分布儲(chǔ)能式新能源直流電加熱系統(tǒng)及運(yùn)行仿真分析

周 封，林 坤，張琪瑞，徐明宇，郝文波，姜 鵬

(1.山東科技大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590； 2.哈爾濱理工大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，哈爾濱 150080；3.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司，哈爾濱 150090；4.國(guó)網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030)

0 引 言

隨著化石能源的日益枯竭，傳統(tǒng)的能源供給形式越來(lái)越不能滿足人們的需要，光能、風(fēng)能等可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)得到了大力發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)被認(rèn)為是解決目前和將來(lái)電網(wǎng)中新能源發(fā)電并網(wǎng)等問(wèn)題的可行方案。直流電網(wǎng)技術(shù)具備大規(guī)模新能源匯集及遠(yuǎn)距離輸送能力，且可實(shí)現(xiàn)不同電壓等級(jí)、不同區(qū)域網(wǎng)絡(luò)電力系統(tǒng)的廣域互聯(lián)，成為現(xiàn)階段研究的重點(diǎn)[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)直流配電網(wǎng)、儲(chǔ)能技術(shù)以及新能源接入電網(wǎng)等問(wèn)題進(jìn)行了探索性的研究開發(fā)，并取得了一些突破性成果。在直流配電網(wǎng)方面，馮延明等研究員對(duì)直流配電網(wǎng)的環(huán)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和兩端拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性進(jìn)行了探討，并對(duì)分布式能源和儲(chǔ)能裝置并入交流配電網(wǎng)和直流電網(wǎng)進(jìn)行了對(duì)比研究，證明接入直流配電網(wǎng)能夠有效節(jié)省DC/AC變換器和濾波裝置[2]。葉莘等研究員提出了直流配電網(wǎng)供電能力評(píng)估指標(biāo)以及多目標(biāo)評(píng)估函數(shù)，對(duì)直流配電網(wǎng)的供電能力進(jìn)行了研究[3]。在儲(chǔ)能技術(shù)以及新能源接入電網(wǎng)方面，姚良忠等研究員提出一種考慮中國(guó)能源資源及負(fù)荷分布特征的大規(guī)模新能源接入高壓直流電網(wǎng)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并指出發(fā)展高壓直流電網(wǎng)的技術(shù)需求[4-5]。朱耿峰等研究員進(jìn)行了儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)提高新能源發(fā)電接入電網(wǎng)能力的研究，并證明儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)解決新能源發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)問(wèn)題起到了關(guān)鍵的作用[6]。

上述文獻(xiàn)就直流配電網(wǎng)、儲(chǔ)能技術(shù)以及新能源接入電網(wǎng)等問(wèn)題進(jìn)行了單方面的研究[7-8]。但系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)情況復(fù)雜，不同情況下系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)與用電需求不同，因此，需要一種可以滿足系統(tǒng)各種狀況下要求的高壓直供直流電加熱系統(tǒng)。

基于以上分析，設(shè)計(jì)一種分布儲(chǔ)能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)。該系統(tǒng)將高壓交流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電給電加熱裝置供電，并可在谷電價(jià)時(shí)儲(chǔ)存電能，同時(shí)，新能源發(fā)電裝置給儲(chǔ)能裝置供電的功能可以在多種工作狀況下正常工作，滿足電加熱系統(tǒng)的用電需求。該系統(tǒng)既解決了峰電價(jià)時(shí)供電不足、谷電價(jià)時(shí)電能浪費(fèi)的問(wèn)題，又解決了新能源接入電網(wǎng)困難的問(wèn)題，同時(shí)可以滿足不同情況下的用電需求，對(duì)提高電能利用率、降低成本以及推動(dòng)新能源發(fā)電應(yīng)用方案的普及和推廣有著至關(guān)重要的作用。

1 高壓直供直流電加熱系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及工況分析

分布儲(chǔ)能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)由以下幾部分組成：高壓配電柜、儲(chǔ)能裝置、直流加熱元件、電加熱裝置、新能源發(fā)電裝置。儲(chǔ)能裝置則由整流模塊、放電直流母線、蓄電池組組成。

