直流分布式電源的并網建模與仿真

劉美峰 楊旭

摘 要：為了研究直流分布式電源并網時的動態性能，文章建立了由太陽能電池和燃料電池混合組成的直流分布式發電系統數學模型，該模型包含太陽能電池（PV）、最大功率跟蹤器（MPPT）、燃料電池（FC）、電壓控制系統、蓄電池、DC/DC變換器以及DC/AC逆變器等部分，并根據混合系統的數學模型在MATLAB軟件中進行仿真，分析混合系統的動態穩定性。仿真結果表明，該系統能夠有效地與大電網并網，具有良好的穩態特性，能夠滿足實際需求。

關鍵詞：直流分布式電源;太陽能電池;燃料電池;混合發電系統

中圖分類號：TM712 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2020）09-0001-03

近年來，環境污染和能源危機問題越來越嚴重，尋求新的環保、清潔能源成為世界各國的共識[1]。太陽能和燃料電池以其安全、經濟和清潔等特點引起了人們的極大興趣。但太陽能電池的運行受環境和氣象條件的影響較大，而燃料電池不受這些因素的影響，且這兩種電池都屬于直流分布式電源?？梢钥紤]將燃料電池作為太陽能電池的補充系統，用來提高整個系統的輸出電壓的質量。所以，將這兩種電源相結合構建混合發電系統是新能源研究的熱點方向之一[2]。目前，對混合發電系統并網建模和控制等方面的研究相對較少。

文章以太陽能電池和燃料電池混合構成的直流分布式發電系統為研究對象，提出了一個包含太陽能電池、最大功率跟蹤器、燃料電池、電壓控制系統、蓄電池、DC/DC轉換器以及DC/AC逆變器的直流分布式電源并網模型。這種模型可以實現太陽能電池的最大功率跟蹤，控制燃料電池的輸出電壓。同時，輸出電壓能夠跟蹤電網電壓的幅值、相位以及頻率，可以通過大電網的公共連接點靈活地接入和切出配電網。作為一個整體，不會對大電網產生不利影響，無需對大電網進行修改，實現即插即用[3]。將所建模型在matlab/simulink中進行仿真分析，仿真結果表明該模型可以有效地運行，能夠滿足并網時對發電系統的要求。

1 數學模型

1.1 混合發電系統介紹

太陽能電池-燃料電池直流分布式混合發電系統包含太陽能電池（PV）、最大功率跟蹤器（MPPT）、燃料電池（FC）、電壓控制系統、蓄電池、DC/DC變換器以及DC/AC逆變器等。微電網的運行有兩種情況：獨立運行和并網運行，文章只考慮并網運行這種情況。該混合發電系統有以下幾種運行方式：第一，大電網供給的功率能夠滿足負荷所需，太陽能電池所發的電全部向蓄電池充電;第二，大電網供給的功率不能滿足負荷所需，太陽能電池所發的電一部分向大電網供電，另一部分向蓄電池充電;第三，大電網和太陽能電池所發的電都不能滿足負荷的需求，燃料電池開始工作。圖1為太陽能電池-燃料電池直流分布式混合發電系統的結構示意圖。

1.2 太陽能電池的數學模型

太陽能電池是利用光電效應或光化學效應把光能直接轉化為電能的光電半導體裝置。其輸出特性方程式為[4]。

其中，Isc—光生電流;I0—反向飽和電流;q—電子電量，取值1.6×10-19C;A—二極管理想因子，取值1;k—波爾茲曼系數，取值1.38×10-23J/K;T—電池表面溫度;V—輸出電壓;I—輸出電流;Rs—串聯等效電阻。

根據（1）式太陽能電池的數學模型，在Matlab中使用Simulink工具建立仿真模型，得到電池的P-V曲線如圖2所示。

由圖2可以看出，太陽能電池的輸出功率隨光照強度的增加而增大，且在某個輸出電壓值達到最大輸出功率。

1.3 最大功率跟蹤器的數學模型

為了使光伏電池輸出功率實現最優化，在混合系統中要有最大功率跟蹤器。目前，擾動觀察法是實現最大功率點跟蹤的常用方法之一，其控制原理如圖3所示。先周期性地給前一時刻光伏陣列輸出電壓Un-1加一擾動值±△U，來改變當前時刻太陽能電池的輸出功率[5]。

系統通過檢測當前陣列輸出電壓和電流來獲取當前功率值。如果在某一時刻測得的功率值比前一時刻測得的功率值大，則表明給予的擾動方向正確，將輸出電壓繼續朝同一方向改變;反之，則需要將輸出電壓朝相反方向擾動。如此反復的擾動、觀察及比較，使陣列工作在最大功率點附近，擾動觀察法流程圖如圖4所示。

