【光储充一体化充电站系统设计与实现9700字（论文）】

光储充一体化充电站系统设计与实现目录TOC\o"1-2"\h\u11775光储充一体化充电站系统 123418第一章绪论 1193291.1研究背景及意义 1325031.2光储充一体化国内外研究现状与发展趋势 2212801.3论文的主要工作 424440第二章光储充一体化的理论分析 5252612.1光伏电池的数学模型 5225982.2光伏发电的工作原理 6209932.3储能装置的工作原理 732432.4能量管理系统 8324622.5本章小结 913557第三章光储充一体化关键技术分析 10215033.1最大功率点控制技术 10155693.2电池储能技术 15207933.3本章小结 161365第四章光储充一体化充电站仿真分析 17151574.1光伏发电系统仿真 17287774.2电池储能系统仿真 2492224.3本章小结 2818546第五章结论 2912946(1)光伏单元的设计 2928275(2)储能单元的设计 292754(3)逆变器模块的设计 2918932(4)仿真与实验 29第一章绪论1.1研究背景及意义工业文明的发展脚步不断向前，伴随而来的除了经济上的繁荣以及工业技术的快速发展，还有不断恶劣的环境和日渐崩塌的自然生态。随着环境污染加剧，空气污染问题日益突出，电动汽车作为“绿色”出行工具，保有量不断增长。相关数据显示未来五年内电动汽车销量将持续增长[a]。由于电动汽车充电的双侧随机性和不可控性，若大规模分散地接入电网，不利于电网运行的经济性和稳定性，严重时会造成重大的经济损失。作为一次大胆的创新，光储充一体化充电站改善了的充电负荷的无规律性[b]。在光储充一体化系统中，光伏单元是主要供电电源，能量储存系统作为备用电源，光照强时储存电能，光照不足时从能量储存处放电，向电动汽车等负荷供给电力。能量存储系统能减轻光伏电能质量的随机性和波动性对整个系统操作的影响。优先使用光伏系统和能源储存系统对电动汽车施加负荷进行充电，实现系统孤岛运行时的自给自足，避免了电动汽车负荷直接接入大电网充电对电力系统造成强烈冲击。系统也可在并网条件下与公共电网智能互动，不仅增加了新能源的消费，还可以利用能源储存系统来削减山峰填埋山谷，节约增加配电容量的费用[c]。光储充一体化系统实现了以光伏、储能、智能充电相互协调支撑的绿色运行模式，具有很大的发展潜力目前，光储充一体化充电站主要涉及的技术有：在最大功率点跟踪技术中，一般使用的电导增量、摄动观察、恒CVT法等。此外是储能技术，能量储存技术分为物理储存能量、电化学储存能量、电磁储存能量等，当中常用的有锂电池储能、铅酸电池储能以及超级电容储能等。近年来，我国的光储充一体化充电站投资规模快速持续增长。光储充一体化的充电站项目在各大城市投入使用，创造了电力行业新的经济效益增长。这种高效的集成模式将逐步向三四线城市和偏远地区延伸，作为微网系统应用于商业楼宇和智能化居民小区[d]。本课题的最大功率点追踪技术选用的是几项常用技术中的扰动观察法，该技术中太阳能电池的输出电压可以稳定地跟随光强的变化[e]，且在最大功率点的振荡幅度以及功率损失都小。储能技术选择蓄电池储能，有安全可靠，性能价格比高，一致性好等特点。从综合性能而言，蓄电池也有很大的优势。能量管理策略选择并网运行，系统的发电量在电路中径直并到电网上去，使整个过程中清洁能源的并网发电过程能够得到保证，并且使得光伏发电数据当中的电峰值功率能够得到平抑，就最终可以达到预期的频率、电压等各项数值。1.2光储充一体化国内外研究现状与发展趋势1.2.1国外光伏发电的发展现状光伏发电兴起已经超过十年，刚刚兴起时，在全世界形成网络的太阳能发电的总装机量在一吉瓦左右，那时预计到2020年全世界的组装机总量为四十多吉瓦，然而仅2016年，全世界太阳能发电设备的容量新增加的就有六十多吉瓦。