温室独立型光伏储能供电系统的仿真研究.pdf

书书书櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄櫄了新型预冷站的运输能力分配问题，未来可在新型预冷站生产与运作模式、成本控制等方面进行深入研究。参考文献：广东省商务厅广东省冷链物流发展“十三五”规划（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：龚树生，梁怀兰生鲜食品的冷链物流网络研究中国流通经济，（）：刘 云基于双层规划模型的水产品冷链物流网络优化研究北京：北京交通大学，：张文峰，梁凯豪生鲜农产品冷链物流网络节点和配送的优化系统工程，（）：，（）：，：，： ，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：朱 玲能载货吨重京东推货运无人机（）：范哲超，邬明亮，贺雨凯，等温室独立型光伏储能供电系统的仿真研究江苏农业科学，（）：温室独立型光伏储能供电系统的仿真研究范哲超，邬明亮，贺雨凯，李竟达，高原鹏（内蒙古机电职业技术学院，内蒙古呼和浩特；国网浙江省电力有限公司经济技术研究院，浙江杭州）摘要：随着我国现代设施农业技术的不断发展，开始大规模普及温室种植，致使电力能耗增加，因此亟需研发可再生能源应用，以促进温室生产的可持续发展。拟构建种温室独立型光伏储能供电系统仿真模型，设定光伏阵列的安装容量、电路类型、逆变器输出电压和变压器变比等参数，阐述光伏电池原理、最大功率点跟踪原理和独立型逆变器的控制方法，在软件的平台上搭建系统仿真模型，通过仿真结果验证了系统的可行性。关键词：温室；光伏储能供电系统；仿真中图分类号：； 文献标志码： 文章编号：（）收稿日期：基金项目：内蒙古自治区高等学校科学研究基金（编号：、）。作者简介：范哲超（），男，内蒙古乌兰察布人，硕士，副教授，主要从事计算机及其应用技术研究。：（）；：。随着传统能源的逐渐枯竭，能源危机逐渐成为当前人类发展所面临的巨大挑战之一，世界各国正积极寻找高效、环保的替代能源。光伏发电是一种无噪音、无污染、易维护的可再生能源发电形式，随着光伏电池效率的提升，光伏发电越来越受到关注。根据负载类型的不同，光伏发电系统可以分为并网型和独立型。并网型光伏发电系统主要应用在分布式光伏与大型地面光伏电站，其负载就是电力系统；独立型光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统，其负载是用电负荷，适用于微电网、用电困难的偏远地区等。近年来，我国温室产业规模不断发展，一方面农业种植利润逐步提高，另一方面能耗和成本也大幅提升。随着党的十九大精神得到深入贯彻，国家大力发展绿色农业，重点推行节能减排政策，增加可再生能源在温室中的应用已经成为现代温室可持续发展的重要手段。因此，研究适用于温室的独立型光伏储能（，简称）供电系江苏农业科学 年第卷第期网络出版时间：2019-07-29 07:11:06网络出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/32.1214.S.20190729.0019.048.html统，保证温室供电的可靠性，节约温室电能损耗，具有比较重要的实际意义和推广价值。 独立光伏储能供电系统的设计 系统拓扑结构温室独立型光伏储能供电系统的拓扑结构如图所示，其中箭头表示能量的流动方向。光伏阵列是系统的能量来源，由多个光伏组件串、并联而成。由于光伏电池是一种非线性的直流电流源，需要利用（直流直流）变换器来对其进行最大功率点跟踪（，简称）控制，变换器与蓄电池并联，连接至直流母线电容，稳定逆变器直流侧电压，确保蓄电池出现故障时，光伏阵列仍能向外输出功率。