基于直流側(cè)帶儲(chǔ)能單元的光儲(chǔ)并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制

韓 洲，任永峰，胡宏彬，韓俊飛，徐鐵勝

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010080；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020)

基于直流側(cè)帶儲(chǔ)能單元的光儲(chǔ)并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制

韓 洲1，任永峰1，胡宏彬2，韓俊飛2，徐鐵勝1

(1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)電力學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010080；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，內(nèi)蒙古呼和浩特010020)

光伏發(fā)電作為可再生能源之一，易受自然環(huán)境變化的影響，其輸出功率具有明顯的隨機(jī)性和間歇性，需要加入儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存能量或提供短時(shí)能量補(bǔ)給，減小光伏發(fā)電的功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。提出了一種新型光儲(chǔ)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，即在直流側(cè)加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，利用其快速充放電特性抑制直流側(cè)電壓的波動(dòng)，從而達(dá)到抑制功率波動(dòng)的目的。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境中建立了整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型，驗(yàn)證了該方案的有效性和正確性。

光伏發(fā)電；儲(chǔ)能系統(tǒng)；光儲(chǔ)并網(wǎng)；功率波動(dòng)；Matlab/Simulink仿真

光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)可再生能源大規(guī)模應(yīng)用和節(jié)能減排的重要途徑，然而太陽(yáng)能資源具有隨機(jī)性、間歇性和不可控性。隨著光伏并網(wǎng)系統(tǒng)滲透率的增大，單獨(dú)并網(wǎng)時(shí)不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了進(jìn)一步提高光伏發(fā)電的靈活性和可控性，滿足用戶更高的可靠性需求并緩和大電網(wǎng)與光伏發(fā)電之間的矛盾，本文設(shè)計(jì)了直流側(cè)帶儲(chǔ)能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。

直流側(cè)引入儲(chǔ)能裝置可以平滑光伏電源的功率輸出。利用儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速充放電特性，在光照強(qiáng)度良好時(shí)，將多余的電能儲(chǔ)存起來(lái)；在光照強(qiáng)度不足時(shí)，再將儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)換為電能，從而達(dá)到穩(wěn)定直流側(cè)電壓的目的，進(jìn)而保證系統(tǒng)供電的連續(xù)性和穩(wěn)定性[1-2]。本文設(shè)計(jì)的直流側(cè)帶儲(chǔ)能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能夠直接抑制直流側(cè)電壓的波動(dòng)，從而達(dá)到抑制并網(wǎng)功率波動(dòng)的目的。

1 光儲(chǔ)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采用兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，需要完成兩個(gè)控制目標(biāo)：控制輸出電流與電網(wǎng)電壓同頻同相，以及對(duì)光伏電池最大輸出功率點(diǎn)的跟蹤。在雙級(jí)式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，前級(jí)DC/DC實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤的目標(biāo)，后級(jí)DC/AC控制直流母線電壓穩(wěn)定和實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)控制[3]。儲(chǔ)能系統(tǒng)采用Buck-Boost電路接入直流母線，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能單元的快速充放電，如圖1所示。

圖1 光儲(chǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 光伏并網(wǎng)控制策略

2.1 前級(jí)Boost控制策略

在不同的外界條件下，光伏電池可運(yùn)行在不同且唯一的最大功率點(diǎn)上。應(yīng)當(dāng)尋求光伏電池的最優(yōu)工作狀態(tài)，以最大限度地將光能轉(zhuǎn)化為電能。

典型的自尋優(yōu)類最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法有擾動(dòng)觀測(cè)法和電導(dǎo)增量法。擾動(dòng)觀測(cè)法由于簡(jiǎn)單易行而被廣泛應(yīng)用于MPPT控制中，但該方法存在明顯的不足，即當(dāng)工作點(diǎn)達(dá)到最大功率點(diǎn)附近時(shí)會(huì)產(chǎn)生功率振蕩的現(xiàn)象，從而造成一定的功率損失。電導(dǎo)增量法的主要優(yōu)點(diǎn)是MPPT的控制穩(wěn)定度高，當(dāng)外部環(huán)境參數(shù)變化時(shí)，系統(tǒng)能平穩(wěn)地追蹤其變化且與光伏電池的特性及參數(shù)無(wú)關(guān)，但是電導(dǎo)增量法對(duì)控制系統(tǒng)的要求則相對(duì)較高。綜合比較，本文選用了電導(dǎo)增量法作為MPPT的控制策略。

考慮光伏電池的瞬時(shí)輸出功率為：

將式(1)兩邊對(duì)光伏電池的輸出電壓U求導(dǎo)，則：

當(dāng)dp/du=0時(shí)，光伏電池的輸出功率達(dá)到最大，從而可以推導(dǎo)出工作點(diǎn)達(dá)到最大功率點(diǎn)時(shí)應(yīng)滿足以下關(guān)系式：

