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                《廈門理工學院學報》  2020年第5期 33-39   出版日期:2020-10-30   ISSN:1673-4432   CN:35-1289/Z
                光儲充一體化充電站的建模與仿真


                隨著工業的發展,世界能源資源愈發匱乏,環境問題日趨嚴重,根據《中國機動車環境管理年報》數據,目前機動車對排放CO2的貢獻率排名第三[1]。太陽能作為理想的清潔能源受到了人們的關注,光伏發電已成為熱門的能源產業之一。但當光電等新能源大量接入電網時,容易對電網電能質量產生不利影響。為緩解全球氣候變暖的影響,發展電動汽車成為節能減排的重要手段之一,其產業鏈的增長也帶動了儲能電站需求的增加[2]。光儲充一體化充電站作為太陽能發電的產物,能有效改善供電質量,減少負荷谷差。目前針對光儲充一體化充電站的研究大多停留在宏觀的方案設計層面,仿真計算仍停留在系統中各分立元件的研究上。文獻[34]介紹了光儲充一體化電站建設的電氣組成結構和幾個關鍵技術的設計,以公式分析能量和功率的流動和轉換,文獻[56]分別介紹了分布式電源的預測功率平滑和約束規劃的儲能系統控制方法,但均未搭建完整的光儲充一體化系統模型。文獻[7]提出了一種有源電力濾波補償裝置來抑制電動汽車充電站系統中的諧波問題,文獻[8]提出了一種有源電力濾波器與靜止無功補償器(static var compensator,SVC)的聯合系統進行電動汽車充電站的無功補償,但均未對主網的母線電壓進行計算和分析。本文通過電力系統仿真軟件(power systems computer aided design, PSCAD)建立較為完整的光儲充一體化充電站的模型,并驗證所建立模型的合理性和系統充放電性能的穩定性,以及電站并網時SVC裝置抑制電壓波動的有效性。 1光儲充一體化充電站模型的設計方案 光儲充一體化充電站以太陽光作為能量來源,采用變換器將光能轉換為電能,儲能采用超級電容器以實現電能的存儲與釋放,設有交直流電源供汽車充電樁使用。本研究設計的光儲充一體化充電站模型結構如圖1所示。 圖1光儲充一體化充電站結構圖 Fig1Structure diagram of PVstoragecharging integrated power station 廈門理工學院學報2020年 第5期陳奇豪,等:光儲充一體化充電站的建模與仿真 采用標準測試環境為輻照度1 000 W·m-2,電池溫度25 ℃,光譜AM15,太陽能電池組件的主要技術參數如表1所示。 表1太陽能電池組件主要技術參數 Table 1Main technical parameters of solar cell module 電性能參數符號及單位參數值電性能參數符號及單位參數值額定最大功率Pmax/W315組件效率Eff/%1904開路電壓Voc/V440功率工差n/W0/+5峰值功率電壓Vmp/V366Isc的溫度系數α/%·℃-10059短路電流Isc/A921Voc的溫度系數β/%·℃-1-0277峰值工作電流Imp/A861Pmax的溫度系數γ/%·℃-1-02811光伏發電系統 單體光伏電池在進行數學模型分析時可等效為一個PN結,其等效的電路如圖2所示。 圖2光伏電池等效電路圖 Fig2Equivalent circuit diagram of photovoltaic power supply 等效電路的相關公式[9]為 Ig=ISCRGGR[1+αT(TC-TCR)]。(1) 式(1)中:Ig為電池暴露在光下產生的光電流,ISCR為參考照度GR和參考電池溫度TCR時的短路電流,αT為光電流的溫度系數,G和TC分別為實際照度和實際電池溫度。 Ish=(V+IRsr)/Rsh。(2) 式(2)中:Ish為并聯支路電流,I為光伏電池輸出電流,V為光伏電池端口電壓,Rsr和Rsh分別為光伏電池的串聯和并聯電阻。 Id=IoexpV+IRsrnkTC/q-1。(3) 式(3)中:Id為流經二極管的電流;n為發射系數(與PN結的尺寸、材料及通過的電流有關);k為波爾茲曼常數;q為電子電荷常數;Io為二極管飽和電流,可表達為 Io=IoRTC3TCR3exp1TCR-1TCqegnk。(4) 式(4)中:IoR為參考溫度下的飽和電流,eg為光伏電池材料的帶隙能量。 光伏電池的輸出電流I為 I=Ig-Id-Ish。(5) 根據上述公式可得,光伏電池在進行電路等效時只需知道短路電流ISC=Ig,I=0時的開路電壓VOC,最大功率工作時的最大工作電壓Vm,最大工作電流Im,即可得到近似的簡化電路模型。根據文獻[9]中的光伏電池所建立的模型,驗證其精度誤差可控制在6%之內。 根據項目參數,給定光伏電池組件的單體串聯數N1=21,單體并聯數M1=4,組件串聯數N2=60,組件并聯數M2=1。 目前對光伏發電系統采用較多的控制方法是最大功率點跟蹤(maximum power point tracking, MPPT),通過控制算法使之保持在此工作點或附近范圍內,從而提高光電轉換的效率。根據項目參數,對光伏模塊使用MPPT的擾動觀察法進行控制。其原理是通過周期性改變光伏電池的輸出功率,采樣功率與改變后的輸出功率相比,在不斷反復比較后,當誤差近似于0或小于某個設定值后即可得到最大功率的工作點[1012]。本文以誤差為0作為設定的參考值。 使用PSCAD的MPPT模塊作為控制器的核心,圖3為光伏發電系統的仿真模型電路圖和MPPT控制模塊的電路圖。