【基于混合储能的光伏系统设计与控制仿真12000字（论文）】

基于混合储能的光伏系统设计与控制仿真择合适的控制算法。对储能系统的充放电进最后在MATLAB中完成系统整体的仿真，结果表明了设计的混合储能光伏发电系关键词：光伏发电；MPPT;蓄电池；超级电容 1 1 2 32.混合储能的光伏发电系统原理分析 42.1系统的基本构成 42.2铅酸蓄电池的工作原理及模型分析 4 72.4光伏电池的建模与特性分析 83.光伏发电最大功率点跟踪基本原理 3.1电导增量法 3.2恒定电压跟踪法 3.3扰动观测法 4.储能系统的建模和参数设置 4.1储能模块的建模和参数设置 4.2双向DCDC变换器建模和参数设置 5.光伏混合储能系统协同控制仿真分析 5.2仿真结果分析 6.总结与展望 参考文献 2811.绪论1.1研究背景及意义提下，提高能源的利用率和实现能源的可再生利用已经变成世界能源格局的核心问题。极强的普遍性，无需开采和运输；十分的清洁，在转换为电能的过未来能源结构占比能装置，但是因为蓄电池存在功率密度小、充放电效率偏低和循环使用次数少的缺点，2时发生电流突变，这可能会使蓄电池的容量大的助力，达到增加蓄电池使用寿命的宗旨。利用超级电容和蓄电池两者各自的优点，美国能源部在2019年宣布了斥资1.28亿美元促进太阳能技术开发新项目的计划。计划在2021年把美国的太阳能光伏发电数目突破300万个。而到2023年后，还将继续增加100万个。不仅美国在光伏发电产业的大力资金支持，2020年，欧盟新安装的太阳能发电增加了11%,达到了18.2GW,相比去年16.2GW的装机量提高了11%,仅德国就会在2022年把光伏发电的份额从1.9GW增加到6GW。在未来，光伏发电技术将成为不足等问题，都有很大的开发空间。我国对太阳能技术也有着相当长时间的研发过程，预测保守情况下2021年我国光伏新增装机达55GW,甚至可以达到65GW。我国光伏发电技术虽然兴起较晚，但是经过这些年许多专家团队夜以继日地努力，3体系中必定占据重要位置，对改善环境也有着举足轻重的作用。1.3本文的主要研究内容本文对传统单一储能的光伏发电系统进行拓展优化，研究混合储能的光伏发电系统组成，对光伏发电部分和混合储能部分进行建模分析，光伏储能发电系统进行整体设计，本设计主要研究的主要内容集中在以下说明之中。第一章：通过各种文献了解到了光伏发电、储能系统、光储结合的发电系统的研究背景和国内外的应用现状，明确了混合储能在光伏系统中的优势。第二章：分析了光伏储能系统的结构组成，然后设计了光伏电池、蓄电池、超级电容的工作原理和电路等效模型。第三章：重点研究了光伏发电过程中的最大功率点跟踪原理方法，绘制流程图了解工作的基本原理，对光伏电池的工作状态进行建模研究。第四章：进行储能系统的建模，搭建DC-DC和蓄电池、超级电容的充放电模块，使用双闭环策略对充放电进行控制。第五章：进行光伏储能发电系统的整体仿真建模，对仿真结果进行参数分析。第六章：对设计的光伏储能系统进行总结整理，得出整个系统的可行性。42.混合储能的光伏发电系统原理分析2.1系统的基本构成从结构上讲，光伏发电系统由光伏电池、逆变器、控制器、储能装置和电气负载五大部分组成。而负载又可以分为直流负载和交流负载，直流负载通常直接使用来自光伏电池的功率或者从支撑电池的光伏存储系统接收直流功率而连接到独立光伏系统。交流负载更广泛，它可以是我们日常的电器，也可以并入大电网，即实现光伏发电系统的并网运行。(1)光伏电池：无论是作用大小，还是造价成本，光伏发电系统结构的核心关键肯定就是光伏电池模块了。光伏电池的主要作用是将太阳光辐射到各种硅材料板上的能量转变成电能，再根据需要提供给直流负载使用，也可以输入到储能装置中暂时储存起来。特别值得注意的一点是，发电系统的发电质量是取决于光伏电池的质量的。此外，当外界环境比较恶劣的话，对光伏电池的影响也会非常严重。