面向棉田灌溉的光-儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 衡 ，任甜甜 ，王玉巍 ，任 鵬，張慧娥

（1.新疆工程學(xué)院能源工程學(xué)院，烏魯木齊 830023；2.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830017）

為解決能源危機(jī)與環(huán)境惡化帶來的雙重挑戰(zhàn)，當(dāng)今世界各國正積極開發(fā)利用可再生能源。隨著中國能源轉(zhuǎn)型“碳達(dá)峰”與“碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，光伏發(fā)電作為一種綠色、環(huán)保、可再生的發(fā)電形式，其應(yīng)用領(lǐng)域和規(guī)模勢必會(huì)越來越大［1，2］。因太陽能受季節(jié)、天氣、時(shí)間的約束性較強(qiáng)，光伏發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性特征明顯，會(huì)造成系統(tǒng)供電不穩(wěn)定［3］。而加入儲(chǔ)能裝置后的光-儲(chǔ)系統(tǒng)，可將電能先存儲(chǔ)再平穩(wěn)輸出，從而充分保障負(fù)荷所需的電能質(zhì)量和供電可靠性要求。

新疆作為中國最大的優(yōu)質(zhì)棉生產(chǎn)基地，主要得益于其得天獨(dú)厚的自然條件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020 年新疆棉花種植面積為250.2 萬hm2，占全國種植面積的78.9%，產(chǎn)量達(dá)516.1 萬t，較上年增產(chǎn)3.2%。但新疆地區(qū)氣候干旱少雨的特點(diǎn)又直接制約了棉花產(chǎn)量，這個(gè)問題在棉花盛產(chǎn)地南疆四地州尤其突出，因此解決南疆棉田的灌溉問題顯得尤為關(guān)鍵［4，5］。雖然當(dāng)前中國棉田灌溉系統(tǒng)正逐步走向智能化發(fā)展，但它所需的穩(wěn)定電力保障仍主要來自電網(wǎng)，且以傳統(tǒng)煤電為主，所以棉田灌溉系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)綠色低碳和節(jié)能減排目標(biāo)上尚有一定差距。南疆棉花種植區(qū)大多屬于偏遠(yuǎn)不發(fā)達(dá)區(qū)域，甚至電網(wǎng)覆蓋不全，灌溉用電難以保障。此外，南疆地區(qū)棉花的種植周期自每年4 月開始播種，9 月結(jié)束采摘，平均日照時(shí)數(shù)較長。因此，充分利用好當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源，滿足棉田灌溉系統(tǒng)的光-儲(chǔ)聯(lián)合供電功能需求，可為緩解該地區(qū)用電需求緊張和實(shí)現(xiàn)綠色智能農(nóng)業(yè)發(fā)展提供關(guān)鍵技術(shù)參考，具有重要的實(shí)際意義和推廣價(jià)值［6，7］。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)棉田灌溉需求，光-儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)的總體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，圖中箭頭表示電能流方向。光伏電池陣列由若干個(gè)電池板單元按串、并聯(lián)方式組成，實(shí)現(xiàn)太陽能轉(zhuǎn)化成電能過程。由于光伏陣列輸出電壓受環(huán)境光照強(qiáng)度和溫度影響明顯，為了提升光伏發(fā)電效率，通常需要加入最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum power point tracking，MPPT）控制環(huán)節(jié)。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

儲(chǔ)能模塊選用技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、成本較低的鉛酸蓄電池形式，在雙向DC-DC 變換器的控制下實(shí)現(xiàn)能量在光伏直流母線與蓄電池間的雙向流動(dòng)，充分發(fā)揮“削峰填谷”作用，以此保障系統(tǒng)供電的穩(wěn)定和可靠。根據(jù)光伏發(fā)電和棉田負(fù)荷動(dòng)態(tài)變化情況，光-儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)共有4 種典型運(yùn)行狀態(tài)，如表1所示。棉田灌溉系統(tǒng)中負(fù)荷所需電能有直流（DC）和交流（AC）兩種形式，其中交流電可利用變流環(huán)節(jié)通過逆變和變壓后獲得。