分布儲(chǔ)能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。從圖1可以看出，系統(tǒng)通過(guò)整流模塊直接將6 kV左右的高壓交流電轉(zhuǎn)化為低壓直流電，并根據(jù)需要給直接加熱元件供電。在谷電價(jià)時(shí)，系統(tǒng)給電加熱裝置供電的同時(shí)將多余電能儲(chǔ)存；在峰電價(jià)時(shí)，由儲(chǔ)能裝置給電加熱裝置供電；同時(shí)，新能源發(fā)電裝置為儲(chǔ)能裝置提供電能。蓄電池組可分組同時(shí)進(jìn)行充電和放電，但由于放電直流母線上電壓不匹配，配電網(wǎng)與蓄電池組不可同時(shí)供電。該系統(tǒng)可根據(jù)不同工況進(jìn)行電能供給，既解決了峰電價(jià)時(shí)供電不足、谷電價(jià)時(shí)電能浪費(fèi)的問(wèn)題，又解決了新能源接入電網(wǎng)困難的問(wèn)題。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

由于1天中不同時(shí)間段用戶用電量不同，電加熱裝置所需電量也不相同，因此，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)存在多種情況，系統(tǒng)工況分類如圖2所示。

從圖2可以看出，新能源分布儲(chǔ)能式高壓直供直流電加熱系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可以分為12種工況，電加熱裝置工作時(shí)有8種工況，電加熱裝置不工作時(shí)有4種工況。其中，蓄電池組給電加熱裝置供電時(shí)，不能對(duì)該組蓄電池組充電。

2 高壓直供直流電加熱系統(tǒng)模型的建立

2.1 三電平PWM整流器模型

分布儲(chǔ)能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)的整流模塊分為整流器與高壓DC/DC變換器。整流器使用三相三電平PWM整流器，三相三電平PWM整流器可以等效成圖3所示的電路模型，可以實(shí)現(xiàn)交、直流側(cè)可控的四象限運(yùn)行[9-12]。由圖3可以看出，三電平PWM整流器模型電路主要由交流回路、整流器的整流橋、直流回路三部分組成。圖中，e為三相電網(wǎng)電源，L為進(jìn)線電感，C為母線電容，RL為負(fù)載。

圖3 三電平PWM整流器電路模型

忽略功率開關(guān)管的開關(guān)損耗，由整流器整流前后的功率相等得到：

i·v=idc·vdc

(1)

式中：v是整流器交流側(cè)電壓；i是整流器交流側(cè)電流；vdc是整流器直流側(cè)電壓；idc是整流器直流側(cè)電流。

由式(1)可知，通過(guò)控制交流側(cè)的電壓電流就可以控制直流側(cè)的電壓電流，反之，通過(guò)控制直流側(cè)的電壓電流也能控制交流側(cè)的電壓電流。

Three-Level Bridge模塊是一個(gè)橋臂數(shù)可選的三電平中點(diǎn)鉗位變換器。相對(duì)于常規(guī)的兩電平變換器，使用相同開關(guān)器件時(shí)，三電平中點(diǎn)鉗位變換器的每一個(gè)主功率開關(guān)管上承受的電壓峰值只有兩電平PWM整流器的一半，且在相同的開關(guān)頻率及控制條件方式下，三電平 PWM 整流器輸入電流的諧波遠(yuǎn)小于兩電平整流器，所以三電平 PWM 整流器適合于高壓大功率的場(chǎng)合。該系統(tǒng)選擇3橋臂變換器，每個(gè)橋臂由4個(gè)開關(guān)器件(Q1～Q4，IGBT)、4個(gè)反并聯(lián)二極管(D1～D4)、2個(gè)中點(diǎn)鉗位二極管(D5、D6)組成，三電平變換橋拓?fù)鋱D如圖4所示。

三電平PWM整流模塊采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)[12]。外環(huán)為電壓環(huán)，通過(guò)對(duì)直流母線電壓的調(diào)節(jié)得到交流電流的指令瞬時(shí)值。內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，根據(jù)電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，使整流器的實(shí)際輸入電流能夠跟蹤給定電流，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)正弦波電流控制。

圖4 三電平變換橋拓?fù)鋱D

2.2 高壓DC/DC變換器模型

高壓DC/DC變換器模型結(jié)構(gòu)如圖5所示，由8個(gè)基礎(chǔ)子模塊(SM1～SM8)并聯(lián)組成。

圖5 高壓DC/DC變換器結(jié)構(gòu)圖

子模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。其中，V為一個(gè)全控器件IGBT，RL1為負(fù)載，C1為濾波電容，U0為負(fù)載電壓。負(fù)載電壓的平均值為