MPPT模塊通過內部自動對比檢測尋找光伏電池功率最大點的動態電壓及電流,再與設定值的功率相減,通過比例積分(proportion integral, PI)調節器和時滯調節器對加法器輸出值進行調節,以此控制直流電路的開關管導通占比,進而使用降壓電路完成光伏模塊的輸出[1315]。 圖3光伏發電系統及其控制器電路圖 Fig3Circuit diagram of photovoltaic power generation system and its controller 12儲能系統 儲能系統包括雙向升降壓變換器和超級電容器,通過切換雙向升降壓變換器的控制模塊可控制升降壓的狀態。儲能系統及其控制等效模型電路如圖4所示。 超級電容器作為新型的儲能裝置具有能量密度大、充放電速度快等優點。實際的超級電容器組是復雜的串并聯網絡,在現實工程中,超級電容器通常采用如圖4所示的串并聯形式的簡化等效電路,其中理想電容C3與大電阻R2(等效并聯電阻)并聯,同時再與小電阻R1(等效串聯電阻)串聯[16]。 圖4儲能系統及其控制等效模型電路圖 Fig4Circuit diagram of energy storage system and its controller 2光儲充系統模型仿真計算 對光儲充電站模型的光伏系統和儲能系統進行仿真,研究光伏發電系統在MPPT控制策略下的輸出和儲能系統充放電性能的穩定性,并計算和分析電站并網過程中SVC裝置對電壓波動的抑制效果。 21光伏發電系統仿真 當光照強度及溫度范圍分別為800~1 200 W·m-2、20~30 ℃時,MPPT控制器光伏模塊輸出電壓Epv的波形如圖5所示。從圖5可見,其輸出電壓始終保持在3 kV上下波動,滿足控制的期望目標。 圖5光伏模塊輸出電壓波形圖 Fig5Output voltage waveform of photovoltaic module 逆變器的輸出電壓波形如圖6所示。圖6中,Eo1_A和Eo2_A分別為變壓器前后的逆變相電壓輸出波形,Eo1_Arms和Eo2_Arms為與上述相電壓對應的有效值輸出波形。分析圖6可知,輸出電壓波形的波動范圍小于±5%的要求,可以認為當光伏電池處于變化的環境中時,通過控制算法和濾波器可使逆變器輸出符合要求的正弦電壓波形。 圖6逆變器輸出電壓波形圖 Fig6Output voltage waveform of inverter 22儲能系統仿真 圖7為儲能系統的超級電容器在充電和放電狀態下的電壓波形圖。在圖7(a)中,當充電開關接通后,電容器電壓逐漸上升,在達到最大值后下降至額定值。當充電開關關斷時,電容器電壓保持在恒定值。在圖7(b)中,當電容器充滿電后對負載供電,電壓呈非線性下降趨勢。 圖7超級電容器充放電電壓波形圖 Fig7Charging and discharging voltage waveform of supercapacitor 上述超級電容器等效電路為沒有考慮變壓器中的磁滯損耗、鐵芯損耗等理想狀態的簡化電路,與實際相比具有較高的功率因數。但由于變壓器損耗參數對仿真結果的影響較小,簡化電路可滿足仿真結果的精度。 23SVC裝置對母線電壓波動的抑制作用 SVC裝置能夠快速對波動負荷進行能量補償,對系統電壓波動具有一定抑制效果,可提高電能質量,因此成為近年來無功補償的研究熱點[17]。PSCAD提供了相對完整的SVC模塊,其中包含了晶閘管控制電抗器(thyristor controlled reactor,TCR)、晶閘管投切電容器(thyristor switched capacitor,TSC)及具有電容器投切功能的TSC分配器,具體如圖8所示。 圖8靜止無功功率補償器模塊 Fig8Static reactive power compensator module 目前國際上對于220 V電網母線電壓穩定的要求是電壓波動處于額定電壓±5%的范圍內[18]。項目采用光伏發電系統并入220 V電網,圖9為光儲充系統并網時母線接入或未接入SVC兩種情況下,其母線電壓有效值。 圖9配電網母線電壓有效值 Fig9Effective value of bus voltage in distribution network 由圖9可見,當母線未接入SVC時,光儲充系統并網對電網的影響較大,母線電壓有效值波動約為227%;而在接入SVC情況下,光儲充系統并網對電網的影響明顯減小,母線電壓有效值波動降低為43%。符合目前國際上對于220 V電網母線電壓波動處于額定電壓±5%的范圍內[18]的要求?梢奡VC裝置能夠有效地為系統提供無功補償,降低分布式光伏發電系統并網時的母線電壓波動。 3結論 利用PSCAD軟件搭建較為完整的某在建光儲充一體化充電站系統模型,并引入SVC裝置,用以抑制母線電壓波動,驗證所建立模型組成的合理性和系統充放電性能的穩定性,以及SVC裝置抑制電站并網時造成電壓波動的有效性。仿真計算顯示,所建立的模型能實現光儲充一體化電站的基本功能,在MPPT控制策略下,所設計的光伏電池模型能夠及時跟蹤并控制光伏發電系統的輸出電壓,實現電壓的穩定輸出;采用SVC裝置能夠有效減少光伏發電系統并網時母線的電壓波動,電壓波動有效值從227%降低為43%,減少了電壓驟降或突增帶來的不利影響,提高了電能質量。研究表明,本研究設計的模型是合理、有效、穩定的,可為實際工程設計提供一定的理論支撐。 在對光伏發電系統進行MPPT控制輸出時,需盡量降低時滯調節器的參數以減少產生的控制滯后影響,同時優化調整PI調節器參數,可能得到更加快速的響應結果和更穩定的控制效果,這有待進一步探討。
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