近些年来，全世界太阳能电池的生产量据统计平均每年增加高达近四成。2004年里的全球生产总量这一项指标更是高达一千兆瓦之多。在本世纪光伏发电得到兴起以来，发达国家们相继制定了包括太阳能电池在内的能源开发计划以及相关的能源策略，而众多发展中国家也在新能源技术方面努力提高自己的技术水平。太阳能电池的研究和生产在全世界都大规模地扩大着。未来太阳能技术的发展，对未来的国际局势走向有很大的影响。[f]1.2.2国内电池储能的发展现状目前中国的光伏发电发张还处于尝新阶段[g]，我国的光伏发电市场主要分布在农村及边远地区的基础建设上，例如各类太阳能灯光、太阳能通讯设备以上太阳能的工业应用，目前我国在光伏发电的主要难题就是成本太高。在政府的扶持下，我国光伏产业的发展状况不断改善。目前我国的光伏产业前景较为乐观，有很大的发展空间。我国政府出台了许多新能源政策，并且着手扶持鼓励新能源产业的发展，受惠于这些政策，光伏产业的成本渐渐下降，产业发展走上绿道。2019年中国上半年光伏发电设备容量七百多万千瓦，同比增长1.3倍。下半年容量超过一千万千瓦，与同期相比增加了近4成。中国致力于光伏发电的长远发展，制定了许多中长期发展策略。按照计划，我国传统化石能源的使用会逐年减少，并且逐年提高可再生能源的消费比重。计划到二十一世纪中叶的时候，我国的太阳能发电机设备容量达到两千吉瓦的指标，设备年发电量达到两千六百亿千瓦时的指标，占比能够超过全国总发电量的大概四分之一。随着工业水平的不断提高以及现代技术快速进步，光伏发电技术中的能量转换效率渐渐提高，因此工业成本大幅度下降，光伏发电的价格会比正常电价要来得一定程度的低。总而言之，光伏行业还有一些难题需要攻克，但大体上中国光伏产业总体发展轨道积极乐观。当前国家能源局已经制定太阳能发电“十三五”规划，带来了更大更多的财政补贴，推动太阳能产业的技术发展以及水平提高，伴着大量的补贴策略以及大力的鼓励扶持，这无疑是我国光伏产业发展路上所正在经历的一个关键黄金上升期。1.3论文的主要工作本文主要研究学习了光伏发电的原理、光伏系统的建立、能系统的建立最大功率点跟踪技术以及逆变器控制技术的原理储。通过学习PSCAD仿真软件，对光储充一体化充电站进行仿真建模，实现电站的基本功能，并进行一定程度的拓展分析。

第二章光储充一体化的理论分析2.1光伏电池的数学模型图2-1所示的是光伏电池的等效电路，该等效电路主要包括有一个电流源、两个电阻：分流电阻Rsh、串联电Rsr以及一个反并联二极管，I和U分别是光伏电池的输出电流以及光伏电池的输出电压，参考方向如图，另外有三个电流值，Isc是光电流，Id和Ish分别是是二极管电流以及分流电阻电流[1]。图2-1光伏电池等效电路在图1中，根据基尔霍夫电流定律： （1） 替换得（2）其中，Isc由光照强度G以及光伏电池表面温度Tc所共同求得，表达式为（3）IscR—在额定光照GR与额定温度TcR下(GR=1kW/m2，TcR=25℃)光伏电池的短路电流；αT—太阳光照下的电流变化温度系数(A/℃)。而式(2)中Io为太阳能电池暗电流，可表示为（4）式（4）中：IoR—额定温度下的太阳能电池暗电流；Q—充电电荷量，通常为1.60e－19；k—波兹曼常数，通常为1.38e－23；n—二极管理想因子，如晶体硅太阳能电池可设为1.3；eg—光伏电池能带间隙；均可在测量太阳能电池I-U曲线中当求得以上常数。2.2光伏发电的工作原理光伏发电系统由光伏阵列，逆变器及其控制系统，滤波电路及隔离升压电路组成，如图2-2所示[2]。光伏阵列是由单个的太阳能板串并联组成的，把太阳能转变成电能输出。逆变器是由相关的电力电子开关器件组成的，把从光伏阵列输出的直流电逆变为符合电网要求的交流电，再经过滤波以及相关的处理输送到电网。