基于simulink的光储一体系统仿真

背景

由于光伏等分布式能源容易受外部环境的影响，存在较大的不确定性，造成其输出功率具有波动性。通过在光伏并网系统直流侧增加储能，能够保证光伏电池在外部负荷波动较大时仍可以运行在稳定输出水平，改善系统输出电压和系统频率，提高用户电能质量。同时在光伏并网直流侧加装储能系统可以稳定直流母线电压，提高光伏故障穿越能力。

其实我们之前已经介绍过此种拓扑及相关结构，(分布式光储互补系统建模与仿真介绍(2))但之前偏向于光伏储能功率互补，因此，控制上采用的是光伏控直流母线电压，储能控功率，实现整体功率与给定值匹配。但此种方法的问题是，当交流侧出现故障或要求高低电压穿越时，控制上不够灵活或存在多种控制的切换，容易造成较大波动。如果改为由储能控制流电压，光伏仍然采用最大功率跟踪控制，将光伏和储能看作一体，并网逆变器采用PQ控制，也不失为一种很好的选择。

模型搭建

本文所搭建整体光储一体结构如下图所示，主要包括光伏电池、boost电路、储能及双向DC/DC、并网逆变器等结构。

图1 光储一体系统结构

模型中储能采用定直流电压控制，直流电压参考值设置为500V，光伏前级boost升压部分始终以MPPT模式运行，并网逆变器采用PQ控制，给定额定功率100kW。当光伏输出功率小于100kW时，由储能补充缺额功率，当光伏输出功率大于100kW时，多余的功率给充能进行充电。

图2 整体模型

并网逆变器采用PQ双闭环控制，外环为功率控制，内环为电流环，外环逆变侧直流电压与给直流电压进行比较，误差经过PI，作为内环d轴电流环参考值id_ref，id_ref与d轴电流实际值id进行比较，经过PI，得到脉冲生成信号Ud;电流环q轴参考值iq_ref与实际值iq进行比较，经过PI，得到脉冲生成信号Uq，另外，为使并网效率最高，一般iq_ref给定为0。在电压跌落时，切换为基于内环id、iq给定的控制(光伏低电压穿越控制仿真研究)，整体控制部分模型如下：

图3 逆变器并网控制部分

其中Udc_ref为设定(参考)电压，Udc为DC-DC高压侧实际测量电压，给定电压与实际电压经过PI调节器得到换流器电感电流参考值iref，将iref与电感电流测量值iL进行比较得到误差信号，经PI调解后得到最终调制波，将该参考波与一定频率的三角载波进行比较，得到双向换流器的PWM脉冲信号。通过该电路及控制可实现高压侧和低压侧储能电池功率的双向流动，即储能电池充电或放电运行。

图4 储能控制结构

图5 储能部分控制模型

整体系统运行时，大体可实现以下两种工况的功能：

1)电网正常工况：电网电压正常时，光伏电池输出功率由于会随着外部条件的变化而变化，通过储能的平衡，当光伏输出功率大于设置的参考功率时，储能充电吸收功率，反之，储能放电发送功率可，通过储能充放电，使光伏并网点的功率输出保持恒定;

2)电网故障工况：当外部条件不变，交流测电网发生短路或接地故障造成电网电压一定程度跌落或抬升时，直流侧电压会急剧上升，通过直流侧储能，可以吸收多余的能量，避免因为直流电压过高触动过压保护造成换流器闭锁停机。

仿真结果

1)在给功率为100kW条件下，通过改变光照，验证光储一体系统的工作情况：在0-1s，给定光照800，1-2s给定光照1000，2-3s给定光照1200，3-4s光照恢复到1000，仿真结果如下图所示：

图6 光伏电池电压、电流、功率

图7 逆变器直流侧电压

图8 并网点电压、电流、功率

图9 电池SOC、电流、电压

通过结果可以看出，随着光照强度的变化，虽然光伏电池输出功率虽然发生变化，但由于储能电池的作用，逆变器并网点的功率始终保持在100kW恒定。通过电池SOC、电池端口电压、电流可以看出，当光伏电池功率不足100kW时，电池放电，当光伏电池功率超过100kW时，电池充电，当光伏电池功率在100kW左右时，电池电流为0，SOC基本保持不变，电池既不充电也不放电。

2)在光伏外部条件不变的情况下，交流电网侧三相电压在t=1s时发生三相对称跌落到0.2pu和0.35pu，持续时间0.625和1s，仿真结果如下图所示：

图10 光伏电池电压、电流、功率

图11 逆变器直流侧电压

图12 并网点电压、电流、功率

图13 电池SOC、电流、电压

图14 光伏电池电压、电流、功率

图15 逆变器直流侧电压

图16 并网点电压、电流、功率

图17 电池SOC、电流、电压

通过上图仿真结果可以看出，当电压发生跌落时，由于交流测电压降低，功率急剧减小，电流达到电流限幅值，但此时交流侧功率仍然远小于光伏电池的最大功率，多出的功率对电池进行充电，故障消失后，光伏功率在100kW左右，此时电池既不充电也不放电，SOC维持恒定。

总体来看，光储一体系统可以实现在光照强度或温度变化时，使逆变器并网侧所给的功率维持恒定，另外，储能电路的加入，能够在网侧电压跌落期间可以将直流侧多余的能量储存起来，辅助实现低电压穿越的同时，减少了能量的浪费，整体光储一体系统达到设计要求。

审核编辑：汤梓红