用户侧分布式光伏储能联合发电系统协调控制技术研究——毕业论文

用户侧分布式光伏储能联合发电系统协调控制技术研究摘要本文研究的重点是研究用户侧分布式光伏储能联合发电系统协调控制技术，包括提出用户侧分布式光伏/储能联合发电系统典型拓扑结构。以及研究适合家庭分布式发电用的光伏板与储能元件的最优容量配置；最后针对分布式光伏发电/储能协调并网进行研究，最后通过数学建模和运行仿真分析电网稳定性。分布式光伏发电的发展与现代电力电子技术、计算机控制技术等密切相关。掌握电力电子技术等技术变得尤为重要。同时也应注意检测技术的掌握。关键字：分布式；光伏；储能；并网；协调控制Research on the coordinated control technology of the distributed photovoltaic energy storage and power generation system in the user sideAbstract: In this paper, the focus is on the user side of the distributed photovoltaic storage can joint power coordination control technology, including the user side distributed photovoltaic / energy storage combined power generation system typical topologies are proposed in this paper.And research for the family of distributed power generation of photovoltaic panels and storage to elements of the optimal allocation of capacity. Finally for distributed photovoltaic power generation / energy storage coordination grid connection is studied. Finally, through mathematical modeling and simulation analysis the stability of power grid. The development of distributed photovoltaic power generation is closely related to modern power electronic technology and computer control technology.Master power electronics technology and other technologies become particularly important.At the same time, it should also pay attention to the detection of the master of technology.Keywords: distributed; PV; energy storage; grid connection; coordinated control目录第一章 前言11.1 课题背景11.1.1 国内外光伏发电的现状11.2 储能技术介绍21.2.1 电磁储能31.2.2 机械储能31.2.3 电化学储能41.3 本课题的研究内容4第二章 并网光伏系统建模52.1 光伏阵列建模52.1.1 光伏电池等效模型52.1.1.1单个光伏电池原理52.1.1.2 光伏电池模块原理72.1.2 光伏阵列仿真模型72.1.2.1 仿真模型结构72.1.2.2光伏电池阵列模型界面82.1.3光伏电池模型仿真测试92.2 MPPT建模122.2.1 爬山法原理122.2.2 最大功率追踪的实现142.2.2.1 boost电路原理152.2.2.2 由mppt控制的BOOST电路162.3 并网逆变器建模182.3.1 逆变器控制器设计19传统并网逆变器锁相环192.3.2 逆变器建模仿真212.4 直流升压建模232.4.1 直流升压拓扑结构及设计232.4.2逆变器控制242.4.3 模块仿真测试25第三章 光伏发电系统中储能装置接入方式263.1 铅酸蓄电池数学模型及接入方式263.1.1 铅酸蓄电池数学模型263.1.2 铅酸蓄电池的接入方式293.2 铅酸蓄电池充放电控制方法介绍293.3 铅酸蓄电池充放电仿真303.3 储能装置选择及容量配置313.3.1 储能装置选择313.3. 