我们可以控制一些相应的开关器件来实现对于电路的充放电控制。一种常见的双向直流充放电电路如下图所示：图4-2蓄电池双向能量控制电路电路中电容器起到稳压滤波的作用。开关管Q1,Q2配合二极管D1,D2,在蓄电池充放电的不同时期通过对开关的控制实现双向能量传输的作用。电感器件起到续流作用，维持系统的连续供电[11]。通过控制开关管的导通与关闭的时间比，来实现升降压的需求。该系统就是我们常见的Buck−Boost电路。4.1.2储能系统控制电路参数的设置现在Simulink下搭建储能控制系统的仿真电路，如下图所示图4-3双向电能转换控制电路模型的建立在seriesRLCBranch模块下对控制电路中的电感值与电容值进行设置，有关的设置如图所示：图4-4seriesRLCBranch模块图4-5L设置的数值图4-6电容C1设置的数值图4-6电容C设置的数值4.2储能系统电池的建模与参数设计首先我们打开MATLAB中Simulink的电气元件库在ExtraSources库中找到Battery模块，进行相关参数的设置电源模块如下图所示：图4-7Simulink中的电源模块接下来我们要对要设计的储能系统的电源模块进行相应的参数设置，我们通过选择Parameters下的锂电池。设置电池的标准电压为600V，额定容量为9.6Ah，初始SOC为90%，响应时间为30s。相关参数设置如下图所示：图4-8锂电池的相关参数4.3光伏电站储能系统模型的建立储能电池通过双向电能传送电路连接直流母线部分实现能量的储存与释放[12]。根据上文中的依据我们在Simulink中我们建立相应的控制模型，如图下所示：图4-9储能系统整体仿真模型我们可以对储能系统的模型进行封装，封装后的模型如图所示：图4-10储能系统封装后的模型S1和S2为控制储能系统开关管的PWM脉冲信号，ISC容量，+，−变换器的正负极。4.4储能电池充放电的控制储能系统的蓄电池的充电控制方式按照原理通常被分为恒定的电压控制下的充电方式与恒定的电流的相关控制下的充电方式。通过仔细推敲后，本文决定对储能电池采用恒压恒流充放电的控制的方式该系统的控制框图如下图所示：图4-11恒压恒流充放电系统控制框图储能电池受到过度充电或者过度放电的过程就会给电池内部带来无法复原的损害。所以我们一定要严格控制电池的充放电深度。根据光伏电站电池的充放电规格，我们要对电池的充放电程度进行设定[13]。根据以往的经验我们把电池的电量为20%~100%，当电池电量过低控制电路会锁定电池的放电，电池停止对外输出能量。当电池电量充满时，控制电路停止对储能电池供电。防止电池的过充与过放，保障电池的运行安全[14]。蓄电池双闭环控制电路仿真模型，如下图所示：图4-12蓄电池双闭环控制仿真电路同样我们也对储能系统的控制系统进行封装，封装后的电路如下图所示：图4-13蓄电池双闭环控制系统封装模型S1,S2,接储能系统的控制电路，控制脉冲PWM可控制储能系统的充放电。Vdc表示负载电压，Isc表示蓄电池电流，SOC表示蓄电池电量。4.5本章小结光伏电站的输出易受环境影响，光伏电站的发电规律与电网的用电规律往往不匹配造成资源的浪费。因此我们需要设计出一套储能装置，储能装置能够在光伏发电功率大于用电需求时储存多余电量，当系统发电功率突然下降时储能系统能够释放电能维持系统稳定[15]。系统采用Buck−Boost电路实现蓄电池充放电的双向控制，然后对该电路进行模拟仿真电路的搭建，并根据实际需要设定了电池的充放电控制电路。充放电控制电路，严格控制电池的电量在正常的范围内。为了方便后续工作的仿真模拟，本章对两个控制电路各自进行了封装。5南疆光伏电站储能系统的仿真分析5.1含储能系统的南疆光伏电站的整体设计方案根据前文对于该系统的相关设计，系统的最终的整体的设计方案如下图所示：图5-1含储能系统的南疆光伏电站的整体设计根据含有储能系统的南疆光伏电站的整体设计图搭建出该系统的仿真模拟图。