含蓄电池储能的光伏并网发电系统的建模与仿真

含蓄电池储能的光伏并网发电系统的建模与仿真董旭柱1，雷金勇1，饶宏1，黄晓东2，刘怡1，李鹏3（1.南方电网科学研究院，广州 510080；2.南方电网调峰调频发电公司，广州 510630；3.天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室，天津 300072）摘要：光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光能转化为电能的直接发电方式。

近年来，太阳能光伏发电已成为一种重要的分布式发电形式。

与此同时，光伏发电受光照和温度等外界条件的影响较大，其功率输出具有较强的间歇性和随机性，因此实际中通常需要配置一定的储能装置以改善整个系统的动态和静态特性。

通过对光伏-蓄电池混合发电系统进行暂态建模与仿真研究，分析了储能在光伏发电中的作用。

关键词：光伏发电；储能技术；混合仿真系统；最大功率点追踪；建模Modeling and Simulation of Grid-connected HybridPhotovoltaic/Battery Distributed Generation SystemDONG Xuzhu1, LEI Jinyong1, RAO Hong1,HUANG Xiaodong2, LIU Yi1, LI Peng3(1.Electric Power Research Institute, CSG, Guangzhou 510080, China; 2.China Southern Power GridPower Generation Company, Guangzhou 510630, China; 3.Key Laboratory of Power SystemSimulation and Control of Ministry of Education, Tianjin University, Tianjin 300072, China)Abstract: Photovoltaic (PV) generation is the technique which uses photovoltaic cell to convert solar energy to electric energy. Nowadays, PV generation is developing increasingly fast as a renewable energy source. However, the disadvantage of PV generation is intermittent for depending on weather conditions. Thus, the battery energy storage is necessary to help to get a stable and reliable output from PV generation system for loads and to improve both steady and dynamic behaviors of the whole generation system. The paper analyses the role of energy storage in photovoltaic generation system based on the modeling and simulation of grid-connected hybrid photovoltaic/battery distributed generation.Keywords: photovoltaic generation, energy storage technology, hybrid simulation, maximum power point tracking, modeling作者简介：董旭柱（1970—），男，陕西人，高级工程师，博士，从事智能电网方面的研究和管理工作；E-mail: dongxz@1 引言寻求新型能源、实现洁净无污染且可再生发电，是人类社会持续健康发展的迫切需求。

作为可再生能源的一种，太阳能具有资源丰富、开发方便、清洁无污染等优点，光伏发电作为太阳能发电的主要应用形式，已成为一种重要的分布式发电技术[1]。

光伏发电受光照和温度等外界条件的影响较大，其功率输出具有较强的波动性与间歇性，给电能质量和电网调度带来了很大的挑战，因此实际中通常配备一定的储能装置组成光伏-蓄电池混合发电系统，改善系统动态和静态特性特性。

对电力用户而言，光伏-蓄电池混合发电系统保证光伏电池在负荷波动较快和较大的情况下运行在稳定的输出水平，改善输出电压和系统频率，提高用户电能质量；对电网企业而言，原先不可调度的分布式发电作为可调度机组单元运行，有利于电网调度管理；对可再生能源发电企业而言，其自身有义务对自身输出功率作出预测，并提前通知电网公司。

如果预测误差较大，将会受到处罚，所以发电企业可以通过配置一定形式和容量的储能，保证实际输出功率值与上报的功率预测值吻合，提高发电企业经济效益。

本文首先介绍了含蓄电池储能的光伏并网发电系统的详细暂态模型，光伏电池通过电力电子变流器接入电网，蓄电池储能经由一个双向DC/DC 换流器接入光伏系统的直流侧。

利用PSCAD/EMTDC 对光伏系统、蓄电池储能系统和控制系统详细建模，并对该混合发电系统进行了动态仿真，最后对仿真结果进行了分析。

2 光伏阵列模型光伏电池是光伏发电系统中最基本的电能产生单元，单体电池的输出功率较小，需经串并联形成光伏阵列以获得较高的输出电压和较大的输出功率。

常用光伏电池的数学模型可分为理想模型、单二极管模型和双二极管模型三种[2-4]，其中,单二极管等效电路模型适用于单晶硅光伏电池，它由一个光生电流源I ph 和一个非线性二极管D 并联而成，并考虑电池内部损耗R s 和R sh ，电路结构如图1所示。

图1 光伏电池的单二极管等效电路模型电路对应的伏安特性为：()(1)s q V IR s AkT ph s shV IR I I I e R ++=−−− （1） 式中，V 是光伏电池输出电压；I 是光伏电池输出电流；I ph 是光生电流源电流；I s 是二极管饱和电流；q 是电子电量常量（1.602e －19 C ）；k 为玻尔兹曼常数（1.381e －23 J/K ）；T 是光伏电池工作绝对温度值；A 是二极管特性拟合系数；R s 和R sh 分别是光伏电池串联和并联电阻。