(2)MPPT控制器：顾名思义，控制器的作用是对整个光伏发电系统的工作状态起一个关键性的控制作用，是光伏发电系统控制中的核心，它主要是负责尽可能多地把光伏电池吸收太阳光转化成的电能输出给母线，并维持在最大功率点附近。(3)储能系统：在光伏发电系统中需要将产生的多余能量存储起来，便于之后的使用。受困于电能存储的技术限制，蓄电池能够存储足够的电能，但是循环次数少，且容易出现损耗，增加了系统成本。现在研究的方向主要是利用混合储能可以互补的优势，提高系统多余能量的储存和光伏电池输出不足时的向外供电。(4)直流负载：在日常生活中直流负载并不常见，它与蓄电池一样，被安置在分布式光伏发电系统中居多，它往往是直接使用光伏电池转换而来的直流电，当光伏电池输出功率有限时，蓄电池或者其它储能装置就是它的后备能源。(5)逆变器：逆变器的主要作用是将无法直接使用的直流电转换为合适的交流电，而后将转换而来的交流电输送到电网供给交流负载使用。2.2铅酸蓄电池的工作原理及模型分析蓄电池是先将电能存储起来，在系统需要供电是再传输给负载，是按照可再充电设计的电池，是一种二次电池。现阶段常用的蓄电池种类分为铅酸蓄电池、UPS蓄电池、超级蓄电池、磷酸铁锂蓄电池。铅酸蓄电池被市场的应用范围是最广阔的，其优点是可工作温度范围广，工作电压较高，各阶段放电性能良好，并且价格低廉，技术已经十分成熟，具有一定的可回收利用价值。但是缺点也很明显，铅酸蓄电池的能量密度较低，体积、重量都较大，循环使用次数较少，长期使用后需要经常更换，充电时间较长。在含电解液的铅酸蓄电池内部会在金属板上发生可逆的化学反应：放电时负极：放电时正极：铅酸蓄电池在充电时的内部发生的反应如图2-1所示。Ⅲ图2-1铅酸蓄电池的充电过程原理模型充电时阴极：充电时阳极：在图2-1中I为放点状态，Ⅱ为溶解电离，Ⅲ为通入电流，IV为充电状态建立蓄电池等效模型的一般方法是根据电池内部特征和外部参数的变化，用数学表达式来描述充放电过程中的参数变化情况13。蓄电池的等效模型有很多种，为了使其结6间的关系。蓄电池的等效模型如图2-2所示。I表示蓄电池的电流值，此模型中的表达式为公式(2-6)中的Eo为蓄电池的额定电压，K为蓄电池的极化电压，A是指数电压o-从蓄电池通用等效模型可以得到如图2-3所示的曲线关系，其中Vbat为蓄电池的端72.3超级电容的工作原理及模型分析超级电容是一种新型的电容型储能电源，通过多孔电极和电解质溶液组成一种双电层架构获得更大的容量，并且因为它的储能方式是物理性质的可逆过程，所以拥有这个特性的超级电容可以进行多达几十万次的充放电过程。超级电容的工作原理如图2-4所C串联形成了如图2-5(Ⅱ)所示的等效电路。8从表达式中可以得出结果，当流过超级电容的电流Isc为0时，等效电容的两端电压态与端电压Usc的关系，可以使用超级电容的荷电状态参数SOC来表示超级电容的实际根据公式(2-8),可以得到超级电容SOC与超级电容端电压Usc的关系图，Qc代表超级电容在工作时的放电量，如图2-6所示。降，荷电状态SOC也处于下降状态。2.4光伏电池的建模与特性分析下图2-7为光伏电池等效电路：IIph|Iph|Uv,在参考的文献中都会考虑到因为Rsn很大而Rs很小从而对公式2-9进行简化。实际更常见的数学表达式，如公式2-10至2-12所示。可以根据生产商提供的相关电气相关量参数，一般是在日照强度为S=1000W/m²,电池温度T=25℃时的参数。根据其中短环境条件下的U/I特性曲线和常规情况下的P/U特性曲线。公式(2-10)中的C1和C2的数学表达式分别为：光伏电池的内部仿真集成模型如下图2-8-Um/(C2*Uoc)expl-Um/(C21-Im/lscTref图2-8光伏电池模型其中最大功率点电压为Um,最大功率点电流为Im,短路电流Isc,开路电压为U。c,环境中的光照强度为S,温度为T,且均为可变参数。