最后得出使用電導(dǎo)增量法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制的判據(jù)如下：

圖2中，ΔU*為系統(tǒng)調(diào)整的電壓該變量，U(n-1)為上一工作點(diǎn)電壓，U(n)為當(dāng)前工作點(diǎn)電壓。從圖2中可以看出左側(cè)支路與公式(4)相對(duì)應(yīng)，右側(cè)支路主要是為了抑制外部光照強(qiáng)度發(fā)生突變時(shí)的誤判而設(shè)置的[4]。

圖2 電導(dǎo)增量法控制流程

2.2 后級(jí)DC-AC逆變器

后級(jí)DC-AC逆變器采用基于電壓定向矢量的雙環(huán)控制[5]。由圖1可得到該逆變電路的狀態(tài)方程：

式中：L為濾波電感；ia/b/c為逆變器輸出電流；us(a/b/c)為電網(wǎng)電壓；K=N1/N2為變壓器的變比；R為線路電阻。

對(duì)公式(5)進(jìn)行dq0變換，可得到三相電壓型逆變器模型在dq0坐標(biāo)下的數(shù)學(xué)模型：

式中：p為微分因子；ω為電網(wǎng)同步角頻率。

由式(6)中可以看出，逆變器輸出的電壓電流的d、q分量彼此耦合。可采用前饋控制策略，電流經(jīng)PI控制模塊調(diào)節(jié)，得到ud和uq控制方程如下：

式中：Kp和Ki分別為比例系數(shù)與積分系數(shù)分別為與iq的參考電流值。

若dq坐標(biāo)系與電網(wǎng)電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)，且d軸與重合，dq坐標(biāo)系為基于電網(wǎng)電壓矢量定向的同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，顯然有

根據(jù)瞬時(shí)功率理論，系統(tǒng)的瞬時(shí)有功功率p和無(wú)功功率q分別為：

由于usq=0，所以式(8)簡(jiǎn)化為：

式(9)表明，當(dāng)電網(wǎng)電壓不變時(shí)，通過(guò)控制id和iq就可以分別控制并網(wǎng)逆變器的有功、無(wú)功功率。

圖3 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)

由圖3可以看出控制系統(tǒng)有直流電壓外環(huán)和有功、無(wú)功電流內(nèi)環(huán)組成。直流電壓外環(huán)的作用是穩(wěn)定直流側(cè)電壓，引入直流電壓反饋并通過(guò)一個(gè)PI調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)。由于直流電壓的控制可通過(guò)控制Id實(shí)現(xiàn)，所以直流電壓外環(huán)PI的輸出量為有功電流內(nèi)環(huán)的參考值I*d，從而對(duì)并網(wǎng)逆變器的有功功率調(diào)節(jié)。當(dāng)I*q=0時(shí)，并網(wǎng)逆變器運(yùn)行于單位功率因數(shù)狀態(tài)，即僅向電網(wǎng)輸送有功功率。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙向DC-DC變換

本文采用雙環(huán)控制對(duì)蓄電池進(jìn)行功率和能量管理，雙向DC/DC變換器并聯(lián)在逆變器直流母線上，根據(jù)光伏陣列Boost電路的電壓波動(dòng)和電網(wǎng)反饋回來(lái)的信息，控制蓄電池的充放電[6]。

雙向DC/DC變換器采用半橋結(jié)構(gòu)，如圖4所示，其中開(kāi)關(guān)管Sb2和Sb3互補(bǔ)導(dǎo)通。當(dāng)光伏陣列的輸出電壓大于逆變器直流外環(huán)的給定電壓時(shí)，雙向DC/DC變換器工作在Buck電路模式，對(duì)蓄電池進(jìn)行充電；當(dāng)光伏陣列的輸出電壓小于逆變器直流外環(huán)的給定電壓時(shí)，雙向DC/DC變換器工作在Boost電路模式，對(duì)蓄電池進(jìn)行放電。從而控制直流側(cè)電壓的波動(dòng)，達(dá)到對(duì)并網(wǎng)功率波動(dòng)抑制的目的。

圖4 雙向DC/DC變換器半橋結(jié)構(gòu)電路

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略采用雙環(huán)串聯(lián)控制，即內(nèi)環(huán)為電流環(huán)、外環(huán)為直流母線電壓，如圖5所示。從圖5中可以看出，外環(huán)電壓環(huán)通過(guò)采樣直流母線電壓Udc，與參考電壓Uref比較得到誤差信號(hào)，經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后得到內(nèi)環(huán)電流的參考值I*b。內(nèi)環(huán)電流采樣值Ib與參考值I*b做差，得到的誤差信號(hào)經(jīng)電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器后經(jīng)PWM調(diào)制產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)，從而控制功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通關(guān)斷。

