基于最大功率點跟蹤下垂控制的光儲一體化系統研究

陶 霞 方東平 汪瑩潔 巫海波 曹月渭

基于最大功率點跟蹤下垂控制的光儲一體化系統研究

陶 霞1方東平1汪瑩潔1巫海波2曹月渭1

（1. 浙江大有實業有限公司臨平分公司，杭州 311102；2. 國網浙江省電力有限公司杭州市臨平區供電公司，杭州 311100）

光儲一體化系統相較于光儲獨立式系統具有更好的體積成本優勢和分布式發電消納能力，但現有一體化系統往往存在電能利用不充分的問題。為研究高功率密度、高光伏出力利用率的光儲一體化設備，探究光儲一體化系統穩定、可靠、高利用率的并網控制方法，本文對光儲一體化系統內部重要元器件進行物理建模，分析光儲一體化系統有功出力特性，提出一種基于最大功率點跟蹤（MPPT）下垂控制的光儲一體化系統控制方案，并在仿真軟件中驗證了方案的有效性。

微電網；最大功率點跟蹤（MPPT）；下垂控制；光儲一體化系統；建模仿真

0 引言

面對日趨嚴峻的氣候變化、化石能源的日益稀缺與快速增長的電力消費之間的矛盾，世界能源結構轉型刻不容緩[1-3]。隨著“碳中和”“碳達峰”目標的提出，風電、光伏等可再生能源因不存在大氣和放射性污染等特點，越來越受到能源公司的青睞，得以迅猛發展，成為當下研究和應用的熱點[4-5]。但是，由于對可再生能源出力的消納水平不足，出現了棄光、棄風等現象[6]，造成部分新能源出力浪費；此外，可再生能源本身的隨機性、波動性強，新能源發出的電力難以保證良好的電能質量和穩定的供應水平，并網后對大電網穩定性影響較大[7]。如果要更好地利用可再生能源發電，就必須要有穩定、可靠的新能源發電系統。

微電網是一種比傳統電網更靈活的電網，不僅能提高對可再生能源的消納能力，還能提高電力系統的穩定性[8]。在國外典型的光-儲直流母線系統中，光伏經過Boost電路升壓后直接與儲能部分相連，而后經DC-AC變換逆變為交流電并網。該系統結構簡單，控制簡便，加入的儲能單元可以提高系統出力的穩定性[9-10]；但其存在的突出問題是，由于光伏系統的工作狀態極易受環境影響，儲能裝置會頻繁地進行充放電，導致該系統對儲能系統的容量要求較高，且無規律的充放電甚至過充電會對蓄電池造成較大損害，使儲能系統壽命大幅度降低，系統成本隨之升高[11]。

為解決上述問題，有學者嘗試在光伏與儲能蓄電池之間添加超級電容器，光伏將超級電容器充電至電壓飽和后，能量經Boost變換器向蓄電池供電，從而使系統的穩定性有所提高，但是因能量經過的系統環節增加，能量損耗變大，導致系統能量轉換效率下降[12]。文獻[13]指出光伏發電的影響因素有環境溫度、太陽高度角、光伏組件特性等，若要使系統能在任意工作環境下輸出最大的有功功率，提高光伏的利用率，則需進行最大功率點搜尋，部分學者使用定電壓跟蹤法來實現最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）[14]，但在溫度條件變化如早晚產生的溫差較大時，該方法無法保證始終跟隨最大有功功率點[15]。

為保證系統穩定性，實現光伏的高效利用，本文通過構建模型進行分析，提出一種基于最大功率點跟蹤下垂控制的光儲一體化微電網運行方法。該方法在傳統下垂控制的基礎上，在逆變控制環節引入光伏側MPPT控制環節電壓量，使光伏側有效參與后側有功-頻率控制，最后搭建仿真模型對該系統的有效性進行驗證。