表1 光-儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)4 種典型運(yùn)行狀態(tài)

2 光-儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 光伏發(fā)電單元設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電單元的設(shè)計(jì)包括陣列安裝容量和聯(lián)接方式的設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)需根據(jù)棉田灌溉負(fù)荷的功率和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行。本系統(tǒng)以新疆阿克蘇市某兵團(tuán)農(nóng)場棉田為對象開展研究設(shè)計(jì)，總灌溉面積約15 hm2，采用自動(dòng)滴灌技術(shù)并實(shí)行網(wǎng)格化管理，劃分為12 個(gè)灌溉單元，每個(gè)單元安裝1 個(gè)單寸灌溉用電磁閥，單閥控制面積約0.08 hm2。因此，負(fù)荷主要為間斷運(yùn)行的水泵與變頻器裝置及持續(xù)運(yùn)行的控制單元模塊等，設(shè)計(jì)時(shí)可忽略功耗較低的電磁閥、檢測及執(zhí)行元件等的影響［8］。根據(jù)實(shí)際所選定的主要設(shè)備型號(hào)統(tǒng)計(jì)得出該棉田負(fù)荷的最大功率Pmax=2.2 kW，日耗電量Wec≈12 kW·h。

為進(jìn)一步確定光伏陣列安裝容量Cpv的大小，還需對該棉田的光照條件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，阿克蘇市各月的日均峰值日照時(shí)數(shù)Tpv分布情況如圖2 所示。由圖2 可知，阿克蘇市年度日均峰值日照時(shí)數(shù)為4.44 h，光照條件在6 月達(dá)到最優(yōu)，其值為6.23 h。根據(jù)能量守恒可知，要保證光伏發(fā)電量與棉田灌溉負(fù)荷用電量之間的平衡關(guān)系，需滿足式（1）。

圖2 阿克蘇市日均峰值日照時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)

為充分利用光照資源和發(fā)揮蓄電池儲(chǔ)能功能，選取最大日均峰值日照時(shí)數(shù)來計(jì)算光伏陣列安裝容量，得出Cpv=1.8 kW?？紤]效率因素制約并保留一定裕量后，取Cpv=2.0 kW。選定型號(hào)為JKM250P-60的光伏組件構(gòu)成光伏發(fā)電單元，其參數(shù)如下：最大功率Pmp=250 W，最佳工作電壓Vmp=30.5 V，最佳工作電流Imp=8.2 A，開路電壓Voc=37.7 V，短路電流Isc=8.85 A。因此，共需要8 塊該型號(hào)的光伏組件，且按照4 串2 并形式進(jìn)行組合使用。

2.2 雙向DC-DC 變換器設(shè)計(jì)

雙向DC-DC 變換器實(shí)際上是指實(shí)現(xiàn)DC-DC 變換器的雙象限運(yùn)行，其輸入輸出電壓的極性不變，但電流方向可以根據(jù)應(yīng)用要求來改變。雙向DC-DC變換器的輸入、輸出端口的調(diào)換仍可完成電壓變換功能，且功率能夠?qū)崿F(xiàn)雙向流動(dòng)［9］。光-儲(chǔ)雙向DCDC 變換器作為連接光伏電池陣列、蓄電池儲(chǔ)能及棉田負(fù)荷的紐帶，起到能量傳輸變換的作用，其主電路如圖3 所示。光伏發(fā)電單元經(jīng)二極管VD3 與雙向DC-DC 變換器相連，VD3 的作用是防止電流反向流動(dòng)對光伏組件造成損害。主電路中采用2 個(gè)電力MOS 管 V1、V2，且各自反并聯(lián)一個(gè)二極管VD1、VD2。電感L 是實(shí)現(xiàn)升壓功能的重要元件，濾波電容C1 能夠維持蓄電池電壓U 相對穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)選取光伏直流母線電壓Udc=48 V，選用36 V、1 200 Ah的鉛酸蓄電池組作為儲(chǔ)能裝置。通過對雙向DCDC 變換器進(jìn)行有效控制，能夠?qū)崿F(xiàn)當(dāng)光伏發(fā)電功率較高時(shí)，蓄電池達(dá)到充電狀態(tài)，儲(chǔ)存剩余電能；當(dāng)光伏出力不足時(shí)，蓄電池進(jìn)入放電模式，釋放部分電能。

