摘要太陽能???發(fā)電是???通過逆???變器來???實現(xiàn)交???直流電???能變換???，再通過???與負載???相連實???現(xiàn)整個???太陽能???發(fā)電系???統(tǒng)的設(shè)???計。在???太陽能???發(fā)電系???統(tǒng)中，???逆變器???是重要???的組成???元件，???也是連???接光伏???板與箱???式變電???站的核???心元件???。對逆???變器的???控制，???能夠更???好的實???現(xiàn)直流???側(cè)太陽???能與電???能的轉(zhuǎn)???換，也???能夠?qū)???現(xiàn)交流???側(cè)逆變???器對小???區(qū)特定???負荷進???行供電???。除此???之外，???對于微電網(wǎng)系統(tǒng)的儲能裝置進行研究，了解儲能特性，進一步提高了整個微電網(wǎng)系統(tǒng)的完整性。本文是以小區(qū)建立光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)為研究對象，通過對比光伏發(fā)電與大電網(wǎng)供電經(jīng)濟性，確立了光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢。本文通過研究光伏儲能微電網(wǎng)相關(guān)技術(shù)，利用MATLAB軟件，建立光伏電池、蓄電池以及逆變器和負荷構(gòu)成獨立運行的微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，采用雙閉環(huán)PI控制策略，仿真結(jié)果驗證了所建立的微電網(wǎng)具有良好的運行特性。關(guān)鍵詞：太陽能；微電網(wǎng)；蓄電池；光伏電池；PI控制AbstractSolarpowergenerationistorealizetheconversionofACandDCpowerthroughtheinverter,andthenconnecttotheloadtorealizethedesignoftheentiresolarpowergenerationsystem.Inthesolarpowergenerationsystem,theinverterisanimportantcomponentandthecorecomponentconnectingthephotovoltaicpanelandthebox-typesubstation.ThecontroloftheinvertercanbetterrealizetheconversionofsolarenergyandelectricenergyontheDCside,andcanalsorealizetheACsideinvertertosupplypowertospecificloadsinthecommunity.Inaddition,theenergystoragedeviceofthemicrogridsystemisstudiedtounderstandthecharacteristicsofenergystorage,whichfurtherimprovestheintegrityoftheentiremicrogridsystem.Thispapertakestheestablishmentofphotovoltaicmicro-gridsysteminresidentialareaastheresearchobject,andestablishestheadvantagesofphotovoltaicpowergenerationsystembycomparingtheeconomicsofphotovoltaicpowergenerationandlargegridpowersupply.Inthispaper,thephotovoltaiccells,batteries,invertersandloadsformanindependentmicrogridpowergenerationsystem,andthedoubleclosed-loopPIcontrolstrategyisadopted.Thesimulationresultsverifythattheestablishedmicrogridhasgoodoperatingcharacteristics.Keywords:solarenergy;microgrid;battery;photovoltaiccell;PIcontrol目錄TOC\o"1-3"\h\u30037第1章引言 第1章引言1.1研究背景近年來，???隨著科???學(xué)技術(shù)???的大力???發(fā)展，???當前社???會對能???源的需???求急劇???升高，???為了滿???足人民???生活需???求和工???業(yè)要求???，對于???不可再???生能源???的過度???使用使???得整個???國際社???會對于???資源匱???乏的問???題得到???了越來???越多的???關(guān)注。???在新能???源系統(tǒng)???發(fā)電中???，太陽???能憑借???著其易???得性和???清潔性???受到了???廣泛的???關(guān)注，???對于太???陽能發(fā)???電可以???使用光???伏板組???件實現(xiàn)???對太陽???能的獲???取。整???個太陽???能發(fā)電???系統(tǒng)產(chǎn)???生的能???耗以及???能源類???型都達???到了當???前綠色???能源標???準，但???太陽能???發(fā)電的???缺點是???容易受???到地區(qū)???天氣環(huán)???境的影???響。但???太陽能???發(fā)電具???有方便???、快捷???以及廉???價的綜???合優(yōu)勢???，這些???優(yōu)勢也???使得太???陽能發(fā)???電具有???更為廣???闊的前???景和發(fā)???展?jié)摿???。因此???在當前???國際社???會化石???燃料危???機的時???代背景???之下，???發(fā)展新???能源已???經(jīng)成為???當前人???類能源???探索的???重要途???徑，而???在眾多???新能源???中太陽???能發(fā)電???具有著???強大的???發(fā)展?jié)???力與開???發(fā)價值???，以太???陽能為???能源終???端的并???網(wǎng)儲能???發(fā)電系???統(tǒng)的研???究具有???著重要???的研究???意義與???理論價???