分布儲能式新能源直流電加熱系統(tǒng)及運行仿真分析

周 封，林 坤，張琪瑞，徐明宇，郝文波，姜 鵬

(1.山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080；3.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090；4.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

隨著化石能源的日益枯竭，傳統(tǒng)的能源供給形式越來越不能滿足人們的需要，光能、風(fēng)能等可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)得到了大力發(fā)展，儲能技術(shù)被認(rèn)為是解決目前和將來電網(wǎng)中新能源發(fā)電并網(wǎng)等問題的可行方案。直流電網(wǎng)技術(shù)具備大規(guī)模新能源匯集及遠(yuǎn)距離輸送能力，且可實現(xiàn)不同電壓等級、不同區(qū)域網(wǎng)絡(luò)電力系統(tǒng)的廣域互聯(lián)，成為現(xiàn)階段研究的重點[1]。

目前，國內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)對直流配電網(wǎng)、儲能技術(shù)以及新能源接入電網(wǎng)等問題進(jìn)行了探索性的研究開發(fā)，并取得了一些突破性成果。在直流配電網(wǎng)方面，馮延明等研究員對直流配電網(wǎng)的環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和兩端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性進(jìn)行了探討，并對分布式能源和儲能裝置并入交流配電網(wǎng)和直流電網(wǎng)進(jìn)行了對比研究，證明接入直流配電網(wǎng)能夠有效節(jié)省DC/AC變換器和濾波裝置[2]。葉莘等研究員提出了直流配電網(wǎng)供電能力評估指標(biāo)以及多目標(biāo)評估函數(shù)，對直流配電網(wǎng)的供電能力進(jìn)行了研究[3]。在儲能技術(shù)以及新能源接入電網(wǎng)方面，姚良忠等研究員提出一種考慮中國能源資源及負(fù)荷分布特征的大規(guī)模新能源接入高壓直流電網(wǎng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并指出發(fā)展高壓直流電網(wǎng)的技術(shù)需求[4-5]。朱耿峰等研究員進(jìn)行了儲能系統(tǒng)對提高新能源發(fā)電接入電網(wǎng)能力的研究，并證明儲能系統(tǒng)對解決新能源發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)問題起到了關(guān)鍵的作用[6]。

上述文獻(xiàn)就直流配電網(wǎng)、儲能技術(shù)以及新能源接入電網(wǎng)等問題進(jìn)行了單方面的研究[7-8]。但系統(tǒng)實際運行時情況復(fù)雜，不同情況下系統(tǒng)運行狀態(tài)與用電需求不同，因此，需要一種可以滿足系統(tǒng)各種狀況下要求的高壓直供直流電加熱系統(tǒng)。

基于以上分析，設(shè)計一種分布儲能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)將高壓交流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電給電加熱裝置供電，并可在谷電價時儲存電能，同時，新能源發(fā)電裝置給儲能裝置供電的功能可以在多種工作狀況下正常工作，滿足電加熱系統(tǒng)的用電需求。該系統(tǒng)既解決了峰電價時供電不足、谷電價時電能浪費的問題，又解決了新能源接入電網(wǎng)困難的問題，同時可以滿足不同情況下的用電需求，對提高電能利用率、降低成本以及推動新能源發(fā)電應(yīng)用方案的普及和推廣有著至關(guān)重要的作用。

1 高壓直供直流電加熱系統(tǒng)方案設(shè)計及工況分析

分布儲能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)由以下幾部分組成：高壓配電柜、儲能裝置、直流加熱元件、電加熱裝置、新能源發(fā)電裝置。儲能裝置則由整流模塊、放電直流母線、蓄電池組組成。

分布儲能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。從圖1可以看出，系統(tǒng)通過整流模塊直接將6 kV左右的高壓交流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電，并根據(jù)需要給直接加熱元件供電。在谷電價時，系統(tǒng)給電加熱裝置供電的同時將多余電能儲存；在峰電價時，由儲能裝置給電加熱裝置供電；同時，新能源發(fā)電裝置為儲能裝置提供電能。蓄電池組可分組同時進(jìn)行充電和放電，但由于放電直流母線上電壓不匹配，配電網(wǎng)與蓄電池組不可同時供電。該系統(tǒng)可根據(jù)不同工況進(jìn)行電能供給，既解決了峰電價時供電不足、谷電價時電能浪費的問題，又解決了新能源接入電網(wǎng)困難的問題。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