1 光儲一體化微電網拓撲模型

1.1 光儲一體化微電網總體拓撲

本文研究的光儲一體化微電網總體拓撲如圖1所示，系統包括光伏裝置、直流配電網、雙向儲能裝置（蓄電池、超級電容器）及逆變并網部分。

光伏裝置通過Boost變換器連接到公共直流母線；蓄電池及超級電容器通過Buck-Boost變換器與直流母線連接，其中變換器高壓側連接公共直流母線；三項全橋逆變器通過LC濾波器實現有功功率逆變并網。

1.2 光伏發電系統模型

光伏發電系統的光伏發電陣列由多個光伏電池并聯而成，為得到其數學模型，首先給出光伏電池的等效電路，如圖2所示。

圖1 光儲一體化微電網總體拓撲

圖2 光伏電池等效電路

由圖2可以得到光伏電池輸出電流PV與輸出電壓PV的關系為

式中：ph為光生電流；o為二極管反向飽和電流；為電子電荷量，其值為1.6×10-19C；s為串聯等效電阻；sh為并聯等效電阻；PV為光伏電池的絕對溫度；為理想系數，1≤≤2；為玻耳茲曼常數，其值為1.38×10-23J/K。

因求解式（1）相對困難，部分參數難以確定，可由光伏電池標況下的開路電壓oc、短路電流sc、最大功率點電壓m及最大功率點電流m將式（1）簡化為式（2）。

在實際情況中，采用非標況下的開路電壓oci、短路電流sci、最大功率點電壓mi及最大功率點電流mi對式（1）進行簡化得

式中：補償系數、、分別為0.002 5、0.5、0.002 8；DT為標況下溫度差；T為實際溫度；ref為環境溫度參考值，取25℃；DS為標況下光照強度差；S為實際光照強度；ref為光照強度參考值，取1 000W/m2。

采用式（2）和式（3）搭建實際的物理等效模型，光伏模塊通過Boost電路與直流母線相連。

1.3 有源式蓄電池-超級電容混合儲能模型

將蓄電池和超級電容與Buck-Boost變換器連接，再共同接到同一直流母線上，即為有源式蓄電池-超級電容混合儲能結構，其可根據微電網的有功功率需求控制自身輸入輸出功率。同時，蓄電池和超級電容自備的功率變換器可通過合理的能量分配策略實現蓄電池和超級電容容量的最優利用。連接形式如圖1所示。

蓄電池等效電路如圖3所示。圖3（a）中，bat為儲能側輸出電壓，bat為運行能量損耗等效電阻，b為接觸電阻，為電源電動勢，電池正負極間等效電容b在充放電不頻繁時通常可忽略，從而得到簡化模型如圖3（b）所示。

圖3 蓄電池等效電路

可得電源電動勢表達式為

式中：o為電源內生電動勢；c為蓄電池輸出電量；為蓄電池容量；K為極化電壓；為指數幅值；為時間常數的倒數。

蓄電池剩余電量OC()為

式中：OC(0)為蓄電池起始荷電狀態；bat為蓄電池輸出功率。

超級電容作為一種儲能電化學元件，容量可達到F級別，遠大于一般電容。超級電容RC串聯模型如圖4所示。

圖4 超級電容RC串聯模型

超級電容數學模型為

式中：SC為超級電容端電壓；SC為超級電容等效寄生電阻；SCR為等效電阻電流；為超級電容等效非線性電容；SC為等效電容瞬時工作電流。

超級電容的荷電狀態OCSC為

式中：Q為超級電容在時刻的電荷量；N為超級電容的總電荷量；max和min分別為超級電容最高和最低工作電壓；0為超級電容初始電壓值。

超級電容儲存能量SC為

1.4 DC-DC變換器模型

DC-DC變換器將一個電壓等級的直流電變換為另一個電壓等級的直流電。在發電系統與微電網之間，DC-DC變換器的連接必不可少。由于光伏發電系統和儲能系統的輸出功率較小，采用非隔離型DC-DC變換器即可滿足需求。在本文所提出的系統中，光伏與直流母線間使用Boost變換器，儲能單元與直流母線間使用Buck-Boost變換器，可適應儲能單元的充、放電模式。