该系统的整体仿真模型如下图所示：图5-2含有储能系统的南疆光伏电站储能系统仿真模型该系统的控制思路是我们上文中提及的电压电流双闭环控制系统对系统进行自动控制，该系统的控制宗旨是保证系统输出稳定保证电网侧波动范围在预期范围之内[16]。5.2对含有储能的南疆光伏电站整体系统输出的仿真分析对整体系统仿真之前我们需要对光伏电站的一些输入量进行设置，根据经验我们设置太阳的光照功率为800W/m2，直流母线电压值被设置为700V。系统开始仿真的时间被我们调整为0s开始，之后完成相应的仿真。5.2.1对含有储能的南疆光伏电站发电端的仿真分析对系统的一些数值设定完成之后，再对系统进行仿真分析。系统开始运行后发电端侧输出的功率、电压、电流变化曲线如下图所示。图5-3系统发电端端功率、电压、电流，变化曲线由系统的变化图像可知，系统并网运行后起初的0.3s内光伏电站的输出呈现出振荡运行逐渐稳定的规律，表明系统刚开始运行时并追踪最大功率点时，电压波动的不稳定现象下不稳定的输出状态。由图像可知0.4s左右系统已经开始稳定运行，表明系统此时已经追踪到光伏输出的最大功率点，表明验证了我们之前所采用的扰动观测法追踪光伏发电最大功率点可行性。系统发电端功率能够平稳变化，其中直流母线端并联的稳压滤波电容起到了关键性的作用[17]。直流模线端并联的电容的输出的仿真波形如下图所示。图5-4直流母线端并联的电容的输出波形根据母线上的电容的输出波形可以知道，起初电容电压出现波动，表明此时电容进行充电。大概0.06s后电压保持稳定说明了交直流电路的功率相平衡，母线电压维持700V左右保持不变。5.2.2含有储能系统的南疆光伏发电系统并网端的仿真分析经过理论分析我们知道当光伏刚开始并网运行时光伏发电部分尚未达到最大输出功率，上文中我们发现系统刚开始并网运行时，其输出电压基本保持恒定，但是输出电流波动范围较大。因而经分析我们知道，系统起初并网运行时其电流波动较大。为了验证我们设计的系统能够稳定运行，所以我们要对并网侧输出曲线图进行分析。系统并网侧输出电压、电流的曲线图如下图所示：图5-5含储能系统的南疆光伏电站并网侧输出电压电流波形图由图可知并网侧电路的输出电压保持恒定，因为并网侧的电压为电网的系统电压，因而电网侧电压基本恒定不变。根据图像可知，起初并网时系统电流发生波动，系统在0.2s左右电流基本维持恒定，理论与仿真结果一致验证了我们方案的可靠性与正确性。验证系统的稳定性我们还要对并网段电流的频率谱段进行分析，若系统的输出谐波失真度满足要求则证明了系统并网的可靠性。并网输出端电流频谱图，如下图所示：图5-6含有储能系统的南疆光伏电站并网输出端电流频谱图又上图所知系统输出侧的总谐波失真度为2.16%，验证了系统的稳定性。故我们的系统符合要求。5.2.3含有储能系统的南疆光伏发电系统并网后蓄电池的输出功率分析由上文中我们对于系统并网后的输出图像知系统刚开始并网工作时，光伏发电端输出功率并未达到稳定值但直流侧输出电压基本保持不变，说明光伏系统刚进行并网时蓄电池系统对母线放电维持母线平衡。为了再次验证系统的正确性，我们再对并网运行后蓄电池的输出功率及蓄电池的内部电量变化进行相关的分析。并网后蓄电池的输出功率曲线图如下图所示：图5-7含有储能系统的南疆光伏发电站储能电池的输出功率并网后蓄电池内部电量的变化图，如下图所示：图5-8含有储能系统的南疆光伏电站储能电池在并网运行后地电量变化图由上图5-7、图5-8，可知光伏系统在开始并网后能够释放电能维持系统电压与功率的平衡。在系统稳定后能够吸收系统母线上多余的电能。两幅图相互照应，相互验证了理论与实际的一致性，证明论系统整体方案的可行性。5.3对于南疆光伏电站储能系统的进一步分析上文中已经对含有储能系统的光伏电站输出的相关仿真数据已经进行了相关的分析，验证了系统的整体方案还是能够适合我们对于储能系统设计的期望值的。为了进一步说明储能系统的作用以及光伏发电端输出发生相应波动时，储能系统发生的自动控制下的相应变化。