山區型溫室群光儲混合供電系統仿真研究

任 鵬，謝永流，王玉巍，史瑞靜,3，王長云，艾則麥提?圖爾洪

（1.新疆工程學院能源工程學院，新疆 烏魯木齊 830023；2.國網三明供電公司，福建 三明 365099；3.新疆大學電氣工程學院，新疆 烏魯木齊 830046；4.新疆農業大學機電工程學院，新疆 烏魯木齊 830000；5.和田職業技術學院，新疆 和田 848000）

0 引言

伴隨著傳統能源劇烈消耗帶來的能源枯竭、溫室效應等問題日益嚴重，地球能源結構正面臨著巨大挑戰[1-2]。隨著農業種植、養殖規模的不斷發展，“五位一體”的大棚溫室群數量也在進一步擴增，導致溫室群耗電量增加。我國要大力發展綠色農業生產，降低化石等不可再生能源的消耗，實施節能減排措施[3-4]。

風、光等新能源發電技術是一種綠色、損耗少、易維護的可持續發電技術，研究可再生能源溫室群供電系統，在保證溫室群供電可靠性的同時可減少傳統能源消耗，降低農業電能損耗。范哲超等[5]建立獨立型溫室光儲供電系統，實現溫室負荷可靠供電。王立舒等[6]針對農業太陽能供電型溫室大棚提出一種最大功率跟蹤算法，實現太陽能的最大化利用。楊昌登等[7]針對太陽能供電農業物聯網進行設計，提升了農業清潔能源的有效利用。上述研究均在一定程度解決了太陽能清潔能源在農業方面的利用，但欠缺考慮太陽能發電不規律對農業負荷用電穩定性的影響。

本研究針對新疆維吾爾自治區（以下簡稱新疆）和田地區山區型溫室群，根據地區全年峰值日照時數，確定光伏系統容量和型號。考慮光伏出力的不確定性和單儲能系統供電的局限性，以蓄電池和超級電容構成混合和儲能系統平抑光伏出力帶來的溫室群用電功率波動，研究溫室群光儲混合供電系統仿真模型，對我國農業能源消耗的結構轉變具有重要的推廣價值和現實意義。

1 獨立型溫室群光儲供電系統設計

1.1 供電系統拓撲結構

本研究擬構建一種山區型溫室群光儲混合供電系統模型，針對新疆和田地區溫室群工作用電規律，設計適宜容量的光儲混合供電系統；在研究光伏系統、混合儲能系統的基礎上，采用擾動觀測法實現光伏電池的最大功率追蹤；根據儲能元件工作特性，采用二階濾波器和DC/DC 變換電路實現儲能系統的充放電控制；通過直流逆變技術將匯總到直流母線側的電能變為交流電給溫室群交流負荷供電。山區型溫室群光儲供電系統拓撲結構如圖1 所示。

圖1 山區型溫室群光儲混合供電系統拓撲結構Fig.1 Topological structure of optical storage hybrid power supply system for greenhouse group in mountainous area

1.2 供電系統設計

進行山區型溫室群光儲混合供電系統研究前，需先確定單個溫室內部各個負荷消耗功率，其內部負荷運行模式及消耗功率如表1 所示。

表1 溫室負荷運行模式及消耗功率Tab.1 Greenhouse load operation mode and power consumption

由表1 可知，單個溫室系統用電設備最大耗電功率為Pmax=3.05 kW，經統計計算得日消耗電量Er=12 kW?h。由于電能具有隨發隨用、不易儲存的特性，而光伏電池的出力規律受自然條件的影響較大，具有一定的不確定性，不能保證系統功率平衡，還需加入儲能系統引入彈性機制平抑負荷功率波動。

以新疆維吾爾自治區和田地區為例，其各月日均峰值日照時數如圖2 所示，常用光伏陣列容量乘以平均峰值日照時數估算光伏系統日均發電量。由圖2 可知，和田地區峰值日照條件隨季節的變化存在較大差異，峰值日照時數最多的是6 月，日均峰值日照時數為6.83 h；光照條件最差的是12 月，日均峰值日照時數為2.53 h；全年日照峰值為4.83 h。在配置光伏電池容量時，需考慮功率與能量兩方面平衡，由于存在儲能系統這一彈性功率調節機制，而且溫室群最大耗電功率與光伏陣列最大功率輸出難以同時出現，故本研究只考慮能量平衡。