光伏储能中的蓄电池容量计算32第四章 系统仿真结果以及分析334.1 储能充放电仿真33第五章 结论与展望37致谢38主要参考文献39V第一章 前言1.1 课题背景如今在化石燃料越来越少的局面中光伏发电系统越来越显得重要。而储能元件的不断丰富，使得其可以逐渐克服光伏能源的不稳定性，在一定方面使不可调控的光伏发电变为可以控制的能源的新方法。分布式光伏发电遵循因地制宜、清洁高效、分散布局、就近利用的原则，可以很好的利用当地的太阳能资源代替和减少化石能源的消耗，并且相比集中式光伏电站在远距离电力传输上有效的减少了电能损耗的问题。其具有几项特点，输出功率比较小，一般为数千瓦以内。几乎零污染，环保清洁。在一定程度上能缓解局部地区的用电紧张，因为其能量密度的限制以及建筑面积有限以及受天气等因素的影响，所以不能完全解决用电紧张的问题。可以直接接入配电网，直接供用户使用，并且在闲时将电能储能，在用电高峰时段放电，实现削峰填谷的作用。但实际操作较为困难。1.1.1 国内外光伏发电的现状化石燃料的消耗终有用尽的一天，且因为燃烧所产生的废弃物给地球环境造成了极大的破坏，人类正在面临能源短缺与生存环境两大考验，各国积极寻找可替代性能源。由于太阳能的清洁与可再生性，世界各个国家已经将其公认为理想的替代能源，发达国家纷纷出台相关政策以鼓励光伏产业的发展， 2010年7月，德国联邦参议院熄过了可再生能源法光伏发电上网补贴修订案，7月1日后在德境内建造光伏发电系统补贴额减少13%，转换地区（原非电站用地改成电站用地）补贴额减少8%，其他地区补贴额减少12%。到2010年10月1日，补贴额将在7月1日的基础上再减少3%。其补贴逐渐递减的政策，清晰地传荙了德国政府逐步放手，试探并鼓励光伏产业降低成本、自主发展的意图。追求，为此对于高审美度集成系统，其补贴政策高荙60.2美元ct/kwh的补贴额，相信这项补贴很有可能将催化衍生出一批相对精致的光伏应用产品。2010年8月为例支持可再生能源的利用与二氧化碳的减排，日本经产省拟对其国内可再生能源发电实行全部售后制度。全部收购制度不仅拟逐步扩大收购对象，由太阳能发电扩大其他可再生能源所发电力，而且将惠及企业。针对太阳能发电的全部收购制度拟从2011年开始实施，其他可再生能源发端的全部收购拟在2015年至2020年期间实施。2009年12月，印度政府提出的“尼赫鲁国家太阳能任务”目标在2022年前透过阶段性发展，将国内光伏发电量提升到20GW。截至2013年3月底的第一阶段目标包括，电网系统发电厂荙到1.1GW发电量、屋顶光伏系统发电量1亿瓦，而非电网系统的光伏发电量则荙到2亿瓦。针对我国而言，2014年2月11日，国家能源局宣布，2014年中国将新增光伏发电装机1400万千瓦，其中分布式光伏发电8GW占比60%。为支持国内光伏产业发展，推进光伏发电项目规范有序建设，国家能源局自2014年起对光伏发电项目实施规模管理。纳入规模管理范围内的光伏发电项目实行全电量国家补贴、并可申请市级奖励资金；不需要国家补贴和市级奖励资金的项目不纳入规模管理范围，也不受年度规模限制。依照可再生能源和新能源发展专项资金扶持办法进行规范化操作。1.2 储能技术介绍一般来说，储能技术可分为三大类：电磁储能、机械储能、化学储能。电磁储能包括超导线圈和超级电容器等；机械储能有水库抽水蓄能、压缩空气储能和飞轮储能；电化学储能有铅酸储能、锂离子和液流电池储能等。1.2.1 电磁储能超导储能(SMES)采用超导体材料制成线圈,利用电流流过线圈产生的电磁场来储存电能,由于超导线圈的电阻为零,电能储存在线圈中几乎无损耗,储能效率高达95%。