在Simulink中搭建关于光伏电池的输出模型，测试不同环境因素下的光伏电池输出功率与端电压P/U特性曲线、输出电流与端电压的U/I特性曲线。设置的开路电压U。为301.6V,短路电流Isc为35.4A,最大功率点电压Um为244V,最大功率点电流Im为32.8A。光伏电池的输出特性仿真电路如图2-3所示。光伏电池p图2-3光伏电池仿真模型因为光伏电池的输出特性会受到来自光照强度和温度等环境因素的影响，所以输出特性将从光照强度和温度两个环境因素进行分析，图2-4和图2-5分别为不同条件下的仿真运行结果。在温度T=25℃时，光照强度发生变化时的光伏电池输出特性曲线输出功率W输出功率W光照强度800W/m²光照强度1200W/m²在光照强度S=1000W/m²时，外界温度发生变化时的光伏电池输出特性曲线输出功率W输出功率W0从仿真结果可以看出，在温度T恒定而日照强度S时提升，短路电流会逐渐增加。而开路电压的变化幅度不明显，同时输出功率增加。在光照强度S恒定而温度T发生改变时，随着温度T的逐渐增加，光伏电池的输出电压会逐渐降低，相应的短路电流有一定幅度的上升，最终的输出功率也开始增大。3.光伏发电最大功率点跟踪基本原理度和光强固定不变，光伏电池输出的电压也难以自动保持恒定率点跟踪(MaximumPowerPointTrackin率13。因为光伏电池的工作输出不能保持3.1电导增量法相比于扰动观察法，电导增量法并不是一开始就伴随着光伏应用的产生而出现的，在其最大功率输出点Pmax处的P-U输出特性曲线斜率为零，对公式P=UI求导可得：用电导增量法系统的响应速度可以在满足要求，并且统的检测元件带了很大的负担，需要硬件比较优秀的产品才能够稳器的制作成本提高了不少。图3-1为电导增量法的流程图。开始开始YYUp=Up+NUp=Up-NUp=Up+N3.2恒定电压跟踪法下的最大功率点的开路电压Usc,然后使光伏电池的最大功率点电压固定在Uref上下，达不到要求，比较容易发生误判，所以使用该方法是需要通过反复的打开关闭开关部件，以此来获得光伏阵列比较实时的开路电压，以此来提高控制精度。恒定电压跟踪法的工作原理如图3-2所示。N3.3扰动观测法根据光伏电池的P-U特性，通过人为设置适当的扰动电压，使光伏电池的电压输出受到连续扰动。通过对光伏电池扰动前后功率差异的对比分析，选定施加扰动电压的扰动变化方向。假设扰动后光伏电池的输出功率增加，说明扰动可以施加在同一方向的输出电压U上；但若是施加干扰后光伏电池的输出功率降低，则应该对光伏电池的输出电压U施加相反方向的干扰。在一个控制周期内，输入适当的扰动K,使光伏电池的输出电压U略有变化，比较扰动前后的输出功率Po,这个过程称为干扰控制。通过对扰动前后输出功率Po值的分析，最终使光伏电池尽可能在最大输出功率点附近稳定工作。其方法原理如图3-3所示。开始开始NY扰动观察法原理简单易懂，整个过程被测参数不多，对传感器精度的要求也比较低，在硬件方面易于实现。但是因为有扰动电压的存在，使得光伏电池在最大功率输出点附近工作时始终都有一个小幅的振荡。正因如此，整个光伏发电系统的稳态工作性能被大大降低，造成了较大的功率损失。除此以外，选择一个合适的初始值与扰动步长也是一件比较困难的事。选择的扰动步长过小，虽然精度得到了保障，但是跟踪速度很慢；选择的扰动步长过大，跟踪速度得到了提升，但是牺牲了精度。并且如果光照强度变化速度快，如多云天气，那么扰动步长法甚至会出现误判的情况。所以扰动步长法要根据光伏发电系统所在的实际现场情况，选择合适的初始值Upv和扰动步长K。通过三种常用的MPPT控制方法比较，可以知道电导增量法虽然控制精度高，对工作过程的参数调整响应速度快，但是该方法对控制系统的硬件，特别是检测元件的要求较高，增加了系统硬件实现的成本；恒定电压跟踪法的控制原理简单，使用容易，但是不足以面对环境因素变化剧烈的情况，有可能会出现误始减少，就施加反向的扰动电压，该方法操作较为简单，需要光伏电池Boost升压电路原理图如下图3-3所示。