圖2 新疆和田地區峰值日照時數Fig.2 Peak sunshine hours in Hetian Region of Xinjiang

光儲供電系統與溫室群負荷之間的能量應滿足式（1）。

式中Cpv?光伏陣列安裝容量，kW

Tpv?峰值日照時數，h

Er?日消耗電量，kW?h

由于電能具有隨發隨用、不易存儲的特性，即光伏陣列發出的多余電能無法被蓄電池和溫室群負載完全消納，為減少能量損失，以最大均峰值日照時數配置光伏陣列的安裝容量，求得Cpv≈1.76 kW，保留一定余量，實際取值Cpv＝2 kW，取溫室群規模為10，則Cpvz＝20 kW。

選取光伏電池參數如表2 所示，共需150 塊光伏電池，考慮電路元件的耐壓、耐流特性問題，將其分為15 組，每組10 塊光伏電池串聯使用。

表2 溫室群光伏系統供電單元參數Tab.2 Parameters of power supply unit of greenhouse group photovoltaic system

2 光伏陣列供電系統設計

2.1 光伏電池輸出特性曲線

根據光伏電池數學模型，建立溫室群光伏系統供電單元數學模型，單塊電池具體參數設置如表2 所示，在工作溫度25 °C，太陽光輻射強度由強至弱分別為1 200、1 000、800、600、400 W/m2時，經過相關計算獲得U-I和U-P特性曲線如圖3 所示。

圖3 光照強度變化時光伏電池輸出特性曲線Fig.3 Output characteristic curve of photovoltaic batteries with changes in light intensity

由圖3 可知，不同光強下的最大功率點電壓和電流不同，光強增加或降低，其電壓和電流也會改變，在環境條件發生改變時，總對應著一對電流與電壓使光伏電池輸出功率在當前環境條件下達到最大值，即為最大功率輸出點。

2.2 光伏電池最大功率追蹤

光伏電站大多建在光資源豐富、環境變化復雜的平原地帶，通過實時跟蹤最大工作點電壓增強光利用率，達到提高光伏系統輸出功率的目的，這一過程稱為最大功率追蹤。根據U-I、U-P特性曲線，使其運行在當前環境下最大功率點，從而實現MPPT 控制[8]。本研究采用擾動觀測法（Perturbation and Observation，P&O）實現MPPT 控制，其流程如圖4 所示。

圖4 P&O 法控制流程Fig.4 Control process of P&O method

3 混合儲能系統控制策略

采用蓄電池和超級電容組成的混合儲能系統平抑由于光伏電池不規則出力造成的系統功率波動，通過二階濾波器分配超級電容和蓄電池分別承擔的參考功率，根據各參考承擔功率計算相應的充放電電流，通過控制DC/DC 電路追蹤參考電流進而輸出參考功率，平抑功率波動。

3.1 光儲混合供電系統功率約束

溫室群光儲供電系統中，功率供需平衡約束條件如式（2）所示。

式中Pv?光伏陣列輸出功率，kW

Pba?蓄電池/超級電容輸入功率，kW

Psc?蓄電池/超級電容輸出功率，kW

Pgird?網內波動功率，kW

Pba,gird、Psc,gird?蓄電池、超級電容參考承擔功率，kW

PL?負荷需求，kW?h

SOCba、SOCsc?蓄電池、超級電容實際荷電狀態，%

SOCba,max、SOCsc,max?蓄電池、超級電容最大允許荷電狀態，%

SOCba,min、SOCsc,min?蓄電池、超級電容最低允許荷電狀態，%

若Pgird>0，儲能系統充電；Pgird<0，儲能系統放電。

混合儲能功率分配一般采用分頻控制法，采用二階濾波器劃分波動功率[9-10]。其控制框圖如圖5 所示。通過二階濾波器得到各儲能元件參考出力規律后，混合儲能系統控制策略。①蓄電池充放電控制：在功率分配策略下得到Pba,gird，根據蓄電池端電壓獲得蓄電池充放電參考電流ibaref，采用單電流環控制蓄電池充放電電流iba。②超級電容儲能系統：根據式（2）輸出Psc,gird，電流內環通過控制超級電容充放電參考電流iscref來追蹤給定Psc,gird，電壓外環控制保證直流母線電壓穩定。