值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀而我國對???于光伏???并網(wǎng)系???統(tǒng)的起???步相對???較晚，???但當前???我國對???于太陽???能利用???率已經(jīng)???達到了???世界先???進水平???，對于???光伏電???池的生???產(chǎn)以及???光伏并???網(wǎng)的電???能質(zhì)量???的研究???中已經(jīng)???趨于世???界前列???。追溯???我國光???伏并網(wǎng)???發(fā)電系???統(tǒng)的發(fā)???展歷程???，我國???是從2???000???年開始???正式有???規(guī)模的???對光伏???產(chǎn)業(yè)進???行全面???普及，???在20???02年???我國啟???動的“???西部省???區(qū)無電???通電”???計劃，???就是利???用我國???西部較???為豐富???的太陽???能實現(xiàn)???局部供???電[1???0,1???1]。???200???3年由???國家發(fā)???改委制???定了“???五年太???陽能資???源開發(fā)???工程”???計劃，???也極大???的推動???了光伏???并網(wǎng)系???統(tǒng)在西???北地區(qū)???的全面???建設(shè)。???到20???10年???我國光???伏發(fā)電???產(chǎn)業(yè)已???經(jīng)初具???規(guī)模，???并且由???國家所???鼓勵的???光伏補???貼政策???也較好???的推動???了對太???陽能的???綜合利???用，據(jù)???統(tǒng)計已???有28???00M???W容量???的光伏???項目落???地中國???，也使???得國內(nèi)???的光伏???發(fā)電產(chǎn)???業(yè)達到???了新的???高度。在2020年國家電網(wǎng)進一步針對綠色能源戰(zhàn)略提出將微電網(wǎng)運行模式應(yīng)用在各負荷以解決當?shù)毓╇娮凿N，進而極大的緩解了電網(wǎng)供電壓力。尤其指出，在高度發(fā)達的現(xiàn)代化社會中，可通過實現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)造的以箱式變電所、逆變器、光伏板、用電負荷以及儲能裝置所構(gòu)成的綜合微電網(wǎng)系統(tǒng)來實現(xiàn)對城市小區(qū)的合理供電，進一步緩解電網(wǎng)高峰運行下的供電功率波動問題。1.2.2國外研究現(xiàn)狀美國是???最早對???光伏產(chǎn)???業(yè)實現(xiàn)???系統(tǒng)化???研究的???國家之???一，在???上個世???紀八十???年代初???期美國???就已經(jīng)???開始大???規(guī)模推???行太陽???能計劃???，所建???立的“???百萬屋???頂”項???目極大???的推動???了太陽???能發(fā)電???技術(shù)在???美國的???普及。???英國牛???津大學(xué)???科研團???隊針對???微電網(wǎng)???的電能???質(zhì)量問???題提出???了新的???論述觀???點，該???團隊指???出通過???優(yōu)化分???布式發(fā)???電系統(tǒng)???的能源???結(jié)構(gòu)和???控制效???果來達???到電網(wǎng)???的并網(wǎng)???標準，???這也為???分布式???并網(wǎng)發(fā)???電系統(tǒng)???的控制???研究提???供了巨???大的推???動力。???在20???18年???，德國???科學(xué)家???在光伏???系統(tǒng)結(jié)???構(gòu)上進???行了整???體改進???，通過???三級結(jié)???構(gòu)策略???實現(xiàn)光???伏發(fā)電???系統(tǒng)的???穩(wěn)定運???行。在???光伏側(cè)???為一級???、逆變???側(cè)為二???級，通???過引入???的有源???電力濾???波器為???三級拓???撲結(jié)構(gòu)???進行全???方位、???多頻次???的諧波???治理，???實驗結(jié)???果表明???該拓撲???結(jié)構(gòu)具???有良好???的發(fā)電???質(zhì)量，???進一步???保證了流入負荷中的電能質(zhì)量滿足負荷用電標準。

光伏儲能微電網(wǎng)簡介2.1微電網(wǎng)定義微電網(wǎng)也譯為微網(wǎng)，是指由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、負荷、監(jiān)控和保護裝置等組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。微電網(wǎng)的提出旨在實現(xiàn)分布式電源的靈活、高效應(yīng)用，解決數(shù)量龐大、形式多樣的分布式電源并網(wǎng)問題。開發(fā)和延伸微電網(wǎng)能夠充分促進分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入，實現(xiàn)對負荷多種能源形式的高可靠供給，是實現(xiàn)主動式配電網(wǎng)的一種有效方式，使傳統(tǒng)電網(wǎng)向智能電網(wǎng)過渡。微電網(wǎng)供電系統(tǒng)是一種分布式發(fā)電系統(tǒng)，利用多種發(fā)電設(shè)備(如太陽能、風(fēng)能、發(fā)動機組等)和儲能技術(shù)(如電池、超級電容器、壓縮空氣儲能等)組成的小型電網(wǎng)系統(tǒng)，使其能夠獨立于傳統(tǒng)電網(wǎng)，實現(xiàn)自主供電。它的特點是由多種不同的能源資源組成，能夠根據(jù)能源供應(yīng)和用電需求進行實時優(yōu)化和調(diào)度，實現(xiàn)供電的可靠性和經(jīng)濟性。由于微電網(wǎng)可以在獨立運行模式下工作，因此它可以在斷電、故障和網(wǎng)絡(luò)停電的情況下提供電源，增強電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，并促進能源的可持續(xù)發(fā)展。微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的組成包括：多種分布式能源設(shè)施，如太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機、燃氣發(fā)動機組等，作為微電網(wǎng)的主要能源來源，并將其能量輸入到微電網(wǎng)系統(tǒng)中。