在整个过程中还需要追踪光伏阵列的最大功率点(MaximumPowerPointTracking，MPPT)[3-4]。图2-2光伏发电系统结构光伏系统根据结构可以划分为两种，一是直流母线结构，二是交流母线结构，直流母线结构通常广泛应用于中小型光储存发电系统中，其主要特点是能够很容易去扩展、控制起来比较简单、逆变器是共用的以及成本花费比较低等等，因为以上所提到的这些优势，直流母线结构得到广泛的应用。如图2-3所示，研究者在文献[5]中建立的光储存一体化发电系统中使用的逆变器，采用的就是上文所说的基于直流母线的结构。图2-SEQ图\*ARABIC1光储一体化发电系统结构图2.3储能装置的工作原理储能系统主要包括有两块，一是能量变流器，二是电池系统。在储能系统结构中，储能电池通过双向DC/DC变换器连接至直流母线上，实现能量双向传递的功能，而能量的流动方向由负载大小还有太阳能电池的发电特性共同决定[5]。文献[6]中提到双向升降压变换器的拓扑结构，如图2-4所示，当中滤波电容C1、C2分别在电池侧和直流母线侧，L为储能电感。Udc．bat．Ref、Udc．Bat分别为直流母线的端电压参考值以及直流母线电压的测量值，通常将参考值设置为ref后缀；iL、iLref分别为储能装置侧电感电流、电感电流参考值。充放电功能需要用到一种电压电流双闭环控制电路，使用时为了使变换器运行在不一致的能量传递方向，其通过对电路中直流母线电压以及电感电流iL进行控制。通过对照Udc．bat．ref与Udc．Bat会得到一个误差信号，再通过在PI调节中运行，得到电感电流参考值iLref，再对照iLref与iL得到的误差信号，经过同样的操作流程，通过PI调节器后输出脉冲信号载波，最后使得直流母线电压能够平稳输出。储能系统的充放电控制很重要，当储能系统放电时，说明的情况是光伏电池的输出功率无法满足负载所消耗的功率，受控电流为正方向，Buck-Boost变换器工作在Boost状态上；当储能系统开始充电时，则说明的情况是光伏电池输出功率仍然有余量，受控电流与上一结果相反即为反方向，Buck-Boost变换器工作在Buck状态上。储能系统在充放电状态的受控电压需要一直保持为直流母线电压，使其能够维持稳定。图2-4双向升降压变换器的拓扑结构2.4能量管理系统能源管理系统的功能众多，例如可以通过设计，实现实时监控微电网的工作状态、峰值截断谷、充电放电过程等等。能量管理系统可以通过调制频率、电压等数值，实现电源之间的功率能够得到平均分配，还可以实现孤网系统特性中的有序化、安全化以及确保持续不间断的安全供电，但需要注意的是，这是在微网孤岛运行为前提条件下[7]。能量管理的系统的管理方式是，每日一个循环从而使能量储存系统的寿命得到最大的延长；尽最大限度去消纳光伏发电；尽可能使消耗的电能为平时积累电量并且尽可能工作在低耗能状态；峰值功率要比设定值要小，从而达到降低电网冲击性的目的。2.5本章小结本章先介绍了光伏阵列的数学模型，然后阐述了光伏发电系统运行的原理以及电池储能系统运作的原理，对这两者进行了简要分析，还介绍了储能系统逆变技术的拓扑结构。最后对能量管理系统的运作进行了简要介绍。

第三章光储充一体化关键技术分析3.1最大功率点控制技术MPPT控制是光伏系统的重要技术，其目的是在多变的环境条件下自动地取得理想的最大功率点并使光伏系统工作。最大功率控制是利用对光伏阵列进行输出功率的不间断检测，再利用特定的控制方法对此刻运行条件下的光伏阵列的功率峰值点进行判断，从而利用对阻抗、电压及电流的控制来保证MPPT控制[8]。如此一来，尽管光强的改变或电池内部结温变化会造成的光伏阵列输出增加或降低，然而，光伏阵列在当前条件下的最大功率点操作可以提高光伏效率。最大功率点的功率根据（Pmpp）功率的计算公式，即为最大功率点电压（Vmpp）及最大功率点电流（Impp）的相乘的值。