其中D为开关器件的占空比，D<1,故UL其值始终大于Upv,达到升压的目的，通过调节占空比D就可以改变输出电压的大小。Boost电路中参数设计主要是升压电感和输出滤波电容的设计，当一个周期内电感上充放电相等，假设无损耗，Pv=PRL,Pv是光伏电池发出的功率，PRL是负载上消耗的功率，Ppv=Ipv·Upv,PRL=IRL·URL,Ipv为光伏电池产生的电流，Upv为光伏电池的端电压，IRL为流过负载的电流，URL为负载端有Ipv=I,故有其中I为流过电感的电流，电感电压公式为值Lmax,为满足纹波要求电感的取值应满足L>Lmax,光伏发电系统中URL=800V,电容C的设计应满足下式：公式3-6中η为电压纹波系数，取1%。3.5基于MPPT的Boost电路Simulink仿真仿真中最开始加入的条件是标准状况，也就是当温度T=25℃,光照强度S=1000W/m²,在0.5s时S降为800W/m²,0.8s后光照强度S上升至1000W/m²,其仿真结果如图图3-6所示为扰动观测法MPPT输出的波形，Os时仿真开始运行，模拟光照强度由0W/m²突增到1000W/m²的情形，0.5s时光照强度下降至800W/m²,在0.8s后光照强度重新上升至1000W/m²。可以看出扰动观测算法跟踪最大功率点的响应时间为0.3s,即在0.3s时达到光伏电池的最大功率点附近，功率为8kW,由于步长的扰动原因，出现了一小段的误扰动，最终稳态跟踪精度约为99.8%。4.储能系统的建模和参数设置储能装置在整个光伏发电系统中起到举足轻重的作用，无论是储存系统多余的发电量，还是在环境光照强度不足时弥补光伏电池的输出功率，都起到了关键作用。储能系统包含了蓄电池充放电模块和超级电容充放电模块，最后连接到直流母线上完成能量的双向流动。4.1储能模块的建模和参数设置在Simulink中搭建合适的仿真电路模型可以有效地验证理论依据的可靠性。下面将分别进行蓄电池模块、超级电容模块的参数设置。首先，从Simulink的ExtraSources中选中我们所需要的蓄电池(Battery)模块，并且设置参数。ImplementsagenericbatterymodelformostpopularbatterytTemperatureandaging(duetocycling)effectsRatedcapacity(Batteryresponsetime(s)300KCancelHelpApply前常用的铅酸电池，参数设置为：标称电压为300V,额定容量为9.6Ah,初始荷电状态为90%,蓄电池的响应时间为30s,其它设置参数采用默认值。BlockParameters:Supercapacitor×Supercapacitor(mask)(ImplementsagenericsupercapacitormodelwhichallowsthesLayerCapacitors(EDParametersSternSelf-disch…………:::Operatingtemperature(Celsiu…混合储能系统的另一个模块是超级电容，图4-3给出了超级电容模块的参数设置。标称电压给定为300.6V,额定电容值给定为15.6F,内初始电压给定200V,其他参数设4.2双向DCDC变换器建模和参数设置而想要超级电容和蓄电池处在最佳工作状态完成能量的存储和释放，就需要使用双向在光伏发电系统中，蓄电池、超级电容与DC-DC连接的方式有很多种，可以根据设计的整体系统来选择连接的电路。图4-4所示的为蓄电池和超级电容的DC-DC变换十十十Isc十池超级电容为超级电容电压，Isc为超级电容输出电流，LUac为直流母线输出电压。当系统处在孤岛运行模式下，如何保持供电母线电压的稳定性是储能系统的重点。