【《多储能直流微电网系统分析与建模案例》6500字】

多储能直流微电网系统分析与建模案例目录TOC\o"1-3"\h\u11913多储能直流微电网系统分析与建模案例 1112431.1多储能直流微电网系统结构 1238641.2光伏发电系统分析与建模 254121.1.2光伏电池工作原理 2290161.1.2光伏电池建模 3231741.2光伏单元的控制策略 5185681.1.1光伏单元的控制 5227981.1.2MPPT控制原理 7210661.3储能蓄电池的建模与控制策略 8304331.3.1储能蓄电池的建模 8261541.3.2储能蓄电池的控制 959671.4仿真分析 1011021.4.1光伏输出特性分析 119511.4.2光伏发电系统仿真分析 12目前，常见的分布式电源有光伏电池、风力发电机和微型燃气轮机等，其中光伏电池和风力发电机在日常生活中更加常见，实际工程中应用也较多。本文的研究对象是以光伏单元为分布式电源的多储能直流微电网系统。光伏单元主要由光伏电池和电力电子转换器组成，当环境温度和光照强度发生变化时都会导致光伏输出电压和电流发生波动，其电能产生是随机的、间歇的，这些特点势必会影响光伏单元的电能质量，为了改善直流微电网中由分布式电源所带来的不确定性，需要加入储能单元来平衡系统内的能量，增加系统的稳定性，但是在一般情况下单个储能单元不能满足使用要求，故本文的储能单元考虑了多组储能单元，并对多组储能单元之间的功率分配控制策略进行详细研究。本章介绍所研究直流微电网系统的整体结构；对本文所研究的光伏单元进行建模，并分析光伏电池的输出特性；建立了双向DC/DC转换器数学模型，并对其工作在Buck和Boost模式下的原理进行分析。1.1多储能直流微电网系统结构本文所研究的多储能直流微电网的整体结构如下图2-1所示：图2-1多储能直流微电网结构由图2-1所示的直流微电网系统由分布式单元、负载和多组储能单元通过各自不同种类的电力电子转换器连接到公共直流母线上，其中分布式单元中的分布式电源的种类还可以包括风力发电机、微型燃气轮机等，但是由于本文的研究重点在于多组储能单元之间的功率分配问题，故分布式电源只采用光伏电池来模拟可再生能源的间歇性和随机性特点。常用的储能装置还包括超级电容和飞轮，但目前实际使用中还是以蓄电池为主，这是由于其价格相对低廉、技术成熟、使用较为方便，具有良好的发展前景。分布式单元为整个系统提供电能，当产生的功率PDG大于负载所消耗的功率Pload时，储能单元通过充电吸收多余功率；当其产生的功率PDG小于负载所消耗的功率Pload时，储能单元通过放电补充缺少功率，来补偿由分布式电源的特性所造成的影响。整个系统运行时的功率满足1.2光伏发电系统分析与建模随着全球能源和环境问题对世界各国的影响，使得可再生能源的开发利用已经成为人类目前及未来新能源发展的主要方向。我国的风能主要集中在西北地区和东南沿海地区，导致建设风电场时需要考虑地理位置及建设环境等因素的影响，与之相比，光伏发电由于其安装的便捷、对建设环境要求较低、能量无穷无尽等优点成为可再生能源研究的热点。1.1.2光伏电池工作原理光伏发电的原理是利用其基本单元光伏电池中半导体材料的光生伏特效应把太阳能转换成电能，具体过程如下：光伏电池吸收一部分太阳辐射能从而产生电子——空穴对，电子和空穴在电池内部电场的作用下向相反方向移动，带负电荷的电子聚集在N区，带正电荷的空穴聚集在P区，即PN结附近的电压方向与内部电场方向相反，这就是光生伏特效应，如图2-2所示。此时若在P区和N区分别接上金属导线，连接负载，则有“光生电流”流过负载，就有功率输出，实现了光电转换[26]。图2-2光伏电池工作原理1.1.2光伏电池建模为了分析光伏电池的输出特性，图2-3给出了光伏电池的常用等效电路，如图2-3所示。图2-3光伏电池等效电路图2-3中，Iph表示光生电流，由受光面积和光照强度决定；Id为二极管PN结不受光时的暗电流；Isat为光伏电池反向饱和电流，与光照强度无关，仅与自身材料相关；Rsh为等效并联电阻，Vsh、Ish分别为通过它的电压和电流；Rs根据图2-3，由基尔霍夫电流定律可得：(2-1)其中，Id=I由基尔霍夫电压定律可得到：(2-2)其中，式(2-1)和式(2-2)中，q为单位电子电荷，取值为1.6×10-19C；k为玻尔曼兹常数，取值为1.28×10-23J/K；T为热力学温度，单位为k通过将Id、I(2-3)一般根据实际情况，可以对式(2-3)进行如下简化：1)通常Rsh的值非常大，导致光生电流Iph远大于Vpv+IpvRs/Rsh项，可将Vpv+IpvRs/Rsh项忽略；2)假设由以上的分析和假设可以将式(