并網模式下光儲協同控制策略研究

周紅麗

[摘要]新能源的利用越來越廣泛，尤其在并網模式下，光儲直流供電系統中包含著多個設備，其運行特性和控制模式是有差別的，為了確保其能夠共同配合維持系統的功率平衡，增強系統的穩定性，需要對多個變換器進行協同控制。本文采用直流電壓的信息反饋，系統各個單元識別系統中的功率缺額以及判定自身的應處于的工作模式和自身出力，各部分的協作主要通過直流母線電壓。通過直流電壓下垂可以保證系統中各個單元的功率輸出是按照一定比例進行調節的。采用協同控制能夠最大限度的利用系統各個單元，確保系統的功率平衡、可靠運行和母線電壓穩定。

[關鍵詞]協同控制 下垂控制 母線電壓穩定 運行模態

對于光伏發電單元，電壓正常范圍內始終運行在最大功率跟蹤方式，以保證分布式能源的利用率。對于儲能單元，利用儲能單元充電和放電不同的模式，承擔系統輸入和負荷的功率差額。對于交流網側，聯網運行時，雙向AC/DC變換器采用下垂控制和恒壓控制。

1直流供電系統的并網運行模態

1.1直流供電系統的功率傳輸關系

如圖1是等效并網直流母線處的能量關系式，其中，U_dc表示直流母線處的電壓，直流系統內直流母線處的等效電容用C_dc表示，P_PV代表光伏發電單元提供的功率，P_Battery代表儲能單元充放電的功率，P_grid代表電網側輸入功率，P_load為包含直流負荷和交流負荷在內的負荷單元消耗的功率，P_c為直流母線等效電容的充放電功率。可以看出，微電網直流母線會受到多種因素影響，最直接影響體現在直流母線電壓。Equation Section4

結合直流母線處功率平衡的等效公式可得，直流母線等效電容的充/放電功率

直流母線等效電容的充/放電功率又可以表示為

將（1）及（2）聯立整理，建立了直流母線電壓U_dc和系統中功率的關系

直流供電系統的控制實質就是通過功率平衡關系控制直流母線電壓，盡量減小直流母線電壓的波動，使系統工作電壓穩定，在母線電壓在額定電壓值附近運行。

1.2直流供電系統的運行模態劃分

為確保系統功率供需的平衡以及系統穩定運行，因此結合儲能的充放電及直流母線電壓的大小將整個系統工作的模態進行劃分，即直流母線電壓和儲能單元的荷電狀態SOC是運行模式的一個重要參數。在本文中將直流母線基準電壓設定為400V，其穩定運行區間為380V-420V，且只有在儲能單元SOC滿足相關要求時才能對儲能單元進行相關充放電操作。綜合直流母線電壓和儲能單元SOC，將運行模式分成5個模態。如圖2所示

運行模式Mode 1：當直流母線電壓在410V到420V之間，且儲能單元SOC在可充范圍內，即SOC<90%時，母線電壓高于額定范圍，光伏電源、電網出力大出交直流負載所需較多，但仍在穩定區間，即P_PV+P_grid >P_load，此時，光伏電源依舊進行MPPT控制；雙向交直流變換器處于逆變狀態，能量由直流母線流向電網；儲能單元進行恒流模式快速充電，以加速消耗多于功率。在此區間，電網是調節母線電壓的主要角色。其他模態情況如表1所示

2并網模式下系統協同控制策略

2.1基于直流母線電壓的多變換器下垂控制策略

根據儲能單元和電網側單元變換器的下垂控制的特性，儲能單元的功率僅取決于系統的操作條件。本文提出一種如圖3的基于直流母線電壓的多變換器下垂控制策略。

2.2改進型多變換器下垂的控制器設計

改進后的控制器結構如圖4所示。由于雙向DC/AC變換器的下垂控制區為380V-420V，而儲能單元的下垂控制區為390V-410V，在二者共同處于下垂控制是為了保證系統各個子單元功率輸出的按比例分配，需要滿足以下功率關系：

式中，k_AC和k_bat分別代表交流單元和儲能單元的下垂系數，P_AC和P_bat分別代表交流單元和儲能單元的額定功率。

在實際運行中，儲能單元和雙向DC/AC變換器的直流電壓給定值可以根據下垂公式計算得來

當直流母線電壓達到380V或者420V時，下垂特性曲線進入飽和區，確保直流母線不會過高或者過低，保證系統穩定運行。當直流母線電壓進入到380V-390V和410V-420V區間時，儲能單元進入恒流控制模式，使其更好的保障系統內的功率的平衡，即最大化的平抑系統功率。

4.3并網模式下系統協同控制仿真驗證

仿真中所涉及的參數如表2。

具體的仿真條件如下：1）初始時刻在0s時，光伏單元時最大輸出功率為10kW，在5s，光照強度發生突變，輸出功率為14kW。2）初始時刻0s時，接人阻值為80hm直流負載，1s時，增加阻值為160hm的直流負載，3s時，切除阻值為80hm直流負載。

3）初始時刻0s時，儲能單元的SOC值設定為50%。