儲能設(shè)備，如電池、超級電容器、壓縮空氣儲能等，用于儲存、分配和平衡能量，以確保微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。微電網(wǎng)控制器，主要用于監(jiān)視和控制微電網(wǎng)的電源輸入和電源輸出，實現(xiàn)微電網(wǎng)對負荷的動態(tài)調(diào)整，最小化成本，并確保系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定。負載設(shè)備，包括家庭或機構(gòu)內(nèi)的用電設(shè)備和市電等，作為微電網(wǎng)系統(tǒng)的用電載荷，使用微電網(wǎng)供電。總之，微電網(wǎng)供電系統(tǒng)使用分布式發(fā)電和儲能技術(shù)，實現(xiàn)獨立和自主的能源供應(yīng)和用電服務(wù)，提高了能源的利用效率和環(huán)境友好性，有著廣泛的應(yīng)用前景和市場潛力。2.2光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)簡介光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。主要由太陽電池板（組件）、控制器和逆變器三大部分組成，主要部件由電子元器件構(gòu)成。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)是否并網(wǎng)可分為并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)和獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是指接入電網(wǎng)運行、接受電網(wǎng)調(diào)度的光伏系統(tǒng)，如各種集中式或者分布式的光伏電站。獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是指各種獨立于電網(wǎng)運行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，如太陽能路燈、農(nóng)村戶用光伏電源等。儲能系統(tǒng)作為一種儲存電能的行之有效的方式，可分為機械儲能、蓄電池儲能、電磁儲能和相變儲能四類。其中機械儲能如抽水儲能以被廣泛應(yīng)用，飛輪儲能作為一種新型的機械儲能方式，目前處于研究和示范階段。電磁儲能包括超導(dǎo)儲能、超級電容儲能、高能密度電容儲能等。熱力儲能是通過材料相變儲存或釋放能量，國內(nèi)相關(guān)研究處于實驗室階段，尚未進行實際應(yīng)用。蓄電池儲能式目前技術(shù)發(fā)展成熟、應(yīng)用廣泛、成本較低的儲能技術(shù)。其中以鉛酸蓄電池作為儲能裝置的獨立式光伏發(fā)電產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用，近年來隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展及其成本的降低，以鋰電池構(gòu)建的儲能裝置是目前研究熱點。2.3課題主要研究內(nèi)容本課題的主要研究內(nèi)容是擬建立一座小型的小區(qū)微電網(wǎng)仿真，該微電網(wǎng)模型中應(yīng)以實際小區(qū)用電負荷以及用電規(guī)律為基礎(chǔ)進行設(shè)計。整個系統(tǒng)中主要分為光伏陣列模塊、儲能模塊、并網(wǎng)控制模塊三部分進行設(shè)計，確保所建立的仿真模型能夠滿足小區(qū)的供電需求。下圖2-1為整個光伏混合儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡圖，首先需要根據(jù)實際調(diào)研確定小區(qū)用電負荷以及用電規(guī)律，其次針對光伏陣列模塊、儲能單元以及逆變器控制策略進行仿真模型搭建并分析，最后通過整個系統(tǒng)的仿真波形驗證光伏儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。圖2-1系統(tǒng)設(shè)計框圖在上圖1-1框圖中可以得到本文設(shè)計的是一個光伏儲能系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過光伏陣列獲取太陽能進而轉(zhuǎn)化為電能，實現(xiàn)了能源的轉(zhuǎn)換。光伏陣列經(jīng)過常用的MPPT控制策略會將電能傳遞至逆變器進行控制轉(zhuǎn)化，可以將光伏陣列的直流電轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的交流電。通過逆變器出來的交流電可以直接供給給負載。而儲能單元的作用是用于調(diào)節(jié)整個供電系統(tǒng)，當太陽能充足時，光伏陣列除了向小區(qū)負荷供電以外，會向儲能單元充電。當太陽能短缺時，光伏陣列轉(zhuǎn)換的電能不足以支撐整個小區(qū)的用電需求時，儲能單元會放電彌補用電空缺。

第3章系統(tǒng)主要組成部分3.1光伏電池及MPPT策略3.1.1光伏電池分類光伏電池工作原理光伏電池???是本設(shè)???計的重???要組成???部分，???工作原???理在下???圖3-???1所示???的光伏???電池工???作原理???圖中可???以看到???。光伏發(fā)電的主要原理是半導(dǎo)體的\t"/item/%E5%85%89%E4%BC%8F%E7%99%BC%E9%9B%BB/_blank"光電效應(yīng)。光子照射到金屬上時，它的能量可以被金屬中某個電子全部吸收，電子吸收的能量足夠大，能克服金屬原子內(nèi)部的\t"/item/%E5%85%89%E4%BC%8F%E7%99%BC%E9%9B%BB/_blank"庫侖力做功，離開金屬表面逃逸出來，成為\t"/item/%E5%85%89%E4%BC%8F%E7%99%BC%E9%9B%BB/_blank"光電子。硅原子有4個外層電子，如果在純硅中摻入有5個外層電子的原子如磷原子，就成為\t"/item/%E5%85%89%E4%BC%8F%E7%99%BC%E9%9B%BB/_blank"N型半導(dǎo)體；若在純硅中摻入有3個外層電子的原子如硼原子，形成\t"/item/%E5%85%89%E4%BC%8F%E7%99%BC%E9%9B%BB/_blank"P型半導(dǎo)體。