基于智能建筑微電網的分布式光伏發電控制系統研究

陳創業，雷乘龍

（1.甘肅畜牧工程職業技術學院-智能與信息學院，甘肅 武威 733006；

2.國網甘肅省電力公司天水供電公司，甘肅 天水 741000）

0 引言

圖1 傳統分布式光伏發電系統的基本結構

智能建筑微電網系統的提出，主要是為了解決能源短缺問題與電網可靠性問題，智能建筑微電網技術研究的是由分布式微型電源與智能建筑負荷共同構成的微電網系統的運行與控制，分布式微型電源滿足智能建筑負荷對電能質量、供電可靠性的要求[1]。與其他分布式電源相比，光伏發電系統具有資源成本低、供電可靠性高、環境友好等諸多優點[2]。對于電力系統而言，與傳統供電系統相比，智能建筑微電網系統的線路負荷與線路損耗減少，有利于提高公共電網運行可靠性，對于智能建筑而言，與傳統供電系統相比，智能建筑微電網系統將太陽能作為電能來源，有利于提高用戶用電經濟性[3]。本文主要是以基于智能建筑微電網的分布式光伏發電控制系統為研究對象，對智能建筑微電網系統所需要的分布式光伏發電系統的控制環節進行分析與研究，通過理論分析與軟件仿真證明基于智能建筑微電網的分布式光伏發電系統的優勢。

1 基于智能建筑微電網的分布式光伏發電控制系統功能需求分析

圖2 改進分布式光伏發電系統的基本結構

2 基于智能建筑微電網的分布式光伏發電控制系統控制流程分析

圖1所示為傳統分布式光伏發電系統的基本結構，對于智能建筑而言，采用分布式光伏發電系統進行供電，需要解決的主要問題就是分布式光伏發電系統電能的生產與消耗，在圖1中，當分布式光伏發電系統發出的電能無法滿足就地負荷的電能需求時，就需要由儲能裝置/公共電網為就地負荷供電，當分布式光伏發電系統發出的電能可以滿足就地負荷的電能需求時，剩余的電能可以儲存在儲能裝置中，作為備用電源。為了提高分布式光伏發電系統的能源利用率，也為了提高分布式光伏發電系統內部的功率平衡效率，對傳統分布式光伏發電系統的結構進行改進，如圖2所示，分布式光伏發電系統由分布式儲能裝置、分布式光伏電源和就地負荷組合而成，采用這種系統結構的優點是降低運行成本、提高電能質量、提高分布式系統利用率等。

分布式光伏發電控制系統的流程分析，首先對分布式光伏發電系統中的光伏電源、儲能裝置、就地負荷進行編號，（光伏電源1…光伏電源n、儲能裝置1…儲能裝置n、就地負荷1…就地負荷n），就地負荷1-n并不表示單一的用電負荷，而是該光伏電源供電范圍內的用電負荷總和；編號完成后對分布式光伏發電系統中的各分布式光伏電源、儲能裝置和就地負荷的功率分布情況進行初始化，初始化信息包括從1-n的n個分布式單元，各個單元內的光伏電源的輸出功率PGi(i=1…n)、儲能裝置的輸出功率PSi(i=1…n)和就地負荷的用電功率PLi(i=1…n)。從編號1的分布式單元開始遍歷，首先判斷儲能裝置的狀態，PSi＞0則儲能裝置輸出電能，PSi＜0則儲能裝置儲存電能，PSi=0則儲能裝置不工作；其次判斷PGi+PSi與PLi的數值大小，判斷光伏電源和儲能裝置是否能夠滿足用電負荷需求。

3 基于智能建筑微電網的分布式光伏發電控制系統的設計

圖3所示為分布式光伏發電控制系統的設計示意，以兩個分布式單元為例進行說明，分布式單元1包含有光伏電源1、儲能裝置1和就地負荷1，分布式單元2包含有光伏電源2、儲能裝置2和就地負荷2。在不同的條件下，光伏電源1可以分別向就地負荷1、儲能裝置1和就地負荷2供電；儲能裝置1可以分別向就地負荷1、就地負荷2供電；同樣地，光伏電源2可以分別向就地負荷2、儲能裝置2、就地負荷1供電；儲能裝置2可以向就地負荷2、就地負荷1供電。

