提高光伏微網電壓穩定性的儲能設備控制策略研究

安裔銘，馮星淇，張明理

（1.龍源電力股份有限公司，北京 100037；2.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015）

專論

提高光伏微網電壓穩定性的儲能設備控制策略研究

安裔銘1，馮星淇1，張明理2

（1.龍源電力股份有限公司，北京 100037；2.國網遼寧省電力有限公司經濟技術研究院，遼寧 沈陽 110015）

儲能設備及其控制策略對于保證微網電壓穩定具有重要意義。針對提高光伏電源并網狀態下的微網電壓穩定水平與抗擾動能力，對光伏電源并網儲能裝置的功率協調控制策略進行研究。首先以蓄電池作為主要儲能單元，通過檢測光伏電池與負荷功率差確定充放電控制器Buck－Boost工作模式，使儲能裝置能夠同時平抑光照強度與負荷變化造成的功率波動，穩定DC母線電壓水平。其次，對系統能量進行協調控制管理，使光伏電池和儲能裝置協同工作，蓄電池與超級電容器協調出力，進一步快速維持直流母線電壓穩定。通過LZ電壓穩定檢測指標及PSCAD平臺仿真，計算儲能裝置停運與投運狀態下的電壓穩定水平，驗證儲能系統在雙向變換器協調控制下能夠有效維持交流端母線電壓穩定性，達到設計目的。

微網；電壓穩定；光伏發電；儲能設備；協調控制

微網技術可增強電網抵御自然災害的能力，提高電力系統的可靠性和安全性，對于電網乃至國家安全都有非常重大的現實意義。微網電壓穩定是微網實現可靠供電的重要前提，然而，由于微網中的光伏發電系統受光照等外界環境的影響，電壓穩定裕度不能保證穩定在良好的水平，同時微網本身的低慣性特點進一步導致微網本身在重負荷運行下的耐擾動能力很低，易發生電壓事故［1－2］。

如何抵御光照強度降低等因素導致的微網電壓穩定問題一直是微網研究的重要方面。多數文獻采用宏觀調度方案，當監測電壓穩定性接近極限時，采用強制切除部分負荷的方式來保證對關鍵負荷點位置的供能［3－4］。微網應實現全面可靠供電，單純的負荷切除調度方案無法使所有負荷的供電可靠性得到保證。

國內外對此進行了許多研究，其中較新的解決措施為合理使用儲能裝置來調節功率平衡。文獻［5］提出提高微網過負載能力有效方法是追加儲能裝置。文獻［6］提出將儲能裝置加裝在微源并網節點是防御光伏、風機等微源功率波動滲透微網系統的措施之一。文獻［7］提出，在儲能裝置研究中，如何設置儲能與光伏電源之間的協調功率控制策略是研究的熱點問題。良好的儲能單元控制策略能夠有效平抑光源帶來的功率波動，并使微網交流側功率輸出能夠實時匹配負荷變化所需，整體提高微網的電壓穩定水平，增強微網重載荷運行、受功率擾動時的電壓穩定性，進而加強其供電可靠性。

本文針對提高光伏電源并網狀態下的微網電壓穩定水平與抗擾動能力，對光伏電源并網儲能裝置的功率協調控制策略進行研究。

1 儲能裝置及其控制策略設計

1.1 系統結構

系統包括能量源光伏電池陣列，能量緩沖的儲能系統。通過MPPT對Boost升壓變換器的控制實現光伏陣列的最大功率輸出，同時利用Boost升壓變換器可調整光伏陣列較低電壓升到直流母線所需的電壓，并保持穩定，實現光伏陣列的最大功率跟蹤［8－9］。系統結構如圖1所示。

圖1 系統結構

儲能系統經過DC／DC雙向變換器跟光伏組件在系統直流側并聯。該拓撲結構可實現儲能系統與光伏系統共享同1套DC／DC逆變器，可改善系統響應速度，充分使用儲能裝置容量控制成本。雙向DC／DC變換器保持兩端電壓不變而改變電流方向實現電能的雙向流動，削峰填谷，平抑光伏功率波動及直流母線功率波動。