2-3)化简为：(2-4)当光伏电池运行在最大功率点时，将Vpv=Vm(2-5)当环境温度取25度时，可以得到： (2-6)因此，忽略式(2-5)中的“-1”项，可求出C1： (2-7)当光伏电池处于开路状态下，此时Vpv=V(2-8)根据式(2-6)可以忽略式(2-8)中的“-1”项，因此可以解出C2为： (2-9)综上所述，一旦知道了Voc、Isc、Im、Vm的值，就可以根据式(2-7)和式(2-9)解出(2-10)(2-11)(2-12)(2-13)其中，S为特定时刻的光照强度，Sref为光照强度标称值；Isc*、Im*、Uoc*、Um*分别为特定时刻等效光伏电路中的短路电流、最大功率点电流、开路电压、最大功率点电压；∆T和∆S分别为特定条件下的环境温度和光照强度与标称值之差，表示为： (2-14)(2-15)其中，Snom=1000W/m2为标准测试条件下的光照强度；1.2光伏单元的控制策略1.1.1光伏单元的控制由于光伏电池工作时易受到光照强度和环境温度的影响，故其输出功率无法持续保持在最大功率点，一般采用最大功率点追踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT)的方法来使光伏单元保持最大功率输出，其控制原理图如下所示。图2-4光伏单元控制原理图图2-4中，根据测得的光伏电池输出电压Vpv和输出电流Ipv，利用MPPT算法实时控制转换器开关管的通断时间，即调节占空比α，可以使得光伏电池工作于最大功率点处，进而达到保持其输出功率最大的目的，采用此种方法可以最大程度的提高光伏利用率另一方面，一般情况下，光伏电池产生的电压低于母线电压，因此图2-4中的DC/DC转换器为Boost转换器，可以将光伏电池产生的电压抬升至母线电压附近。Boost转换器的工作原理如下图所示图2-5升压斩波电路图假设图2-5中L、C的值很大，当V处于通态时，电源E向电感L充电，电流il恒定，电容C向负载R供电，输出电压u0恒定；当V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即(2-16)化简得：(2-17)其中，T/toff将升压比的倒数记作β，即β=toff/T，则β和导通占空比(2-18)则，式(2-17)可以表示为 (2-19)输出电压高于电源电压，关键原因有两个：一个是L储能之后具有使电压抬升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即(2-20)输出电流的平均值i0为(2-21)电源电流il为(2-22)1.1.2MPPT控制原理MPPT这一概念由ArcidiaconoV教授于1982年提出，被用于光伏电站的MPPT转换器，其本质就是一个自寻优的过程，目的是在提高光伏单元转换效率的同时使其始终运行在最大功率点。目前比较常用的MPPT控制方法主要有以下几种[32]：(1)恒定电压追踪法：其控制原理是在环境温度一定时，最大功率点分布在某一固定电压值附近，此时，如果将光伏电池的输出电压维持在该固定电压值附近，则可近似认为该点为光伏单元最大功率点，优点是控制简单且应用方便，具有良好的稳定性，缺点是容易受温度的影响，当温度发生变化时，就会导致MPPT的精度变差。(2)电导增量法：根据光伏特性输出曲线，可以得到在最大功率点处斜率为零，即，因此对输出特性曲线进行求导，导数为零的点为最大功率点；优点是控制稳定、效果好，缺点是控制比较复杂，计算量较大。(3)扰动观察法(又称爬山法)：其原理是周期性地检测光伏电池的输出电压和电流，并对光伏电池的输出电压施加一定的扰动，如果输出功率较扰动前增加，则表明扰动方向正确，下一次扰动沿相同方向施加，如果输出功率较扰动前减小，则表明扰动方向错误，下一次扰动沿相反方向施加；优点是控制较为简单且易实现，缺点是存在误判或者振荡。以上常用的几种MPPT方法中目前比较常用的方法是扰动观察法，此方法一般情况下分为电压型和电流型，本文采用的是电压型扰动观察法，由于重点工作不是对MPPT算法的改进，故简单介绍一下传统的扰动观察法，并未对其进行改进。扰动观察法的具体实现流程如下图2-6所示，表示固定步长传统扰动观测法的流程图，其中Pk、Pk-1、Uk和Uk-1分别代表当前时刻的输出功率、上一时刻的输出功率、当前时刻的输出电压和上一时刻的输出电压，图2-6扰动观测算法流程图1.3储能蓄电池的建模与控制策略1.3.1储能蓄电池的建模储能单元是直流微电网中必不可少的一部分，其主要由蓄电池和双向DC/DC转换器组成。蓄电池由于既能提供电能又能储存电能的特点，在微电网中占有重要地位。