摘 要

随着化石能源的日益枯竭，太阳能光伏发电作为一种可再生的发电方式，越来越受到人们的关注。太阳辐射的随机性和波动性导致光伏发电系统的输出不可控，已成为影响提高光伏渗透率的重要因素。储能技术的应用可以有效地提高光伏发电系统的可控性。光伏发电系统引入储能装置后，有必要对光伏发电系统与储能装置的协调运行与控制进行研究。

本文研究的重点是研究分布式光伏储能系统协调控制技术，首先介绍了光伏电池阵列的建模原理，设计实现了光伏电池阵列的最大功率追踪，实现光伏系统并网。然后建立光伏储能系统典型拓扑结构，对光伏储能系统进行协调控制。再针对分布式光伏发电储能协调参数进行研究，通过运行仿真分析系统动态特性。

关键词：光伏储能系统；双向DC/AC；MPPT控制；协调控制

Abstract

With the depletion of fossil energy, solar photovoltaic power generation, as a renewable power generation method, has attracted more and more attention. The randomness and fluctuation of solar radiation lead to uncontrollable output of photovoltaic power generation system, which has become an important factor affecting the improvement of photovoltaic permeability. The application of energy storage technology can effectively improve the controllability of photovoltaic power generation system. After the introduction of energy storage devices into photovoltaic power generation systems, it is necessary to study the coordinated operation and control of photovoltaic power generation systems and energy storage devices.

The focus of this paper is to study the coordinated control technology of distributed photovoltaic energy storage system. Firstly, the modeling principle of photovoltaic array is introduced, and the maximum power tracking of photovoltaic array is designed and implemented to realize grid-connected photovoltaic system. Then the typical topological structure of photovoltaic energy storage system is established to coordinate the control of photovoltaic energy storage system. Secondly, the coordination parameters of distributed photovoltaic energy storage are studied, and the dynamic characteristics of the system are analyzed by operation simulation.

Keywords:Photovoltaic energy storage system; bidirectional DC/AC; MPPT control; coordinated control

目录

第一章 绪论 6

1.1选题背景及意义 6

1.2国内外研究现状 7

1.2.1国外光伏发电现状 7

1.2.2国内光伏发电现状 7

1.3论文主要研究内容 8

第二章 光伏发电系统建模 10

2.1光伏阵列建模 10

2.1.1 光伏电池模型 10

2.1.2 光伏电池输出函数 10

2.1.3 光伏电池仿真模型 11

2.1.4 光伏电池的输出特性 12

2.2光伏最大功率跟踪控制 14

2.1.1最大功率点追踪的分类 15

2.1.2电导增量法 16

2.3最大功率跟踪的建模 17

2.3.1 BOOST电路原理 18

2.3.2由MPPT控制的BOOST电路 20

2.4 本章小结 20

第三章 基于蓄电池的储能系统 21

3.1蓄电池的原理及建模 21

3.1.1蓄电池的原理 21

3.1.2蓄电池的等效模型 21

3.2储能装置接入方式 23

3.3储能装置主电路及其控制 24

3.3.1 逆变器控制策略 25

3.3.2 PQ控制模型 27

3.4 本章小结 29

第四章 光伏储能系统协调控制及仿真结果 30

4.1 光伏储能系统协调控制原理 30

4.2储能系统充放电仿真 32

4.2.1储能系统的充电 32

4.2.2储能系统的放电 33

4.3光伏储能系统协调控制及动态特性仿真研究 34

4.4 本章小结 43

第五章 总结与展望 44

致 谢 45

参考文献 46

第一章 绪论

1.1选题背景及意义

众所周知，人们的生活离不开能源，近二三百年来，由于人类对化石能源的过度依赖，导致能源问题已经成为世界性的问题。提到能源，人们首先会想到的是石油、煤炭、天然气这三类化石能源，也被称之为不可再生能源，顾名思义，就是消耗以后根本无法再生或者说是数十年之内不可能再次产生。另一类能源就是近年来越来越得到人类重视的新能源，主要有风能、太阳能、海洋能、地热能，这类能源是清洁的，言外之意说明在使用过程中不会产生污染或者只有极其微弱的污染。不可再生能源的开发利用则会给环境造成相当严重的危害?近年来我国多地频发严重的雾额天气，说明现在已经严重超过了环境的承受水平。同时，化石能源的利用还会带来全球气候变暖的问题，从而带来更大的生态问题。