超导储能装置结构简单;没有旋转机械部件和动密封问题,因此设备寿命较长;储能密度高,可做成较大功率的系统;响应速度快(1100ms),调节电压和频率快速且容易。不过,目前的超导材料,特别是高温超导材料的技术还不成熟,关键技术还有待于突破。电容储能用电荷的方式将电能直接储存在电容器的极板上,充放电快,能量密度高。由于一般的电容器的容量比较小,作为储能器件以前只能用于间断性的高压脉冲电源。超级电容器是一种双电层电容器,采用极高的介电常数的电介质,而且两电荷层的距离非常小(0.5mm以下);采用特殊的电极结构,电极表面积成万倍的增加,因此可以用较小体积制成大容量电容器,电容器的容量从微法拉级向法拉级飞跃,储能大幅度增强,最大放电量4002000A。超级电容器系列产品在能源领域具有广泛的应用前景, 目前超级电容器主要用于改善电能质量,或者与其他储能装置联合使用(如和蓄电池联合使用用于电动汽车)。超级电容器的电介质耐压很低, 一般仅有几伏, 在实际使用中必须将多个电容器串联使用, 这就要求增加充放电的控制回路, 使每个电容器都工作在最佳工况下。1.2.2 机械储能1、抽水储能抽水储能是在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库，将电能转化成重力势能储存起来，在电网负荷高峰期释放上池水库中的水发电。抽水储能的释放时间可以从几个小时到几天，综合效率在70%85%之间，主要用于电力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用等。抽水蓄能电站的建设受地形制约，当电站距离用电区域较远时输电损耗较大。2、压缩空气储能压缩空气技术在电网低负荷运行时期可将电能用来压缩空气，将能量贮存在被压缩的空气中，而被压缩的空气可以贮存在一些气罐中，在电网高负荷运行时期释放能量，从而起到电力调峰，但其会受到电站地形的制约，选厂比较复杂和严格。3、飞轮储能飞轮蓄能利用电动机带动飞轮高速旋转通过飞轮将电能转化为机械能，在电网急需用电时候通过飞轮带动电动机再将机械能转化为电能，但其缺点也显而易见，整个系统对机械损耗的要求什么严格，只有在真空中，并且无摩擦，无风阻的环境中才考虑运用此方法。并且其保存的能量有限，相对于飞轮的质量比，其性能与价格过于昂贵。1.2.3 电化学储能电化学储能包括铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等。液流电池具有大规模储能的潜力，但目前使用最广泛的还是铅酸电池。1.3 本课题的研究内容本课题的内容安排以及研究工作：1、设计研究用户侧分布式光伏/储能联合发电系统典型拓扑结构。首先设计储能联合发电系统典型拓扑结构中的研究是为了进一步的解决由于光伏系统受天气因素的影响，在阳光照射条件不好时系统出力明显降低，对于离网型光伏发电系统会造成供电的不稳定甚至断电。2、研究光伏发电容量与储能器件容量配置并作出合理分析；3、针对分布式光伏发电/储能协调并网进行建模和运行仿真分析；运用MATLAB中的SIMULINK的仿真技术，对研究得出的拓扑结构和容量配置进行仿真并对其进行更深一步的分析。第二章 并网光伏系统建模2.1 光伏阵列建模光伏太阳能电池是整个发电系统的基础，其好坏直接影响着整个系统运行。分析PV的I-V、P-U特性受太阳光照强度、工作温度以及内部电池的PN结参数影响而呈现的非线性关系。2.1.1 光伏电池等效模型由于单个光伏板的输出电流、电压比较小，通常可以将其进行串联、并联以满足需要，我们将其称为光伏阵列。一般来说，光伏阵列可以分为三个层次，由外到内分别为：光伏电池阵列、光伏电池模块、单光伏电池。而我们所设计的只有两层，及光伏电池模块与单光伏电池。如下图所示。2.1.1.1单个光伏电池原理目前采用光伏电池模型主要有两种，即物理等效和工程实用模型。物理等效模型是对光伏电物理特性的建模，下图是理想光伏电池的等效电路图，其中包含一个二极管还有一部分内阻。图2-1 理想光伏等效图工程实用模型是利用光伏电池供应商提供的重要参数：光伏电池短路电流Isc、光伏电池开路电压Voc、最大功率点电流Im、最大功率点电压Vm和最大功率Pm等，模拟光伏阵列的特性，用于计算机仿真。本文采用图2-2所示的电路图建立光伏电池的仿真模型。