下文再次对南疆光伏电站储能系统的相关模型进行进一步的分析验证。5.3.1南疆光伏电站储能系统储能电池充放电仿真设计方案储能电池要根据系统电压及功率的变换随时进行充放电，即储能电池要受到控制电路的相关控制来实现电能的储存与释放。故我们可以用受控电压源来表示储能电池。下面对仿真需要的电压源进行相应的设置。图5-9Simulink中的受控电压源模块组装好的受控电压源的模型如下图所示：图5-10组装好的受控电压源模型5.3.2对南疆光伏电站储能系统直流母线端的相关分析上文中我们已经提到了，本篇设计采用的电压、电流双闭环PI控制系统。我们设置电压环PI调节器的两个参数分别被设置为Kp=0.3，Ki=15；电流环PI调节器的参数设置为Kp=1，Ki=30。对于仿真算法的选择，往往需要大量的工程实践来寻找最适合控制算法。经过仿真验证我们采用ode23tb为蓄电池的控制算法。然后我们需要对我们需要的仿真时间来控制，我们根据实际需要设置仿真开始于0s，结束于2s。设置蓄电池在0.5s~1.2s时进行放电，1.2s后蓄电池进行充电。对相关参数设置好后，人后进行相应的仿真分析。储能电池充放电时直流母线上的电压变化曲线如下图所示。图5-11南疆光伏电站储能电池充放电时直流母线电压变化曲线从图5−11的曲线变化图像我们得出蓄电池进行放电时，母线电压有小的波动后立马恢复平衡。说明光伏电池板的发电功率下降后储能电池能够及时释放电能维持系统平衡。当母线上的功率充裕时母线电压会有极短的波动时间，说明直流母线在发电量充足时供电能力大于此时的电网需求会对母线电压造成短时间的波动。母线电压在储能电池切换至充电方式后电压立即恢复平衡，说明储能电池能够及时的吸收母线上多余的功率让系统再度平衡。5.3.3对南疆光伏电站储能系统蓄电池的相关分析分析储能电池相关参数的变换能够让我们知道，我们的储能系统的相关控制对于储能电池的控制有没有达到相关的要求。储能电池输出电流，电压变化曲线如下图所示：图5-12南疆光伏电站储能系统储能电池输出电流变化曲线图5-13南疆光伏电站储能系统储能电池端电压的变化曲线由储能电池的电压电流变化曲线我们得知1.2s之前储能电池的输出电流大于零，说明这一段时间蓄电池对外放电以维持系统整体的平衡。仔细观察图像我们可以看到在0.5s时储能电池的电流明显提高，说明了蓄电池自动充放电控制系统对于系统控制的有效性。1.2s时储能电池输出电流明显下降并小于零，说明控制系统正在控制母线端对电池进行充电。整体来说储能部分控制系统能够合理的控制蓄电池进行充放电，以维持系统平衡。由储能电池的端电压的变换曲线我们可以看到随着放电的深入蓄电池的电压缓慢的下降，由于蓄电池与充电端的线路相连接，所以蓄电池充电端的电压在充电的时候与电池外部电路的电压相同，由于充电电路的电压要大于蓄电池的电压才能有效地对蓄电池进行充电，所以蓄电池开始充电后端电压会明显上升。由图像可知，理论与仿真结果相符合进一步验证了储能控制的合理性与有效性。前面根据仿真结果我们知道了，蓄电池充放电过程中电压方向不会改变但是电流方向会发生变换这意味着，蓄电池的输出功率与内部电量会发生相应的变化。所以我们让系统输出蓄电池的输出功率与内部电量便变化的曲线图，来做进一步的分析。储能蓄电池的输出功率变化曲线如下图所示：图5-14南疆光伏电站储能系统蓄电池在控制条件下的输出功率变化图形根据上文中对蓄电池的相关分析结合图5−14，蓄电池在0.5s左右输出功率有小粉微波动。蓄电池输出功率相对比较平稳。1.2s之后蓄电池输出功率为负，验证了我们在上文中的论证。同时曲线输出波形变化规律与上文中的理论推导相符合验证了系统的有效性，证明了我们方案的合理性。储能系统蓄电池电量变化曲线如下图所示：图5-15南疆光伏电站储能系统蓄电池在控制条件下内部电量变化曲线图根据图像我们知道蓄电池在1.2s时蓄电池的电量变化曲线变化方向发生改变，说明蓄电池能够及时的根据外界的能量需求进行电路的转变，