光儲聯合發電系統低電壓穿越控制策略研究

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1 引言

大力促進包括光伏發電在內的新能源的開發和利用是解決當前面臨的能源短缺危機和緩解環保壓力的有效措施[1-3]。近年來，大容量儲能技術得到快速的發展和應用，一些典型的儲能技術已經初步具備應用于電力系統調頻、調峰或可再生發電波動平抑的技術和經濟條件[4]。因此，儲能技術在很大程度上，可以解決光伏發電的隨機性和波動性等問題，提升其對電力系統安全穩定運行的影響。如何利用儲能技術提升光伏發電在低電壓穿越期間的安全性、穩定性成為了當今研究的熱點之一。

光伏電站的輸出電流及逆變器直流側電壓值是影響其低電壓運行能力的兩個重要因素。當網側電壓跌落時，通過調節逆變器無功功率輸出，支持并網電壓，有助于改善電壓跌落期間的穿越問題[5]。在此基礎上，有人提出通過使用卸荷負載的Crowbar電路配合無功控制策略提高光伏系統低電壓穿越能力[6]。當三相電網電壓對稱跌落時，相關文獻提出利用實時數字仿真器(RTDS)技術對逆變器進行控制，并增設卸荷電路部分用以降低直流側電壓[7]。以上相關文獻提出的方法在系統低電壓期間都是通過限制本身最大輸出電流來抑制過流，通過卸荷負載來抑制直流過壓。這些方法雖能在一定程度上解決了問題，但是都相對造成了資源浪費。

通過以上參考文獻的分析，首先，提出一種控制策略應對光伏系統低壓穿越問題，網側電壓跌落時，增加儲能設備均衡失衡功率，調節直流側過電壓，同時調節并網電流。既限制了過流問題，又利用逆變器無功容量裕度支撐網側電壓。最后，理論上驗證了該方法的可行性，仿真檢驗其策略的有效性。

2 光儲微電網控制策略分析

2.1 光儲微電網拓撲結構

光儲微網系統拓撲結構如圖1所示。其中光伏電池通過Boost升壓電路工作在最大功率跟蹤模式，為裝置提功能量，DC/AC逆變電路通過直接電流控制實現交流并網、儲能電路通過雙向DC/DC實現直流母線的穩定。

圖1 光儲微網系統拓撲結構圖

2.2 電壓暫降的檢測方法

面對網側電壓跌落時，如何快速準確的檢測到跌落電壓，以及時調整系統控制方案。目前，主要為基于峰值電壓法、基波分量法、有效值計算法等；對于系統單相電壓跌落時，通過改進坐標變換法進行檢測，主要包括：基于瞬時電壓的dq分解法、改進ab變換法、無延時dq變換法等；三相對稱跌落，主要使用dq變化法；還有基于信號處理的方法：如小波變換，S變換等。以上檢測辦法一般實現較為復雜，同時運算量較大。通過分析，本文提出基于滑動窗理論的電壓跌落檢測方法，跌落電壓的檢測原理如圖2所示。

圖2 電壓跌落檢測原理圖

其中，在每一個周期中，電壓在不同相位分別采集N個電壓點，并儲存到數據池中。指針j指向數據池中當前待更新的數據，每個采樣周期，將新采集的數據放入數據(new)池中，取出替換的數據(old)。由于數據池對應著一個周期的電壓數據，因為臨近周期的電壓諧波含量不會發生劇變，可認為前后周期的諧波含量相互抵消，于是對比相鄰周期中同相位的電壓采樣值可以檢測電壓是否變化。則電壓跌落深度k可用式(1)表示：

(1)

為了進一步提高該算法的可靠性，降低諧波等干擾造成的誤判斷，在檢測過程中增設變量i用來實現濾波，其中05時，才定義為電壓跌落有效。為了驗證該算法的有效性，使用simulink軟件進行仿真驗證，仿真條件如下：

(1)電壓值設置為u(t)=311sin(100πt)，u(t) 在[0.2s-0.4s]之間發生電壓深度下降，跌落深度0.2，設置系統采樣時間Ts=0.0005s。

(2)仿真條件(2)：u(t)=311sin(100πt)+30 sin(250πt)，u(t)同樣在[0.2s-0.4s]之間發生電壓深度下降，降低深度設置為0.2，設置系統采樣時時間Ts=0.0005s。

圖3 電壓降落檢測仿真結果

如圖3所示，該算法檢測電壓降落基本上沒有延時，且當系統網側電壓含有諧波時，仍能夠精準快速的檢測到電壓降落深度。

2.3 逆變控制策略分析

忽略光伏系統功率轉換的損失，在光儲微網系統正常工作時PV工作在最大功率跟蹤模式，輸出功率為Ppv，直流側電容電壓消耗功率為Pdc，通過逆變電路輸送到電網中的功率為P0。則有

Ppv=Pdc+Po

(2)

設輸出的有功電流有效值為Irms，則：

(3)