电路中的参数有Iphc、Idic、Rsr、Rsh，各参数的含义如下：1、光生电流Iphc：光电效应产生的电流。光照强度一定时Iphc不随工作状态改变而改变，可视其为一个恒流源。2、反向电流Idic：光伏电池PN结上产生的电流，方向与光生电流相反。3、并联损耗电阻Rsh：由于制造工艺的因素，光伏电池的边缘和金属电极在制作时会产生微小裂痕、划痕，引起漏电，引入一个电阻来等效。光生电流Iphc值由下式确定： Iphc=Iscr+CTgTcell-TrefGGref (2-1)Iscr为参考条件小所得的短路电流；Tcell为光伏电池的相对温度；G表示光照强度；CTg为光伏电池的短路电流温度系数（A/K）；参考条件为Tcell=25和G=1000W/m2反向电流确定Idic值由下式确定：Idic=IosexpqVxckDiTcell-1 (2-2)其中k为玻尔兹曼常数其值为1.3810-23J/K。反向电流的饱和随温度的变化而变化，其与温度的关系如下：Ios=IosrTcellTref3exp1Tref-1TcellqEbgkDi (2-3)其中Iosr为参考温度下的饱和电流；Ebg是半导体材料的禁带宽度； 2.1.1.2 光伏电池模块原理单个光伏电池模块的等效电路与单光伏电池结构上相似，如图2-2所示。 图2-2 实际光伏电池的等效电路通过计算得到的单个光伏电池的光生电流和二极管反向电流后，光伏电池模块的光生电流Iphm和二极管反向电流Idim可根据其包含的并联电池数量按照式子计算：Iphm=NcplIphc (2-4)Idim=NcplIdic (2-5)2.1.2 光伏阵列仿真模型2.1.2.1 仿真模型结构MATLAB/SIMULINK仿真平台中可根据光伏阵列的数学模型进行搭建。其外部结构和内部结构如图所示。T代表光伏电池的工作温度，S代表光伏电池的输入光照强度，Vpv是光伏电池的工作电压，Ipv是光伏电池的流出电流。图2-3光伏仿真结构图2.1.2.2光伏电池阵列模型界面如下图2-5所示s1代表输入光照强度，T代表输入工作温度也就是光伏板的温度，in代表输入工作电压。P代表光伏电池输出功率值，接显示器可以显示出实时光伏电池的输出功率。在此，我们为了增大光伏电池的输出功率，将其设计为光伏电池并联的模型。图2-5 光伏电池模块光伏电池的内部模型如图2-6所示。因为其只产生一个电流进行输出，我们需要通过恒流电源变换对其进行变换，并返回工作电压，得出光伏电池板在一定光照和一定温度下的工作电压。图2-6 光伏电池内部模型2.1.3光伏电池模型仿真测试为了测试光伏电池阵列模型的I-U、P-U特性，设计如图所示的仿真电路。其中在光照强度和温度一定的条件下，电流和功率随输出电压的变化而变化，我们将其进行图像化。图2-7 PV测试模型可以得到如下图2-8所示。图所示横轴代表工作电压，纵轴代表输出电流，在25摄氏度和1000w/m2光照条件下电流随着电压的升高开始是平稳不变的，当电压达到最大功率电压时电流开始下降。图2-8 PV测试模型电压和输出电流下图2-9是输出功率P随着电压V的变化图，当电压达到最大功率电压值时，功率达到最大，此后，功率会随着电压的升高而降低。图2-8 PV测试模型电压和输出功率当改变光照强度后，温度不变，进行仿真测试，得到以下仿真图形。如图2-9所示，得出在一定温度条件不变下，光照强度越强其输出的功率和电流越大。其输出的最大电流和最大功率就越大。图2-9随光照强度变化的电流、功率与电压对比图当改变温度条件，而光照不变时，进行仿真测试，得到以下图形。如图2-10所示，得出在一定光照条件不变的情况下，温度越高其输出的功率和电流越小。其输出的最大功率和最大电流也就越小。图2-10随温度变化的电流、功率与电压对比图2.2 MPPT建模首先，我们来了解什么是MPPT，Maximum Power Point Tracking最大功率点跟踪，顾名思义，它能够实时的侦测光伏电池的发电电压，并跟踪最高电压的电流值，使光伏电池以最大功率输出对蓄电池充电。应用于光伏发电系统中。目前，较为主流的最大功率跟踪的算法主要有扰动观察法、爬山法、电导增量法、二次插值法以及自适应模糊控制法。在仿真中我们采用的是 “爬山法”。2.2.1 爬山法原理爬山法属于扰动观察法，也是最常用的最大功率点跟踪(MPPT)控制法。