當P型和N型結(jié)合在一起時，\t"/item/%E5%85%89%E4%BC%8F%E7%99%BC%E9%9B%BB/_blank"接觸面就會形成\t"/item/%E5%85%89%E4%BC%8F%E7%99%BC%E9%9B%BB/_blank"電勢差，成為太陽能電池。當太陽光照射到P－N結(jié)后，電流便從P型一邊流向N型一邊，形成電流。整???個硅材???料進行???通電以???后，電???流產(chǎn)生???會對整???個電池???產(chǎn)生輸???出功率???，進而???實現(xiàn)了???光能至???太陽能???的轉(zhuǎn)換???，這也???是光伏???電池的???光生電???根本的???原理。圖3-1光伏電池工作原理光伏電池數(shù)學(xué)模型與輸出特性光伏電???池的數(shù)???學(xué)模型???確定是???需要在???理想條???件下進???行的，???理想條???件下，???設(shè)定太???陽光照???和環(huán)境???溫度恒???定時，???光生電???流也是???恒定的???，此時???的光伏???電池內(nèi)???部結(jié)構(gòu)???可以用???圖3-???2所示???的等效???電路來???表示。圖3-2光伏電池等效電路在上圖3-2中，為光生電流，D為PN結(jié)的二極管，為其正向電流，、為分別為內(nèi)部等效串、并聯(lián)電阻，為上流過的電流，、分別為光伏電池輸出的電流和電壓。光生電流為： （3.1）其中，——光伏電池工作在光照，溫度標況時的短路電流；——光伏電池的溫度系數(shù)，晶硅電池為；——環(huán)境當前溫度；——光照強度。流過二極管的電流為： (3.2)其中，——反向飽和電流；——電子電荷量()；——玻爾茲曼常數(shù)()；——光伏電池的理想因數(shù)(約1~5)。由基爾霍夫電流定律有： (3.3) 則光伏電池的輸出功率為：(3.4)結(jié)合式3.3和式3.4可以得出光伏電池輸出特性曲線如圖3-3所示。圖3-3光伏電池輸出特性圖3-3中，為短路電流；為開路電壓；為功率的最大值；、分別為對應(yīng)的電流和電壓的值?？梢钥闯觯夥姵厥且粋€非線性直流電源。3.1.2MPPT控制策略MPPT控制原理MPPT控??制策略??是光伏??模塊的??控制策??略。下??圖3-??4所示??為MP??PT工??作原理??，因為??光伏陣??列會受??到外??環(huán)境因??素的影??響，進??而伏安??特性和??功率特??性曲線??都會隨??著外界??條件變??化而變??化。光??伏電池??所捕獲??的太陽??能轉(zhuǎn)化??的電能??并不是??恒定不??變的，??光伏側(cè)??直流電??源是隨??著外界??環(huán)境不??斷改變?的變量??。而為?了實現(xiàn)??整個并??網(wǎng)發(fā)電??系統(tǒng)的??穩(wěn)定性??，需要??直流側(cè)??電源保??持恒定??才能夠??更好的??實現(xiàn)并??網(wǎng)后的??電能質(zhì)??量達到??標準。??根據(jù)上??一節(jié)的??光伏陣??列輸出??特性曲??線，在??理想環(huán)??境下輸??出曲線??中存在??最大功??率輸出??點，為??了實現(xiàn)??光伏電??池以最??大功率??點輸出??，因此??采用M??PPT??控制算??法實現(xiàn)?最大功??率輸出??。當外??界環(huán)境??的光照??強度以??及溫度??改變時??，最大??功率點??的輸出??位置也??會隨之??發(fā)生改??變。所??采用的??MPP??T就??綜合溫??度以及??光照??度變化??時直流??測電源??的輸出??以最大??功率點??輸出，??保證直??流電源??的穩(wěn)定。圖3-4MPPT工作原理在上圖3???-5所???示的曲???線中，???曲線1???為光伏???電池外???部環(huán)境???恒定時???，即光???照強度???與溫度???恒定不???變時所???接的負???載。曲???線1與???負載1???的交匯???處即為???光伏電???池最大???功率輸???出點A???。當曲???線1的???外界光???照強度???降低，???為了便???于分析???保持溫???度恒定???不變，???曲線2???即為曲???線1在???溫度恒???定、光???照強度???降低時???的輸出???特性曲???線。此???時負載???1與曲???線2的???交匯點???B將不???再是以???最大功???率輸出???，在曲???線2中???C點才???是最大???功率輸???出點，???因此從???B點至???C點的???遷移需???要MP???PT控???制算法???來實現(xiàn)。常用的MPPT算法目前實???現(xiàn)MP???PT控???制的常???用的幾???種方法???有：常???量控制???法、擾???動觀察???法(P???&O)???和電導(dǎo)???增量法???等。選???擇控制???性能好???的MP???PT算???法能夠???實現(xiàn)在???控制效???果上改???善并網(wǎng)???電能質(zhì)???量，對???電能質(zhì)???量的提???升具有???著關(guān)鍵???的作用。(1)常量控制法常量控制???法主要???抑制外???界環(huán)境???變化（???尤其是???溫度變???化）,???當光伏???電池所???處環(huán)境???的溫度???或光強???變化時???，光伏???電池M???PP電???壓和開路???電壓、MP???P電流???和短路???電流可以近???似按照???線性關(guān)???系來處???理，正???是根據(jù)???這種非???線性至???線性化???的轉(zhuǎn)換???處理后???，光伏???電池將???獲得近???似的最???大功率???輸出。???常量控???制法的???控制流???程圖如???下圖3?-5所示。圖3-5常量控制法控制流程圖(2)擾動觀察法P&O算法即為???擾動觀???察法，???其實現(xiàn)???原理是???通過對???光伏陣???列的輸???出電壓???施加擾???動，對???比擾動???前后光???伏電池???的輸出???功率，???判斷出???擾動施???加后當???前輸出???功率是???否向最???大功率???點處移???動來適???當調(diào)整???電壓。???控制流???程圖如???圖3-???6。圖3-6P&O法流程圖(3)電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量??