一種并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真

張明銳，林承鑫，王少波，歐陽(yáng)麗

（1. 同濟(jì)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2. 上海環(huán)保工程成套有限公司，上海 200070；3. 上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院，上海 200070）

太陽(yáng)能和風(fēng)能是分布最廣、利用率最高的可再生能源，但受季節(jié)、地理、氣候等多種因素的制約，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的不確定性。然而，二者在時(shí)間和地域上有一定的互補(bǔ)性，同時(shí)在儲(chǔ)能、逆變環(huán)節(jié)均可共用，適合聯(lián)合發(fā)電，實(shí)現(xiàn)資源互補(bǔ)，可以提高系統(tǒng)供電的可靠性，并減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊。與獨(dú)立光伏或風(fēng)電系統(tǒng)相比，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)（Wind/PV Hybrid Generation System，WPHGS）可以獲得較穩(wěn)定的功率輸出，提高設(shè)備利用率，降低系統(tǒng)造價(jià)，在保證同樣供電的情況下，可以減少儲(chǔ)能設(shè)備的配置容量[1-5]。為了平抑風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的劇烈波動(dòng)、提高逆變器直流側(cè)電壓的穩(wěn)定性，需要合理配置儲(chǔ)能設(shè)備容量，在功率波動(dòng)較快或較大的情況下能夠運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的輸出水平[6-7]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)離網(wǎng)型WPHGS的研究較多，主要集中在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)學(xué)建模與仿真、儲(chǔ)能設(shè)備的配置、系統(tǒng)電源容量?jī)?yōu)化配置等方面[8-9]，而對(duì)并網(wǎng)型WPHGS的研究則剛剛起步，還需要更多的深入研究。早期的WPHGS采用獨(dú)立的直流斬波電路和逆變電路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并網(wǎng)時(shí)需要兩種逆變器同步進(jìn)行，控制難度大[10]；文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)了共直流母線式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，通過(guò)逆變環(huán)節(jié)電壓外環(huán)的控制策略，保持直流電壓穩(wěn)定，但未配置儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，使其輸出功率波動(dòng)大，控制難度較高。這些研究提出的系統(tǒng)方案均沒(méi)有配置儲(chǔ)能設(shè)備。文獻(xiàn)[12]引入蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以隨著頻繁的功率波動(dòng)進(jìn)行充電或者放電，但蓄電池的充放電次數(shù)少，充放電電流不能過(guò)大，難以同時(shí)滿(mǎn)足短時(shí)功率調(diào)節(jié)和長(zhǎng)時(shí)功率支撐的需求。

本文提出一種基于固態(tài)變壓器結(jié)構(gòu)（Solid State Transformer，SST）的并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，光伏陣列和風(fēng)力發(fā)電機(jī)接入700 V低壓直流母線，共用直流升壓電路和逆變電路，在直流升壓環(huán)節(jié)加入高頻變壓器，同時(shí)增加超級(jí)電容和蓄電池，增加了系統(tǒng)可控性。最后，本文對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行仿真研究，驗(yàn)證了該系統(tǒng)模型的正確性和可行性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)基于固態(tài)變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[13]。固態(tài)變壓器是一種采用電力電子器件的新型變壓器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，由高、低壓全控變流器和以高頻變壓器為核心的DC/DC變換環(huán)節(jié)組成。并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、整流電路、直流升壓電路、逆變電路、儲(chǔ)能裝置、電網(wǎng)等組成，如圖1所示。光伏陣列輸出的直流電和風(fēng)力發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)整流后一起匯入低壓直流母線，經(jīng)高頻變壓器升壓轉(zhuǎn)換成高壓直流，儲(chǔ)能裝置將高壓直流穩(wěn)定在18 000 V，最后經(jīng)逆變電路并入電網(wǎng)。該系統(tǒng)采用高頻變壓器升壓、共用直流升壓電路和逆變電路，可以顯著減小系統(tǒng)體積和成本，提高設(shè)備利用率。

圖1 基于固態(tài)變壓器的并網(wǎng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Grid-connected wind/PV hybrid generation system on SST

當(dāng)光照強(qiáng)度或者風(fēng)速劇烈變化時(shí)，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率和逆變器直流側(cè)電壓波動(dòng)較大，需要配置一定容量的儲(chǔ)能裝置以維持輸出穩(wěn)定。鑒于超級(jí)電容功率密度大，循環(huán)壽命長(zhǎng)，可大電流、快速充放電，故在高壓直流母線側(cè)配置一定容量的超級(jí)電容，除了作為能量?jī)?chǔ)備裝置，還可以平抑功率波動(dòng)，維持直流電壓穩(wěn)定。蓄電池由于能量密度高，接于低壓直流母線處，作為系統(tǒng)的能量?jī)?chǔ)備裝置，以提供短時(shí)能量支持。