式中：ton為V處于通態(tài)的時(shí)間；toff為V處于斷態(tài)的時(shí)間；T為開關(guān)周期；D為占空比，D=ton/T。

由圖5可知，U0最大值為E，減小占空比D，U0隨之減小，因此可以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)輸出電壓[13]。在該系統(tǒng)中，通過(guò)Buck電路將電壓降至500 V給電加熱裝置供電。一個(gè)子模塊輸出功率可達(dá)到300 kW，模塊化高壓DC/DC變換器出功率可達(dá)到2 MW。

Buck變換器使用脈沖寬度調(diào)制的控制方法，保持開關(guān)周期T不變，調(diào)節(jié)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間ton，保持輸出電壓穩(wěn)定。

圖6 子模塊模型圖

2.3 蓄電池充放電模型

儲(chǔ)能裝置中的蓄電池組運(yùn)行時(shí)需要既能夠向電加熱裝置供給電能(放電)，又能夠從整流模塊或新能源發(fā)電裝置獲得電能(充電)。圖7是蓄電池充放電模型，通過(guò)Buck電路實(shí)現(xiàn)蓄電池組充電，通過(guò)Boost電路實(shí)現(xiàn)蓄電池組放電。

蓄電池采用磷酸鐵鋰電池，磷酸鐵鋰電池規(guī)格為12.8 V/200 A·h，參數(shù)如表1所示。若電加熱裝置每天所需約5 MW·h的電量，1組蓄電池總?cè)萘繛?00×10=2 000 A·h，所需電量為12.8×10×2 000=0.256 MW·h，則共需要5÷0.256≈20組蓄電池。每組蓄電池組由100個(gè)蓄電池組成，每組蓄電池的鏈接方式為10個(gè)串聯(lián)、10個(gè)并聯(lián)。

表1 磷酸鐵鋰電池參數(shù)表

圖7 蓄電池充放電模型圖

圖7中，蓄電池充電電路原理與Buck斬波電路相同。充電電路輸出電壓U1為

U1=α1E1

式中：E1為充電電路輸入電壓；α1為占空比。

蓄電池放電Boost斬波電路中，當(dāng)可控開關(guān)V2處于通態(tài)時(shí)，蓄電池向電感L2充電，同時(shí)電容C2上的電壓向負(fù)載RL2供電。由于C2足夠大，可以基本保持輸出電壓U3為恒值。當(dāng)V2處于斷態(tài)時(shí)，蓄電池與L2同時(shí)向C2充電并向負(fù)載RL2提供能量。設(shè)V2處于通態(tài)的時(shí)間為Ton，處于斷態(tài)的時(shí)間為Toff，則蓄電池充電電路的輸出電壓U3為

式中：U2為放電電路輸入電壓；T/Toff為升壓比，調(diào)節(jié)其大小，可以改變輸出電壓U3的大小。

升壓斬波電路中，在V2處于通態(tài)的期間，因電容C2的作用使得輸出電壓保持不變，但實(shí)際上C2值不可能無(wú)窮大，故實(shí)際輸出電壓會(huì)低于理論輸出電壓。因此，使用基于PI的控制算法調(diào)整占空比，使輸出電壓保持穩(wěn)定。

2.4 光伏列陣模型

光伏電池的等效模型如圖8所示。

圖8 光伏電池等效模型圖

光伏電池輸出電流和電壓為

U=UD-Rs·I

式中：Iph為正比于太陽(yáng)電池面積和入射光輻射度的生光電流；Rs為光伏電池板內(nèi)部損耗的等效串聯(lián)電阻；Rsh為漏電損耗的等效并聯(lián)電阻；Is為二極管飽和電流；q為電子電量常量，q=1.602e-19C；k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.381e-23J/K；T為光伏電池工作絕對(duì)溫度值；A為二極管特性擬合系數(shù)[14-15]。

圖9為光伏電池放電模型。其中，光伏組件采用多晶275 W組件，固定安裝采用最佳傾角為 22°，光伏陣列將 20塊電池組件串聯(lián)成為 1列，每列功率為275×20=5 500 W，共需1 000÷5.5≈182列，需要電池板共182×20=3 640塊。通過(guò)Boost變換器對(duì)蓄電池組充電，使用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，使得光伏系統(tǒng)的傳輸功率一直工作在最佳狀態(tài)，保持輸出電壓的穩(wěn)定。