由于1天中不同時間段用戶用電量不同，電加熱裝置所需電量也不相同，因此，系統(tǒng)運行時存在多種情況，系統(tǒng)工況分類如圖2所示。

從圖2可以看出，新能源分布儲能式高壓直供直流電加熱系統(tǒng)運行時可以分為12種工況，電加熱裝置工作時有8種工況，電加熱裝置不工作時有4種工況。其中，蓄電池組給電加熱裝置供電時，不能對該組蓄電池組充電。

2 高壓直供直流電加熱系統(tǒng)模型的建立

2.1 三電平PWM整流器模型

分布儲能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)的整流模塊分為整流器與高壓DC/DC變換器。整流器使用三相三電平PWM整流器，三相三電平PWM整流器可以等效成圖3所示的電路模型，可以實現(xiàn)交、直流側(cè)可控的四象限運行[9-12]。由圖3可以看出，三電平PWM整流器模型電路主要由交流回路、整流器的整流橋、直流回路三部分組成。圖中，e為三相電網(wǎng)電源，L為進(jìn)線電感，C為母線電容，RL為負(fù)載。

圖3 三電平PWM整流器電路模型

忽略功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，由整流器整流前后的功率相等得到：

i·v=idc·vdc

(1)

式中：v是整流器交流側(cè)電壓；i是整流器交流側(cè)電流；vdc是整流器直流側(cè)電壓；idc是整流器直流側(cè)電流。

由式(1)可知，通過控制交流側(cè)的電壓電流就可以控制直流側(cè)的電壓電流，反之，通過控制直流側(cè)的電壓電流也能控制交流側(cè)的電壓電流。

Three-Level Bridge模塊是一個橋臂數(shù)可選的三電平中點鉗位變換器。相對于常規(guī)的兩電平變換器，使用相同開關(guān)器件時，三電平中點鉗位變換器的每一個主功率開關(guān)管上承受的電壓峰值只有兩電平PWM整流器的一半，且在相同的開關(guān)頻率及控制條件方式下，三電平 PWM 整流器輸入電流的諧波遠(yuǎn)小于兩電平整流器，所以三電平 PWM 整流器適合于高壓大功率的場合。該系統(tǒng)選擇3橋臂變換器，每個橋臂由4個開關(guān)器件(Q1～Q4，IGBT)、4個反并聯(lián)二極管(D1～D4)、2個中點鉗位二極管(D5、D6)組成，三電平變換橋拓?fù)鋱D如圖4所示。

三電平PWM整流模塊采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級控制結(jié)構(gòu)[12]。外環(huán)為電壓環(huán)，通過對直流母線電壓的調(diào)節(jié)得到交流電流的指令瞬時值。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，根據(jù)電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，使整流器的實際輸入電流能夠跟蹤給定電流，實現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦波電流控制。

圖4 三電平變換橋拓?fù)鋱D

2.2 高壓DC/DC變換器模型

高壓DC/DC變換器模型結(jié)構(gòu)如圖5所示，由8個基礎(chǔ)子模塊(SM1～SM8)并聯(lián)組成。

圖5 高壓DC/DC變換器結(jié)構(gòu)圖

子模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，V為一個全控器件IGBT，RL1為負(fù)載，C1為濾波電容，U0為負(fù)載電壓。負(fù)載電壓的平均值為

式中：ton為V處于通態(tài)的時間；toff為V處于斷態(tài)的時間；T為開關(guān)周期；D為占空比，D=ton/T。

由圖5可知，U0最大值為E，減小占空比D，U0隨之減小，因此可以通過調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)輸出電壓[13]。在該系統(tǒng)中，通過Buck電路將電壓降至500 V給電加熱裝置供電。一個子模塊輸出功率可達(dá)到300 kW，模塊化高壓DC/DC變換器出功率可達(dá)到2 MW。

