溫室獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)的仿真研究.pdf

書書書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預冷站的運輸能力分配問題，未來可在新型預冷站生產(chǎn)與運作模式、成本控制等方面進行深入研究。參考文獻：廣東省商務廳廣東省冷鏈物流發(fā)展“十三五”規(guī)劃（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：龔樹生，梁懷蘭生鮮食品的冷鏈物流網(wǎng)絡研究中國流通經(jīng)濟，（）：劉 云基于雙層規(guī)劃模型的水產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡優(yōu)化研究北京：北京交通大學，：張文峰，梁凱豪生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流網(wǎng)絡節(jié)點和配送的優(yōu)化系統(tǒng)工程，（）：，（）：，：，： ，（）：，：，（）：，：，（）：，：，（）：朱 玲能載貨噸重京東推貨運無人機（）：范哲超，鄔明亮，賀雨凱，等溫室獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)的仿真研究江蘇農(nóng)業(yè)科學，（）：溫室獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)的仿真研究范哲超，鄔明亮，賀雨凱，李竟達，高原鵬（內蒙古機電職業(yè)技術學院，內蒙古呼和浩特；國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，浙江杭州）摘要：隨著我國現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)技術的不斷發(fā)展，開始大規(guī)模普及溫室種植，致使電力能耗增加，因此亟需研發(fā)可再生能源應用，以促進溫室生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。擬構建種溫室獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)仿真模型，設定光伏陣列的安裝容量、電路類型、逆變器輸出電壓和變壓器變比等參數(shù)，闡述光伏電池原理、最大功率點跟蹤原理和獨立型逆變器的控制方法，在軟件的平臺上搭建系統(tǒng)仿真模型，通過仿真結果驗證了系統(tǒng)的可行性。關鍵詞：溫室；光伏儲能供電系統(tǒng)；仿真中圖分類號：； 文獻標志碼： 文章編號：（）收稿日期：基金項目：內蒙古自治區(qū)高等學?？茖W研究基金（編號：、）。作者簡介：范哲超（），男，內蒙古烏蘭察布人，碩士，副教授，主要從事計算機及其應用技術研究。：（）；：。隨著傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭，能源危機逐漸成為當前人類發(fā)展所面臨的巨大挑戰(zhàn)之一，世界各國正積極尋找高效、環(huán)保的替代能源。光伏發(fā)電是一種無噪音、無污染、易維護的可再生能源發(fā)電形式，隨著光伏電池效率的提升，光伏發(fā)電越來越受到關注。根據(jù)負載類型的不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為并網(wǎng)型和獨立型。并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要應用在分布式光伏與大型地面光伏電站，其負載就是電力系統(tǒng)；獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)也稱為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)，其負載是用電負荷，適用于微電網(wǎng)、用電困難的偏遠地區(qū)等。近年來，我國溫室產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷發(fā)展，一方面農(nóng)業(yè)種植利潤逐步提高，另一方面能耗和成本也大幅提升。隨著黨的十九大精神得到深入貫徹，國家大力發(fā)展綠色農(nóng)業(yè)，重點推行節(jié)能減排政策，增加可再生能源在溫室中的應用已經(jīng)成為現(xiàn)代溫室可持續(xù)發(fā)展的重要手段。因此，研究適用于溫室的獨立型光伏儲能（，簡稱）供電系江蘇農(nóng)業(yè)科學 年第卷第期網(wǎng)絡出版時間：2019-07-29 07:11:06網(wǎng)絡出版地址：http:/kns.cnki.net/kcms/detail/32.1214.S.20190729.0019.048.html統(tǒng)，保證溫室供電的可靠性，節(jié)約溫室電能損耗，具有比較重要的實際意義和推廣價值。 