圖9 光伏電池放電模型圖

3 高壓直供直流電加熱系統(tǒng)仿真模型的建立及典型工況分析

利用Matlab/Simulink對(duì)分布儲(chǔ)能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)的仿真模型進(jìn)行搭建，并針對(duì)系統(tǒng)在不同情況下的工作狀態(tài)進(jìn)行仿真，分析配電網(wǎng)對(duì)電加熱裝置供電(不充電)、配電網(wǎng)對(duì)電加熱裝置供電的同時(shí)對(duì)蓄電池組充電、蓄電池組對(duì)電加熱裝置供電的同時(shí)配電網(wǎng)對(duì)其他蓄電池組充電的3種典型工況。

3.1 高壓直供直流電加熱系統(tǒng)仿真模型的建立

建立分布儲(chǔ)能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)，仿真模型如圖10所示。

該系統(tǒng)仿真模型包括三電平PWM整流模塊、DC/DC變換器模塊、蓄電池組充電模塊、蓄電池組模塊、蓄電池組放電模塊、光伏電池模塊。系統(tǒng)中蓄電池組用3組蓄電池組表示，1組負(fù)責(zé)給電加熱裝置供電，1組由配電網(wǎng)充電，1組由光伏電池充電。參數(shù)設(shè)置如下：配電網(wǎng)額定交流電壓6 kV；蓄電池額定電壓128 V；整流器側(cè)輸入電壓6 kV；經(jīng)高壓DC/DC變換器后輸出電壓500 V；電網(wǎng)頻率50 Hz；開關(guān)器件均使用IGBT管；蓄電池最大充電電流及放電電流均為120 A。

3.2 配電網(wǎng)對(duì)電加熱裝置供電工況

如圖10所示，閉合斷路器1、3(Breaker1、3)，其余斷路器斷開，模擬系統(tǒng)電加熱裝置工作時(shí)配電網(wǎng)給電加熱裝置供電且不充電工況，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。通過(guò)調(diào)整負(fù)載阻值使輸出功率達(dá)到500 kW，仿真一段時(shí)間后閉合斷路器16(Breaker16)，使輸出功率達(dá)到1 MW，得到三電平PWM整流器直流側(cè)電壓與電流及系統(tǒng)輸出電壓與電流的仿真結(jié)果圖，如圖11、圖12所示。

圖10 系統(tǒng)仿真模型

圖11 整流器直流側(cè)電流與電壓

圖12 系統(tǒng)輸出電流與電壓

通過(guò)圖11可以看出，仿真5 s后改變負(fù)載阻值，電流從100 A變?yōu)?00 A，但整流器直流側(cè)電壓保持5 000 V不變。通過(guò)圖12可以看出，系統(tǒng)輸出電壓一直保持在500 V，輸出電流從1 000 A變?yōu)? 000 A。通過(guò)圖11與圖12的對(duì)比可以看出，輸出與輸入功率基本相同。通過(guò)改變負(fù)載阻值可以改變輸出功率，輸出電壓保持不變。因此，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，并滿足電加熱裝置的用電需求。

3.3 配電網(wǎng)對(duì)電加熱裝置供電同時(shí)對(duì)蓄電池組充電工況

如圖10所示，閉合斷路器1～9(Breaker1～9)，其余斷路器斷開，模擬系統(tǒng)谷電價(jià)電加熱裝置工作時(shí)配電網(wǎng)給電加熱裝置供電同時(shí)給蓄電池組充電工況。設(shè)定負(fù)載阻值0.25 Ω，即輸出功率1 MW，根據(jù)額定參數(shù)設(shè)定蓄電池組，使蓄電池組初始充電狀態(tài)為容量的30%，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真。分別測(cè)量整流器直流側(cè)電壓與電流、系統(tǒng)輸出電壓與電流、蓄電池組充電電路輸入電壓與電流、蓄電池組狀態(tài)，得到仿真結(jié)果如圖13～15所示。

圖13為整流器直流側(cè)電流與電壓以及系統(tǒng)輸出端電流與電壓，從圖中可以看出，整流器直流側(cè)電流為254.5 A，電壓為5 000 V，則總輸入功率為1.272 5 MW；系統(tǒng)輸出電流為1 900 A，輸出電壓為500 V，則輸出功率為0.95 MW。圖14為蓄電池組充電電路輸入電流與電壓波形圖，從圖中可以看出，1組蓄電池組輸入電流為215 A，輸入電壓為500 V，則輸入功率為107.5 kW，則3組蓄電池組輸入功率為107.5×3=322.5 kW。由此可以得到，配電網(wǎng)給系統(tǒng)提供1.272 5 MW的電能，其中，0.95 MW的電能用來(lái)給電加熱裝置供電，322.5 kW的電能用來(lái)給蓄電池組充電。仿真結(jié)果證明輸入輸出功率保持不變，因此系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