1.2 儲能裝置協調控制策略

通過儲能系統與光伏陣列之間能量流動協調管理，保持DC母線的功率與電壓穩定，提高能源利用率。良好的儲能系統能量流管理策略便于平衡發電系統的能量流，有利于系統穩定運行及更好地平抑光伏功率波動［10］。

復合儲能選擇超級電容和蓄電池作為儲能器件，通過協調控制光伏陣列、儲能裝置和負載三者之間的能量流達到功率平衡，最終把直流母線的電壓波動保持在1個系統可以接受的相對穩定狀態。

在系統中，當光伏電池產生的功率大于負載需求時，儲能系統超級電容和蓄電池充電儲能；小于負載需求時，超級電容和蓄電池放電。通過合理分配能量流有效控制2臺變換器合理控制光伏電池、負載、儲能系統三者之間的能量關系得到某種程度的匹配，就可實現系統能量的協調控制，保持系統穩定運行。

a.雙向變換器的充放電控制策略

系統能可靠運行的前提是確保光伏電池與儲能系統之間相互協調工作，能夠調節直流系統的能量流向。為了使功率輸出能夠跟蹤交流端負荷需求，根據光照強度產生的功率與負荷功率的差值ΔP以及蓄電池的荷電狀態SOC來判斷控制雙向變換器中電流的方向及能量流動的方向，并使雙向充放電變換器在Buck充電、Boost放電和關機3種模式間切換。使儲能系統協調運行，從而穩定直流系統電壓。蓄電池SOC可以通過檢測其端電壓來確定。雙向變換器工作模式如表1所示。

表1 雙向變換器工作模式

協調控制策略主體可分為電壓外環控制，電流內環控制與功率平抑控制3個環節。電壓外環控制實現系統直流母線的恒壓控制。直流母線Udc首先與基準電壓Udc－ref作差比較，經過PI控制器誤差放大，調節比例系數為0.2且積分系數為50，再與儲能系統的電流控制信號相加得到電流內環的反饋信號。

在電壓外環與電流內環反饋控制平抑功率波動過程中，產生的功率缺額或冗余由儲能裝置補充或吸收。電流的大小與方向是由雙向變換器控制實現的，分為控制放電Boost模式和控制充電的Buck模式。

在Buck／Boost充放電控制環節，雙向變換器通過控制2個開關管的通斷實現Boost放電模式與Buck充電模式之間的切換，調整對應開關管的占空比D控制充電電流，與外環電壓控制系統共同實現對系統直流母線的恒壓控制。

以從儲能側經過直流串聯電感L流向DC／DC母線方向為電流的參考方向。當光生電流因為光照強度變化而變化時，電感電流IL為狀態變量。設Kpl和Kil為PI控制調節器的比例積分系數，則在Boost電路中存在如下方程。

當開關管導通時，得狀態方程：

當開關管關斷時，得狀態方程：

合并以上2式的狀態方程：

Boost模式的控制方程：

Boost模式電流內環的控制方程：

同理可得到Buck模式的控制方程：

Buck模式電流內環的系統控制方程：

在混合儲能系統中，因超級電容器快速響應能力與蓄電池緩慢充放電的特性，用RC低通濾波器濾波完成儲能系統的高低頻率分配。在負荷或光照強度出現快速擾動時，超級電容器能夠快速響應，實現能量階躍突變。在負荷持續上升或光照強度持續降落時，蓄電池電流緩慢變化，長時間維持功率平衡，保持DC端電壓水平，進而保證AC端供電電壓不發生失穩。相比于無儲能系統或無協調控制策略情況，儲能系統協調控制策略的作用下母線電壓能夠穩定在原有水平，并能夠承受更多的負荷增長，不發生電壓崩潰事故。

2LZ電壓穩定判別指標

根據戴維南等效原理，任意微電網中的某條支路都可以由1端節點等效為2節點系統，如圖2所示。功率從i端流向j端，Pj＋jQj為所考慮支路的末端功率，末端節點的電壓為Vj∠θ。