1.4 燃料電池的數學模型及電壓控制模型

質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有無污染、無腐蝕、工作溫度低等優點，適用于可移動動力源、電動車以及分散電站，是一種極具吸引力的新能源[6]。文章應用質子燃料電池作為混合系統的一部分。

質子交換膜燃料電池單體輸出電壓Vcell的表達式為：

式中：E為化學熱動力學理論電動勢，為活化過電壓，為歐姆電壓降，為濃差極化過電壓。

Vcell受工作溫度和氫氣壓力的影響，需要對輸出電壓進行控制。目前，廣泛使用的是模糊—PID控制法，此種控制方法能明顯改善燃料電池的動態特性，使系統輸出更加穩定的電壓。

1.5 蓄電池的數學模型

蓄電池在太陽能電池和燃料電池混合發電系統中起著重要的作用，作為儲能設備，蓄電池能夠消除負荷擾動對大電網的不利影響。文章只考慮蓄電池充放電的過程，不考慮其控制和管理[7]。其數學模型為：

放電狀態：

充電狀態：

（4）

式中：E為開路電壓;E0為恒定電壓;V為端電壓;Q為電池容量;Q1為充電量（或放電量）;K為極化常數;I*為低通濾波后的電流;I為蓄電池電流;A為指數電壓系數;B為指數容量系數;R為電池內阻。

1.6 DC/DC轉換器

文章采用的是一種隔離型雙向軟開關DC/DC變換器[8]，這種變換器所有的開關元件和二極管都能夠實現軟開關，可以降低開關損耗和電壓、電流應力以及電磁噪聲。其電路圖如圖5所示。

1.7 逆變器模型

逆變器使用Matlab/Simulink里Universal Bridge模塊中的IGBT inverter模型。同時，搭建PWM generator模塊，如圖6所示。

2 微網仿真模型

利用MATLAB/Simulink仿真工具依照前面介紹的數學模型分別建立光伏電池、MPPT控制器、燃料電池、電壓控制器、蓄電池、DC/DC轉換器、逆變器等仿真模型。電網使用three-phase source模型。按照相應的網絡結構對上述模型進行組合，構建太陽能電池-燃料電池直流分布式混合發電系統，便可以對該系統進行動態穩定性分析。

3 仿真結果

考慮微網并網運行時的兩種運行狀態：其一是電網提供的功率能夠滿足負荷的需求，微網向蓄電池輸送電能;其二是電網提供的功率不能夠滿足負荷的需求，微網向電網供電。分別對兩種情況進行仿真分析，仿真結果如圖7所示。

由仿真圖可以看出，電網為兩種運行狀態時，電壓與電流的相位和頻率均基本一致，功率因數基本為1;當電網為第二種運行狀態時，電壓的幅值沒有改變，電流增大。分析表明，該混合發電系統能夠滿足負荷對電能質量的要求。

4 結語

文章根據太陽能電池、燃料電池和蓄電池的特點，分別建立了其數學模型和控制算法，并按照微電網的特點構建了直流分布式混合發電系統。分別對微網并網運行時的兩種工況進行了仿真，仿真結果證明該模型是可行和有效的，為微網平臺的建立提供了參考。

參考文獻

[1] 李昕蕾.全球清潔能源治理的跨國主義范式——多元網絡化發展的特點、動因及挑戰[J].國際觀察，2017（06）：137-154.

[2] 劉暢，陳啟卷，陳桂月，等.光伏-燃料電池混合發電系統建模與仿真[J].太陽能學報，2018（11）：3113-3119.

[3] 崔冬曉.基于云智能控制器燃料電池/光伏最大功率跟蹤策略研究[D].吉林：東北電力大學，2018.

[4] 濱川圭弘.太陽能光伏電池及其應用[M].北京：科學出版社，2009.

[5] 魏巍.光伏發電系統中最大功率點跟蹤方法的研究[D].西安：西安理工大學，2010.

[6] 肖剛.燃料電池技術[M].北京：電子工業出版社，2009.

[7] Tremblay O，Dessaint L -A，Dekkiche A -I. A generic battery model for the dynamic simulation of hybrid electric vehicles[C].Vehicle Power and Propulsion Conference，2007：284-289.

[8] 劉勝永，唐安瓊.一種新穎的軟開關雙向DC/DC變換器分析與設設計[J].電力自動化設備，2012（03）：28-31.