太阳能可以说是目前最理想的新能源，但也存在一些不足，这是由于太阳能资源本身的不足造成的。太阳能的能量密度很低。为了在实际应用中获得更大的功率，有必要建造一个大面积的太阳能收集设备。因此，它占地面积大，结构复杂。太阳能的能量也是不稳定的。太阳光的辐射角随时间变化。考虑到气候和季节的变化，可利用的太阳能是不可预测的，昼夜交替将带来太阳能不连续的问题。另外，太阳能并网发电由于其不可控性，对电网的影响很大，表现为电网调频压力增大、电网稳定控制难度加大、电网电能质量下降，甚至在一定条件下，光伏发电系统必须独立于电网运行。

为了广泛应用光伏发电技术，必须克服上述问题。增加储能单元是解决光伏发电波动的一个好办法。当光伏电池产生更多电能时，储能单元将多余的电能储存起来。当光伏波产生的电能不足以支持负载时，储能单元将分批供电，保证系统可靠运行，大大提高光伏发电系统的可靠性。通过合理的调度安排，储能系统起到了平衡电力的作用，不仅提高了光伏发电系统的能量不稳定性，而且提高了电网运行的稳定性和安全性，优化了供电质量，起到了应急储备的作用，大大提高了电能利用率。为用户提供优质的电源。

为应对能源危机，改善地球环境，积极推动新能源技术的发展，是一条十分可行的途径。因此，深入研究光伏发电技术与储能技术的协调控制，将对人们的日常生产生活产生深远的影响。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外光伏发电现状

在国外，由于电网的密集分布，高峰电价是一项巨大的支出，刺激了太阳能发电的发展。20世纪80年代，光伏并网系统处于发展的初始阶段，但没有达到预期的效果，主要是由于投资大，许多电力公司负担不起。

从20世纪末开始，屋顶光伏并网系统开始呈现出强劲的发展趋势。在屋顶安装大型太阳能电池发电是灵活的，不需要太高的成本。与大型并网光伏发电厂相比，具有巨大的优势，受到各国的关注。

德国是实施屋顶计划的第一个国家。1993年，在政府和电力公司的全力支持下，成功实施了1000屋顶计划，由于效果良好，计划升级为2000屋顶计划[1]。目前，德国屋顶分布式光伏发电厂占总装机容量的75%，大型地面集中发电厂仅占25%。这种光伏发电系统的用户获得德国政府35%的补贴和10年左右的无息贷款，极大地促进了当地光伏并网系统的进步和升级。

由于土地匮乏，日本在建筑设计中更注重利用太阳能空间。尤其是自上世纪90年代以来，每年都有数万套新型屋顶光伏并网系统投入使用。此外，瓷砖和玻璃形式的光伏组件的创新设计既实用又美观，受到建筑公司的青睐。

自20世纪80年代以来，美国大力推动光伏并网发电系统的发展，数据显示，太阳能是美国增长最快的发电形式，2016年至2017年增长41%。预计到2050年，太阳能将占美国总装机容量的21%。以俄亥俄州为例。截至2018年2月，俄亥俄州已安装176兆瓦太阳能。正在开发的四个太阳能项目总计550兆瓦。预计到2030年，俄亥俄州将安装22千兆瓦太阳能，投资36亿美元，每年保持800个直接就业岗位和1700多个间接就业岗位，每年将使该州的国内生产总值增加10亿美元，光伏发电前景非常广阔。