2 系統(tǒng)模型

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)模型

根據(jù)光伏電池的物理模型[14]，得其輸出特性方程為：

式中，I為光伏電池輸出電流；Iph為光生電流；Io為光伏電池內(nèi)部PN節(jié)反向飽和電流；q為電荷常數(shù)；U為光伏電池輸出電壓；Rs為光伏電池的串聯(lián)等效電阻；Rsh為光伏電池的并聯(lián)等效電阻；n為PN節(jié)特性因子；k為波耳滋曼常數(shù)；T為光伏電池溫度。

光伏電池的等效串聯(lián)電阻RS很小，而等效并聯(lián)電阻Rsh卻很大，在工程應(yīng)用中，可以忽略不計(jì)。光伏組件通常由若干個(gè)光伏電池串并聯(lián)而成，進(jìn)而組成光伏陣列，因此，光伏組件的輸出特性曲線方程可以等效成：

式中，ns為光伏電池串聯(lián)的數(shù)目；np為光伏電池并聯(lián)的數(shù)目。

結(jié)合式（1）、式（2），在溫度T=25 ℃時(shí)不同光照強(qiáng)度下光伏陣列U-I，U-P特性曲線如圖2所示。

圖2 光伏電池在不同光照強(qiáng)度下的特性曲線Fig. 2 Characteristic curves of PV different light intensities

為了提高光伏陣列的利用效率，本文采用擾動(dòng)觀察法[15]進(jìn)行最大功率跟蹤，對(duì)光伏陣列的輸出電壓施加周期性擾動(dòng)，并檢測(cè)輸出功率值相對(duì)于前一個(gè)周期的變化情況，從而確定擾動(dòng)方向。擾動(dòng)觀察法算法簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)跟蹤效果好，得到廣泛的應(yīng)用。

2.2 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)模型

由空氣動(dòng)力學(xué)可知，風(fēng)力機(jī)從風(fēng)中捕獲的機(jī)械功率Pm和機(jī)械轉(zhuǎn)矩Tm表達(dá)式為[16]：

式中，ρ為空氣密度；R為風(fēng)輪半徑；υ為風(fēng)速；ω為風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)速；λ為葉尖速比；β為槳距角；Cp為風(fēng)能捕獲系數(shù)，它是葉尖速比和槳距角的函數(shù)。

最大風(fēng)能跟蹤是風(fēng)力發(fā)電控制的核心內(nèi)容，其特性由風(fēng)力機(jī)決定，在槳距角不變的情況下，風(fēng)能利用系數(shù)Cp隨著葉尖速比λ的變化而變化，因此只要保持風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速ω滿(mǎn)足最佳葉尖速比λ=λopt，即可獲得最大功率，此時(shí)Cp=Cp_max，風(fēng)機(jī)獲得的最大功率為：

風(fēng)力機(jī)的功率-轉(zhuǎn)速特性曲線如圖3所示。

圖3 風(fēng)力機(jī)的功率-轉(zhuǎn)速特性Fig. 3 Power /rotational speed characteristics of the wind turbine

永磁同步發(fā)電機(jī)在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的電壓和電磁轉(zhuǎn)矩方程為：

式中，usd、usq為定子電壓的d、q分量；isd、isq為定子電流的d、q分量；Ls、Rs為定子電感、電阻；ωe為發(fā)電機(jī)電轉(zhuǎn)速；ω為發(fā)電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速；p為發(fā)電機(jī)的極對(duì)數(shù)；Ψ為永磁體的磁鏈。

2.3 儲(chǔ)能裝置建模

超級(jí)電容采用經(jīng)典的簡(jiǎn)化模型[17]，由理想電容器C與等效阻抗Rp并聯(lián)，再與等效阻抗RS相串聯(lián)，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 超級(jí)電容等效電路Fig. 4 Equivalent circuit of the super capacitor

蓄電池采用等效電路模型[18]，如圖5所示，由可控電壓源串聯(lián)恒定電阻組成，可以動(dòng)態(tài)反映蓄電池的充放電特性，對(duì)應(yīng)的等效電路方程為：

式中，U為蓄電池端口電壓；E為可控電壓源的空載電壓；ibatt為蓄電池工作電流；Ro為蓄電池的內(nèi)阻。

圖5 蓄電池等效電路Fig. 5 Equivalent circuit of the battery

3 控制策略

從固態(tài)變壓器的結(jié)構(gòu)和原理可知，SST由高、低壓全控變流器和DC-DC變化環(huán)節(jié)組成，蓄電池和超級(jí)電容分別接在低壓側(cè)直流母線處和高壓側(cè)低壓直流母線處，各個(gè)控制環(huán)節(jié)以PI控制為基礎(chǔ)，控制目標(biāo)各不相同[19]。

