光儲微網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略研究

摘 要：本文針對光儲微網(wǎng)中光伏單元和儲能單元功率分配效率不高的問題，提出了一種功率協(xié)調(diào)控制策略。首先，根據(jù)光儲微網(wǎng)中儲能單元容量特性、電池荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）合理性限制以及最大功率限制，采用光伏控制器、儲能控制器和并網(wǎng)逆變器控制器，使光儲微網(wǎng)在4種設(shè)定的模式下工作。其次，在MATLAB/Simulink中驗(yàn)證此種策略，證明了本文所提策略的有效性，當(dāng)天氣變化造成光伏波動時(shí)，系統(tǒng)能高效輸出功率，顯著提高了能量利用效率。

關(guān)鍵詞：光儲微網(wǎng)；直流母線電壓；頻率；功率；協(xié)調(diào)控制

中圖分類號：TM 76" " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著雙碳目標(biāo)推進(jìn)，光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。但是光伏陣列受天氣影響較大，光儲微網(wǎng)中同時(shí)存在光伏整列和儲能電池，能有效彌補(bǔ)光伏陣列缺陷。

在光儲微網(wǎng)中，當(dāng)光伏波動時(shí)，儲能需要及時(shí)輸出功率平抑波動，這就需要對光伏和儲能的功率輸出進(jìn)行準(zhǔn)確分配。文獻(xiàn)[1]以典型光儲微網(wǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)為場景，建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，提出了一種遺傳算法的優(yōu)化求解策略；文獻(xiàn)[2]圍繞光儲微網(wǎng)功率優(yōu)化和靈活運(yùn)行，提出了采用光伏系統(tǒng)組件級功率優(yōu)化器和儲能部分變換器控制儲能和直流母線電壓的協(xié)調(diào)控制策略；文獻(xiàn)[3]在獨(dú)立型光儲微電網(wǎng)中，以最大化輸出光伏功率為目標(biāo)，得到了光伏和儲能的容量優(yōu)化配置；文獻(xiàn)[4]在光伏扶貧電站中，證明了以LPSP和EXC比作為技術(shù)指標(biāo)的配置策略的有效性；文獻(xiàn)[5]根據(jù)儲能快速配置方法和雙元互補(bǔ)的儲能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種基于光伏電站實(shí)際的經(jīng)濟(jì)收益最大模型。

以上文獻(xiàn)均將儲能系統(tǒng)作為補(bǔ)充來優(yōu)化配置光伏系統(tǒng)，光儲一體化已成為廣泛共識。但是，光伏單元和儲能單元間的合理配置方式還需要進(jìn)行研究。

1 光儲微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光儲微網(wǎng)由光伏電源、儲能設(shè)備、本地負(fù)荷以及監(jiān)控保護(hù)設(shè)備等組成，光儲微網(wǎng)接入大電網(wǎng)后，本地負(fù)荷由光伏、儲能和大電網(wǎng)共同供電，可靠性較高。當(dāng)光儲微網(wǎng)處于孤島模式時(shí)，本地負(fù)荷由光儲微網(wǎng)直接供電，穩(wěn)定性較差。本文主要研究處于并網(wǎng)模式下的光儲微網(wǎng)。為抑制光伏波動對光儲微網(wǎng)輸出功率和頻率的影響，將直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為交流系統(tǒng)的逆變器采用虛擬同步機(jī)控制策略。光伏單元的輸出直流電壓通常只有幾伏，無法滿足需要，需要采用DC/DC電路進(jìn)行升壓（本文將直流母線電壓設(shè)定為700 V），儲能電池充、放電根據(jù)光伏單元情況輸入或者輸出有功功率，常采用IGBT等電子器件進(jìn)行通斷，使用Buck-Boost電路升、降壓。在控制策略上，根據(jù)光照強(qiáng)度和儲能電池初始SOC的情況，采用不同控制方案控制光伏單元和儲能電池按照設(shè)定的方式進(jìn)行功率輸出。

2 光儲微網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略

2.1 光儲微網(wǎng)各單元間的工作模式

光儲微網(wǎng)的直流電源通常包括光伏發(fā)電單元、儲能單元，將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓的電力電子器件為并網(wǎng)逆變器。光伏發(fā)電單元是主要能量輸出，可為本地負(fù)荷提供能量，將多余的能量輸送至大電網(wǎng)。儲能單元是能量補(bǔ)充和慣性功率提供者，根據(jù)負(fù)荷功率和光伏功率之差進(jìn)行充、放電，當(dāng)光照較強(qiáng)時(shí)對自身充電，當(dāng)光照較弱時(shí)對外放電，同時(shí)根據(jù)光伏波動提供慣性功率。采用虛擬同步機(jī)控制的并網(wǎng)逆變器單元在控制過程中模擬了一次調(diào)頻特性，能根據(jù)系統(tǒng)波動情況自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率，保持系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定，但是并網(wǎng)逆變器無法直接提供功率，所調(diào)節(jié)的調(diào)頻功率需要由儲能單元提供。由以上分析可知，光伏單元、儲能單元以及并網(wǎng)逆變器間需要協(xié)調(diào)控制，才能滿足負(fù)荷和系統(tǒng)穩(wěn)定性的需要。