它采用逐点检测太阳阵列的当前输出电压与电流值，将计算出的当前功率 P1(P1=I*U)与系统前一时刻 存储的功率值 P相比较，根据比较结果确定参考电压的调整方向。具体的调整方案为：令 P=P1-P为当前输出功率 与前一次功率之差。如果：(1)PO，即功率比上一次有所增大，说明参考电压的调整方向正确，继续按原来的方向调整；(2)PO，下同)，有两种情况。(1)若P1P，由太阳能电池的P-U曲线单峰性及电压调整步长U的值较小 (为了保证系统跟踪精度，U通常选在 0.10.01伏)这两点可知，工作点位于最大功率点Pmax的左侧，系统应继续原来的扰动方式： U2=U1+U，其中U2为第二次调整后的电压值，如图 所示；(2)若P1P，说明工作点位于最大功率点 Pmax的右侧， 系统需继续原来的扰动方式：U2=U-U，如图 2-13所示； (2)若 P1P，工作点位于最大功率点Pmax的左侧，系统须改变原来的扰动方式，变为：U2=U1+U，如图 2-14所示。如此反复，直到工作点接近 Pmax，爬山法实质是一个自寻优过程，它的控制原则是：参考电压的变化始终是让电池输出功率朝大的方向改变。图2-11 增大电压后需要继续原来扰动方式的 图2-12 增大电压后需改变扰动方式的情形图2-13 减小电压后需继续原来扰动方式 图2-14 减小电压后改变扰动方式情形2.2.2 最大功率追踪的实现根据上述所述，最大功率追踪的实现是通过控制光伏电池端电压来控制最大功率输出。我选用BOOST升压电路对其进行控制，当然也可以利用BUCK电路对其进行控制，但是由于单个光伏电池输出的电压太小，一般用BOOST升压电路进行控制。按照图2-15所示的结构构件最大功率点追踪。MPPT模块采集的是输出电压和输出电流，输出的是PWM信号，控制BOOST电路。图2-15 光伏电池经MPPT控制电路2.2.2.1 boost电路原理如图2-16所示为boost升压电路的拓扑结构。图2-16 Boost升压电路结构其中可以简单认为电感L和电容C够大，当开关断开时，由电感L向电容C充电，由电容C向负载提供输出，由于电容足够大，开关时间很短暂，可以认为输出的电压Vout恒定。设开通时间为Ton,由于电感足够大，电感电流iL基本恒定，电感生的储能容量可以通过以下公式计算：ELin=ViniLTon (2-6)当关断状态时，有输入端和电感L一起向电容充电，同时向负载供电。该过程中的能量计算为：Eout=Vout-ViniLToff (2-7)当电路处于稳定状态时，其电感储存的能量和释放的能量是相等的。ViniLTon=Vout-ViniLToff (2-8)进一步可得出：VinVout=1-D (2-9)D位占空比：D=TonTon+Toff 0D-IU 或 dU=0，dI0 UUmp;U=U+U (2-12)dIdU-IU 或 dU=0，dIUmp;U=U-U (2-13)根据上述扰动观察法原理，搭建MPPT的控制图。如图所示。图2-18 MPPT控制图2.3 并网逆变器建模逆变器的作用是用于光伏并网，其可分为电压型逆变电路和电流型逆变电路，即直流侧时电压源还是电流源，单相逆变电路又有单相半桥和单相全桥。如图所示。图2-19 电压型单相半桥逆变电路 图2-20 电压型单相全桥逆变电路我们所采用的是电压型单相全桥逆变电路。其具有以下特点，（1）直流侧为电压源或者并联大电容，因此直流侧基本无变化，直流贿赂呈现低阻抗；（2）由于直流侧的电压源的钳位作用，交流侧输出电压为矩形波，与负载阻抗无关；负载影响的只是交流侧输出电流；（3）当交流侧为阻感负载时需提供无功功率，直流侧电容器缓冲无功作用。2.3.1 逆变器控制器设计传统并网逆变器锁相环逆变器的控制模式有电流型控制和电压型控制，且逆变器是不能对PCC电压进行调节的。本次仿真采用的是桥侧电感电流控制方案。其控制系统框图和复频域等效电路如图所示。图2-21控制系统框图图2-22 复频域等效电路由上图可得到：P=EI1CZcos+90-E2Zcos (2-14)Q=EI1CZsin+90-E2Zsin (2-15)I1位桥侧电感电流有效值；Z为L1之后、电网连接点之前的等效传输阻抗：Z=R22+(L2-1C)2 (2-16)=tan-1L2-1CR2 (2-17)输送到电网的有功功率和无功功率孩由逆变器铝箔电感L1电流的幅值与相位决定的，通过控制L1电流的幅值与相位即可控制逆变器输送给电网的有功功率和无功功率。