光伏发电系统电路经过DC/DC转换电路进行光伏阵列的最大功率点控制是现在通常被广泛使用的。原理框图如下面的图3-1所示，该框图中光伏阵列通过变换器和电路负载连接在一起，最大功率点跟踪模块通过设计好的最大功率点跟踪技术持续监测且跟随光伏阵列上电压电流的变化，并且基于此来进行DC/DC转换器的脉冲驱动信号占空比的变化以及调制。在线性电路中，若要使电源得到最大输出，根据理论公式所得负载电阻的值需要与电源内阻的值相等。下图中的光伏电池阵列是非线性的，转换电路也是非线性的，但通常我们认为在极断的时间内，光伏电池以及转换电路为理性状态，都是线性的。基于以上，要想实现光伏电池的最大功率输出，就需要调整转换电路上的等效电阻，让等效电阻的值一直保持与光伏电池内阻的值相等，也就是所谓的实现对光伏电池的最大功率点控制。图3-1最大功率点控制原理框图光伏阵列最大功率点跟踪技术目前在国内、国外都有较多的钻研，其控制方法自然也有相当多的研究。现在来看常用的最大功率点控制技术，主要有包括扰动观察法（Perturb-and-observe，PAO）、电导增量法（IncrementalConductance，INC）、固定电压法（ConstantVoltageTracking，CVT）、曲率增量法等等。3.1.1电导增量法电导增量法是当前MPPT中最常见的算法之一，是基于光伏电池阵列P-V曲线的一次连续波导的单峰值曲线，是使用一次导数求出极值的方法。在最大功率点处其斜率=0，有：(5)即：(6)(1)当时，则表示光伏阵列工作在光伏输出最大功率左方，需要增加扰动值D，使工作电压Vref；增加，从而使光伏阵列输出功率更加靠近最大功率点处；(2)当时，则表示光伏阵列工作在光伏输出最大功率右方，需要减小扰动值D，使工作电压Vref；降低，也使光伏阵列输出功率更加靠近最大功率点处；(3)当时，则表示光伏阵列正工作光伏输出最大功率处，此时应保持参考工作电压Vref不变。电导增量法能够在光照强度变化时，以稳定的形式跟踪光伏阵列输出电压的变化，电导增量法的主要优势在于它的振动幅度以及功率损失都相对较小。采用的电导增量法，其算法控制流程如图3-2所示[9]。图3-2电导增量法控制流程图电导增量法的优势是精确度以及控制稳定度都高，并且该算法不受功率时间曲线的影响，跟踪的精度和速度会受检测精度和速度的影响而稍有改变。但是它的缺点是实现起来有些繁杂。使用该方法是需要注意的一点是，要谨慎增量步长的选择。步长选择不当的话，追踪的速度会因此变得过快或者过慢。3.1.2恒定电压法在不同太阳光照条件下，光伏电池的输出P-V曲线上的最大功率点电压UM的位置大部分分布于与恒不变电压旁边，恒不变电压与开路电压有关联。恒电压法的控制思路是经由该恒定不变电压控制光伏电池的输出电压。两者关系式如下：(7)CVT流程图如下：图3-3恒CVT法流程图在使用这种跟踪方法时，会把温度施加光伏阵列的开路电压的影响忽略不计，对精度等造成影响，因此恒CVT法的主要不足是精度太过于低，并且适应性稍微低下。因为其把系统的最大功率的跟踪精度彻底寄托于电压值的选择，这就导致如果周围的环境不再一致，实现最大功率跟踪就会变得不可行。3.1.3扰动观察法扰动观察法也是当前光伏使用的最大功率点跟踪控制方法之一[10-11]。本文的扰动观察法是建立在对占空比的研究上，在对占空比进行扰动操作后，光伏转换器的工作点就会发生变化。在一定的采样周期内，通过采样光伏电池的输出电压和输出电流的数据得到该瞬间的输出功率，把所得到的数据接着进行比较操作，通过与前一时刻的电压和功率进行比较，能够得到动作点的位置和移动路径，并且在此基础上能够得出下一瞬间占空比的扰动方向。BOOST电路占空比公式如下：(8)根据公式当在最大功率点左侧时，占空比就要减小；在最大功率点右侧时，占空比就应该增加。