法也是??光伏電??池最大??功率輸??出應(yīng)用??中常用??的MP??PT控??制方法??之一，??其工作??原理主??是比較??光伏電??池的瞬??時導(dǎo)抗??和導(dǎo)抗??變化量??來調(diào)節(jié)??光伏電??池的最??大功率??。其主??要優(yōu)點??在于跟??蹤速度??快，穩(wěn)??態(tài)精度??高。在??三種M??PPT??算法中??控制穩(wěn)??定性能??最優(yōu)，??但是算??法復(fù)雜??度也更??高，控??制流程??圖如圖3-7圖3-7電導(dǎo)增量法流程圖3.1.3仿真搭建在本設(shè)計的城市小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計中，下圖3-8即為本設(shè)計的光伏側(cè)仿真模型。由圖可知，由PV光伏陣列以及MPPT控制模塊共同構(gòu)成微電網(wǎng)的一級拓撲結(jié)構(gòu)。本設(shè)計的光伏陣列是在標況（溫度為25℃，光照強度為10001KW/m2）條件下進行能量轉(zhuǎn)換的。圖3-8光伏側(cè)仿真模型光伏陣列???的輸出???根據(jù)上???一節(jié)的???功率輸???出特性???曲線可???知，隨???著溫度???和光照???強度的???不斷變???化，光???伏電池???的輸出???特性是???時變的???。因此為了滿足微電網(wǎng)系統(tǒng)的一次拓撲結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需要采用MPPT控制策略保證光伏電池的輸出特性按照最大功率進行輸出，進一步增加光伏轉(zhuǎn)換效率的同時，也保證了直流母線電壓的恒定，更加有利于微電網(wǎng)系統(tǒng)的孤島運行模式。下圖的3-9以及3-10分別為光伏陣列仿真模型和MPPT控制模型的具體搭建，在圖2-10中，光伏陣列的搭建是以48塊250W的光伏陣列單元組件共同串聯(lián)而成，提供城市小區(qū)微電網(wǎng)的輸出功率，滿足18KW小區(qū)用電的功率需求。光伏陣列組件的單間是通過各個組件間的串聯(lián)關(guān)系，保證功率的疊加，進而實現(xiàn)太陽能至電能的能量轉(zhuǎn)換。圖3-9光伏陣列仿真模型圖3-10MPPT控制模型

3.2儲能裝置的分析與設(shè)計3.2.1蓄電池特性分析蓄電池工作原理鉛酸蓄電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常使用的蓄電池類型之一，其結(jié)構(gòu)組成是由電池板端子兩端的正、負極板以及電池內(nèi)部的電解液共同組成。它的正極活性物質(zhì)是二氧化鉛()，負極活性物質(zhì)是海綿狀金屬鉛()，電解液是稀硫酸。正常充放電化學(xué)方程式為：正極：（3.5）負極：（3.6）總反應(yīng)：（3.7）當鉛酸蓄電池在充電時，正極由轉(zhuǎn)化為后，電能轉(zhuǎn)化為了化學(xué)能，然后儲存在正極板中；而負極的硫酸鉛()轉(zhuǎn)化為海綿狀鉛()，然后電能轉(zhuǎn)化為了化學(xué)能儲存在負極板中，完成了蓄電池的充電。鉛酸蓄電池放電時，正極F{n--氧化鉛()變成硫酸鉛()，這樣化學(xué)能就轉(zhuǎn)換成了電能；負極由海綿狀鉛()變成硫酸鉛()，因此是將電池內(nèi)部的化學(xué)能與電能之間完成交換以此通過電池兩端正負極的極性偏差來使電能流向負載，進而實現(xiàn)對特定負載的持續(xù)供電。蓄電池的工作特性主要包括容量的選擇、電池荷電狀態(tài)的確定、放電深度的計算、轉(zhuǎn)換效率的計算以及電池使用壽命的確定。而針對上述蓄電池的工作特性可逐步進行確定。（1）容量計算對于蓄電池的容量是通過對鉛酸蓄電池充滿電的狀態(tài)時，由滿電狀態(tài)向外放電，直至電量耗盡為止。在此過程中所釋放的總的電池電量即為蓄電池的容量。在鉛酸蓄電池容量確定中可通過放電電流與放電時間的乘積來進行核定，即：（3.8）式中：表示容量()；表示放電電流(A)；t表示放電時間(h)。而蓄電池在應(yīng)???用當中???，隨著???其內(nèi)部???化學(xué)物???質(zhì)的消???耗，其???容量也???會不斷???改變。???根據(jù)蓄???電池內(nèi)???部所含???的化學(xué)???物質(zhì)的???活性程???度，通???過法拉???第定律???計算即???可得到???蓄電池???在滿狀???態(tài)下的???活性物???質(zhì)時的???理論容???量。其???所計算???的實際???容量值???與理論???容量具???有一定???的差異???，實際???容量與???理論容???量之間???的關(guān)系???是實際???容量低???于理論???容量，???而為了???糾正容???量差異???，在蓄???電池使???用中設(shè)???定額定???容量來???保證電???池放電???條件下???按照最???低限度???進行計???算。其???計算過???程如下：（3.9）(2)蓄電池荷電狀態(tài)鉛酸蓄電???池某一???時刻t???的荷電???狀態(tài)S???OC指???該時刻???蓄電池???實際容???量Q(???f)與???額定容???量Q的???比值，???用來反???映蓄電???池在放???電過程???中還可???以繼續(xù)???釋放出???多少電???能。其???計算公???式：（3.10）(3)放電深度鉛酸蓄電池的放電深度(DepthofDischarge，DOD)是蓄電池放出容量與額定容量的比值。（3.11）(4)轉(zhuǎn)換效率轉(zhuǎn)換效率???是指蓄???電池能???放出的???全部電???能與充???滿電所???耗的全???部電量???的比值???，有：???“安時???效率”???和“瓦???時效率???”兩種???表示方???法。（3.12）式中：—瓦時效率，—安時效率；：放電電壓，：電流平均值，：放電時間；：充電電壓，：電流平均值，：充電時間。3.2.2儲能裝置仿真設(shè)計儲能裝置仿真搭建下圖3-11所示為城市小區(qū)微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計當中的儲能裝置模塊的仿真模型搭建，蓄電池作為儲能裝置的主要元件，其承擔著與光伏發(fā)電系統(tǒng)相同的功能需求。儲能裝置與光伏陣列與主電路處于并聯(lián)關(guān)系。當直流母線電壓保持恒定時，光伏陣列對儲能裝置進行充電，而當光伏陣列不能夠提供穩(wěn)定的直流母線電壓時，由儲能裝置進行放電，維持直流母線電壓的恒定。