通过同步电路和乘法电路获得与电网电压同频同相位的并网电流指令信号ig*，与实际检测的并网电流ig比较后获得偏差ig作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器得到开关需要的PWM信号，从而控制并网电流。由于开关频率远远大于工频，在一个开关周期可以认为电网电压ug和给定电流ig稳定不变，设滞环宽度H，当VT1和VT4导通时有Udc-Ug=Ldigdt （2-18）根据滞环比较的条件可以得到开通时间为：Ton=2Hdigdt=2HLUdc-ug （2-19）同理得关断时间为：Toff=2HLUdc+ug （2-20）由上式可以得开关频率fs为：fs=Udc2-ug24HLUdc （2-21）2.3.2 逆变器建模仿真单相逆变仿真整体框图模块测试。整体框图和内部子模块如图2-23所示。图2-23 并网逆变器图2-24 并网逆控制系统由子模块对并网进行仿真，400V直流电压源通过全桥逆变器，逆变为电压为220V频率50HZ的交流电，且电流跟随电压的相位。单也应考虑以下几点要素：（1） 接入点电压光伏并网逆变器不可以调节公共接入点的电压（Point of Common Coupling,PCC），光伏逆变器并网的电压范围为193V242V。超出这个范围，光伏逆变器必须从电网切除。（2） 电网频率并网时的频率范围应为49.3HZ50.3HZ，当超出这个范围后，光伏逆变器必须从电网切除。（3） 电压闪变并入电网时造成的PCC电压波动不能超过电网电压的5%。（4） 谐波并网逆变器的并网电流谐波应符合IEEE Std 519-1992标准的规定，谐波次数h（奇次）h1111h1717h2323h35总谐波畸变率（THD）百分比/(%)4.02.01.50.60.35.0(5)功率因数在输出功率超过10%额定功率的情况下，光伏系统的功率因数应高于85%。进行并网仿真测试测试条件：直流电压400V 电流给定20A 仿真时间 0.3S图2-25仿真电流波形 图2-26 仿真电流与电网电压波形 如图2-25所示为电流波形，如图2-26所示为电压与电流波形，电流实现了跟随电压相位，电压幅值以及波形满足并网要求，电流幅值为20A也满足要求。这表明并网模块测试基本成功。可以实现400V并网。2.4 直流升压建模由于光伏电池输出电压有限，而为了结合并网模块的使用，需设计一个由BOOST升压电路后的光伏电池低电压升压到400V直流电压，从而符合并网需要。2.4.1 直流升压拓扑结构及设计拓扑结构如下图所示。起始端接入经MPPT模块控制的BOOST升压电路，经过闭环逆变控制，逆变为幅值为12V左右的交流电，经过变压器升压后变为幅值为400V的交流电，最后经过不控整流从而实现将低电压的直流电变为400V的直流电。图2-27升压电路2.4.2逆变器控制随着光照强度和电池板温度的改变，输出的电压会有一定的改变，如要将其稳定的升压至400V就需要将逆变器进行闭环控制，本次仿真采用的是电流和电压双闭环控制的逆变器。具体仿真拓扑如下图所示。图2-28 升压电路中逆变电路闭环控制频率采用1000HZ，实时采集逆变后的电流与经电压外环比较后的PI后构成电流内环，实时采集逆变后的电压与给定进行比较构成电压外环。从而实现对逆变器的控制。但在闭环的同时，本次仿真采用了开环设计，采用直接供给脉冲。只要保持电压在400V以上便可以满足并网条件。设置开关频率5000HZ，变压器变比为10/400V，后端采用不控整流从而实现将低压直流变为400V以上直流。2.4.3 模块仿真测试测试条件：测试模型如下图所示。电池模型参数如下图所示。图2-29 升压电路测试逆变电压给定：12V。开关频率5000HZ。变压器变比12.4/400V。容量1000VA。频率50HZ。仿真波形如下图所示。 图2-30 经逆变器输出的电压波形 图2-31 变压器升压后与不控整流后的电压波形如上图结果所示，可以实现闭环升压至400V。可以基本实现逆变升压再整流的功能。