Buck變換器使用脈沖寬度調(diào)制的控制方法，保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時間ton，保持輸出電壓穩(wěn)定。

圖6 子模塊模型圖

2.3 蓄電池充放電模型

儲能裝置中的蓄電池組運行時需要既能夠向電加熱裝置供給電能(放電)，又能夠從整流模塊或新能源發(fā)電裝置獲得電能(充電)。圖7是蓄電池充放電模型，通過Buck電路實現(xiàn)蓄電池組充電，通過Boost電路實現(xiàn)蓄電池組放電。

蓄電池采用磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰電池規(guī)格為12.8 V/200 A·h，參數(shù)如表1所示。若電加熱裝置每天所需約5 MW·h的電量，1組蓄電池總?cè)萘繛?00×10=2 000 A·h，所需電量為12.8×10×2 000=0.256 MW·h，則共需要5÷0.256≈20組蓄電池。每組蓄電池組由100個蓄電池組成，每組蓄電池的鏈接方式為10個串聯(lián)、10個并聯(lián)。

表1 磷酸鐵鋰電池參數(shù)表

圖7 蓄電池充放電模型圖

圖7中，蓄電池充電電路原理與Buck斬波電路相同。充電電路輸出電壓U1為

U1=α1E1

式中：E1為充電電路輸入電壓；α1為占空比。

蓄電池放電Boost斬波電路中，當(dāng)可控開關(guān)V2處于通態(tài)時，蓄電池向電感L2充電，同時電容C2上的電壓向負(fù)載RL2供電。由于C2足夠大，可以基本保持輸出電壓U3為恒值。當(dāng)V2處于斷態(tài)時，蓄電池與L2同時向C2充電并向負(fù)載RL2提供能量。設(shè)V2處于通態(tài)的時間為Ton，處于斷態(tài)的時間為Toff，則蓄電池充電電路的輸出電壓U3為

式中：U2為放電電路輸入電壓；T/Toff為升壓比，調(diào)節(jié)其大小，可以改變輸出電壓U3的大小。

升壓斬波電路中，在V2處于通態(tài)的期間，因電容C2的作用使得輸出電壓保持不變，但實際上C2值不可能無窮大，故實際輸出電壓會低于理論輸出電壓。因此，使用基于PI的控制算法調(diào)整占空比，使輸出電壓保持穩(wěn)定。

2.4 光伏列陣模型

光伏電池的等效模型如圖8所示。

圖8 光伏電池等效模型圖

光伏電池輸出電流和電壓為

U=UD-Rs·I

式中：Iph為正比于太陽電池面積和入射光輻射度的生光電流；Rs為光伏電池板內(nèi)部損耗的等效串聯(lián)電阻；Rsh為漏電損耗的等效并聯(lián)電阻；Is為二極管飽和電流；q為電子電量常量，q=1.602e-19C；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.381e-23J/K；T為光伏電池工作絕對溫度值；A為二極管特性擬合系數(shù)[14-15]。

圖9為光伏電池放電模型。其中，光伏組件采用多晶275 W組件，固定安裝采用最佳傾角為 22°，光伏陣列將 20塊電池組件串聯(lián)成為 1列，每列功率為275×20=5 500 W，共需1 000÷5.5≈182列，需要電池板共182×20=3 640塊。通過Boost變換器對蓄電池組充電，使用最大功率點跟蹤技術(shù)，使得光伏系統(tǒng)的傳輸功率一直工作在最佳狀態(tài)，保持輸出電壓的穩(wěn)定。

圖9 光伏電池放電模型圖

3 高壓直供直流電加熱系統(tǒng)仿真模型的建立及典型工況分析

利用Matlab/Simulink對分布儲能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)的仿真模型進(jìn)行搭建，并針對系統(tǒng)在不同情況下的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真，分析配電網(wǎng)對電加熱裝置供電(不充電)、配電網(wǎng)對電加熱裝置供電的同時對蓄電池組充電、蓄電池組對電加熱裝置供電的同時配電網(wǎng)對其他蓄電池組充電的3種典型工況。