因此，在下圖3-11所示的仿真模型當中，鉛酸蓄電池與主電路是處于串聯(lián)關(guān)系。在微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池的作用主要體現(xiàn)在能量的存儲與釋放。在系統(tǒng)仿真中，當光伏陣列輸出功率不足以支撐小區(qū)負荷的功率需求時，鉛酸蓄電池將會提供系統(tǒng)的功率缺額部分進而維持整個系統(tǒng)在正常工作狀態(tài)下穩(wěn)定運行。因此，在圖3-11所示的儲能裝置仿真模型搭建過程中，其整個儲能裝置設(shè)計的主電路搭建模型能夠更好的保證微電網(wǎng)孤島運行下的良好運行。圖3-11儲能裝置仿真模型增量式PID控制算法常常被應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域上，作為一種常用的PID數(shù)字控制方法，在PID改進的算法中具有良好的應(yīng)用背景。增量式PID控制算法適用于負荷變化大、容量滯后大以及控制精度高的系統(tǒng)。依據(jù)PID的三個參數(shù)，即比例、積分、微分，可通過增量式調(diào)節(jié)使其達到穩(wěn)定。需要增量式補償來實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差的抑制,積分環(huán)節(jié)是用來調(diào)整控制誤差的震蕩，能夠有效的消除靜差。微分環(huán)節(jié)主要是被控信號變化時對動態(tài)特性的抑制。下圖3-12所示即為增量式PID控制調(diào)節(jié)框圖，由圖可知PID增量式調(diào)節(jié)方式是通過設(shè)定值w與實際值y進行偏差構(gòu)成，再通過PID控制器中的三個參數(shù)來實現(xiàn)對蓄電池電量的測量與控制。增量是PID控制方法的動態(tài)方程如下：（3.13）其中Kp為比例放大系數(shù)；Ki為積分時間常數(shù)；Kd為微分時間常數(shù)；PID調(diào)節(jié)器的離散化表達式為：（3.14）其增量表達形式為（T為采樣周期）：（3.15）圖3-12增量PID控制在下圖3-13所示的蓄電池控制仿真模型中，所采用的蓄電池控制策略為PID控制。通過采集直流母線實際電壓與給定電壓600伏進行偏差運算，由直流母線電壓偏差導(dǎo)入PID電壓外環(huán)控制器中，再通過電流內(nèi)環(huán)的偏差來控制進而得到穩(wěn)定的直流母線電壓控制。通過對蓄電池的電壓控制，能夠保證在光伏發(fā)電條件下與光伏陣列相并列來實現(xiàn)直流測母線電壓恒定在600伏目標，以此來實現(xiàn)逆變器側(cè)的電能交換。圖3-13蓄電池控制仿真模型

3.3微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計3.3.1逆變器控制在上圖3-14所???示的拓???撲結(jié)構(gòu)???中，主???回路是???由PV???光伏板???、蓄電???池、直???流側(cè)電???容C，???逆變器???、LC???L濾波???器、負???載以及???電網(wǎng)共???同組成???。直流???側(cè)控制???策略為???MPP???T控制???，就劉???策控制???策略為???雙閉環(huán)???逆變器???控制策???略。至???此整個???單相光???伏并網(wǎng)???系統(tǒng)結(jié)?構(gòu)是由???兩級控???制策略???構(gòu)成。???圖3-14逆變???電路中???，逆變???橋由四???個IG???BT開???關(guān)管并???聯(lián)反饋???二極管???組成，?為直???流側(cè)電?壓，交側(cè)濾?波器的??、?拓撲結(jié)??、?構(gòu)是L???CL型?，ig???、vg???分別為?負載側(cè)?電流和?電壓。?其中，?MPP???T作用?是將直?流輸入?電壓升?壓到?，采用???PWM???調(diào)制方?式；D???C/A???C逆變?電路的?作用是?將MP???PT輸???出的直?流電轉(zhuǎn)?換為可???以并到?網(wǎng)側(cè)的?交流電???，逆變?電路中?常采用?脈寬調(diào)???制方式。圖3-14微電網(wǎng)系統(tǒng)控制框圖逆變器控???制結(jié)構(gòu)???在微電???網(wǎng)孤島???模式運???行下，???對逆變???器的控???制是為???了保證???輸出電???流具有???足夠低???的諧波???畸變率???。與此???同時為???實現(xiàn)負???載側(cè)電???能質(zhì)量???的提升???，可通???過控制???逆變器???輸出電???流來控???制并網(wǎng)???的功率???因數(shù)。???當前逆???變器是???以電壓???源型逆???變器拓???撲結(jié)構(gòu)???為主，???因此在???系統(tǒng)控???制時，???采用電???流控制???實現(xiàn)對???輸出電???流控制???，而電???流控制???技術(shù)通???常采用???雙閉環(huán)???控制以???改善系???統(tǒng)動態(tài)???特性和???穩(wěn)態(tài)精???度，包???括內(nèi)環(huán)???電流環(huán)???和外環(huán)???電壓環(huán)???。電壓???外環(huán)得???到電流???環(huán)的給???定幅值???，與鎖???相環(huán)(???Pha???se???Loc???ked???Lo???op,???PL???L)得???到的正???弦信號???組成電???流內(nèi)環(huán)???的電流???參考i???ref???，與微???電網(wǎng)輸???出電流???做差作???為電流???內(nèi)環(huán)的???輸入，???內(nèi)環(huán)輸???出經(jīng)P???WM調(diào)???制得到???逆變器???開關(guān)器???件的驅(qū)???動信號???，以實???現(xiàn)逆變???器運行。3.3.2系統(tǒng)仿真搭建主電路仿真模型下圖3-15所示為主電路仿真模型，由圖可知，城市小區(qū)微電網(wǎng)主要由光伏電池&MPPT仿真模塊、電池儲能模塊、逆變器、線路阻抗、LC濾波器、負載以及可變負載共同構(gòu)成。在下圖的主電路搭建中，光伏電池作為能源的終端獲取手段，承載著本設(shè)計的微電網(wǎng)系統(tǒng)的能量供給，由光伏電池實現(xiàn)太陽能與電能的轉(zhuǎn)???