獨立光伏儲能供電系統(tǒng)的設計 系統(tǒng)拓撲結構溫室獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)的拓撲結構如圖所示，其中箭頭表示能量的流動方向。光伏陣列是系統(tǒng)的能量來源，由多個光伏組件串、并聯(lián)而成。由于光伏電池是一種非線性的直流電流源，需要利用（直流直流）變換器來對其進行最大功率點跟蹤（，簡稱）控制，變換器與蓄電池并聯(lián)，連接至直流母線電容，穩(wěn)定逆變器直流側電壓，確保蓄電池出現(xiàn)故障時，光伏陣列仍能向外輸出功率。蓄電池在系統(tǒng)中起到“削峰填谷”的作用，即當光伏輸出功率大于溫室負荷時，蓄電池充電；當光伏輸出功率小于溫室負荷時，蓄電池放電。由此可見蓄電池與直流母線之間的能量流動是雙向的。獨立型逆變器將光伏陣列和蓄電池產(chǎn)生的直流電能變換為交流電能向溫室負荷供電，同時溫室負荷也由市電進行供電。 系統(tǒng)的整體設計 光伏陣列容量的設計 在確定光伏陣列的安裝容量前，首先需要了解溫室負荷的功率及運行方式，溫室負荷功率與運行方式見表。表 溫室負荷功率及運行方式設備名稱功率（）運行方式變頻器間斷循環(huán)風機連續(xù)補光燈間斷水泵間斷遮陽電機短時間斷（可編程邏輯控制器）連續(xù)根據(jù)表所列負荷，統(tǒng)計溫室負荷的最大功率，日用電量·。以呼和浩特市為例，各月日均峰值日照時數(shù)如圖所示，一般用平均峰值日照時數(shù)乘以陣列的容量來估計每天的平均發(fā)電量（即的光伏裝機容量每天可發(fā)電度數(shù)）。圖中呼和浩特市光照條件最差的月份為月，日均峰值日照時數(shù)為；光照條件最好的月份為、月，日均峰值日照時數(shù)為；全年日均峰值日照時數(shù)為。在配置光伏陣列安裝容量時，需要考慮功率平衡與能量平衡個方面，但是光伏陣列與負荷之間存在蓄電池這一緩沖介質，并且光伏陣列的輸出功率受氣象條件影響，并不能保證負荷的最大功率與光伏陣列的最大輸出功率同時出現(xiàn)，因此只需要考慮能量平衡。設光伏陣列的安裝容量為，峰值日照時數(shù)為，為了滿足光伏陣列與負荷之前的能量平衡，有如下公式：·。（）考慮到多余的光伏電能無法通過獨立逆變器并網(wǎng)，為了避免能量浪費，使用最大日均峰值日照時數(shù)對光伏陣列安裝容量進行配置，得到，考慮到效率因素的影響并保留一定的裕量，取。以型號的光伏組件為例，將其作為光伏陣列的基本單元，其參數(shù)如下：標稱功率為，開路電壓（）為，最大功率點電壓（）為，短路電流（）為，最大功率點電流（）為。由于光伏組件的標稱功率為，因此需要將塊光伏組件串、并聯(lián)后使用。 電路參數(shù)的設計 綜合考慮器件的耐壓與耐流水平，本研究將塊光伏組件串并后使用?？紤]到普適性，本研究選用的鉛酸蓄電池作為儲能介質，其正常工作電壓范圍約為，這個電壓顯然低于串聯(lián)后光伏組件的工作電壓，因此選用電路對蓄電池進行充電。另一方面，溫室負荷需要的交流電進行供電，顯然使用蓄電池進行逆變無法直接獲得此電壓，因此在逆變之后需要額外使用變壓器升壓。設變壓器的低壓側線電壓，即逆變器的輸出線電壓為，蓄電池的電壓為，根據(jù)逆變器的工作原理，直流側電壓必須高于交流側線電壓的幅值，即：槡·。（）為了留有一定的裕量，??；進一步地，為了避免器件及變壓器損耗影響負載側的供電電壓大小，取變壓器的一次繞組和二次繞組變比為。 光伏發(fā)電相關研究 光伏電池的原理光伏電池的發(fā)電原理是半導體結半導體的光生伏特效應，其特性受到光照度、表面溫度以及自身參數(shù)的影響，表現(xiàn)出非常強的非線性。在工程中，通常使用光伏電池的工程數(shù)學模型對其進行建模，這種建模方法能夠利用廠家提供的科學技術咨詢（簡稱，標準測試條件具體為光照度，溫度）下的、個參數(shù)較好地復現(xiàn)光伏電池的輸出特性。光伏電池的工程數(shù)學模型如下：( ) ( )( )( )( ) 。（）江蘇農(nóng)業(yè)科學 年第卷第期式中：、分別為光伏電池的輸出電壓、輸出電流；、分別為某一工作條件下光伏電池的開路電壓、短路電流以及最大功率點電壓、電流；、為系數(shù)。、的計算方法如下：（）（）（）（）（）（）。（）式中：表示溫度，；表示光照度，；、為系數(shù)，分別表示溫度、光照度對開路電壓、短路電流的影響，典型值為，。利用光伏電池的工程數(shù)學模型，可以得到型太陽能光伏組件在不同溫度、不同光照度下的輸出特性。由圖、圖可知，光伏電池最重要的輸出特性在于其在某一特定工作條件下有且只有個最大功率點，這就要對光伏電池進行理論分析。 基于電路的技術根據(jù)光伏電池具有唯一最大功率點的特點，為了在最大程度上提高太陽能的利用效率，需要使用技術來控制光伏電池工作在最大功率點上。