且波形效果很好。第三章 光伏发电系统中储能装置接入方式储能是分布式光伏发电系统的重要组成部分，其对系统能量的稳定、便于管理及对系统的安全与可靠有着很重要的作用。本章节介绍铅酸蓄电池的数学模型和电池作为分布式光伏发电储能装置的接入方式以及设计相应的充电机制，并对其进行仿真。3.1 铅酸蓄电池数学模型及接入方式3.1.1 铅酸蓄电池数学模型蓄电池充放电过程是化学能和电能相互转化的过程。蓄电池外接负载后便会有电流流过。根据如下反应方程式进行化学反应放电。负极 Pb+SO42-PbSO4+2e- （3-1）正极 PbO2+4H+SO42-+2e-PbSO4+2H2O （3-2）将正负极反应想家后，可以得到总反应方程式：PbO2+2H2SO4+Pb2PbSO4+2H2O （3-3）铅酸蓄电池充电时的反应是放电时的逆反应，那么可以得出通过检测蓄电池的端电压从而确定蓄电池的容量。以下是仿真测定充放电时蓄电池的端电压。图3-1蓄电池放电过程端电压随时间的变化 图3-2蓄电池充电过程端电压从放电图中可以看出放电时端电压是不断变化的。开始时电压下降比较快，这是因为极板微孔内形成的水分骤增，使硫酸浓度骤减。之后放电端电压比较平稳是由于极板微孔中水分生成与极板外的高浓度硫酸的渗入维持了动态平衡。我们将之称为放电平台。放电末期时极板上的活性物质已大部分转化为硫酸铅，它阻挡了硫酸的渗入，电压下降比较迅速，放电应当停止。而此时的电池端电压为放电终止电压，若继续放电，会损坏电池。从充电图中可以看到充电时端电压也是不断变化的。开始时电池端电压快速升高时由于活性物质转化为PbO2和Pb时，极板活性物质微孔内形成的硫酸来不及向外扩散，引起电视升高。之后端电压升高较为平缓是由于微孔内形成的硫酸向外扩散与硫酸增加的速度趋于动态平衡。到了充电后期时，电压急剧升高是由于基板上的硫酸铅已大部分转化为PbO2和Pb。若继续充电，则电压升高，导致电解水生成氢和氧。若继续充电则此时充电电流则会生成更多的氢气和氧气，此时电池已充满电。应停止充电，电压立即骤降并稳定。如图3-3所示是简单的铅酸蓄电池的数学模型。电容是根据电池容量和蓄电池充满电和全放电时的电压决定的。电阻代表蓄电池内阻。图3-3 简单的蓄电池模型而本次仿真我们所采用的是基于MATLAB中自带的模型。如图所示。 图3-4 电池模型及电池参数3.1.2 铅酸蓄电池的接入方式光伏发电系统可分为分布式光伏发电和集中式光伏发电系统。前者容量较小，分散接入电网，通常与负载直接相连。本次仿真只介绍分布式光伏发电系统。接入电网的方式有直流侧接入和交流侧接入方式。本次仿真采用的是前者。蓄电池经DC-DC变换器接于光伏电池端，其结构简单且需要用到的设备较少。如图3-5所示。图3-5 蓄电池接入结构图3.2 铅酸蓄电池充放电控制方法介绍1.涓流充电模式（PURL）：当电池电压低于一个放电阀值时，此电池已经被深度放电或含有短路电池节。在这个情况下，充电以极低的涓流电流开始。针对12V蓄电池，涓流充电模式阈值电压为10.5V。2.MPPT充电模式：在这个阶段，充电器对电池进行快速充电，针对12V铅酸蓄电池，MPPT充电模式下阈值电压到14.25V进入过充电模式3.过充电模式（OCP）：这个模式的作用是在尽可能短的时间内恢复满容量，同时避免过度充电。针对12V铅酸蓄电池，过充电模式充电电压恒定为15V，在恒压15V的充电状态下，充电电流会不断减小，当充电电流小到一定程度时（此阈值电流根据蓄电池容量有所变化），认为电池充满，进入下个状态：浮动充电模式。4.浮动充电状态：在这个状态期间，电池电压被保持在一定电压以保持电池电量防止自放电。充电器保持浮动电压，电池将保持在浮动状态。直到电池电压由于放电下降到浮动电压的90% 以下，返回到MPPT充电模式。针对12V蓄电池，浮动充电模式恒压13.5V，到电压再次降至12V以下时，返回MPPT模式。3.3 铅酸蓄电池充放电仿真蓄电池直接并网仿真如图所示，仿真参数：铅酸蓄电池12v，并网端无负载。图3-4 蓄电池并网如图所示，是经全桥逆变后得到的幅值为12V的交流电。后由变压器升压升至400V再经过不控整流桥将其变为400V直流电。完成DC-AC-DC之间的变换，波形如图所示。图3-6 仿真波形由400V经过并网逆变器并入电网，或者直接供给负载。