Boost變換器如圖5所示，其所需的直流母線輸出電壓o通過對S1進行通斷控制獲得。S1導通時，由光伏電池輸出電壓PV提供電流L向電感1充電，負載側電壓由電容dc儲存的能量保持；S1關斷時，光伏電池與電感1同時給電容dc和負載提供電能。

圖5 Boost變換器

由能量守恒可得輸出電壓dc與光伏電池輸出電壓PV的關系為

式中：on為開關管S1導通時間；off為開關管S1關斷時間；=on+off為開關管S1的時間周期；/off為升壓比，升壓比≥1。通過調整升壓比的大小就可以控制直流母線輸出電壓o的大小，達到升壓效果。

Buck-Boost變換器如圖6所示，該變換器可以實現電能的雙向傳輸，一般用于連接儲能系統和直流母線。

圖6 Buck-Boost變換器

通過控制Buck-Boost變換器的S2、S3通斷，可以實現電路Boost模式與Buck模式的切換，即對應兩個方向的能量傳輸。

當需要儲能單元輸出能量時，電路工作在Boost模式。此時，S3保持關斷，通過控制S2來控制輸出電壓的大小。與前述Boost電路類似，當S2開通時，儲能側的1對2充電，同時直流母線側的電壓由dc存儲的能量保持；當S2關斷時，VD3導通，儲能側的1與2同時向直流母線側供電，實現儲能側向直流母線側供電。

當能量需要由直流母線送入儲能裝置進行儲能時，電路工作在Buck模式。此時，S2保持關斷，通過控制S3來控制輸出電壓的大小。當S3導通時，直流母線電壓o通過電感、電容向儲能側供電；當S3關斷時，電感向儲能側供電，VD2導通續流，同時dc對電容dc充電。

1.5 并網逆變器模型

電壓型脈寬調制（pulse width modulaton, PWM）并網逆變器拓撲如圖7所示。直流母線與交流大電網通過逆變器進行連接。

圖7 并網逆變器拓撲

對逆變器電壓電流及功率方程進行dq變換后，得到在dq坐標系中的逆變器電壓與功率方程分別為

式中：d、q分別為逆變器電壓有功、無功分量；d、q分別為逆變器電流有功、無功分量；g為濾波電抗器的電感；為角頻率；g、g分別為逆變器輸出的有功功率、無功功率。

將旋轉坐標系d軸方向與并網電壓方向重疊，此時有d=，q=0，則式（10）和式（11）變為

式中，g為電網電阻。

通過式（12）和式（13）可進行并網逆變器控制環節的設計。

2 光儲一體化微電網控制策略

2.1 光伏側DC-DC變換器控制策略

在工程實際中，光伏發電容易受到不同工況下各種因素的影響，如光照強度、時間等，輸出功率往往呈現非線性特征。光伏系統特性曲線如圖8所示，在光照強度與溫度一定的情況下，功率隨電壓的變化呈現先增后減的趨勢，即存在一個最大功率點。本文采用MPPT控制策略對系統進行控制。

圖8 光伏系統特性曲線

光伏發電系統控制框圖如圖9所示，本文采用基于電導增量的MPPT控制策略。當光伏發電系統輸出功率低于負荷需求時，采用MPPT控制可以穩定母線電壓，保持系統始終處于光伏發電最大利用率狀態。