PAO流程图：图3-4PAO法流程图PAO法的优点在于其思路不复杂，所需要的参数不多，控制回路易于模块化，已经较广泛地被应用于光伏发电最大功率点跟踪控制。不足一处为因为电压误差不可完全消除，以致在MPPT控制中会不可避免的出现功率损失，此外为了保证精确度和跟踪速度必须设置合适的初值和仿真步长。3.2电池储能技术智能电网中的储能技术[12]通常分为物理储能、电化学储能、电磁储能、相变储能、化学储能等。光伏系统储能的作用如下：（1)改善系统平衡度，增强电网稳定性，使新能源出力更加平滑，提高新能源并网的可靠性；（2)将储能系统与合理的控制策略配合使用，消除新能源发电的波动性，保障新能源供电的连续性；（3)大规模灵敏的储能系统应用于电力系统中可在用电低谷时充电，峰荷时发电，对电网进行调节，削峰填谷，平滑用电负荷曲线。3.2.1物理储能物理储能主要包括有抽水储能法、压缩空气储能法、飞轮储能法等。抽水储能的原理是用马达将水库中的水由下游引至上游，并借此把机械能转化为水势能后再转化为电能，问题在于该储能方法受地理、气候的变化的影响较大。压缩空气储存法的原理是把电力系统位于负载谷时的剩余电力利用起来，将余下的电力用于空气压缩，当达到在峰值时膨胀驱动涡轮发电并释放，借此能够使电力系统的供电压力得到减轻。飞轮储存能量的原理是利用旋转惯性量储存电能，用线性马达配合真空技术，从而达到减少摩擦的目的，大功率系统主要应用于风力发电和航空航天飞行。3.2.2电化学储能电化学储能技术[13]主要使用的是锂电池储能、铅酸电池储能和钒液流电池储能等等。充电站的规模特点以及特性是占地面积比较小，瞬时功率输出大。这就要求电池储存能量系统比能高的同时所选电池的充放电性能也要好。所以充电电池就必须要有较高的容量和输出，并且要求电池充放电循环性能好、输出电压稳定、电化性能稳定，最重要的是还要保证安全，因此要求其对环境无污染，工作温度范围广，毒性不能大。锂电池的特点是安全可靠，在全密封的情况下不怕火灾和爆炸，电池的周期寿命长、性能价格比高，是普通的常用材料。其拥有自动化生产线，使得电池产品的一致性得到保证。从综合性能上来看，锂电池综合性能也较高，因此本课题选择锂电池作为光储存一体发电站能量系统的电池目前是比较理想的方案。3.2.3电磁储能电磁储能主要包括有超导电池储能和超级电容储能。超导电池储能的设计原理是，当超导线圈工作在低温惰性气体中时，把电能储存到其产生的电流磁场中，这样的话能量密度高并且可以持续性地无损耗储能。超级电容器是一种新型的储能装置，他的优势在于较大的能量密度以及较快的充放电速度快等。在实际应用中，超级电容器组是复杂的串并联网络，工程中通常采用如图3-5所示的超级电容器串并联形式的简化等效模型，其中理想电容C3与等效并联电阻R2并联，再与等效串联电阻电阻R1串联[14]。图3-5超级电容等效电路3.3本章小结本章主要介绍了最大功率点跟踪技术的原理以及电池储能技术的原理，并阐述了最大功率跟踪技术的分类以及各个分类的特点，还阐述了电池储能技术的分类及各个分类具体有哪些电池类型及各种电池的特点。

第四章光储充一体化充电站仿真分析对光储充电站模型的光伏系统和储能系统进行仿真，研究光伏发电系统在MPPT控制策略下的输出和储能系统充放电性能的稳定性。4.1光伏发电系统仿真光伏发电部分的仿真模型如下图4-1所示，主要包括PV模块、升压电路部分以及逆变模块。图4-1光伏发电部分的仿真模型PV模块主要是通过光伏电池串联而成，PV阵列由PV模块串联和并联构成。在PSCAD中，光伏电源元件可以用于任何串联或者并联的组合。所建立的仿真中，每个阵列串联的模块数设置为22，每个模块由36个光伏电池单元串联构成。光伏阵列是关于光照强度以及温度的函数，这里设置光照强度为800W/m2，温度为28℃。