假設(shè)光伏單元最大輸出功率為Pmax，儲能電池功率為Pb，本地負(fù)荷功率為Pr。在光儲微網(wǎng)中，根據(jù)光伏陣列特性，對應(yīng)某一光照強(qiáng)度的光伏單元有最大功率限制，控制方式分為降功率控制和最大功率點(diǎn)追蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。對于儲能電池，鑒于經(jīng)濟(jì)性限制，容量應(yīng)盡可能小，儲能充放電倍率不能過大，SOC需要運(yùn)行在合理區(qū)間。并網(wǎng)逆變器采用虛擬同步機(jī)控制，以增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。根據(jù)光伏發(fā)電單元、儲能單元的不同控制方式，將本文所提光儲微網(wǎng)劃分為4種運(yùn)行模式，在不同運(yùn)行模式下，光伏發(fā)電單元、儲能單元和并網(wǎng)逆變器輸出不同功率，具體工作模式見表1。

工作模式I：Pmax≥Pr，SOC≥80。在這種模式下，光照強(qiáng)度超過設(shè)定強(qiáng)度，光伏單元受光照后的最大功率超出了負(fù)荷需要功率，儲能電池容量充足，不需要過度充電，以免損傷電池。在此情況下，光伏單元應(yīng)棄光，功率輸出只滿足負(fù)荷需要，采用降功率控制策略。同時(shí)，由于光照強(qiáng)度處于時(shí)刻變化中，因此會引起并網(wǎng)逆變器輸出變化，儲能單元提供慣性功率平抑波動。在實(shí)際應(yīng)用中，部分地區(qū)光照時(shí)間較多區(qū)域需要考慮此種情況。

工作模式II：Pmaxgt;Pr、SOClt;80和Pmaxlt;Pr、SOC≥30。在這種模式下，光伏發(fā)電單元采取MPPT控制方式，儲能電池SOC處于健康狀態(tài)的正常范圍，主要作用是隨光照強(qiáng)度變化充、放電。當(dāng)光伏輸出功率高于本地負(fù)荷需要功率時(shí)且儲能電池處于正常范圍內(nèi)時(shí)，光伏除了為負(fù)荷供電外，還需要為儲能電池充電；當(dāng)光伏輸出功率小于本地負(fù)荷需要功率時(shí)，儲能電池需要輸出有功功率，以補(bǔ)充功率間的差額。此為光儲微網(wǎng)的主要工作模式，大部分情況處于此種模式下。

工作模式III：20≤SOClt;30。在這種模式下，儲能電池SOC較低，如果繼續(xù)輸出較大功率供給負(fù)荷，就會損傷電池，因此此種模式下的儲能電池不用于為本地負(fù)荷供能，主要用于平抑光照強(qiáng)度變化引起的波動，可提高穩(wěn)定性。此種模式下，光伏單元采用MPPT控制方式輸出全部功率，其余不足的功率由大電網(wǎng)補(bǔ)充。

工作模式IV：SOClt;20。在這種模式下，光伏采用MPPT控制方式，將輸出功率最大化，儲能電池電量已經(jīng)很低，不能繼續(xù)放電，電池只能在充電狀態(tài)下工作，負(fù)荷所需功率全部由大電網(wǎng)提供。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時(shí)，儲能也可以提供慣性功率（通常較?。?。

無論光儲微網(wǎng)處于何種模式，均可以按照模式I、模式II、模式III和模式IV并根據(jù)功率和SOC所在區(qū)間在控制器控制下自動順序切換。

2.2 光儲微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略

為實(shí)現(xiàn)上述4種模式，光儲微網(wǎng)中光伏單元、儲能電池單元和并網(wǎng)逆變器需要協(xié)調(diào)控制，系統(tǒng)主要包括3個子控制器，即光伏單元控制器、儲能單元控制器和并網(wǎng)逆變器控制器。光伏單元控制器根據(jù)光照強(qiáng)度和負(fù)荷功率采用MPPT控制或者限功率控制；儲能控制器根據(jù)光伏功率和負(fù)荷功率采用雙環(huán)控制，使儲能電池充、放電；并網(wǎng)逆變器控制器采用虛擬同步機(jī)控制策略輸出指定功率，并網(wǎng)逆變器中的功率參考值由逆變器功率控制器輸出。具體控制策略如圖1所示。