圖9 光伏發電系統控制框圖

2.2 儲能側DC-DC變換器控制策略

儲能側采用Buck-Boost變換器，可工作在Buck模式和Boost模式下，在不同的工況下輸出系統所需要的功率。

當Buck-Boost變換器工作在Boost模式時，小信號模型傳遞函數id()及vi()為

當Buck-Boost變換器工作在Buck模式時，小信號模型傳遞函數為

式中，bat為蓄電池組出口濾波電容值。

圖10 儲能側系統控制框圖

2.3 基于MPPT的并網逆變器下垂控制策略

本節提出一種基于MPPT的并網逆變器下垂控制策略，首先簡述傳統下垂控制與PQ解耦控制原理。

1）傳統下垂控制

在微電網中，為便于負荷分擔、提高可靠性，通常采用以式（16）和式（17）為主的下垂控制策略[16-17]。

對于雙電源系統，在穩態時兩個電源角頻率1=2[18]，由式（16）和式（17）可得

式中：1、1和2、2為兩個電源各自的有功功率、無功功率；1、1和2、2分別為兩個電源各自的下垂系數；N1、N1和N2、N2分別為兩個電源各自的額定有功功率、無功功率。

如式（18）所示，常規下垂方案保證了基于電源額定值的比例輸出功率共享，但由于額定功率和下垂系數都為定值，因此對于光照強度和溫度引起的光伏不確定性并不敏感。傳統下垂控制方案運行方式忽視了能量傳輸的高效性，不能保證在可用功率變化的情況下，每臺光伏設備均達到最大利用率。

2）傳統PQ解耦控制原理

在主從控制模式下，光儲設備常采用PQ控制。與下垂控制相比，PQ控制的目的是保證電源的輸出功率等于其參考功率。式（19）和式（20）表示在PQ控制下逆變器的基準電流和基準相角。

式中：ref、ref分別為前期MPPT控制器給出的有功功率、無功功率參考值；p、p分別為鎖相環得到的電壓幅值和相角。

PQ控制使每個光儲設備的輸出都以忽略電壓和頻率支撐為前提獲得最大可用功率，因此在孤島模式下，必須至少有一個電源被設定為主逆變器來調節并網點的電壓和頻率。在這種情況下，一旦主逆變器停止工作，微電網將會崩潰，即鎖相環的存在嚴重影響了系統的動態穩定性。

3）基于MPPT的下垂控制方案

針對傳統下垂控制和PQ控制方案的局限性，本文提出一種基于MPPT的下垂控制方案。

對于混合光伏存儲單元而言，預先設定的下垂控制系數使基于光伏可用功率的負載需求無法共享。傳統的PQ解耦控制使光伏系統能夠將其最大可用功率注入微電網，但其可靠性較低，因為只有主逆變器負責頻率調節。在本文的改進方案中，基于MPPT的下垂控制把每個源控制為電流控電壓源，使光伏系統不僅可以追蹤最大功率點，還可以參與并網側的頻率調節。在與傳統下垂控制相同的工況下采用該控制方案，當光伏系統的可用功率減少時，光伏系統的下垂量增大，直至新的平衡工作點，此階段發電和需求之間的電力平衡由儲能側來匹配。類似地，當可從光伏系統中獲得更多能量時，控制系統將下調下垂量，以增加逆變器輸出的功率。

基于MPPT的下垂控制原理為

式中，KPi、KIi分別為第i個PV的比例系數和積分系數。式（21）中第一部分w*-miPi為傳統下垂控制，可以確保系統在短時間內保持穩定；第二部分為用于直流母線電壓調節的PI控制器，可以使從逆變器中提取的功率與DC-DC變換器提供的功率保持平衡。

3 仿真及實驗平臺驗證

3.1 仿真驗證

為驗證基于MPPT的光儲一體化微電網下垂控制方案的有效性，在Matlab/Simulink中建立一個包含PV和有源式蓄電池-超級電容混合儲能的三相交流微電網。系統仿真參數見表1，其中s為開關管調制頻率，n為光伏側最大輸出功率，grid為直流母線電壓，ref為并網側額定功率。

表1 系統仿真參數

光伏側相關參數波形如圖12所示。在不同的工況下，光照強度的變化趨勢如圖12（a）所示，光照強度由高變低，再恢復到較高水平；光伏板輸出功率如圖12（b）所示，其呈現出與光照強度相同的變化趨勢；光伏側輸出電壓、電流波形分別如圖12（c）、圖12（d）所示，經過基于MPPT的下垂控制后，光伏側仍能保證跟蹤最大功率點。