在本設計中，光伏電池經(jīng)過電路實現(xiàn)并向蓄電池進行充電，電路的拓撲結構如圖所示。假設電路工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)下，占空比為，同時電路中的器件均理想，有如式（）所示電路的輸入、輸出電壓關系：·。（）又有電路的輸出功率等于輸入功率，設為電路的等效輸入電阻，則：。（）式（）、式（）說明，存在個值能夠使電路的等效輸入電阻與光伏電池的內阻相等，根據(jù)最大功率傳輸定理，此時光伏電池可以獲得最大功率輸出。因此，通過電路實現(xiàn)實際上是一個阻抗匹配的過程。 擾動觀察算法（，簡稱）的原理算法的作用在于能夠得到使光伏電池工作在最大功率點的占空比。常用的算法包括固定電壓法、電導增量法、擾動觀察法等傳統(tǒng)算法，以及模糊控制、自適應算法、神經(jīng)網(wǎng)絡等智能算法。在本研究的仿真中，采用擾動觀察算法。擾動觀察算法通過對光伏電池的輸出電壓進行周期性擾動，實時比較擾動前后光伏電池輸出功率的大小，從而確定下一時刻電壓調節(jié)的方向。當光伏電池的輸出電壓增大時，若，應當繼續(xù)增大電壓；若，應當改變電壓調整方向。當光伏電池的輸出電壓減小時，若，應當繼續(xù)減小電壓；若，應當改變電壓調整方向。擾動觀察算法可以用圖所示的流程來表示。 獨立逆變器控制方法目前逆變器的控制方法主要包括恒功率控制（）、恒壓恒頻控制（）和下垂控制（），獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)需要在無市電的情況下向負荷提供電壓，因此需要采用控制。當采用控制時，逆變器相當于一個受控的電壓源，所有負荷需求都需要由它滿足?？刂撇呗圆捎幂敵鲭妷弘娏魉矔r雙閉環(huán)控制，如圖所示。內環(huán)是電感電流瞬時調節(jié)環(huán)，構成電流隨動系統(tǒng)，能夠加快抗擾的動態(tài)過程，用以提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；外環(huán)是瞬時電壓控制環(huán)，用于改善系統(tǒng)輸出電壓的波形，使其具有較高的輸出精度。江蘇農(nóng)業(yè)科學 年第卷第期控制的電壓電流雙閉環(huán)控制策略框如圖所示。電流環(huán)采用比例調節(jié)，增加逆變器的阻尼系數(shù)，使整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定；電壓環(huán)采用比例積分調節(jié)，使得輸出電壓波形瞬時跟蹤給定值。引入電流、電壓狀態(tài)反饋量來實現(xiàn)、軸間的解耦控制；同時引入負載電壓、電流前饋補償，在負載變化時對電壓進行補償。 系統(tǒng)仿真驗證根據(jù)上文介紹的原理，在中搭建獨立型光伏儲能供電系統(tǒng)的仿真模型，如圖所示。假設負載為，其余仿真參數(shù)見表。假設初始時刻的光照度為，在時光照度突變?yōu)?，運行仿真后，光伏陣列的輸出功率、負載側的三相電壓、相電壓快速傅里葉變化（）分析的結果分別如圖、圖、圖所示。表 各個仿真參數(shù)部位參數(shù)類別數(shù)值電路電感（）電容（）采樣頻率（）開關頻率（）初始占空比擾動步長濾波器電感（）電容（）逆變器電壓環(huán)參數(shù)電流環(huán)參數(shù) 結論由圖可以看出，在仿真開始運行后，在擾動觀察法的作用下，光伏陣列的輸出功率能夠在內跟蹤到最大功率點，此后保持穩(wěn)定輸出；當光照度突變時，光伏陣列的輸出功率能夠在內跟蹤到新的最大功率點，從而驗證了的有效性。由圖可以看出，負載側的三相電壓能夠保持平衡，并且畸變情況良好，根據(jù)圖所示的分析結果，逆變器輸出電壓的基波幅值為，即有效值約為，符合供電電壓要求；電壓諧波總畸變率為，低于國標要求范圍，能夠保證溫室用電設備的正常工作。仿真結果驗證了所設計系統(tǒng)的可行性。參考文獻：張 瑩，侯鵬飛獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)功能的設計與仿真電力學報，（）：江蘇農(nóng)業(yè)科學 年第卷第期范哲超，陸 明基于國產(chǎn)的光伏供電溫室控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)江蘇農(nóng)業(yè)科學，（）：余 情，楊金明光伏發(fā)電技術在溫室中的應用新能源進展，（）：鄔明亮，戴朝華，鄧惠文，等基于單體光伏單體儲能電池模組的新型光伏儲能發(fā)電系統(tǒng)電力系統(tǒng)保護與控制，（）：傅 望，周 林，郭 珂，等光伏電池工程用數(shù)學模型研究電工技術學報，（）：溫 鎮(zhèn)，唐 昕，許金明，等不同控制策略影響下光伏發(fā)電電能質量特性研究水電能源科學，（）：江蘇農(nóng)業(yè)科學 年第卷第期