圖3 光-儲(chǔ)雙向DC-DC 變換器主電路

2.3 變流環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

棉田灌溉系統(tǒng)中需使用水泵、變頻器等大功率負(fù)荷，其工作電壓通常為380 V 的交流電。因此，光-儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)還需配置相應(yīng)的交流變換環(huán)節(jié)來將直流母線電壓逆變成三相交流電壓，同時(shí)加入變壓器升壓至380 V。設(shè)逆變器輸出相電壓的幅值為VPase-peak，則根據(jù)逆變器工作特性可知：

式中，m為調(diào)制比，在此選取m=0.8，則VPase-peak=22 V。

升壓環(huán)節(jié)選用常規(guī)三相雙繞組變壓器，其一次側(cè)輸入線電壓為逆變器輸出相電壓的倍，設(shè)此升壓變壓器的變比為k，則有：

根據(jù)式（3）可計(jì)算出變比k=10。

3 系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)

3.1 MPPT 控制策略

由于光伏陣列的出力受光照強(qiáng)度、溫度等因素約束，其輸出電壓與功率是非線性變化的。當(dāng)電壓等于某一特定值時(shí)，若功率達(dá)到峰值，則稱該點(diǎn)為最大功率點(diǎn)。顯然，隨著環(huán)境條件的改變最大功率點(diǎn)不是恒定不變的。為提升棉田灌溉光伏供電系統(tǒng)的發(fā)電效率，本設(shè)計(jì)采用擾動(dòng)觀察法來實(shí)現(xiàn)MPPT 環(huán)節(jié)的控制。擾動(dòng)觀察算法首先對光伏陣列輸出電壓以預(yù)設(shè)的擾動(dòng)步長與頻率進(jìn)行擾動(dòng)，然后實(shí)時(shí)判斷擾動(dòng)前后輸出功率的大小，并據(jù)此確定下一時(shí)刻擾動(dòng)電壓的方向，最終使其工作在最大工作點(diǎn)處［10，11］。擾動(dòng)觀察算法具體流程如圖4 所示。

圖4 擾動(dòng)觀察MPPT 控制流程

3.2 雙向DC-DC 變換器控制策略

光-儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)要求能量雙向流動(dòng)，采用的雙向DC-DC 變換器需具備升降壓雙向變換功能，其控制應(yīng)實(shí)現(xiàn)直流側(cè)輸入、輸出有功功率的控制。根據(jù)控制目標(biāo)的不同，一般采取恒流控制或恒壓控制策略［12，13］。為控制本光-儲(chǔ)雙向 DC-DC 變換器實(shí)現(xiàn)蓄電池高效恒壓充電和恒流放電，設(shè)計(jì)出一種電壓電流雙閉環(huán)控制策略，其控制框如圖5 所示。圖中Uref、Iref分別為給定參考電壓值、電流值，IL為負(fù)荷電流，AVR、ACR分別為電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)PI 參數(shù)，Gm(s)、Gi(s)、Gv(s)分別為調(diào)制環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)、輸出電流對占空比的傳遞函數(shù)及負(fù)載電壓對電流的傳遞函數(shù)，Hi(s)、Hv(s)分別為電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)采樣環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，它們的參數(shù)均可根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)推導(dǎo)確定。

圖5 電壓電流雙閉環(huán)控制策略框

在雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)中，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，用以使電流的輸出快速跟隨輸入；外環(huán)為電壓環(huán)，用以調(diào)整輸出電壓使之跟隨給定值。電流內(nèi)環(huán)與電壓外環(huán)均采用PI控制器，其中P 是比例調(diào)節(jié)，主要用于減小系統(tǒng)偏差，I是積分調(diào)節(jié)，常用來消除穩(wěn)態(tài)誤差，二者結(jié)合后能夠較好滿足快速性與穩(wěn)定性要求。

