光儲型微電網(wǎng)仿真平臺分析案例從實際工程的需求出發(fā)，主要關(guān)注光幅陣列和儲能的輸出特性、最大功率跟蹤模型、并網(wǎng)與孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)下逆變器的控制策略、儲能的充放電控制策略等，搭建了光儲型微電網(wǎng)仿真平臺，用來研究微電網(wǎng)的運(yùn)行特性，并驗證微電網(wǎng)的控制策略和方案。1.1仿真平臺總體模型結(jié)構(gòu)光儲型微電網(wǎng)仿真平臺總體模型如圖4-1所示。此光儲型微電網(wǎng)系統(tǒng)從10/0.4kV的變壓器，再接入10kV的配電網(wǎng)。并且放一個可以迅速反應(yīng)開段的閘刀在PCC上，當(dāng)發(fā)生擾動時，大電網(wǎng)被迫停止運(yùn)行，電能供應(yīng)的就很難迎合光儲型微電網(wǎng)系統(tǒng)中各個設(shè)備的使用的時候，閘刀立即關(guān)閉，這時，微電網(wǎng)系統(tǒng)和大電網(wǎng)系統(tǒng)無連接，變成孤網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)。該光幅并網(wǎng)型微電網(wǎng)系統(tǒng)，涵蓋一系列光幅發(fā)電單元和一系列儲能元件，光幅發(fā)電系統(tǒng)的逆變器運(yùn)用并網(wǎng)逆變器，控制策略使用恒定輸出功率測控方法。儲能變頻器采用雙向變頻器。蓄電裝置連接著電力網(wǎng)，母線電源禁止聯(lián)鎖。在外部放電的儲能過程中，設(shè)置系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓和頻率作為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電源。位于儲能元件后的逆變器應(yīng)用變頻控制理念[19]。圖4-1光儲型微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖1.2光幅電池的仿真1.2.1光幅電池的仿真模型在現(xiàn)實生活中，光幅電池的規(guī)范狀況：輻射力度Sref=1000W/m2，溫度Tref=25°C下，構(gòu)建出光幅電池輸出電流、電壓數(shù)學(xué)建模如式（4-1）—式（4-3）所示：（4-1） （4-2）（4-1） （4-3）（4-4）（4-5）（4-6）（4-7）（4-8）（4-9）式中，U、I是光幅電池輸出電壓（V）與電流（A）；C1和C2是修正系數(shù)。補(bǔ)償系數(shù)a、b、c的典型取值為a=0.0025/°C、b=0.5、c=0.00288/°C。e是自然常數(shù)，數(shù)值等于2.71828。式（4-4）—式（4-9）為修正后的光幅電池參數(shù)計算公式（4-4（4-4）（4-5）（4-6）（4-7）（4-8）（4-9）按照上建立的公式，在Matlab/Simulink中，搭建光幅電池仿真數(shù)學(xué)建模，然后將各個單元進(jìn)行組裝，這樣一來，就可以快速改變參數(shù)，個人界面的參數(shù)選擇如圖4-2和圖4-3所示。圖4-2光幅單元封裝界面圖4-3參數(shù)界面設(shè)定1.2.2光幅電池的仿真分析為了不同型號的光幅電池模型，可以改變光幅組件的參數(shù)，在光幅電池的輸入部分，修正參考數(shù)值S和T，于是得出光幅電池在變化的外界溫度和太陽能光強(qiáng)度時的輸出特性。本文在這一節(jié)，專門針對光幅電池建模進(jìn)行了一次光幅電池?fù)p耗特性的標(biāo)準(zhǔn)測試。經(jīng)過此次仿真，就可以得出太陽能電池輸出的圖像：I-U特性、P-U特性曲線，建模結(jié)論如圖4-4、圖4-5所示，以此得出，證明搭出的光幅電池仿真建模，還是可以真實的仿真出光幅電池輸出功率下電壓、電流隨之的變化特性。圖4-4I-U特性曲線圖4-5P-U特性曲線通過上面的仿真結(jié)果可以得出，太陽能光幅電池輸出功率曲線，存在一個最大值。領(lǐng)會光幅電池的建模結(jié)構(gòu)，了解輸出特征，于光幅電池在最大功率處調(diào)整建模的剖析具有重大內(nèi)涵。1.3最大功率跟蹤模型由以往的理解證明，對太陽能發(fā)電組件分析，其輸出電流和電壓都不是線性特征的。處于變化的輻射強(qiáng)度和溫度下，太陽能組件仿真出的輸出電壓和輸出功率曲線都是不一樣的。因此，在不同的外界光照和周圍溫度下，仿真出的特征也有是有變化的[21]。