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
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原文標題:基于simulink的光儲一體系統(tǒng)仿真
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