蓄电池在系统中起到“削峰填谷”的作用，即当光伏输出功率大于温室负荷时，蓄电池充电；当光伏输出功率小于温室负荷时，蓄电池放电。由此可见蓄电池与直流母线之间的能量流动是双向的。独立型逆变器将光伏阵列和蓄电池产生的直流电能变换为交流电能向温室负荷供电，同时温室负荷也由市电进行供电。 系统的整体设计 光伏阵列容量的设计 在确定光伏阵列的安装容量前，首先需要了解温室负荷的功率及运行方式，温室负荷功率与运行方式见表。表 温室负荷功率及运行方式设备名称功率（）运行方式变频器间断循环风机连续补光灯间断水泵间断遮阳电机短时间断（可编程逻辑控制器）连续根据表所列负荷，统计温室负荷的最大功率，日用电量·。以呼和浩特市为例，各月日均峰值日照时数如图所示，一般用平均峰值日照时数乘以阵列的容量来估计每天的平均发电量（即的光伏装机容量每天可发电度数）。图中呼和浩特市光照条件最差的月份为月，日均峰值日照时数为；光照条件最好的月份为、月，日均峰值日照时数为；全年日均峰值日照时数为。在配置光伏阵列安装容量时，需要考虑功率平衡与能量平衡个方面，但是光伏阵列与负荷之间存在蓄电池这一缓冲介质，并且光伏阵列的输出功率受气象条件影响，并不能保证负荷的最大功率与光伏阵列的最大输出功率同时出现，因此只需要考虑能量平衡。设光伏阵列的安装容量为，峰值日照时数为，为了满足光伏阵列与负荷之前的能量平衡，有如下公式：·。（）考虑到多余的光伏电能无法通过独立逆变器并网，为了避免能量浪费，使用最大日均峰值日照时数对光伏阵列安装容量进行配置，得到，考虑到效率因素的影响并保留一定的裕量，取。以型号的光伏组件为例，将其作为光伏阵列的基本单元，其参数如下：标称功率为，开路电压（）为，最大功率点电压（）为，短路电流（）为，最大功率点电流（）为。由于光伏组件的标称功率为，因此需要将块光伏组件串、并联后使用。 电路参数的设计 综合考虑器件的耐压与耐流水平，本研究将块光伏组件串并后使用。考虑到普适性，本研究选用的铅酸蓄电池作为储能介质，其正常工作电压范围约为，这个电压显然低于串联后光伏组件的工作电压，因此选用电路对蓄电池进行充电。另一方面，温室负荷需要的交流电进行供电，显然使用蓄电池进行逆变无法直接获得此电压，因此在逆变之后需要额外使用变压器升压。设变压器的低压侧线电压，即逆变器的输出线电压为，蓄电池的电压为，根据逆变器的工作原理，直流侧电压必须高于交流侧线电压的幅值，即：槡·。（）为了留有一定的裕量，取；进一步地，为了避免器件及变压器损耗影响负载侧的供电电压大小，取变压器的一次绕组和二次绕组变比为。 光伏发电相关研究 光伏电池的原理光伏电池的发电原理是半导体结半导体的光生伏特效应，其特性受到光照度、表面温度以及自身参数的影响，表现出非常强的非线性。在工程中，通常使用光伏电池的工程数学模型对其进行建模，这种建模方法能够利用厂家提供的科学技术咨询（简称，标准测试条件具体为光照度，温度）下的、个参数较好地复现光伏电池的输出特性。光伏电池的工程数学模型如下：( ) ( )( )( )( ) 。（）江苏农业科学 年第卷第期式中：、分别为光伏电池的输出电压、输出电流；、分别为某一工作条件下光伏电池的开路电压、短路电流以及最大功率点电压、电流；、为系数。、的计算方法如下：（）（）（）（）（）（）。（）式中：表示温度，；表示光照度，；、为系数，分别表示温度、光照度对开路电压、短路电流的影响，典型值为，。利用光伏电池的工程数学模型，可以得到型太阳能光伏组件在不同温度、不同光照度下的输出特性。由图、图可知，光伏电池最重要的输出特性在于其在某一特定工作条件下有且只有个最大功率点，这就要对光伏电池进行理论分析。 基于电路的技术根据光伏电池具有唯一最大功率点的特点，为了在最大程度上提高太阳能的利用效率，需要使用技术来控制光伏电池工作在最大功率点上。