基于simulink的光儲一體系統(tǒng)仿真

背景

由于光伏等分布式能源容易受外部環(huán)境的影響，存在較大的不確定性，造成其輸出功率具有波動性。通過在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)直流側(cè)增加儲能，能夠保證光伏電池在外部負荷波動較大時仍可以運行在穩(wěn)定輸出水平，改善系統(tǒng)輸出電壓和系統(tǒng)頻率，提高用戶電能質(zhì)量。同時在光伏并網(wǎng)直流側(cè)加裝儲能系統(tǒng)可以穩(wěn)定直流母線電壓，提高光伏故障穿越能力。

其實我們之前已經(jīng)介紹過此種拓撲及相關(guān)結(jié)構(gòu)，(分布式光儲互補系統(tǒng)建模與仿真介紹(2))但之前偏向于光伏儲能功率互補，因此，控制上采用的是光伏控直流母線電壓，儲能控功率，實現(xiàn)整體功率與給定值匹配。但此種方法的問題是，當(dāng)交流側(cè)出現(xiàn)故障或要求高低電壓穿越時，控制上不夠靈活或存在多種控制的切換，容易造成較大波動。如果改為由儲能控制流電壓，光伏仍然采用最大功率跟蹤控制，將光伏和儲能看作一體，并網(wǎng)逆變器采用PQ控制，也不失為一種很好的選擇。

模型搭建

本文所搭建整體光儲一體結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包括光伏電池、boost電路、儲能及雙向DC/DC、并網(wǎng)逆變器等結(jié)構(gòu)。

圖1 光儲一體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模型中儲能采用定直流電壓控制，直流電壓參考值設(shè)置為500V，光伏前級boost升壓部分始終以MPPT模式運行，并網(wǎng)逆變器采用PQ控制，給定額定功率100kW。當(dāng)光伏輸出功率小于100kW時，由儲能補充缺額功率，當(dāng)光伏輸出功率大于100kW時，多余的功率給充能進行充電。

圖2 整體模型

并網(wǎng)逆變器采用PQ雙閉環(huán)控制，外環(huán)為功率控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)逆變側(cè)直流電壓與給直流電壓進行比較，誤差經(jīng)過PI，作為內(nèi)環(huán)d軸電流環(huán)參考值id_ref，id_ref與d軸電流實際值id進行比較，經(jīng)過PI，得到脈沖生成信號Ud;電流環(huán)q軸參考值iq_ref與實際值iq進行比較，經(jīng)過PI，得到脈沖生成信號Uq，另外，為使并網(wǎng)效率最高，一般iq_ref給定為0。在電壓跌落時，切換為基于內(nèi)環(huán)id、iq給定的控制(光伏低電壓穿越控制仿真研究)，整體控制部分模型如下：

圖3 逆變器并網(wǎng)控制部分

其中Udc_ref為設(shè)定(參考)電壓，Udc為DC-DC高壓側(cè)實際測量電壓，給定電壓與實際電壓經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到換流器電感電流參考值iref，將iref與電感電流測量值iL進行比較得到誤差信號，經(jīng)PI調(diào)解后得到最終調(diào)制波，將該參考波與一定頻率的三角載波進行比較，得到雙向換流器的PWM脈沖信號。通過該電路及控制可實現(xiàn)高壓側(cè)和低壓側(cè)儲能電池功率的雙向流動，即儲能電池充電或放電運行。

圖4 儲能控制結(jié)構(gòu)

圖5 儲能部分控制模型

整體系統(tǒng)運行時，大體可實現(xiàn)以下兩種工況的功能：

1)電網(wǎng)正常工況：電網(wǎng)電壓正常時，光伏電池輸出功率由于會隨著外部條件的變化而變化，通過儲能的平衡，當(dāng)光伏輸出功率大于設(shè)置的參考功率時，儲能充電吸收功率，反之，儲能放電發(fā)送功率可，通過儲能充放電，使光伏并網(wǎng)點的功率輸出保持恒定;

2)電網(wǎng)故障工況：當(dāng)外部條件不變，交流測電網(wǎng)發(fā)生短路或接地故障造成電網(wǎng)電壓一定程度跌落或抬升時，直流側(cè)電壓會急劇上升，通過直流側(cè)儲能，可以吸收多余的能量，避免因為直流電壓過高觸動過壓保護造成換流器閉鎖停機。

仿真結(jié)果

1)在給功率為100kW條件下，通過改變光照，驗證光儲一體系統(tǒng)的工作情況：在0-1s，給定光照800，1-2s給定光照1000，2-3s給定光照1200，3-4s光照恢復(fù)到1000，仿真結(jié)果如下圖所示：

圖6 光伏電池電壓、電流、功率

圖7 逆變器直流側(cè)電壓

圖8 并網(wǎng)點電壓、電流、功率

圖9 電池SOC、電流、電壓

通過結(jié)果可以看出，隨著光照強度的變化，雖然光伏電池輸出功率雖然發(fā)生變化，但由于儲能電池的作用，逆變器并網(wǎng)點的功率始終保持在100kW恒定。通過電池SOC、電池端口電壓、電流可以看出，當(dāng)光伏電池功率不足100kW時，電池放電，當(dāng)光伏電池功率超過100kW時，電池充電，當(dāng)光伏電池功率在100kW左右時，電池電流為0，SOC基本保持不變，電池既不充電也不放電。

2)在光伏外部條件不變的情況下，交流電網(wǎng)側(cè)三相電壓在t=1s時發(fā)生三相對稱跌落到0.2pu和0.35pu，持續(xù)時間0.625和1s，仿真結(jié)果如下圖所示：

圖10 光伏電池電壓、電流、功率

圖11 逆變器直流側(cè)電壓

圖12 并網(wǎng)點電壓、電流、功率

圖13 電池SOC、電流、電壓

圖14 光伏電池電壓、電流、功率

圖15 逆變器直流側(cè)電壓

圖16 并網(wǎng)點電壓、電流、功率

圖17 電池SOC、電流、電壓

通過上圖仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)電壓發(fā)生跌落時，由于交流測電壓降低，功率急劇減小，電流達到電流限幅值，但此時交流側(cè)功率仍然遠小于光伏電池的最大功率，多出的功率對電池進行充電，故障消失后，光伏功率在100kW左右，此時電池既不充電也不放電，SOC維持恒定。

總體來看，光儲一體系統(tǒng)可以實現(xiàn)在光照強度或溫度變化時，使逆變器并網(wǎng)側(cè)所給的功率維持恒定，另外，儲能電路的加入，能夠在網(wǎng)側(cè)電壓跌落期間可以將直流側(cè)多余的能量儲存起來，輔助實現(xiàn)低電壓穿越的同時，減少了能量的浪費，整體光儲一體系統(tǒng)達到設(shè)計要求。

審核編輯：湯梓紅