3.1 高壓直供直流電加熱系統(tǒng)仿真模型的建立

建立分布儲能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)，仿真模型如圖10所示。

該系統(tǒng)仿真模型包括三電平PWM整流模塊、DC/DC變換器模塊、蓄電池組充電模塊、蓄電池組模塊、蓄電池組放電模塊、光伏電池模塊。系統(tǒng)中蓄電池組用3組蓄電池組表示，1組負(fù)責(zé)給電加熱裝置供電，1組由配電網(wǎng)充電，1組由光伏電池充電。參數(shù)設(shè)置如下：配電網(wǎng)額定交流電壓6 kV；蓄電池額定電壓128 V；整流器側(cè)輸入電壓6 kV；經(jīng)高壓DC/DC變換器后輸出電壓500 V；電網(wǎng)頻率50 Hz；開關(guān)器件均使用IGBT管；蓄電池最大充電電流及放電電流均為120 A。

3.2 配電網(wǎng)對電加熱裝置供電工況

如圖10所示，閉合斷路器1、3(Breaker1、3)，其余斷路器斷開，模擬系統(tǒng)電加熱裝置工作時配電網(wǎng)給電加熱裝置供電且不充電工況，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。通過調(diào)整負(fù)載阻值使輸出功率達(dá)到500 kW，仿真一段時間后閉合斷路器16(Breaker16)，使輸出功率達(dá)到1 MW，得到三電平PWM整流器直流側(cè)電壓與電流及系統(tǒng)輸出電壓與電流的仿真結(jié)果圖，如圖11、圖12所示。

圖10 系統(tǒng)仿真模型

圖11 整流器直流側(cè)電流與電壓

圖12 系統(tǒng)輸出電流與電壓

通過圖11可以看出，仿真5 s后改變負(fù)載阻值，電流從100 A變?yōu)?00 A，但整流器直流側(cè)電壓保持5 000 V不變。通過圖12可以看出，系統(tǒng)輸出電壓一直保持在500 V，輸出電流從1 000 A變?yōu)? 000 A。通過圖11與圖12的對比可以看出，輸出與輸入功率基本相同。通過改變負(fù)載阻值可以改變輸出功率，輸出電壓保持不變。因此，系統(tǒng)能夠正常運行，并滿足電加熱裝置的用電需求。

3.3 配電網(wǎng)對電加熱裝置供電同時對蓄電池組充電工況

如圖10所示，閉合斷路器1～9(Breaker1～9)，其余斷路器斷開，模擬系統(tǒng)谷電價電加熱裝置工作時配電網(wǎng)給電加熱裝置供電同時給蓄電池組充電工況。設(shè)定負(fù)載阻值0.25 Ω，即輸出功率1 MW，根據(jù)額定參數(shù)設(shè)定蓄電池組，使蓄電池組初始充電狀態(tài)為容量的30%，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。分別測量整流器直流側(cè)電壓與電流、系統(tǒng)輸出電壓與電流、蓄電池組充電電路輸入電壓與電流、蓄電池組狀態(tài)，得到仿真結(jié)果如圖13～15所示。

圖13為整流器直流側(cè)電流與電壓以及系統(tǒng)輸出端電流與電壓，從圖中可以看出，整流器直流側(cè)電流為254.5 A，電壓為5 000 V，則總輸入功率為1.272 5 MW；系統(tǒng)輸出電流為1 900 A，輸出電壓為500 V，則輸出功率為0.95 MW。圖14為蓄電池組充電電路輸入電流與電壓波形圖，從圖中可以看出，1組蓄電池組輸入電流為215 A，輸入電壓為500 V，則輸入功率為107.5 kW，則3組蓄電池組輸入功率為107.5×3=322.5 kW。由此可以得到，配電網(wǎng)給系統(tǒng)提供1.272 5 MW的電能，其中，0.95 MW的電能用來給電加熱裝置供電，322.5 kW的電能用來給蓄電池組充電。仿真結(jié)果證明輸入輸出功率保持不變，因此系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。