對于圖2中的2節點系統，根據電流平衡關系，末端存在相量關系：

圖2 2節點戴維南等值圖

式中：是末端功率Pj＋jQj取共軛值；Yjj是末端點j自導納；?Ij是i端流向j端電流值。

一般電壓穩定性理論中的電壓穩定極限的定義為：當前單條支路傳輸功率極限的位置。當支路抵達電壓穩定臨界，存在如下關系：

根據式（9）構成當前支路電壓穩定性判別指標：

即可得到當前支路的電壓穩定指標計算式：

由指標的構造可知：節點電壓穩定水平越高則LZij越小，反之LZij越大，當前節點達到電壓崩潰臨界時，指標值升到臨界值2。所以從整個微網出發，LZij值最大的支路決定了整個微網的電壓穩定水平。微網系統電壓穩定LZ指標可以構建為

決定LZ值的節點為系統電壓最薄弱節點，系統往往從最薄弱位置開始發生電壓崩潰。根據實際值與臨界值之間的差值可以構造微網系統電壓穩定裕度指標。

3 仿真分析

如圖1所示，系統直流母線設定為直流電壓700 V，光伏列陣輸出電壓為150～350 V，列陣輸出峰值功率為22 kW蓄電池組容量為300 Ah、560 V，能夠以10 A均流放電30 h。超級電容器作為蓄電池的輔助單元，快速調節直流母線的功率平衡，其值為70 F。Boost變換器輸入電壓150～350 V，輸出電壓700 V，光伏電池直流母線通過DC／AC逆變裝置連接外部交流網絡，饋線末端用（24.5＋38.0j）Ω阻抗模擬功率17 kW，額定電壓220 V的負荷。

系統參數如表2所示。

為了模擬實際微網運行中的負荷增長，控制光照強度恒定，負荷以0.1／s增長因子連續增加，同時采集負荷端交流電壓與電流，實時追蹤LZ指標變化，直至達到電壓崩潰。監測LZ電壓穩定指標值如圖3所示。

表2 系統參數

圖3 LZ指標有效性驗證

由圖3可以看到，LZ指標值曲線隨負荷因子增長呈現持續增長狀態，在電壓穩定臨界時接近臨界值2，驗證了LZ指標的有效性。

3.1 儲能控制系統投運與停運下系統電壓穩定水平對比分析

設置微網系統在儲能設備全部投運，儲能設備全部停運2種不同狀態下運行。設置負荷節點投入不同負載功率，并記錄2種狀態下的LZ指標值如圖4所示。

圖4 不同負載功率下系統LZ指標對比

由圖4中的LZ指標值變化可以看到，當負荷節點空載時，2種運行狀態LZ值均在較低水平。當負荷投入最大載荷量的一半，無儲能系統投運的運行狀態LZ值相較有儲能系統投運有顯著提升，標示系統電壓穩定水平的下降。當負荷投入最大載荷量時，無儲能系統投運的運行狀態LZ值接近電壓穩定臨界極限，有儲能系統投運下的LZ值距電壓穩定臨界值依然有顯著距離。

3.2 不同運行狀態下儲能控制系統投運與停運電壓穩定水平對比分析

設置微網系統在儲能設備全部投運，儲能設備全部停運2種不同狀態下運行。同時降低光照水平直至負荷節點的LZ指標接近值2，使微網的負荷節點電壓穩定裕度降低到接近極限點。并設置負荷在運行至1 s時刻發生小擾動，監測2種運行狀態下負荷點電壓變化情況。

仿真結果表明沒有儲能設備投運時，重載荷運行系統無法承受擾動，發生電壓崩潰，無法繼續向負荷供電。當含協調控制策略儲能設備投運時，在負載接近電壓穩定裕度極限時依然具備一定的擾動防御能力。

不同運行狀態下受擾動后的系統相圖（狀態變量IL，Id，其中Id為逆變器交流測電流矢量的d軸分量）如圖5，圖6所示。

圖5 聯合儲能系統投運狀態下重載系統受擾動時相圖

圖6 聯合儲能系統停運狀態下重載系統受擾動時相圖

由圖5和圖6可以看到，沒有儲能設備投運時，受擾后系統各個狀態參量發生持續性的單調滑動，無法恢復到原運行點，發生電壓崩潰。當含協調控制策略儲能設備投運時，受擾后系統能夠自發減幅振蕩，并快速恢復至原有運行點，保證電壓回到原有水平穩定供電。