換，實???現(xiàn)微電???網(wǎng)系統(tǒng)???的能量???流動。???MPP???T控制???則是為???了保證???光伏電???池以最???大功率???進行輸???出，對???后級結(jié)???構(gòu)的直???流母線???電壓進???行控制???，進而???保證直???流母線???電壓的???恒定，???以便于???為逆變???負載一???側(cè)的穩(wěn)???定電能???輸出提???供前級???輸入保???障。電???池儲能???系統(tǒng)本???設(shè)計是???采用蓄???電池作???為儲能???元件，???通過蓄???電池的???充放電???特性以???及蓄電???池工作???特性，???實現(xiàn)光???伏電池???以及蓄???電池之???間的能???量交互???和流通???。蓄電???池能夠???接收光???伏電池???的電能???輸出，???在標況???條件下???，光伏???電池對???微電網(wǎng)???系統(tǒng)提???供所需???的功率???，與此???同時，也對蓄電池進行充電。當外界環(huán)境受到干擾時，光伏電池的輸出功率不足以提供后級的功率需求時，由蓄電池提供相差的功率，以保證光伏電池與儲能裝置對小區(qū)負荷的功率需求。逆變器是交直流變換的重要器件，光伏電池與蓄電池之間的能量交換形式都是以直流形式進行輸出，但是小區(qū)的用電負荷形式需要采用交流供電形式，因此需要進行交直流變換后，對負載進行供電。采用交流供電形式能夠更好地保證電能的合理輸出，為小區(qū)的負荷提供穩(wěn)定交流電。線路阻抗是考慮到實際小區(qū)微電網(wǎng)設(shè)計中所存在的線路阻抗消耗，本設(shè)計的阻抗形式設(shè)置成阻感性。LC濾波器是為了更好地實現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波濾除，對于負載的諧波輸出具有一定的抑制作用。負荷設(shè)置兩種，一種為固定負載，一種為可動負載，在2s時可動負載加入進微電網(wǎng)系統(tǒng)中以模擬小區(qū)用戶的負載突變，以此來驗證負載變化時微電網(wǎng)系統(tǒng)的魯棒性。圖3-15主電路仿真模型下圖3-16所示為微電網(wǎng)系統(tǒng)逆變器控制的仿真模型搭建。逆變器控制策略采用傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)，逆變器控制是根據(jù)下式（3.16）所示的主電路拓撲結(jié)構(gòu)進行確定。在逆變器控制策略中，采用傳統(tǒng)的PI控制策略能夠完成逆變器的良好控制。（3.16）圖3-16逆變器控制仿真模塊坐標變換及功率計算由三相靜?止坐標?系到a???lph???a-b???eta???靜止坐?標系的?變換過?程，采?用的C???lar???k變換?就是將?三相靜?止坐標?系與兩?相靜止?坐標系?共用一?個坐標?原點，?并經(jīng)三?相中的?a軸與?兩相的?軸重?合，實?現(xiàn)b、???c軸向???β軸的???轉(zhuǎn)變，???具體的???轉(zhuǎn)換公???式如式???（3.17）所???示：（3.17）式（3.18）所???示即為???Cla???rk坐???標變換???的公式???，上式???只是針???對電流???的變換???，當對???電壓進???行變換???時，也???是如此???。上式???中的i???0一項???是在實???際變換???中是0???，因為???三相電???壓源是???不存在???零序分???量的，???在需要???進行反???變換時???，將式???（3.18）進???行矩陣???變換即???可實現(xiàn)???。因為???本設(shè)計???采用的???是雙閉???環(huán)PI???控制，???因此，???對電壓???的Cl???ark???變換后???可得到：（3.18）式（3.19）即為電壓變換結(jié)果。alpha-bet???a靜止???坐標系???到dq???旋轉(zhuǎn)坐???標系的???變換過???程中，???實現(xiàn)的???是兩相???靜止坐???標向兩???相旋轉(zhuǎn)???坐標的???轉(zhuǎn)變，???在具體???向量的???體現(xiàn)上???，是向進行轉(zhuǎn)???換的過???程。P???ark???變換公???式是矢???量的變???換，其???變換公???式如下：（3.19）式中θ=wt，此公式???即為P???ark???變換的???實現(xiàn)過???程，對???電壓進???行變換???后，可得：（3.20）通過對式（3.20）變換結(jié)果進一步整理，可得到轉(zhuǎn)換矩陣如下：（3.22）相應(yīng)的反交換矩陣：（3.23）在功率輸出中，對PQ有功與無功可按照下式進行功率計算。（3.24）（3.25）對應(yīng)的坐標變換仿真模塊如下圖3-17所示。圖3-17坐標變換仿真模塊 下圖3-18所示為PQ功率控制仿真模塊，采用PQ控制能夠及時計算出微電網(wǎng)的輸出功率變化情況。圖3-18PQ控制仿真模塊

第4章仿真分析4.1輸出側(cè)仿真分析下圖4-1所示為微電網(wǎng)輸出功率波形，由下圖的仿真波形可以得到，第一個曲線為光伏陣列的輸出功率，在微電網(wǎng)剛剛啟動時，光伏電池的功率輸出經(jīng)過短暫的下跌之后，會很快實現(xiàn)最大功率跟蹤，由波形的曲線可以得知，光伏電池的輸出功率保持恒定輸出，盡管在2s時將可變負載加入到微電網(wǎng)系統(tǒng)中，但光伏陣列的輸出功率一直以12KW進行輸出。而對比第二個蓄電池輸出功率波形可知，在前2s時間內(nèi)，蓄電池處于充電狀態(tài)，因為在2s之前負載由光伏電池就能夠?qū)崿F(xiàn)功率供給。第三個負載功率變化曲線也同樣可以看到，在2s以后負載功率變化之后，負載功率在20KW，光伏電池所能提供的功率不能滿足負載的功率需求，此時需要蓄電池提供8KW的功率輸出來彌補光伏電池不足的功率。圖4-1微電網(wǎng)輸出功率波形下圖4-2和圖4-3所示為微電網(wǎng)系統(tǒng)的電壓、電流輸出仿真波形。由圖可以看出，在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，經(jīng)過逆變器逆變的電壓以及電流具有標準的正弦特性。光伏電池以及蓄電池相互組合的微電網(wǎng)系統(tǒng)，為實現(xiàn)對小區(qū)的負荷進行供電，轉(zhuǎn)換后的交流電具有良好的波形平滑性。