最大功率點跟蹤(MPPT)是離網(wǎng)太陽能光幅的關(guān)鍵控制問題[22]。1.3.1最大功率跟蹤方法本實驗采用了擾動觀測方法。進(jìn)行擾動觀測法觀察室，尤其當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度隨時間迅速變化時非常有效。P&O方法是周期性地干擾。如果擾動后PV單元的輸出功率在此之后增加，則下一個擾動方向與該方向相同；反義言之，下一個擾動方向和之前背離，這樣就可以根據(jù)估計，跟蹤到太陽能電池的最大輸出功率點。修正中間環(huán)節(jié)實際上是一個功率優(yōu)化過程，允許太陽能電池在最大功率點周圍旋轉(zhuǎn)，其原理如圖4-6所示。圖4-6擾動觀察法原理1.3.2最大功率跟蹤點算法仿真模型本文展示了光幅電池的MPPT控制，運(yùn)用了Boost電路，以及擾動觀察法，來跟蹤最大功率。擾動觀察法可以不定時的增減Boost電路中的傳進(jìn)電壓，并且定位太陽能光幅元件的發(fā)出最大功率的那個點，整個算數(shù)原理如圖4-7所示。最一開始，搜集并記錄光幅元件端電壓U、端電流I，并且，輸出這一時刻的典雅與電流的乘積，記錄為功率P，接著，和剛剛記錄下的上一時刻P對比大小，如果比之前的數(shù)值大，那么就向著與此一致的方向提高或減弱太陽能組件的兩端電壓；與此相反，就向相對的一面更改。周而復(fù)始，一直找尋輸出最大功率的點。圖4-7擾動觀察法原理流程圖1.3.3仿真分析本文所搭載的光儲型微電網(wǎng)仿真模型里，首先，光幅發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用為兩級式結(jié)構(gòu)，在第一級結(jié)構(gòu)里，使用了Boost升壓電路，第二級結(jié)構(gòu)里，使用了逆變器[23]。通過改變Boost電路中的占空比值，光幅電池的最大功率輸出模型就可以仿真出結(jié)果。本文所構(gòu)建的光幅電池MPPT控制仿真模型，如圖4-8所示。在圖4-7中，在Boost升壓調(diào)節(jié)模塊，綜合融入了光幅組件的MPPT算法，最后得出，該電路可以使光幅陣列持續(xù)最大功率輸出，再經(jīng)過修正MOSFET管的占空比例，讓太陽能組件運(yùn)行在最高功率點周圍。這樣一來，Boost單元就能獲取最終電壓，并將其調(diào)整增加到并網(wǎng)逆變器所需要的運(yùn)行水平。圖4-8太陽能光幅組件MPPT仿真模型運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下時：溫度T=25°C，輻射強(qiáng)度S=1000W/m2，對光幅電池進(jìn)行仿真分析研究，結(jié)果如圖4-9—圖4-12所示，就可以先后得到太陽能組件的各個輸出參數(shù)模型。圖4-9太陽能組件輸出功率圖4-10太陽能組件輸出電壓圖4-11太陽能組件輸出電流圖4-12Boost輸出電壓改變原始的光照強(qiáng)度，在對光幅電池進(jìn)行仿真分析。電池原始溫度T=25℃，光照強(qiáng)度S=l000W/m2。在0.2s時，光照強(qiáng)度下降到600W/m2。在0.4s后，S再上升到800W/m2，溫度不變。仿真輸出的光幅電池的各項基礎(chǔ)參數(shù)及Boost電路輸出電壓如圖4-13—圖4-16所示。圖4-13光幅電池輸出電流圖4-14光幅電池輸出電壓圖4-15光幅電池輸出功率圖4-16Boost輸出電壓更換電池環(huán)境溫度，再進(jìn)行仿真研究。最初，電池溫度T=25℃，輻射強(qiáng)度S=1000W/m2。在0.2s時，調(diào)節(jié)電池溫度，使之上升到40℃在0.4s時，再次調(diào)節(jié)電池溫度，使之減小到30℃。仿真結(jié)果：太陽能組件輸岀的各項參數(shù)及Boost電路輸出電壓如圖4-17—圖4-20所示。圖4-17太陽能組件輸出功率圖4-18太陽能組件輸出電壓圖4-19太陽能組件輸出電流圖4-20Boost輸出電壓由以上的仿真圖像就能得出結(jié)論，不管輻射強(qiáng)度還是光幅組件表面溫度出現(xiàn)多大的改變，太陽能組件由于可以實現(xiàn)MPPT控制，所以，不管怎樣，太陽能組件對最大功率點的追隨效果都很明顯，這就使太陽能組件能夠在最大功率點周圍運(yùn)行。由此得出，最大功率點追蹤模型通過擾動觀察法建立，此方法可以有效的追隨光幅電池的最大功率點，還能做到在全部控制過程中，保持動態(tài)性能優(yōu)良。