其中，Urms為系統相電壓有效值。由于PV工作在最大功率跟蹤模式，其輸出功率Ppv和直流側電容電壓消耗的功率Pdc基本恒定，則輸出有功電流大小和系統電壓有效值成反比。當系統電壓跌落時，Urms變小輸出有功電流Irms快速增大，我們對輸出有功電流進行限制，使得：

Irms≤Ie

(4)

其中，Ie是裝置額定電流。由于逆變器可以短時工作在1.1Ie電流下，在系統電壓跌落期間，可輸出部分無功電流以便系統電壓恢復，其輸出無功電流Iq：

(5)

所以可求得指令電流Iref為：

(6)

其中sync為系統A相的電壓相位。逆變器控制原理如圖4所示。通過以上可知，逆變器控制采取直接電流控制，不需要考慮系統解耦問題，只需求取系統電壓相位即可。該方法采用電壓外環、電流內環的雙閉環控制，控制簡單，參數較少，只有2個PI調試參數，易于調試。

圖4 逆變器控制原理圖

2.4 DC/DC控制策略分析

在系統電壓跌落期間，由于我們限制了有功電流Irms的輸出，造成流向直流側電容的有功功率遠大于其輸出的有功功率，這勢必會造成直流母線電壓升高，不僅會降低PV單元功率輸出，嚴重時會擊穿直流側電容。而儲能電容不會受系統電壓變化的影響，此時，通過雙向DC/DC變換器使得多余的能量儲存到儲能電容，從而有效地穩定直流側母線電壓。

如圖5所示，雙向DC/DC變換器工作原理圖，功率交換主要通過Buck電路及Boost電路完成。當開關管T1動作時，雙向功率DC/DC變換器運行在降壓斬波(Buck電路)狀態，功率流主要由直流側C1流向開關管T1、L給C2儲能；當開關管T2動作時，雙向功率DC/DC變換器運行在生涯斬波(Boost電路)狀態，功率流在由存儲側T2流經L、T2 ，此時給電感L充電，同時在經過D1向直流側C1放電，當T2斷開時候，C2、L通過D1向電容C1放電。儲能電容充電能量，設系統電壓跌落深度為k，裝置額定輸出功率為P0，則在系統電壓跌落期間，裝置輸出功率為kP0，流向儲能電容的能量為(1-k)P0。則有：

(7)

式中，t為降落時間，U0和U1分別為儲能電容在網側電壓降落前后的電壓值。

圖5 DC/DC變換器原理圖

3 仿真分析

為了驗證前文所提控制方案的正確性，利用simulink軟件搭建仿真電路圖進行驗證。由于所仿真的光伏電池容量較小，沒有采取隔離變壓器，光伏逆變直接和市電并網。仿真電路圖如圖6所示。

圖6 光儲聯合系統模型

所建立的仿真模型中，系統相電壓為220V，電壓在[0.2s 0.4s]期間發生跌落，跌落深度為0.1。PV單元工作在最大功率跟蹤模式，最大輸出功率為4kW，直流側電容電壓設定在600V，母線電容為200μF，儲能電容采用電容來代替，C=30000μF，設定初始電壓為100V。

正常工作時，變流器功率因數為1，當網側電壓發生跌落時。跌落電壓情況如圖7所示，由于變流器實時輸出有功功率，當網側跌落電壓時，逆變器輸出電流增大，由于逆變器存在熱穩定極限，若不加以控制，必然觸發逆變器過流保護系統，同時由于逆變器存在大量功率不能外送，使逆變器兩端功率失衡，直流側電壓由600V升高到接近2000V，若實際電路中直流側電容早已擊穿，逆變器輸出有功功率受到較大影響。

圖7 不含有儲能電容的仿真結果圖

當采用光儲協調控制策略時，仿真結果如圖8所示，檢測到網側跌落電壓時，雙向DC/DC變換器啟動均衡失衡功率，直流側失衡功率由母線流向儲能電容，電壓跌落期間逆變器直流側電壓波動較小，逆變器有功輸出基本穩定，根據仿真結果，可判斷逆變器利用無功裕量向系統注入了一定的無功電流，對于減少無功配置容量，支撐電網電壓恢復起到了一定的作用。

4 結語

本文針對此問題提出了一種光儲協調控制的低電壓穿越控制策略，在系統運行過程中，光伏系統始終工作在MPPT模式，按照功率因數發出最大功率，整個過程采用直接電流控制，不存在解耦問題，控制策略簡單可行；在網側故障工況時，光伏陣列依然在MPPT模式下工作，利用儲能電容吸收直流側冗余能量，穩定了逆變器直流側母線電壓穩定，提升了系統的運行效率。同時在故障工況時，系統向電網輸送了一定的無功功率，為網側提供了一定的電壓支撐，減少了一定的無功設備配備容量。通過仿真對該方法進行了驗證，證明了該方法簡單、控制效果好、具有較高的實用價值。

圖8 含有儲能電容的仿真結果圖