在本设计中，光伏电池经过电路实现并向蓄电池进行充电，电路的拓扑结构如图所示。假设电路工作在电感电流连续状态下，占空比为，同时电路中的器件均理想，有如式（）所示电路的输入、输出电压关系：·。（）又有电路的输出功率等于输入功率，设为电路的等效输入电阻，则：。（）式（）、式（）说明，存在个值能够使电路的等效输入电阻与光伏电池的内阻相等，根据最大功率传输定理，此时光伏电池可以获得最大功率输出。因此，通过电路实现实际上是一个阻抗匹配的过程。 扰动观察算法（，简称）的原理算法的作用在于能够得到使光伏电池工作在最大功率点的占空比。常用的算法包括固定电压法、电导增量法、扰动观察法等传统算法，以及模糊控制、自适应算法、神经网络等智能算法。在本研究的仿真中，采用扰动观察算法。扰动观察算法通过对光伏电池的输出电压进行周期性扰动，实时比较扰动前后光伏电池输出功率的大小，从而确定下一时刻电压调节的方向。当光伏电池的输出电压增大时，若，应当继续增大电压；若，应当改变电压调整方向。当光伏电池的输出电压减小时，若，应当继续减小电压；若，应当改变电压调整方向。扰动观察算法可以用图所示的流程来表示。 独立逆变器控制方法目前逆变器的控制方法主要包括恒功率控制（）、恒压恒频控制（）和下垂控制（），独立型光伏储能供电系统需要在无市电的情况下向负荷提供电压，因此需要采用控制。当采用控制时，逆变器相当于一个受控的电压源，所有负荷需求都需要由它满足。控制策略采用输出电压电流瞬时双闭环控制，如图所示。内环是电感电流瞬时调节环，构成电流随动系统，能够加快抗扰的动态过程，用以提高系统的动态性能；外环是瞬时电压控制环，用于改善系统输出电压的波形，使其具有较高的输出精度。江苏农业科学 年第卷第期控制的电压电流双闭环控制策略框如图所示。电流环采用比例调节，增加逆变器的阻尼系数，使整个系统工作稳定；电压环采用比例积分调节，使得输出电压波形瞬时跟踪给定值。引入电流、电压状态反馈量来实现、轴间的解耦控制；同时引入负载电压、电流前馈补偿，在负载变化时对电压进行补偿。 系统仿真验证根据上文介绍的原理，在中搭建独立型光伏储能供电系统的仿真模型，如图所示。假设负载为，其余仿真参数见表。假设初始时刻的光照度为，在时光照度突变为，运行仿真后，光伏阵列的输出功率、负载侧的三相电压、相电压快速傅里叶变化（）分析的结果分别如图、图、图所示。表 各个仿真参数部位参数类别数值电路电感（）电容（）采样频率（）开关频率（）初始占空比扰动步长滤波器电感（）电容（）逆变器电压环参数电流环参数 结论由图可以看出，在仿真开始运行后，在扰动观察法的作用下，光伏阵列的输出功率能够在内跟踪到最大功率点，此后保持稳定输出；当光照度突变时，光伏阵列的输出功率能够在内跟踪到新的最大功率点，从而验证了的有效性。由图可以看出，负载侧的三相电压能够保持平衡，并且畸变情况良好，根据图所示的分析结果，逆变器输出电压的基波幅值为，即有效值约为，符合供电电压要求；电压谐波总畸变率为，低于国标要求范围，能够保证温室用电设备的正常工作。仿真结果验证了所设计系统的可行性。参考文献：张 莹，侯鹏飞独立式光伏发电系统功能的设计与仿真电力学报，（）：江苏农业科学 年第卷第期范哲超，陆 明基于国产的光伏供电温室控制系统设计与实现江苏农业科学，（）：余 情，杨金明光伏发电技术在温室中的应用新能源进展，（）：邬明亮，戴朝华，邓惠文，等基于单体光伏单体储能电池模组的新型光伏储能发电系统电力系统保护与控制，（）：傅 望，周 林，郭 珂，等光伏电池工程用数学模型研究电工技术学报，（）：温 镇，唐 昕，许金明，等不同控制策略影响下光伏发电电能质量特性研究水电能源科学，（）：江苏农业科学 年第卷第期