圖13 整流器直流側(cè)電流與電壓及系統(tǒng)輸出電流與電壓

圖14 蓄電池組充電電路輸入電流與電壓

圖15 蓄電池組充電時(shí)狀態(tài)

圖15為蓄電池組充電時(shí)狀態(tài)結(jié)果圖。圖中蓄電池電荷狀態(tài)一直處于上升趨勢(shì)，蓄電池組充電，蓄電池內(nèi)部電流與電壓和參數(shù)吻合，蓄電池組正常運(yùn)行。

在配電網(wǎng)對(duì)電加熱裝置供電的同時(shí)對(duì)蓄電池組充電的工況下，系統(tǒng)可以滿足供電需求并穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 蓄電池組對(duì)電加熱裝置供電同時(shí)配電網(wǎng)對(duì)其他蓄電池組充電工況

如圖10所示，閉合斷路器1、2、5、8、10、13(Breaker1、2、5、8、10、13)，其余斷路器斷開，模擬系統(tǒng)谷電價(jià)電加熱裝置工作時(shí)蓄電池組對(duì)電加熱裝置供電同時(shí)配電網(wǎng)對(duì)其他蓄電池組充電工況。1組蓄電池組最多提供50 kW的電能，在實(shí)際系統(tǒng)中，當(dāng)電加熱裝置需要1 MW電能時(shí)(最大)，需要20組蓄電池組同時(shí)充電才能滿足供電需求。仿真時(shí)只進(jìn)行3組蓄電池組供電仿真，2組蓄電池給電加熱裝置供電，1組蓄電池充電。設(shè)定負(fù)載阻值為2.5 Ω，即輸出功率為100 kW, 設(shè)定供電蓄電池組初始充電狀態(tài)為容量的90%，充電蓄電池組初始充電狀態(tài)為容量的30%，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖16～19所示。

圖16 單組蓄電池組輸出電流與電壓

圖17 系統(tǒng)輸出電流與電壓

圖16為單組蓄電池組輸出的電壓與電流，由圖可以看出，輸出電流為100 A，電壓為500 V，則輸出功率為50 kW。單組蓄電池組可以穩(wěn)定地為電加熱裝置提供電能。圖17為系統(tǒng)輸出電流與電壓，輸出電壓穩(wěn)定在500 V，輸出電流為200 A，則輸出功率為100 kW，蓄電池組可以滿足電加熱裝置不同的供電需求，系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

圖18 供電蓄電池組狀態(tài)

圖19 充電蓄電池組狀態(tài)

圖18、圖19分別為充電蓄電池組狀態(tài)與放電蓄電池組狀態(tài)，由圖可知，蓄電池組供電時(shí)電荷狀態(tài)處于下降趨勢(shì)，充電時(shí)處于上升趨勢(shì)，蓄電池組內(nèi)部電流和電壓與蓄電池參數(shù)相吻合，充電與放電的蓄電池組均正常工作。

綜上所述，蓄電池組對(duì)電加熱裝置供電同時(shí)配電網(wǎng)對(duì)其他蓄電池組充電工況時(shí)，系統(tǒng)可以滿足供電、充電需求并穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種能夠滿足多種工況的新能源分布儲(chǔ)能式高壓直供直流電加熱系統(tǒng)，并使用Matlab/Simulink軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，得到如下結(jié)論：

1)提出了新能源分布儲(chǔ)能式高壓直供直流電加熱系統(tǒng)的整體框架，使系統(tǒng)在谷電價(jià)時(shí)可以給電加熱裝置供電的同時(shí)將多余電能儲(chǔ)存，在峰電價(jià)時(shí)可以由儲(chǔ)能裝置供電，同時(shí)，新能源發(fā)電裝置可以給儲(chǔ)能裝置充電。對(duì)分布儲(chǔ)能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)的不同工況進(jìn)行了分類研究，系統(tǒng)可以滿足12種不同工況。

2)建立了由高壓整流模塊、高壓DC/DC變換器模塊、儲(chǔ)能模塊、光伏發(fā)電模塊組成的分布儲(chǔ)能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)模型。

3)使用Matlab/Simulink軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，并對(duì)3種典型工況進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明分布儲(chǔ)能式新能源高壓直供直流電加熱系統(tǒng)可以穩(wěn)定地運(yùn)行并滿足各種工況時(shí)的需求。對(duì)提高電能利用率、降低成本、推進(jìn)高壓直流輸電技術(shù)有著至關(guān)重要的作用。