低壓全控變流器采用轉(zhuǎn)速外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)控制方式，轉(zhuǎn)速外環(huán)的給定值是最大風(fēng)能跟蹤得到的轉(zhuǎn)速值，反饋值是發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制目標(biāo)是保證直流電壓恒定，并實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)?？刂瓶驁D如圖6所示。

圖6 低壓全控變流器控制框圖Fig. 6 Control diagram of the low-voltage controlled converter

DC-DC變化環(huán)節(jié)的兩個(gè)變流器均采用PWM 控制，驅(qū)動(dòng)信號(hào)為占空比為50%的互補(bǔ)觸發(fā)脈沖，主要作用是進(jìn)行電壓等級(jí)變換和電氣隔離。

高壓全控變流器采用電壓、電流雙閉環(huán)控制策略，并結(jié)合同步鎖相控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，超級(jí)電容接在高壓直流母線處，通過(guò)合理設(shè)計(jì)高壓變流器的控制策略，可以保證超級(jí)電容兩端的電壓穩(wěn)定在恒定值。控制框圖如圖7所示。

圖7 高壓全控變流器控制框圖Fig. 7 Control diagram of the high-voltage controlled converter

蓄電池接在低壓直流母線處，當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的輸出功率低于蓄電池放電時(shí)的下限功率時(shí)，蓄電池放電，反之，當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)的輸出功率高于蓄電池充電時(shí)的上限功率時(shí)，蓄電池充電。

4 儲(chǔ)能裝置的選擇

太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生資源容易受天氣等自然因素的影響，具有隨機(jī)性和間歇性，需要配置一定容量的儲(chǔ)能裝置以維持輸出功率穩(wěn)定。如何根據(jù)氣象條件和功率輸出要求確定儲(chǔ)能裝置的類(lèi)型和容量，直接影響系統(tǒng)的并網(wǎng)電壓和功率特性[20]。本文提出一種基于平均功率的儲(chǔ)能設(shè)備容量計(jì)算方法。

設(shè)Ppv為光伏陣列發(fā)電功率；Pwd為風(fēng)電功率；Ps為儲(chǔ)能設(shè)備功率；Pt為系統(tǒng)總功率，則

光伏陣列全天發(fā)出的電能為

風(fēng)力發(fā)電機(jī)全天發(fā)出的電能為

則風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)全天輸出的平均功率為

圖8是我國(guó)南方某地晴天時(shí)光照強(qiáng)度和風(fēng)速的變化曲線，圖9為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的輸出功率曲線，光伏陣列與風(fēng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)如表1、表2所示。

圖8 某地晴天光照強(qiáng)度和風(fēng)速的變化曲線Fig. 8 Curves of light intensity and wind speed on a fine day in a certain area

圖9 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線Fig. 9 Output power curve of wind/PV hybrid generation system

表1 光伏系統(tǒng)參數(shù)Tab. 1 Parameter of the photovoltaic system

表2 風(fēng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)Tab. 2 Parameter of the wind power system

當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的總功率大于平均功率時(shí)，系統(tǒng)給儲(chǔ)能設(shè)備充電，反之，儲(chǔ)能設(shè)備放電。在總數(shù)N個(gè)點(diǎn)中大于Pave的的點(diǎn)有M個(gè)，小于Pave的點(diǎn)有K個(gè)，則儲(chǔ)能設(shè)備所需要的充電電能為儲(chǔ)能設(shè)備所需要的放電電能為因此，整個(gè)系統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備的容量為

當(dāng)系統(tǒng)的輸出功率Pt=Pave時(shí)，Ps=0，即儲(chǔ)能設(shè)備的充電電能等于放電電能，此時(shí)

當(dāng)系統(tǒng)的輸出功率Pt>Pave時(shí)，Ps>0，即儲(chǔ)能設(shè)備的充電電能小于放電電能，此時(shí)

當(dāng)系統(tǒng)的輸出功率Pt

因此，當(dāng)Pt=Pave時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備的容量達(dá)到最小。

5 仿真分析

在MATLAB/SIMULINK中搭建了風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)模型。根據(jù)（14）式可求得晴天典型日平均功率為174.03 kW，因此，儲(chǔ)能設(shè)備的容量配置為174 kW時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備所需容量是最小的。