1.4光儲型微電網(wǎng)控制系統(tǒng)設(shè)計1.1.1P/Q控制器設(shè)計太陽能光幅組件的容量較大電網(wǎng)小很多，因此，在光儲型微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時，標(biāo)準(zhǔn)電壓和標(biāo)準(zhǔn)頻率都來自于大電網(wǎng)。因此，為保證光幅發(fā)電的最大能源利用率，在光幅發(fā)電系統(tǒng)中，對逆變器的控制不可或缺，通過逆變器控制來保證最大有功功率輸出[24]。在太陽能光幅組件并聯(lián)系統(tǒng)中，接入大電網(wǎng)運(yùn)行時，逆變器通用的控制方式為電壓源電流控制策略。太陽能光幅組件并聯(lián)系統(tǒng)中，接入大電網(wǎng)運(yùn)行時，通過操作同步轉(zhuǎn)動坐標(biāo)系，坐標(biāo)軸中d軸、q軸分量電流，用來完成P、Q的單獨解耦控制，同時，三相垂直坐標(biāo)軸（a、b、c）與同步轉(zhuǎn)動（d，q）坐標(biāo)系的變換矩陣如式（4-10）—式（4-11）所示，三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的仿真模塊如圖4-21所示： （4-10） （4-11）圖4-21靜止坐標(biāo)系與同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換仿真逆變器的控制為電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，對逆變器的控制基于SVPWM調(diào)制方式，以達(dá)到輸出電流跟蹤電網(wǎng)電壓的效果。圖4-22逆變器并網(wǎng)控制圖圖4-22為電流內(nèi)環(huán)控制系統(tǒng)。（Udc-Udc*）的值等于外環(huán)電壓，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后，id*作為參考電流d軸分量，參考電流q軸分量iq*設(shè)置為零，盡量維持最大有功功率輸出。（4-12）（4-13）式中，id、iq分別為電網(wǎng)電流的d軸和q軸分量；ω指電網(wǎng)電壓的角頻率（rad/s）;L指線路電感（H）。1.1.2V/F控制器設(shè)計V/f控制策略與P/Q控制策略的解耦方式幾乎相同。V/f控制方法的原理圖如圖4-23所示。對于已給的標(biāo)準(zhǔn)電壓解耦后得到Udref、Uqref，系統(tǒng)中真實電壓解耦后算出Ud、Uq。經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)電壓和真實電壓解耦后算出的d、q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)中的差額，通由PI控制器，最終得出對應(yīng)坐標(biāo)系中的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)環(huán)電流。為盡可能縮短微電網(wǎng)與大電網(wǎng)鏈接，或者斷開時系統(tǒng)的幅值，從而保證光儲型微電網(wǎng)獨立運(yùn)行時的平穩(wěn)，規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)頻率f=50Hz。圖4-23V/f控制策略結(jié)構(gòu)1.4仿真平臺參數(shù)設(shè)計基于Matlab/Simulink建立如圖4-24所示的光儲型微電網(wǎng)系統(tǒng)仿真平臺。圖4-24光儲型微電網(wǎng)仿真圖中，由太陽能光幅組件、蓄電池以及負(fù)載組成的光儲型微電網(wǎng)系統(tǒng)。在標(biāo)準(zhǔn)狀況下（T=25℃，S=l000W/m2），光幅電池的MPPT額定電壓取值為380V，太陽能組件并聯(lián)系統(tǒng)通由并網(wǎng)逆變器鏈接大電網(wǎng)與微電網(wǎng)系統(tǒng)中，太陽能并網(wǎng)逆變器為實現(xiàn)光幅發(fā)電輸出最大有功功率，釆用了恒功率控制策略。光幅并網(wǎng)逆變器，無功功率等于零。當(dāng)光儲型微電網(wǎng)系統(tǒng)與大電網(wǎng)連接時，蓄電池進(jìn)行充電，保證充足的電量，為獨立運(yùn)行保留基礎(chǔ)；系統(tǒng)孤網(wǎng)運(yùn)行時，大電網(wǎng)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓、參照頻率則由蓄電池負(fù)責(zé)[25]。