圖12 光伏側相關參數波形

直流母線電壓波形如圖13所示，其在光伏側功率變動點附近出現波動，但總體波形穩定，表明所提控制方案可以維持直流母線電壓的穩定。

圖13 直流母線電壓波形

經基于MPPT的下垂控制策略進行控制后，光伏、儲能及交流側有功功率變化趨勢如圖14所示，可以看出在并網側的功率變化點上已無可見波動，即光伏與儲能互為補償作用，在光伏出力不足以維持逆變側額定功率時，一體化儲能系統參與功率調節；當光伏出力超過逆變側額定功率時，光伏模塊通過直流母線向雙向儲能系統充電，保證能量的高效利用。

圖14 有功功率變化趨勢

并網側電網電壓、電流波形如圖15所示，可以看出在工況變化時，并網側電網電壓、電流波形維持正常水平，諧波含量小，電能質量得到保證。

圖15 并網側電網電壓、電流波形

3.2 實驗平臺驗證

搭建光儲一體化實驗平臺如圖16所示，實驗平臺參數見表2。

圖16 光儲一體化實驗平臺

儲能側蓄電池已預充電至80%，觀測間隔為30min。在觀測時段內，光伏板出力、儲能側功率及并網側功率測量數據見表3。

由表3可知，采用基于MPPT下垂控制的光儲一體化設備實驗平臺實測所得功率具有互補特征，強光照下盈余功率流入儲能側，弱光照下缺損功率由儲能側補充，與3.1節仿真得到的特征相似，損耗率在0.7%～1.2%，可以驗證所提系統的準確性和合理性，表明基于MPPT下垂控制的光儲一體化設備具備穩定并網能力。

表2 實驗平臺參數

表3 功率測量數據

4 結論

在外部光照條件變化時，改進式光儲一體化系統出力基本不變，逆變側有功輸出基本維持平衡。本文對含有蓄電池-超級電容器雙向儲能設備的光儲一體化系統進行了模型推導和仿真實驗，分析了在基于MPPT的下垂控制策略下的光伏側出力、直流母線電壓穩定性及逆變器有功功率水平，得出了以下結論：

1）分析了雙向混合儲能模塊的光儲一體化系統各模塊控制原理，提出的基于MPPT下垂控制的并網控制策略具備靈活調控光儲一體化設備模塊間功率流向的能力。

2）仿真驗證了3種光照工況下直流母線和交流逆變側的電壓、電流、有功功率均符合穩定性要求，所提系統可靠有效。

3）通過實物實驗對提出的光儲一體化設備并網控制原理進行驗證，系統損耗率較低，約為0.7%～1.2%，符合實際需求。

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Research on integrated photovoltaic and energy storage system with maximum power point tracking based droop control

TAO Xia1FANG Dongping1WANG Yingjie1WU Haibo2CAO Yuewei1

(1. Zhejiang Dayou Industrial Co., Ltd Linping Branch, Hangzhou 311102;2. Hangzhou Linping District Power Supply Company, State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd, Hangzhou 311100)

Compared to independent photovoltaic (PV)-storage system, integrated PV-storage system has better volume cost advantages and distributed power generation and consumption capability. However, existing integrated systems often suffer from insufficient energy utilization. To study the integrated PV-storage equipment with high power density and high photovoltaic output utilization, and to explore the stable, reliable, and high utilization grid control methods of the integrated PV-storage system, this paper physically models the important components inside the integrated PV-storage system, analyzes the active output characteristics of the integrated PV-storage system, and proposes a droop control scheme of the integrated PV-storage system based on maximum power point tracking (MPPT). The effectiveness of the system is verified by simulation.

microgirds; maximum power point tracking (MPPT); droop control; photovoltaic and energy storage system; modeling and simulation

2023-11-25

2024-01-03

陶 霞（1981—），女，四川隆昌人，本科，高級經濟師，主要從事電氣工程新能源領域研究工作。

浙江大有集團有限公司科技項目（DY2023-23）