圖3 分布式光伏發電控制系統的設計示意

這里涉及到優先級別的問題，對于光伏電源而言，用電設備的優先級別應當是本單元內的就地負荷、其他單元內的就地負荷、儲能裝置，對于儲能裝置而言，用電設備的優先級別應當是本單元內的就地負荷、其他單元內的就地負荷。按照第2節的控制流程分別對分布式光伏發電控制系統中的各個模塊進行設計[4]。

光伏電源的輸出特性受到光照強度、環境溫度等因素的影響，對光伏電源的內部結構進行等效模擬后，可以將光伏電源等效為由直流電流源、二極管和電阻構成的數學模型，光伏電源輸出的電流分成兩部分，一部分電流流經二極管以激勵二極管導通，一部分電流流徑負載電阻并產生電壓降。

光伏電源的數學模型可以表示為

其中，IL為光伏電源的總電流，U為負荷端電壓，RL為負荷電阻，Ibk為流徑二極管的電流。

儲能裝置通常為蓄電池，蓄電池的充放電過程較為復雜，通過簡化可以將蓄電池等效為由電動勢、電阻、電容等構成的數學模型，儲能裝置的數學模型分為兩個支路，支路一包括電動勢、阻容并聯RC、過充電電阻和內阻，是儲能裝置的主反應支路；支路二由二極管構成，是儲能裝置的寄生反應支路，考慮的是儲能裝置在充電過程中的附加反應。

儲能裝置的數學模型可以表示為

其中，E為電動勢，I為負荷電流，R0為儲能裝置內阻，I1為阻容并聯RC里流過電阻的電流，R1為阻容并聯RC里的電阻，IE為負荷電流經二極管分流后的電流，R2為過充電阻。

就地負荷分為恒功率負荷、恒電流負荷與恒阻抗負荷，恒功率負荷的負荷功率恒定，恒電流負荷的負荷電流恒定，恒阻抗負荷的負荷阻抗恒定。

在對分布式光伏發電系統的各個模塊進行理論分析后，利用matlab建立系統模型并進行仿真分析，分布式光伏發電控制系統的主要控制算法如下，

if PS1＞0//檢驗分布式單元1儲能裝置的狀態，充電/放電/既不充電也不放電

while(1)

if PG1+PS1-PL1==0 //如果分布式單元1輸出電能恰好等于用電負荷所需電能

out1=0 //out1=0表示分布式單元1功率平衡

break

elseif PG1+PS1-PL1＞0 //如果分布式單元1系統輸出電能大于用電負荷所需電能

out1=1 //out1=0表示分布式單元1在向分布式單元2提供電能

break

else out1=2 //如果分布式單元1系統輸出電能小于用電負荷所需電能，out1=2表示分布式單元2在向分布式單元1提供電能 break

end

end

PS1=0、PS1＜0以及分布式單元2的電能供應情況與此類似，由于本次測試以兩個發電單元為例進行說明，因此可能存在分布式單元1功率平衡、分布式單元2供電不足的情況，此時算法輸出結果為out1=0，out2=1，即分布式單元2在接受分布式單元1提供的電能，這種輸出結果在此條件下并不符合邏輯，這種情況下的分布式單元2可能是在接受分布式光伏發電系統中其他分布式單元提供的電能，也可能是在接受公共電網提供的電能[5]。

分別設定五種情況，表1所示為不同情況下進行測試的結果，從表中可以看出，控制系統可以根據輸出結果判斷此時各個分布式光伏發電單元的功率平衡狀況。

表1 不同情況下的測試結果

4 結語

分布式光伏發電系統向著小型化與智能化的方向發展，它綠色環保、能源充足、供電可靠性高等優點也非常適合應用于智能建筑。采用分布式光伏發電系統進行供電，需要解決的主要問題就是分布式光伏發電系統電能的生產與消耗，分布式光伏發電控制系統需要保證分布式光伏發電系統的穩定運行與功率平衡，本文對該問題進行了理論分析與仿真測試，證明了設計結果的有效性與實用性。