將蓄電池的SOC值設(shè)定在25%—75%。1.三相逆變器一種用于光幅發(fā)電系統(tǒng)中光幅儲能微網(wǎng)仿真平臺的兩級三相太陽能并網(wǎng)逆變器。在微電網(wǎng)實際工作中，蓄電池負(fù)責(zé)輸出電能，即逆變器運(yùn)行在逆變模式。并網(wǎng)運(yùn)行時，蓄電池負(fù)責(zé)充電，即逆變器運(yùn)行在整流狀態(tài)下。2.LC濾波器設(shè)計由于光儲型微電網(wǎng)系統(tǒng)釆用的電力電子裝置很多，這些設(shè)備會在開關(guān)頻率處產(chǎn)生諧波。因此需要慮波器進(jìn)行慮波，這里釆用的是LC慮波器。慮波器參數(shù)選擇至少想到兩方面因素：一是盡可能減小由電感引發(fā)的基波電壓磨損，二是挑選適當(dāng)?shù)碾娙葜祦沓浞执_?；A(chǔ)波的電流值到最小。（1）濾波電感L的選擇基礎(chǔ)波電壓的磨損效果決定了逆變器在低頻運(yùn)行條件下輸出速度的電阻參數(shù)的大小。選擇越小越好。濾波電流的最小值主要由感應(yīng)電流紋波的大小決定。在全輸出功率下感應(yīng)電流紋波峰值的最大值為總電流峰值的15%。逆變器控制信號采用SVPWM脈沖，電流值計算如下： （4-14）式中，是電感電流紋波波峰值（A）；是SVPWM的載波頻率（Hz）。（2）濾波電容C的選擇電容與電感的選擇息息相關(guān)，應(yīng)根據(jù)選擇的電感選擇電容，若電容的數(shù)值挑選較大，則會造成功率效率變低，以及造成的基礎(chǔ)波磨損，因而也會面臨造價問題。因此，想要遇見最優(yōu)的慮波結(jié)果，電容值的挑選就必須根據(jù)現(xiàn)有狀況具體分析。依據(jù)以往的經(jīng)驗，可以得到式（4-15）、式（4-16）：（4-15（4-15）（4-16）式中，是濾波器截止頻率Hz；是基波頻率Hz；是SVPWM的載波頻率Hz。3.隔離變壓器設(shè)計隔離變壓器作用于電力設(shè)備和電源之間的電氣隔離，算是一種特殊的變壓器[26]。想要提高電力系統(tǒng)的安全系數(shù)和穩(wěn)定性，就必須在系統(tǒng)中接入隔離變壓器，對電力系統(tǒng)中的重要負(fù)載的供電性能的提高意義重大[27]。1.直流母線電容設(shè)計通過增加光幅系統(tǒng)互連逆變器的直流總線容量，抑制系統(tǒng)互聯(lián)操作期間產(chǎn)生的諧波，并在直流側(cè)與逆變器的交流側(cè)之間切換時作為緩沖器。在現(xiàn)實生活工作中，當(dāng)電力系統(tǒng)在電容器充放電循環(huán)中放電最大放電電流時，必須將電容器兩端的壓降控制在所需值內(nèi)。1.5光儲型微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行仿真分析通過分析微電網(wǎng)再介入大電網(wǎng)狀態(tài)下建模仿真，解析所得出的結(jié)果，需要主要查看太陽能組件輸出的最大功率。對環(huán)境的溫度和光照輻射強(qiáng)度變化來研究微電網(wǎng)的并網(wǎng)運(yùn)行特性。建模的時長設(shè)定為2s，仿真建模研究大致方法如下：1.開始時刻，太陽能組件溫度取為25°C，輻射強(qiáng)度為1000W/m2。2.0.3s時，光照強(qiáng)度改變?yōu)?00W/m2，其他參數(shù)保持不變，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。3.0.6s時，光照強(qiáng)度改變?yōu)?00W/m2，其他參數(shù)保持不變，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真。圖4-25光幅電池輸出功率圖4-26直流母線電壓圖4-25、圖4-26是對太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，在接入大電網(wǎng)運(yùn)行時的系統(tǒng)仿真。圖為太陽能電池功率輸出以及系統(tǒng)直流母線電壓的波形圖。在光照強(qiáng)度改變的瞬間光幅電池的輸出電壓波形存在一定的振蕩，但是能很快尋找到最佳工作點并穩(wěn)定輸出。圖4-27并網(wǎng)電壓電流及A相電壓波形圖4-27改變光照強(qiáng)度，光幅