3 仿真試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所提光儲微網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略的準(zhǔn)確性和先進(jìn)性，在MATLAB/Simulik中建立光儲微網(wǎng)虛擬同步機(jī)控制模型并仿真。為簡化模型，本系統(tǒng)中只使用1個光伏單元和1個儲能單元，本地負(fù)荷功率保持不變，用以驗(yàn)證光儲微網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略。在光儲微網(wǎng)中，負(fù)荷同時(shí)連接大電網(wǎng)和微網(wǎng)，本文只考慮當(dāng)光照變化時(shí)，微網(wǎng)如何準(zhǔn)確、高效分配功率。仿真參數(shù)見表2。

仿真時(shí)間為2 s，仿真系統(tǒng)步長1×10-5。各工作模式仿真如下所示。

首先，在0 s時(shí)刻，設(shè)定光伏單元光照強(qiáng)度800 W/m2，溫度25 ℃，初始儲能SOC為86，本地負(fù)荷功率20 kW。在此種條件下，光伏單元最大有功功率為23 kW，超過了本地負(fù)荷功率，同時(shí)儲能SOC＞80，系統(tǒng)工作在模式I。在1 s時(shí)刻，光照強(qiáng)度突然增加，為1 200 W/m2，如果按照MPPT進(jìn)行控制，光伏輸出將繼續(xù)增加，系統(tǒng)無法消納多余光伏，需要采用降功率控制方式，仿真波形如圖2所示。

由圖2可知，在初始時(shí)刻，光伏單元需要一定啟動時(shí)間才能按照MPPT控制方式輸出最大功率，在此期間，負(fù)荷所需功率由儲能提供，整個過程會有小幅波動。在1 s時(shí)刻，當(dāng)光照增強(qiáng)時(shí)，光照強(qiáng)度由800 W/m2增至1 200 W/m2，光伏最大輸出功率由20 kW增至39 kW，光伏控制采用降功率控制方式，雖然有沖擊，但是穩(wěn)定后功率光伏輸出保持20 kW不變，說明降功率策略有效。在0.2 s～2 s，儲能僅用于平抑光伏波動，無須對外放電。

在0 s時(shí)刻，設(shè)定光伏單元光照強(qiáng)度800 W/m2，溫度為25 ℃，初始儲能SOC為60，本地負(fù)荷功率為30 kW。在此種條件下，光伏陣列最大輸出功率為23 kW，小于本地負(fù)荷功率且儲能SOC＜80，對應(yīng)工作模式II。在1 s時(shí)刻，光照強(qiáng)度增加至1 200 W/m2，溫度保持不變，仿真波形如圖3所示。

由圖3可知，在初始時(shí)刻，由于光伏輸出功率小于負(fù)荷需要功率，負(fù)荷功率也需要由儲能單元提供，儲能電池輸出有功功率為7 kW，電池處于放電狀態(tài)中，SOC值持續(xù)下降。在1 s時(shí)刻，光照突增至1 200 W/m2，光伏采用MPPT控制方式，輸出功率增至39 kW。由于負(fù)荷功率恒定為30 kW，超過的9 kW有功功率由儲能電池充電吸收。經(jīng)過0.3 s的振蕩后，儲能電池進(jìn)入充電狀態(tài)，儲能慢慢充能，SOC持續(xù)增加，以備后續(xù)使用。

模式III和IV與上述類似，不再贅述。

4 結(jié)論

本文根據(jù)儲能單元容量特性和最大功率限制，提出了4種工作模式，并根據(jù)3個單元的控制方式提出了一種功率協(xié)調(diào)控制策略。進(jìn)而在MATLAB/Simulink中驗(yàn)證了所提策略的正確性和適用性。結(jié)果表明，在所提工作模式下，3種單元的控制策略按照設(shè)定的方式合理運(yùn)行，光伏和儲能能在各種工況下準(zhǔn)確分配功率，采用的控制方式也能將光伏引起的波動抑制到最小，儲能能在設(shè)定的模式下健康運(yùn)行，不受損壞，能量利用效率顯著提高。

參考文獻(xiàn)

[1]禹威威，劉世林，陳其工，等.考慮需求側(cè)管理的光伏微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法[J].太陽能學(xué)報(bào)，2017，38（11）：2972-2981.

[2]劉艷東，胡祎文，陳楠，等.光儲微電網(wǎng)功率優(yōu)化方法及協(xié)調(diào)控制策略研究[J].電氣工程學(xué)報(bào)，2022，17（1）：22-30.

[3]陳景文，莫瑞瑞，黨宏社，等.儲能型光伏系統(tǒng)電池容量優(yōu)化配置及經(jīng)濟(jì)性分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2019，19（28）：165-171.

[4]李建林，牛萌，田立亭，等.光伏扶貧電站光-儲協(xié)同配置方法研究[J].太陽能學(xué)報(bào)，2019，40（1）：79-86.

[5]張江林，高紅均，王家怡，等.計(jì)及預(yù)測精度及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的光伏電站儲能經(jīng)濟(jì)配置[J].電力自動化設(shè)備，2019，39（6）：115-121.