圖5 雙環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)圖

4 光儲(chǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)仿真分析

為驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)吞吐電能，在外部條件變化時(shí)能抑制直流側(cè)電壓的變化，最終達(dá)到抑制并網(wǎng)功率波動(dòng)的目的，本文基于Matlab/Simulink平臺(tái)搭建了光儲(chǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，相關(guān)參數(shù)為：

光伏電池：Uoc=370 V，Isc=210 A，Um=350 V，Im=200 A；

Boost電路：C1=100×10－6F，C=300×10－6F，L=100×10－3H；

濾波電路及電網(wǎng)：R=0.01 Ω，Lf=3×10－3H，f=50 Hz，

蓄電池及 DC-DC電路：Ubat=600 V，SOC=30%，C2=2× 10－3F，L2=2×10－3H。

仿真過(guò)程中，光照強(qiáng)度如圖6所示。由于外部自然條件隨機(jī)性的變化，在0.2 s時(shí)光照強(qiáng)度由1 000 W/m2變?yōu)?00 W/m2，在0.4 s時(shí)由600 W/m2變?yōu)?00 W/m2，溫度為25℃保持不變。

圖6 光照強(qiáng)度和溫度

圖7(a)和(b)分別為不含儲(chǔ)能單元的Boost電路側(cè)直流電壓和含儲(chǔ)能單元的Boost電路側(cè)直流電壓的仿真波形，(c)為儲(chǔ)能單元的工作電流，正值表示放電，負(fù)值表示充電。由仿真可以看出，通過(guò)儲(chǔ)能單元的充放電，直流側(cè)電壓在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)得到了較好的抑制，輸出更平穩(wěn)，最終穩(wěn)定在600 V。

圖7 儲(chǔ)能側(cè)電壓、電流波形

通過(guò)圖8(a)和(b)可以看出，加入儲(chǔ)能單元能夠吸收并網(wǎng)瞬間的沖擊電流，當(dāng)光照強(qiáng)度減弱后，能夠通過(guò)儲(chǔ)能單元補(bǔ)償由于光照強(qiáng)度減弱后的電流損失，使并網(wǎng)逆變器高效運(yùn)行；圖8(c)表明并網(wǎng)逆變器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。

由圖9可以看出，由于直流電壓和并網(wǎng)電流的波動(dòng)都得到了明顯改善，所以并網(wǎng)功率的波動(dòng)也得到了抑制，并且在光照強(qiáng)度減弱時(shí)，能夠通過(guò)儲(chǔ)能單元補(bǔ)償功率損失，使并網(wǎng)功率最終穩(wěn)定在20 kW。

圖8 并網(wǎng)側(cè)電壓、電流仿真

5 總結(jié)

由于太陽(yáng)能資源具有隨機(jī)性、間歇性和不可控性，隨著光伏并網(wǎng)系統(tǒng)容量的增加，其并網(wǎng)功率波動(dòng)問(wèn)題尤為突出。本文提出的直流側(cè)帶儲(chǔ)能單元的光伏并網(wǎng)結(jié)構(gòu)，在原有光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在其直流側(cè)掛接儲(chǔ)能單元，從而將并網(wǎng)功率波動(dòng)的抑制轉(zhuǎn)化為對(duì)直流側(cè)電壓波動(dòng)的抑制。Boost電路能夠?qū)崿F(xiàn)最大功率跟蹤和升壓的作用，并網(wǎng)逆變器也能實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行。通過(guò)仿真驗(yàn)證得到，利用儲(chǔ)能單元的雙向DC-DC充放電電路抑制直流側(cè)電壓的波動(dòng)，且能夠補(bǔ)償光照強(qiáng)度減弱時(shí)的功率損失，改善了并網(wǎng)功率的穩(wěn)定性。

圖9 并網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)仿真

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Control of PV storage grid-connection based on DC side with energy storage

HAN Zhou1,REN Yong-feng1,HU Hong-bin2,HAN Jun-fei2,XU Tie-sheng1
(1.College of Electric Power,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot Inner Mongolia 010080,China;2.Inner Mongolia Electric Power Research Institute,Hohhot Inner Mongolia 010020,China)

As one of the renewable energy,photovoltaic power generation systems are vulnerable to the influence of natural environment change,and the output power has obvious randomness and intermittent.Therefore,energy storage system should be added to store energy or short-time energy supply should be provided to reduce the impact of PV power fluctuation on the grid.A novel optical storage grid-connection structure was presented,that is energy storage system was added at the DC side,using the rapid charge and discharge characteristics to inhibit the DC side voltage fluctuations,thus achieving the objective of restraining the power fluctuations.The model of the whole system was established in the Matlab/Simulink simulation environment, verifying the correctness and effectiveness of the proposed scheme.

photovoltaic power generation;energy storage system;PV storage grid-connection;power fluctuation; Matlab/Simulink simulation

TM 615

A

1002-087 X(2015)08-1739-03

2015-01-12

韓洲(1987—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒕W(wǎng)及光伏并網(wǎng)。