4 結論

光伏并網運行給微網的電壓穩定性造成隱患。本文在傳統光伏電池并網運行模型基礎上，設計由超級電容器與蓄電池聯合構成的直流端儲能裝置，并設計根據蓄電池SOC狀態與光照強度－負荷需求功率差調節儲能充放電功率的協調功率控制策略。由仿真微網平臺上試驗以及LZ電壓穩定判別指標的監測，驗證了功率協調控制策略對于消除電壓穩定隱患的有效性，并得到以下結論。

a.本功率協調控制策略能夠自動平抑光源波動與負荷變化帶來的功率失衡，進而顯著減弱光源波動與負荷變化對電壓穩定造成的影響。在重負荷以及光照強度減弱的運行狀態下，能夠根據負荷的增長自行調解功率輸出，使功率維持均衡。對于長期負荷變化與短期負荷擾動均能夠有效防御。

b.LZ指標在微網環境中依然具有適用性，能夠在光伏與儲能系統聯合運行時，在負荷點位置實時測量電壓與電流相量構建指標計算，準確判別電壓穩定狀態與電壓穩定裕度。

［1］ 孟 懿.太陽能光伏發電的發展［J］.東北電力技術，2010，31（11）：19－21.

［2］ 厲 偉，李 響，邢作霞.離網型風光儲系統穩定性測試分析［J］.東北電力技術，2015，36（6）：41－43.

［3］ 盧 蕓，白欽予，路 昱，等.一種微網靜態電壓穩定判別指標研究［J］.東北電力技術，2014，35（5）：1－6.

［4］ 張明銳，黎 娜，杜志超，等.基于小信號模型的微網控制參數選擇與穩定性分析［J］.中國電機工程學報，2012，32（25）：9－19.

［5］ Kleinberg M，Mirhosseini N S，Farzan F，et al.Energy Storage Valuation Under Different Storage Forms and Functions in Trans?mission and Distribution Applications［J］.Proceedings of the IEEE，2014，102（7）：1 073－1 083.

［6］ Mendis N，Muttaqi K M，Perera S.Management of Battery－Su?percapacitor Hybrid Energy Storage and Synchronous Condenser for Isolated Operation of PMSG Based Variable－Speed Wind Tur?bine Generating Systems［J］.IEEE Transactions on Smart Grid，2014，5（2）：944－953.

［7］ 徐少華，李建林.光儲微網系統并網／孤島運行控制策略［J］.中國電機工程學報，2013，33（34）：490－494.

［8］ 趙 璐，張立穎，李天立，等.光伏并網發電系統逆變器的研究［J］.東北電力技術，2014，35（12）：20－23.

［9］ 楊海柱，金新民.最大功率跟蹤的光伏并網逆變器研究［J］.北京交通大學學報，2004，28（2）：65－68.

［10］劉夢璇，郭 力，王成山，等.風光柴儲孤立微電網系統協調運行控制策略設計［J］.電力系統自動化，2012，36（15）：19－24.

Research on Control Strategy in Energy Storage Equipment to Improve Voltage Stability of Micro－grid

AN Yi?ming1，FENG Xing?qi1，ZHANG Ming?li2
（1.China Longyuan Power Group Co.，Ltd.，Beijing 100037，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China）

Energy storage device and its control strategies are great significance for ensuring the micro－grid voltage stability.In this pa?per，micro－grid voltage stabilization levels and increasing of the photovoltaic power grid anti－state disturbance capability is studied，coordinated control strategy of photovoltaic power grid storage device is deeply researched.Design target is achieved throughLZvoltage stability detect index and PSCAD simulation platform by computing voltage stabilization level of outage and put into operation an energy storage device and verify that the storage system can effectively maintain stability of AC bus voltage by bidirectional coordinated con?trolled converter.

Micro－grid；Voltage stability；PV power generation；Energy storage equipment；Coordination control

TM712

A

1004－7913（2016）04－0001－05

安裔銘（1978—），男，學士，工程師，從事電力系統、新能源并網技術研究。

2015－12－10）