目前使用的蓄电池主要有镍镉蓄电池、银锌蓄电池、和铅酸蓄电池等，由于与其它种类的电池相比，铅酸蓄电池技术比较成熟、成本低且能适应各种工作温度，因此得到了人们广泛的使用。本文采用目前比较通用的等效基本数学模型来进行描述蓄电池，该模型进行了简化，同时忽略了相间微分电容和极化电阻的影响[33]。本文所使用的蓄电池等效模型由一个直流电压源E和内阻RB(其中R图2-7蓄电池等效模型根据图2-7并结合基尔霍夫电压定律，可以得到蓄电池的输出电压UB的表达式为：(2-23)蓄电池的荷电状态SOC的表达式为： (2-24)其中，SOC(t)表示蓄电池在t时刻的荷电状态，SOC(0)表示蓄电池初始时刻的荷电状态，iL表示蓄电池的输出电流，CB表示蓄电池的容量。此蓄电池的等效模型在应用时仅考虑蓄电池的输出电压1.3.2储能蓄电池的控制在微电网中，蓄电池通过充电来吸收系统中多余的功率，以使整个系统功率达到动态平衡；当光伏单元产生的功率小于负载所消耗的功率时，蓄电池通过放电来补充系统中缺失的功率，以使整个系统功率达到动态平衡。因此，蓄电池的功率流动是双向的，要求储能单元使用的转换器也必须也是双向的[34]。目前的直流转换器按照有无变压器分为隔离型和非隔离型两种：1)隔离型转换器可以进行电气隔离，但是由于其拓扑结构负载、成本较高且体积大等问题，并没有被广泛用于微电网中；2)非隔离型转换器中由于没有变压器这一结构，所以不存在结构复杂、成本和体积的问题，同时稳定性也可以得到保证，故目前应用比较广泛[35-37]。本文中选用的是非隔离型半桥式双向DC/DC转换器，其优点是控制电路较为容易实现、体积较小且成本较低，图2-8给出了蓄电池模块电路控制图。图2-8蓄电池模块电路控制图观察图2-8，当整个电路处于Buck模式时，说明此时系统功率盈余，即Ppv>Pload，储能单元需要从直流母线上吸收多余的功率，这种模式下可以把储能侧看作是负载，直流母线侧看作直流电压源。转换器处于Buck模式时，S2保持断开，当S1处于通态时，由Udc经开关管S1和电感L向左侧蓄电池端供电，由于Udc>Ubatt，电感电流iL线性增大，电感L储能；当S1处于断态时，二极管VD当整个电路处于Boost模式时，说明此时系统功率缺额，即Ppv<Pload，储能单元需要释放功率来补偿直流母线上的功率不足，这种模式下可以把储能侧看作是直流电压源，直流母线侧看作是负载。转换器处于Boost模式时，S1保持断开，当S2处于通态时，蓄电池电压Ubatt加在电感L两端，电感电流iL线性增大，蓄电池向电感充电，电感L储能，电容C2向直流母线提供能量以维持Udc恒定；当S2处于断态时，二极管V当Ppv1.4仿真分析根据1.2节推导出的光伏电池和蓄电池的等效模型，在MATLAB/Simulink中搭建了光伏发电系统的仿真模型，分别采用上述分析方法进行仿真。1.4.1光伏输出特性分析在仿真分析中光伏电池采用的具体参数如下表所示：表2-1光伏电池参数VIVI29V7.35A36.6V7.84A(1)光照强度相同，温度不同时的输出特性图2-9给出了当光照强度为标准值1kw/m2时，温度分别为25℃、45℃时的I-U、图2-9温度不同时的输出特性曲线从图2-9中可以看出，当光照强度保持不变时，I-U特性曲线中的温度升高时，短路电流增加，开路电压减小；当光照强度保持不变时，P-U特性曲线中的温度升高时，最大输出功率点降低。(2)温度相同，光照强度不同时的输出特性图2-10给出了当温度为标准值25℃时，光照强度分别为1kw/m2、0.5kw/m2时的图2-10光照强度不同时的输出特性曲线从图2-10可以看出，当温度保持不变时，I-U特性曲线中的光照强度增加时，短路电流和开路电压都随之增大；当温度保持不变时，P-U特性曲线中的光照强度增加时，最大功率点在不断上升，且输出电流和输出功率的变化较大，而输出电压的变化相对较小。1.4.2光伏发电系统仿真分析根据之前的分析，本小节在MATLAB/Simulink搭建了一个包含负载、光伏单元和储能单元的简单直流微电网模型，如图2-11所示。图2-11简单直流微电网结构图通过改变温度或者光照强度可以使MPPT控制的光伏单元的输出电压电流发生变化，模拟系统中的功率变化，而蓄电池则作为储能单元进行自动功率补偿或者吸收，该仿真条件下的母线参考电压设置为48V。下面分两种情况来进行仿真分析：(1)情况一假设系统工作的环境温度为25℃，系统初始光照强度为0.3kw/m2，在1s时光照强度变为0.7kw/m2，在(a)光伏电池输出电流(b)光伏电池输出电压(c)光伏电池输出功率图2-12温度一定时光伏电池输出特性从图2-12中可以看出，当温度一定时，随着光照强度在1s和2s处发生变化时，输出