使其电流跟随电压相位，如图所示，电压幅值311V，电流20A。从图中可以观测出，电流很好的跟随了电压的相位，实现了蓄电池并网或直接供给负载。图3-6 并网波形3.3 储能装置选择及容量配置3.3.1 储能装置选择一般蓄电池有三种可供选择，铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、锂电池。分布式光伏发电系统中的储能装置选择需符合地理环境条件和使用特点。不同的蓄电池容量各有不同，从5-720小时率等。其放电深度也各不相同。我国目前家用系统中电池只进行20%-30%的放电。根据条件、要求以及标准的不同，选择也很多样化。根据我国光伏发电系统特点，蓄电池应满足一下基本技术性能要求：（1） 太阳能发电中的蓄电池应为循环应用的蓄电池，循环放电深度为50%，循环寿命应在1000次以上。（2） 蓄电池工作环境温度应符合我国大部分地区温度范围内，-10-40，湿度为90%。在-10时按10小时率放电，要求放出实际容量的80%以上。（3） 若出现过放电状态，要求蓄电池100%放电至0%，搁置120h后，充电可恢复到实际容量的95%以上。（4） 蓄电池应有防爆、阻燃、抗震的要求。从电池的发展程度，以及性价比角度出发，我们选择铅酸蓄电池。将其作为分布式光伏发电系统的储能装置。但是蓄电池也有最大的放电电流和3.3. 光伏储能中的蓄电池容量计算为光伏发电系统选择蓄电池，需考虑电压电流特性、电气性能以及成本、尺寸、质量、寿命、维护性、安全性、再利用性等特点。但本次仿真我们只需考虑其充放电深度和其容量配置问题。以及与光伏电池板容量的协调问题。当然，若要设计蓄电池容量的问题，我们还需要考虑到供给家用负载的功率，以及工作时间。根据以下公式我们可以算出蓄电池的容量配置。=1天消耗的电能没有日照的天数衰减率放电深度放电终止电压Ah （3-4）针对此次仿真，我们无法确定供给负载的功率以及工作时间，所以，饿哦们用以个实例来进一步说明：设计一套太阳能路灯，功率为30W，每天工作6h，工作电压为12V，蓄电池维持天数取5天，也就是没有日照的天数取5天，衰减率取0.8，根据上式我们可以求出。选用12V蓄电池，设计放电深度为50%，蓄电池容量计算为：C=30650.80.512=187.5Ah （3-5）针对以上实例，我们可以计算出仿真所需的铅酸蓄电池容量，在这里我们取200Ah。储能系统的优劣会直接影响整个光伏发电系统的运行，因此，合理的设计确定储能系统是光伏发电系统中的重要步骤。第四章 系统仿真结果以及分析4.1 储能充放电仿真图4-1 整体仿真图整体仿真图如图所示。仿真参数设置如下。光伏阵列MPPT储能装置DC-AC-DC升压并网逆变器光伏板*4光照1000温度25扰动步长0.001铅酸蓄电池12V 容量200Ah、50%电量剩余逆变器给定12变压器变比12/400V全桥逆变锁相环控制桥侧电感电流仿真时间0.08s根据上述参数，得出以下波形。图4-2 光伏阵列输出功率 图4-3 蓄电池充电功率如图4-2所示为光伏阵列输出的功率，可以从图中看出随MPPT控制，到达最大功率点后趋于稳定，若将步长调大，那么在最大功率点附近会产生比较大的摆动，不利于稳定。所以我们选取步长为0.001，如图4-3所示为经MPPT控制后的向蓄电池注入的功率，在图中会有比较大的谐波是由于在蓄电池两端并联了电容的效果，并联电容虽然会破坏波形，但是可以很好的防止瞬间的大电流将蓄电池损坏，起到一个抑制缓冲的作用。与此同时，我们来观察一下蓄电池的状态，如下图所示图4-4 SOC状态 图4-5 蓄电池端电压图4-6 蓄电池输出电流从上面图形可以观察出，SOC即电池剩余电量和电池容量之比上升、电池端电压也在逐步上升，蓄电池电流稳定，由此表明蓄电池处于充电状态。接入并网时，我们可以测出其DC-AC-DC模块中逆变的波形、经升压变压器后的波形以及不控整流的波形比对。图4-7 经逆变器后电压波形 图4-8经升压变压器后的电压波形图4-9 不控整流后的电压波形观察上图，我们不难发现，经逆变器电流环电压环控制的波形在第一个尖峰有点畸变，这是由于电流内环在第一个尖峰之前达到饱和不起作用，表现在图中会产生一点畸变，经过不控整流桥后实现40