4.1.1系统仿真模型此章节对最大功率跟踪控制的仿真基于PSCAD的MPPT元件，它的参数设置如下图4-2所示，图中光伏阵列短路电流的值为0.488kA，开路电压的值为0.7kV，是在光照强度G=800W/m2以及温度T=28℃的条件下所对应的值，采样间隔和最大电压初始值分别设置为0.01和0.67kV，最大功率点跟踪的算法设定为扰动观察法。图4-2光伏参数设置最大功率点跟踪模块的模型如图4-3所示，把得到的IPV、VPV输入到最大功率点跟踪模块，进行最大光能的捕获。最大功率控制模块用的是PSCAD自带的模块，通过这个模块得到最大功率点电压VrefMPPT，VrefMPPT再与VPV进行比较作差，通过比例积分（ProportionIntegration，PI）控制器得到PrefPV作为BOOST有功功率的输入值。PI控制器的作用是控制两个输入，达到动态的时候快速跟随，稳态的时候无差的作用。图4-3最大功率点跟踪模块BOOST电路仿真模型如下图4-4所示，低压侧输入为MPPT模块输出的最大功率点跟踪功率。图4-4BOOST电路仿真模型调制信号产生电路如下图所示，Pref和输出通过作差以及PI校正得到Ref_Boost调制信号。图4-5调制信号产生电路BOOST电路IGBT触发脉冲产生电路如下图4-5所示。carr为三角载波信号，Ref_Boost为调制波信号，EnableBoost为始能信号，GBoost为得到的触发脉冲信号。图4-6触发脉冲产生电路电压源换流器（VoltageSourceConverter，VSC）的仿真模型如下图所示，其有三相六个桥臂，共有六个IGBT，其功能是把直流量逆变成交流量图4-7VSC的仿真模型逆变器的控制电路如图4-7所示，其有两个控制自由度，通过内外环来控制外环的控制目标。先通过锁相环得到三相电压中A相的相位theta，通过锁到的相位对ABC三相的电压电流进行d、q变换，即把三相的量转换为d、q轴上的量，方便设计控制器。有功类控制直流电压，为1kV，无功类控制无功功率，为0.04kW。电路的外环输出为内环的输入，有功和无功分别输出d、q轴上的调制信号，再通过theta转换回三相abc上的调制信号。调制信号与三角载波可以的到六个IGBT的关断触发脉冲，最后能够做到有功直流电压以及无功功率的控制。图4-8逆变器的控制电路经过逆变器控制后，主电路直接并入电网，如下图所示。图4-9电网模型4.2.2仿真结果与分析下图为仿真直流电压以及参考电压的波形。图4-10仿真直流电压以及参考电压的波形下图为逆变装置输出电压波形。图4-11逆变装置输出电压波形由以上两图可以看出，直流电压基本跟随参考电压指令稳定输出在大概1kV左右，逆变器输出电压也能很好地跟随参考电流，峰值为0.513kV。以下图4-11为光伏和电网输出功率的仿真波形。图4-12光伏、电网输出功率的仿真波形以下两图为光伏阵列的输出电压及电流。a.光伏阵列的输出电压b.光伏阵列的输出电流图SEQ图\*ARABIC4-13光伏阵列的输出电压和输出电流波形4.2电池储能系统仿真储能系统主要包括电池部分以及双向升降压变换器部分，储能系统的仿真模型如下图4-13所示。图4-14储能系统的仿真模型4.2.2系统仿真模型电池部分的功能主要是储存能量和释放能量，也就是充放电过程。电池由500V的电池组组成，其关键参数为SOC(StateOfCharge)，即充分电状态参数，电池的仿真模型如下图4-14所示。图4-15电池的仿真模型升降压电路的仿真模型如下图4-15所示，电路的高压侧接DC，低压侧接电池。图4-16升降压电路的仿真模型充放电控制电路的仿真模型如下图4-16所示，En为充放电的始能，其为0时既不充电也不放电，其为1时充放电状态开始受mode控制，mode模块与程序配合控制，先给定初值on为0，off为1，0和1分别对应放电和充电的状态，当时间到达阈值0.3s时开始输出