圖13 整流器直流側(cè)電流與電壓及系統(tǒng)輸出電流與電壓

圖14 蓄電池組充電電路輸入電流與電壓

圖15 蓄電池組充電時狀態(tài)

圖15為蓄電池組充電時狀態(tài)結(jié)果圖。圖中蓄電池電荷狀態(tài)一直處于上升趨勢，蓄電池組充電，蓄電池內(nèi)部電流與電壓和參數(shù)吻合，蓄電池組正常運行。

在配電網(wǎng)對電加熱裝置供電的同時對蓄電池組充電的工況下，系統(tǒng)可以滿足供電需求并穩(wěn)定運行。

3.4 蓄電池組對電加熱裝置供電同時配電網(wǎng)對其他蓄電池組充電工況

如圖10所示，閉合斷路器1、2、5、8、10、13(Breaker1、2、5、8、10、13)，其余斷路器斷開，模擬系統(tǒng)谷電價電加熱裝置工作時蓄電池組對電加熱裝置供電同時配電網(wǎng)對其他蓄電池組充電工況。1組蓄電池組最多提供50 kW的電能，在實際系統(tǒng)中，當(dāng)電加熱裝置需要1 MW電能時(最大)，需要20組蓄電池組同時充電才能滿足供電需求。仿真時只進(jìn)行3組蓄電池組供電仿真，2組蓄電池給電加熱裝置供電，1組蓄電池充電。設(shè)定負(fù)載阻值為2.5 Ω，即輸出功率為100 kW, 設(shè)定供電蓄電池組初始充電狀態(tài)為容量的90%，充電蓄電池組初始充電狀態(tài)為容量的30%，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖16～19所示。

圖16 單組蓄電池組輸出電流與電壓

圖17 系統(tǒng)輸出電流與電壓

圖16為單組蓄電池組輸出的電壓與電流，由圖可以看出，輸出電流為100 A，電壓為500 V，則輸出功率為50 kW。單組蓄電池組可以穩(wěn)定地為電加熱裝置提供電能。圖17為系統(tǒng)輸出電流與電壓，輸出電壓穩(wěn)定在500 V，輸出電流為200 A，則輸出功率為100 kW，蓄電池組可以滿足電加熱裝置不同的供電需求，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。

圖18 供電蓄電池組狀態(tài)

圖19 充電蓄電池組狀態(tài)

圖18、圖19分別為充電蓄電池組狀態(tài)與放電蓄電池組狀態(tài)，由圖可知，蓄電池組供電時電荷狀態(tài)處于下降趨勢，充電時處于上升趨勢，蓄電池組內(nèi)部電流和電壓與蓄電池參數(shù)相吻合，充電與放電的蓄電池組均正常工作。

綜上所述，蓄電池組對電加熱裝置供電同時配電網(wǎng)對其他蓄電池組充電工況時，系統(tǒng)可以滿足供電、充電需求并穩(wěn)定運行。

4 結(jié) 語

設(shè)計了一種能夠滿足多種工況的新能源分布儲能式高壓直供直流電加熱系統(tǒng)，并使用Matlab/Simulink軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，得到如下結(jié)論：

1)提出了新能源分布儲能式高壓直供直流電加熱系統(tǒng)的整體框架，使系統(tǒng)在谷電價時可以給電加熱裝置供電的同時將多余電能儲存，在峰電價時可以由儲能裝置供電，同時，新能源發(fā)電裝置可以給儲能裝置充電。對分布儲能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)的不同工況進(jìn)行了分類研究，系統(tǒng)可以滿足12種不同工況。

2)建立了由高壓整流模塊、高壓DC/DC變換器模塊、儲能模塊、光伏發(fā)電模塊組成的分布儲能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)模型。

3)使用Matlab/Simulink軟件對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并對3種典型工況進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明分布儲能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)可以穩(wěn)定地運行并滿足各種工況時的需求。對提高電能利用率、降低成本、推進(jìn)高壓直流輸電技術(shù)有著至關(guān)重要的作用。