圖4-2微電網(wǎng)電流輸出波形圖4-3微電網(wǎng)輸出電壓波形 下圖4-4所示為微電網(wǎng)光伏側(cè)輸出波形，由下圖波形分析可知，直流側(cè)母線電壓通過MPPT以及蓄電池實現(xiàn)了直流母線電壓的恒定。下圖也可以看到，光伏輸出的電壓、電流具有良好的收斂性。圖4-4微電網(wǎng)光伏側(cè)輸出波形4.2蓄電池仿真分析由下圖4-5所示的蓄電池輸出特性仿真波形中可以看到共有三個電池輸出特性物理量分別為SOC、電流以及電壓實時仿真波形。隨著時間的推移，對于電池容量SOC一直在50％左右波動，為了達到直流母線電壓的恒定。SOC.持續(xù)對直流母線電壓進行充電與放電操作?？梢钥吹皆诜抡鏁r間2秒之前，電池容量不斷增加，此時光伏電池對蓄電池進行充電。在2秒到3秒之間SOC容量下降，此時光伏電池為保證直流母線電壓的恒定，需要蓄電池對直流母線電壓進行放電操作。從電流電壓仿真波形中可以看到仿真波形較為平滑，此時蓄電池的電流輸出較小，而直流母線電壓維持在430V附近?？梢钥吹讲捎肞ID控制能夠合理的控制電壓值，使其保持在恒定狀態(tài)下。圖4-5蓄電池輸出特性 下圖4-6所示為蓄電池功率輸出仿真波形，由圖可以得到，在整個微電網(wǎng)系統(tǒng)運行過程中，因為光伏陣列的光照條件良好，自身供給直流母線電壓恒定的電壓值，因此不需要蓄電池進行額外放電。通過仿真波形進一步可以看到，在整個小區(qū)所建立的微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，在系統(tǒng)剛剛啟動運行時，系統(tǒng)是具有一定的波動性，但是很快歸于平穩(wěn)。一直到2秒時，當系統(tǒng)的負載發(fā)生變化時，為了跟蹤負載的變化，滿足負載的功率波動需求，蓄電池會與光伏陣列組件共同對增加的負載進行供電，以保證負載功率突變對微電網(wǎng)系統(tǒng)的影響。圖4-6蓄電池功率輸出仿真波形4.3光伏電池仿真分析在Matlab/Simulink平臺上???進行仿???真分析???，以驗???證MP???PT算???法的有???效性。???當溫度???為25???℃時，???光照強???度在1???KW/???m2時???，采用???P&O???法的M???PPT???的結(jié)果???如圖4-7?所示。圖4-7光伏MPPT控制結(jié)果從圖2-1???1的功???率輸出???波形中???分析可???知，當???保持溫???度為不???變、光???照強度???保持恒???定時，???光伏電???池的輸???出特性???中功率???曲線隨???著時間???的延長???而逐漸???趨于平???緩。此???時的電???壓變化???范圍較???小，因???此可以???看到采???用P&???O法實???現(xiàn)MP???PT控???制時具???有電壓???波動范???圍較小???的控制???效果。???能夠使???得光伏???電池的???電壓輸???出保持???良好特???性，可???進一步???驗證所???MPP???T的控???制策略???具有良???好的特???性。

結(jié)論本文主要是在能源枯竭的時代背景之下，為尋求可替代能源來解決能源問題，在城市小區(qū)內(nèi)建立微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。通過光伏電池與蓄電池共同組合混合儲能微電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計，可根據(jù)小區(qū)的具體地理位置和光伏條件來建立合適的小區(qū)微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計，通過對文獻的調(diào)研以及小區(qū)光伏發(fā)電系統(tǒng)的綜合分析，本文主要做出了以下工作：1、研究并設(shè)計綜合儲能、微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計混合微電網(wǎng)，通過光伏電池與蓄電池相結(jié)合進而更好地實現(xiàn)了能源配置管理。采用逆變器控制技術(shù)以及光伏陣地MPPT控制和儲能蓄電池控制技術(shù)相結(jié)合，完成了光伏微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的控制策略研究。2、通過matlab/simulink仿真平臺搭建小區(qū)光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，并通過對小區(qū)給定負載的變化來驗證所搭建仿真模型的正確性與可行性。通過仿真分析可知，本文所采用的控制策略能夠良好的實現(xiàn)對小區(qū)負荷的實時供電，能夠滿足小區(qū)對用電功率的需求。

參考文獻[1] 王昕揚.配電網(wǎng)綜合儲能治理設(shè)備協(xié)調(diào)控制研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用.2021(4):162-164[2] 梁振鋒，祖瑩，劉偉，肖鳳斌，陳謙.基于用電信息采集數(shù)據(jù)的綜合儲能分析[J].供用電.2020.[3] 劉娜.新能源并網(wǎng)對綜合儲能的影響[J].黑龍江科學(xué).2020.[4] 沈大偉.綜合儲能管理系統(tǒng)在地鐵變電所的應(yīng)用[J].工程建設(shè)與設(shè)計.2020.[5] 劉穎英，馮丹丹，林才華，張逸.綜合儲能綜合評估研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電力系統(tǒng)保護與控制.2020.[6] 吳景營.無功補償下的電網(wǎng)綜合儲能提升[J].通信電源技術(shù).2021(3):220-222.[7] 楊晨星，童朝南.基于預(yù)測控制的DFIG電網(wǎng)無功補償優(yōu)化方案[J].電測與儀表，2019，56(7):61-68.[8] 常棟梁，何立柱，李洋，等.配電網(wǎng)功率平衡調(diào)節(jié)與無功補償研究及裝置[J].電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報，2019，31(4):132-138.[10] 王子江.基于LADRC的LCL型并網(wǎng)逆變器電流環(huán)控制研究[D].華南理工大學(xué),2020.[11] MohammadinodoushanMohammad,AbbassiRabeh,JerbiHoussem,WalyAhmedFaraedoon,AbdalqadirkhahmedHa