圖5 混合儲能系統控制框圖Fig.5 Control block diagram of hybrid energy storage system

3.2 DC/DC 變換器設計

由圖1 可知，雙向DC-DC 變換器是儲能裝置的核心部分，通過雙向DC-DC 變換器來協調能量在直流母線、負載和儲能系統之間的雙向流動，達到穩定直流母線電壓的目的[11-12]。選用非隔離型雙向DC/DC 變換器，具有功率器件少、成本低、可靠性高等優點，拓撲結構如圖6 所示。

圖6 雙向DC/DC 變換器拓撲結構Fig.6 Topology of bi-directional DC/DC converter

分別建立雙向DC/DC 變化器在Buck 與Boost 工作模式下的狀態空間模型，選取儲能側電容電壓Uc2，直流側電容電壓Uc1和電感電流iL為狀態變量；d1、d2分別為雙向變換器Buck/Boost 模式的占空比；Udc和Us分別為直流側和儲能側電壓；Rdc和Rs分別為直流側和儲能側的等效電阻；C1和C2分別為直流側和儲能側的電容。以晶閘管是否導通、二極管是否續流，將DC/DC電路劃分為2 種工作模式。

3.2.1 Buck 模式狀態空間模型

Buck 模式下的狀態空間方程如式（3）所示。

對式（3）加入小信號擾動，在消去穩態分量和二次項分量后，其傳遞函數如式（4）所示。

3.2.2 Boost 模式狀態空間模型

Boost 工作模式與Buck 類似，Boost 模式下狀態空間方程如式（5）所示，傳遞函數如式（6）所示。

4 仿真分析

根據設計的光伏電池陣列、混合儲能系統功率協調控制策略，在Matlab/simulink 中搭建溫室群光儲混合供電系統仿真模型，并進行驗證分析，具體仿真參數如表3 所示，仿真模型如圖7 所示。設置光伏陣列工作環境（T=25 °C、S=1 000 W/m2），光照強度在3s時變為500 W/m2，初始負荷為20 kW，2 s 時增加2 kW。山區型溫室群光儲混合供電系統各模塊仿真輸出如圖8 所示，其中Ps為儲能系統輸出功率。

圖7 溫室群光儲混合供電系統仿真模型Fig.7 Simulation model of greenhouse group light storage hybrid power supply system

圖8 山區型溫室群光儲混合供電系統仿真輸出Fig.8 Simulation output of optical storage hybrid power supply system for mountain greenhouse group

表3 溫室群光儲混合供電系統仿真參數Tab.3 Parameters of greenhouse group optical storage hybrid power supply system

由圖8 可知，①0～0.15 s，溫室群系統初始負荷為20 kW，光伏系統輸出功率無法滿足溫室群負荷需求，超級電容、蓄電池在0.05 s 內輸出功率維持系統功率平衡。②0.15～2.00 s，隨著光伏電池輸出功率趨于平穩，超級電容暫停輸出功率，蓄電池穩定輸出平抑低頻波動功率。③2～3 s，光照強度不變，溫室群負荷突增2 kW，超級電容迅速輸出電能，平抑高頻功率波動，待蓄電池輸出穩定后，超級電容降低輸出功率，維持直流母線電壓穩定。④3～5 s，光照強度在3 s 時變為500 W/m2，光伏陣列輸出功率降低至10 kW，負荷不變，混合儲能系統增加輸出功率，保障溫室群負荷工作用電。

綜上，隨著光照強度和溫室群負荷的變化，儲能系統可平抑由以上因素所造成的波動功率，維持溫室群光儲混合供電系統穩定，保證系統負荷用電的可靠性。

5 結束語

針對山區型溫室群光儲混合供電系統進行建模仿真研究，以新疆和田地區山區型溫室群為研究對象。根據地區全年峰值日照時數設計并選取光伏陣列安裝容量及型號，在建立光伏電池模型的基礎上，采用擾動觀察法實現最大功率追蹤；采用二階濾波器對混合儲能系統進行功率分配，以DC/DC 電路實現能量的雙向傳遞并建立相關傳遞函數數學模型；在相關仿真軟件中搭建了山區型溫室群光儲混合供電系統仿真模型，驗證了其在溫室群負荷波動、光強變化時系統供電穩定性。結果表明仿真模型滿足溫室群負荷用電需求，驗證了仿真模型的有效性，可為后續建立硬件研究提供一定參考。