5.1 風(fēng)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行特性

風(fēng)電系統(tǒng)單獨(dú)工作時(shí)，設(shè)系統(tǒng)在風(fēng)速v=8 m/s時(shí)起動(dòng)，在t=0.4 s時(shí)風(fēng)速上升至12 m/s，在t=0.8 s時(shí)風(fēng)速下降至10 m/s，如圖10所示。

由圖10可以看出，風(fēng)速變化時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出的功率由60 kW升至210 kW，最終恢復(fù)至120 kW。并網(wǎng)處系統(tǒng)輸出電流是正弦的，并且與電網(wǎng)電壓同頻同相，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。說(shuō)明風(fēng)機(jī)模型具有很好的最大功率跟蹤性能。

5.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行特性

光伏系統(tǒng)單獨(dú)工作時(shí)，設(shè)系統(tǒng)工作時(shí)光照強(qiáng)度S=1 000 W/m2，在t=0.4 s時(shí)光照強(qiáng)度降至400 W/m2，在t=0.8 s時(shí)光照強(qiáng)度上升到800 W/m2，仿真時(shí)間為1 s，如圖11所示。

圖10 風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)并網(wǎng)時(shí)的運(yùn)行特性Fig. 10 Operation characteristics of the grid-connected wind power system

圖11 光伏發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)并網(wǎng)時(shí)的運(yùn)行特性Fig. 11 Operation characteristics of the grid-connected photovoltaic power system

由圖11可以看出，類(lèi)似于單獨(dú)風(fēng)電系統(tǒng)，光伏系統(tǒng)輸出有功功率和并網(wǎng)電流的變化趨勢(shì)與光照強(qiáng)度的變化一致，并網(wǎng)電流基本保持正弦，與電網(wǎng)電壓同相位，滿(mǎn)足并網(wǎng)運(yùn)行的要求。

5.3 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行特性

風(fēng)光互補(bǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)工作時(shí)，光照強(qiáng)度在t=0.4 s時(shí)由S=400 W/m2上升為1 000 W/m2，風(fēng)速在t=0.7 s時(shí)由8 m/s上升為12 m/s，運(yùn)行情況如圖12所示。

圖12可以看出，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的有功功率隨著光照強(qiáng)度和風(fēng)速的增加而相應(yīng)的增加，并網(wǎng)電流始終與電網(wǎng)電壓保持同步，具有很好的最大功率跟蹤性能，能夠滿(mǎn)足并網(wǎng)運(yùn)行的要求。

5.4 儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制效果

5.4.1 超級(jí)電容的功率平抑性能

仿真光照強(qiáng)度和風(fēng)速發(fā)生劇烈變化時(shí)超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的功率支持效果。假設(shè)0.4 s時(shí)模擬系統(tǒng)受陰影的影響，光照強(qiáng)度由1 000 W/m2急劇下降至200 W/m2，持續(xù)1 s后恢復(fù)至1 000 W/m2，0.6 s時(shí)模擬風(fēng)速急劇上升，由8 m/s上升到12 m/s，持續(xù)1 s后恢復(fù)至8 m/s。圖13給出配置超級(jí)電容前后，風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)功率和逆變器直流側(cè)電壓變化情況，由圖13可以看出，增加超級(jí)電容后，并網(wǎng)功率波動(dòng)明顯變小，逆變器直流側(cè)電壓更加穩(wěn)定。

圖12 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)的運(yùn)行特性Fig. 12 Operation characteristics of the grid-connected wind/PV hybrid generation system

圖13 增加超級(jí)電容儲(chǔ)能前后并網(wǎng)功率和高壓直流母線的特性曲線Fig.13 Characteristic curve of the grid-connected power and high voltage DC bus with and without super-capacitor

5.4.2 蓄電池的功率支持效果

當(dāng)PPmax時(shí)，系統(tǒng)給蓄電池充電，SOC增大，當(dāng)Pmin

6 結(jié)論

本文提出的基于超級(jí)電容和蓄電池的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可較好地平抑并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)，提高分布式電源的供電可靠性和電能質(zhì)量，并降低了系統(tǒng)備用容量要求，實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電功率就地峰谷調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了電網(wǎng)消納風(fēng)光電能的能力。本文設(shè)計(jì)的風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)較好地解決了儲(chǔ)能裝置的快速出力特性與高能量密度需求之間的關(guān)系，為開(kāi)發(fā)高性?xún)r(jià)比的大規(guī)模并網(wǎng)型風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)提供了有益的思路。

圖14 蓄電池充放電時(shí)，系統(tǒng)輸出功率與SOC的特性曲線Fig. 14 Characteristic curve of the output power and SOC when the battery charges and discharges

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