3.3 逆變器控制策略

光-儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)大多時(shí)間都是作為獨(dú)立電源向棉田負(fù)荷供電，為其提供電壓和頻率支撐。因此，光-儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)需保證在無市電保障下向負(fù)載提供電能，因而適宜采用電壓/頻率（V/f）控制策略［14，15］。V/f控制的基本思想是無論直流母線側(cè)輸出功率怎樣變化，其出口電壓幅值和頻率均維持不變，同時(shí)保持對負(fù)荷功率的一定跟隨性。本設(shè)計(jì)采用電壓電流雙閉環(huán)V/f控制策略，且以輸出電壓為外環(huán)控制，濾波電感電流為內(nèi)環(huán)控制，如圖6 所示。圖中，uref為給定電壓參考值，udref、uqref分別是電壓參考值的d、q軸分量；id與iq、idref與iqref分別為交流側(cè)電流d、q軸分量的實(shí)際值與參考值；ud與uq、usd與usq分別為逆變器輸出電壓d、q軸分量的實(shí)際值與參考值；f為給定頻率指令；Ls為交流側(cè)耦合電感；ω為電壓初始電角度；θ為電壓相位角。

圖6 雙閉環(huán)V/f 控制策略框

這種基于PI 調(diào)節(jié)的電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)相結(jié)合的雙閉環(huán)V/f控制策略，既實(shí)現(xiàn)了對逆變器輸出電壓有效值進(jìn)行有效控制，又對輸出電流的波形進(jìn)行較好控制。電壓外環(huán)控制為交流側(cè)維持穩(wěn)定電壓支撐，電感電流內(nèi)環(huán)控制能夠及時(shí)跟蹤負(fù)荷的變化，進(jìn)而提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

4 仿真驗(yàn)證設(shè)計(jì)

基于上述各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，利用Simulink 搭建面向棉田灌溉的光-儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)的仿真模型如圖7 所示。

圖7 光-儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)Simulink 仿真模型

仿真開始前，選擇可變步長的Ode45 算法，同時(shí)設(shè)定初始時(shí)刻的光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，溫度為25 ℃保持不變。假設(shè)在0.1 s 時(shí)光照強(qiáng)度降低至1 000 W/m2，運(yùn)行仿真后，光伏發(fā)電單元的輸出功率和A 相電壓的波形分別如圖8、圖9 所示。當(dāng)光照條件較好、光伏出力較多時(shí)，蓄電池進(jìn)入恒壓充電模式，其充電曲線如圖10 所示；當(dāng)光照條件較差、光伏出力不足時(shí)，蓄電池進(jìn)入恒流放電狀態(tài)，其放電曲線如圖11 所示。

圖8 光伏發(fā)電單元輸出功率仿真結(jié)果

圖9 A 相電壓波形仿真結(jié)果

圖10 蓄電池恒壓充電曲線仿真結(jié)果

5 結(jié)論

本研究針對棉田灌溉用電問題提出了一種光-儲(chǔ)聯(lián)合供電的方案。通過仿真結(jié)果可以看出，基于擾動(dòng)觀察法的MPPT 控制策略不僅能夠?qū)崿F(xiàn)光伏發(fā)電單元在0.042 s 內(nèi)跟蹤到最大功率輸出，而且可以保證光照條件突變后快速捕捉到新的最大功率點(diǎn)；基于雙閉環(huán)的V/f控制策略使得逆變器輸出交流電壓波形畸變較小且經(jīng)變壓器升壓后能夠維持對應(yīng)的相電壓基波幅值為311 V；同時(shí)，基于電壓電流雙閉環(huán)的雙向DC-DC 變換器控制策略能夠維持蓄電池以36 V 的電壓進(jìn)行恒壓充電和以6.5 A 的電流進(jìn)行恒流放電狀態(tài)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了光-儲(chǔ)聯(lián)合供電系統(tǒng)的可行性，能夠較好地滿足棉田灌溉負(fù)荷的用電需求。

圖11 蓄電池恒流放電曲線仿真結(jié)果