通过超级电容和蓄电池各自的优点互补，改善负载工作过程中对母线电压造成的波动。混合储能系统的连接结构如图4-4所示。图4-5和图4-6给出了蓄电池和超级电容经过DC-DC变换器的连接电路图的仿真模型。另外，为了便于光伏储能发电系统整体的仿真运行，采用子系统的封装方法来优化仿真模型，封装后的储能单元模块如图4-7所示。MM图4-5蓄电池和双向DC-DC变换器的连接电路图图4-6超级电容和双向DC-DC变换器的连接电路图在Simulink中的储能单元和双向DC-DC变换器的连接电路图的子系统封装图如下在图4-7中，S1和S2表示DC-DC变换器中开关管的PWM脉冲信“-”分别为DC-DC变换器的正极和负极。4.3储能系统充放电控制策略图如图4-8所示。+f+f为了保证储能电池的使用寿命，防止电池的过放和过充，取电池的SOC状态保持在20%~80%。如果蓄电池的SOC大于100%或小于20%时，控制算法将阻断PWM脉冲，此时DC-DC双向变换器也会中止工作，也就是蓄电池会在低于20%时停止放电，高于100%时停止充电。图4-10超级电容双闭环控制的仿真模型蓄电池电流母线电压3图4-11蓄电池双闭环控制的子系统封装图在图4-11中，输出S1和S2分别为DC-DC双向变换器中开关管的PWM脉冲信号MATLAB是矩阵与实验室的结合，又称矩阵工厂。它是由一家美国公司发行的，是一个现代化的高科技计算环境。面向对象主要是针对现如今的程序设计、科学计算等。在现如今的研究实践中处于主导地位，最关键的一个原因是其具备的功能十分全面，无论是数据分析，还是各种系统建模的仿真等方面都体现出了其强大的功能，在许多科学研究中起到了很大的助力。在MATLAB自带的Simulink仿真模块下，用户只需要一些非常简单的操作，就足以完成各种控制系统的建模与仿真。同时，与许多其它的应用程序相比，Simulink具有更多的优点。(1)它具有广泛的适应性。可以搭建各种性质不同的系统。(2)分层式设计简单明了，可应用于各种领域的设计。(3)仿真模拟更加精确。操作环境中有许多模块，其中许多模块与实际应用中的模块相似，让用户节省了很多时间。由于传统的光伏发电在遇到光照或者阴影的情况下，输出功率会照成波动，从而导致母线电压的不稳定，而储能电池和超级电容可以通过充放电实现功率供给，来维持系统的稳定。为了验证理论计算的正确性，综合考虑光伏电池最大倒送功率以及本地消纳能力等指标，通过分析光照变化下，直流母线电压的波动，以及接入储能系统后，对光照波动的平抑效果。图5-1为光伏储能联合系统的电路图。L超级电容光伏电池蓄电池5.1系统仿真模型及参数在Simulink中建立系统仿真模型，其中，光伏电池在额定温度光照条件下输出的功率为8kW,母线电压设置为350V,储能系统装置采用超级电容和蓄电池的混合模式，通过双闭环对储能系统进行充放电控制策略。如图5-2所示。直流母线D光伏发电系统仿真的光照模拟条件为：在T=25℃时，初始光照强度S设置1000W/m²下，在0.5s时光照强度下降至600W/m²,随后在0.8s后开始上升至800W/m²,观察各个模块的输出仿真波形情况。5.2仿真结果分析从图5-3可知，光伏电池板在0.2s左右输出功率将会达到最大，光伏电池的输出功率等于负荷和储能系统的功率和，所以得到功率关系式Pv=PB+PL。Pv为光伏电池的输出功率，PB为储能系统功率，PL为负荷功率。在0.5s时，光照强度下降至600W/m²,光伏电池的输出功率下降，在0.8s后由于光照回升至800W/m²,光伏输出的功率增加。母线电压从图5-4可知，在0.2s左右，母线电压达到稳定值350V。在0.5s时，由于光照强度会下降，光伏电池的输出不足以支撑母线电压达到稳态值，电压值会有所降低，这时候储能装置放电使得母线电压再次恢复到稳态值。在0.8s后由于光照回升至800W/m²,光伏输出的功率增加，母线电压再次达到稳态值。由图5-5可知，孤岛