1.2.2国内光伏发电现状

相较于其它与我们纬度相同国家，我国太阳能资源并不短缺，与欧洲国家相比还具有一定的优势。我国光伏电池的开发始于1958年，第二年开始开发实用太阳能电池[2]。

通过对我国光伏发电过程的分析，可以看出我国光伏发电有两个主要的跨越期。1978年以后，由于经济快速发展等有利因素，我国也在短时间内引进了大量光伏组件生产设备，促进了光伏技术的发展。21世纪初，我国光伏产业迎来了第二个发展高峰。随着国际和政府项目的启动，我国光伏产业又实现了大规模发展。2007年底，中国光伏产业首次超越欧洲和日本，建立了从原材料到生产到光伏发电的全过程产业体系。在此期间，中国50多家从事太阳能电池板生产的企业，总产量高达18W的光伏发电系统装机容量也突破了100MW。

在政策上，中国制定了2011年太阳能利用“十二五”规划，大力推进分布式太阳能光伏发电，标志着我国光伏安装市场进入了全面扩张阶段，2012年国家电网公司也提出了电网指导方针。-联通业务促进这项工作，并首次实施10千伏直接免费接入：2013年发布。发布了《关于做好分布式发电联合服务的意见》，允许用户将剩余电量售电给电网，在一定程度上缓解了光伏产业并网推广的困难，加快了中国市场的开放。根据中国可再生能源中长期发展规划，预计到2050年将突破600千兆瓦太阳能发电机组。在全国发电装置中，可再生能源占25%，光伏发电占5%。

表1.1 2017年光伏累计装机容量和发电量

根据国家能源管理局西北监督局公开数据，如表1-1所示，山东省2017年光伏发电量达到72.78亿千瓦时，比去年同期增长1.33倍，完全被互联网吸收。

截至2018年2月底，山东省已建成光伏发电厂11.58GW，其中光伏发电厂5.95GW，分布式光伏发电厂5.63GW。目前，山东光伏装机约占全国光伏装机总量的12%，分布式光伏发展速度仍在加快。

1.3论文主要研究内容

本论文的内容安排及研究工作

第一章：介绍了为什么要研究光伏储能系统协调控制，它有哪些背景以及研究它的意义是什么。然后对光伏发电国内国外目前的研究现状进行了大致介绍，表现了光伏储能技术的重要性和光伏储能系统协调控制的必要性。

第二章：针对光伏系统的拓扑结构在MATLAB中进行建模。包括根据光伏电池的数学模型对光伏阵列进行建模然后对其输出特性进行分析。介绍光伏最大功率跟踪控制技术以及由电导增量法得到的的最大功率跟踪建模。

第三章：对基于蓄电池的储能系统进行介绍和建模，通过查阅国内外相关文献对储能系统中尤为重要的双向DC/AC逆变电路及其控制进行分析和建模。

第四章：介绍光伏储能系统协调控制策略，提出相应控制算法，然后将在MATLAB/simulink中搭建的光伏储能系统模型进行仿真测试，根据仿真结果来验证所设计算法的正确性。

第二章 光伏发电系统建模

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。因此对PV阵列的模型的搭建离不开分析的、特性与太阳光照射的强弱程度、运行时的温度以及自身内部的结变化而呈现的非线性关系。

2.1.1 光伏电池模型

光伏电池自身就为一个结，它的基础特性与二极管是类似的，它等效的电路主要由光生电流源和各种电阻构成[3]，如图 2-1所示。

图 2-1 光伏电池等效模型

其中，当光照、温度等外界环境因素保持不变时，由于光生电流自身的特性，它不会因为光伏电池工作状态发生变化就变化，所以在实际电路中可以将其视为一个恒流源。为二极管正向电流，它的出现是因为在光伏电池的两头接上负载后，负载侧的电压反作用在结上。为等效旁路电阻，与电池对地的泄漏电流成反比。为等联电阻，表示电池中电流受到的阻碍作用，其数值取决于结的深度、半导体材料的纯度以及接触电阻。为负载电阻，为光伏电压，。

2.1.2 光伏电池输出函数

根据图2-1标识的电压和电流方向，光伏电池I—V特性曲线如式2-1所示。

(2-1)

式中：；

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