光生电流是光照强度和电池温度的函数，可以表示成：,()ph ph ref T ref ref S I I C T T S ⎛⎞⎡⎤=+−⎜⎟⎣⎦⎜⎟⎝⎠（2） 式中，S 为实际辐照度(W/m 2)；S ref 为标准条件下辐照度；T ref 为标准条件下光伏电池工作绝对温度；C T 为温度系数（A/K ）；I ph,ref 为标准条件下的光生电流值。

二极管饱和电流随着电池温度的变化而变化，满足关系式：311,g ref qE Ak T T s s ref ref T I I e T ⎡⎤⎛⎞⎢⎥⎜−⎟⎜⎟⎢⎥⎝⎠⎣⎦⎛⎞=⎜⎟⎜⎟⎝⎠ （3）式中，I s,ref 为标况下二极管饱和电流(A)；E g 为禁带宽度(eV)，与光伏电池材料有关。

当光伏电池经过串、并联组成光伏阵列时，通常认为串并联在一起的光伏模块具有相同的特征参数，忽略连接电阻并假设模块具有理想的一致性，可将光伏阵列进行等效。

3 蓄电池模型蓄电池等效电路模型最为适合动态特性仿真。

蓄电池具有多种不同的等效电路模型[5，6]，根据不同的仿真目的可以选择不同的仿真模型。

文献[7]基于Shephred 蓄电池模型，提出了一种用于动态仿真的通用等效电路，将荷电状态（SOC ）作为唯一的状态变量，此时，蓄电池可以等效为一个受控电压源和一个电阻串联组成的电路，如图2所示。

图2 蓄电池通用等效电路模型受控电压源的表达式为：()0exp b b QE E K A B i dt Q i dt =−+−⋅−∫∫ （4） 式中：E b 是蓄电池的空载电压(V)；E 0是蓄电池的恒定电压(V)；K 是极化电压(V)；Q 是蓄电池的容量(A ·h)；A 是指数区域幅值(V)；B 是指数区域时间常数的倒数(A ·h －1)。

该模型假设蓄电池内阻在充放电过程中始终保持恒定；蓄电池的参数均是根据放电特性曲线得到，并且假定完全适用于充电特性。

4 光伏和蓄电池混合并网发电系统4.1 系统结构图3是光伏和蓄电池混合并网发电系统的结构示意图。

光伏阵列和蓄电池分别通过DC/DC 变换器接于公共直流母线，然后经由一个三相全桥逆变器接入交流电网。

当光伏电池发出的功率超过上报电网公司的功率预测值时，光伏电池会对蓄电池充电，将多余的电能储存；当光伏电池发出的功率少于上报电网公司的功率预测值时，蓄电池则放电，将储存的功率向电网输出。

光伏系统、蓄电池储能和并网逆变器分别具有独立的控制目标：光伏阵列需要保持最大功率输出状态；蓄电池储能通过充放电维持系统功率的平衡，并且保持直流母线电压的稳定；逆变侧通过控制并网逆变器来保证交流母线处的功率和上报的功率预测值吻合。

图3 蓄电池储能和光伏混合仿真系统示意图4.2 系统控制光伏-蓄电池混合发电系统涉及的控制主要包括最大功率点跟踪、光伏电池升压控制、蓄电池充放电控制和逆变器控制，下面逐一进行阐述。

4.2.1 最大功率点跟踪在特定的外界环境下，光伏电池可以运行在不同的电压和电流，但是只有唯一的电压和电流使得此时光伏电池的输出功率最大。

为了提高光伏发电的效率，必须对光伏电池进行最大功率点跟踪，保证光伏电池始终向电网输送最大的功率。

最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）是指根据光伏电池的输出特性，利用控制策略保证其工作在最大功率输出状态，以最大限度地利用太阳能。

目前，MPPT控制算法很多[8，9]，其中，扰动观测法（Perturbation and Observation Method，P&O）由于具有算法简单、所需变量少、易于实现等优点，应用最为广泛。

扰动观测法[10]的原理是周期性地检测光伏阵列的端电压和电流，对光伏阵列电压施加一个小的扰动，并观测输出功率的变化方向，进而决定下一步的控制信号。

如果输出功率增加，则继续朝着相同的方向改变工作电压，否则朝着相反的方向改变。

值得注意的是，由于扰动观测法时刻对电压进行扰动，稳态时光伏电池的实际运行点会在最大功率点附近小幅度振荡，因此，如果采用较大的扰动量，虽然可以较快地跟踪到最大功率点附近，但达到稳态后的跟踪精度相对降低，相反，如果采用较小的扰动量，虽然可以改善算法的精度，但是跟踪的速度会变慢。