對微網中光伏系統在離網運行下的控制研究

謝勝男，馬平，蘇適，嚴玉廷，楊洋

(1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.云南電網公司電力研究院，昆明 650217；3.云南電網公司研究生工作站，昆明 650217)

對微網中光伏系統在離網運行下的控制研究

謝勝男1，3，馬平1，蘇適2，嚴玉廷2，楊洋2

(1.華北電力大學，河北 保定 071003；2.云南電網公司電力研究院，昆明 650217；3.云南電網公司研究生工作站，昆明 650217)

在離網型光伏發電系統中，由于光伏發電的不穩定性以及隨機性，常常會配備一定容量的混合儲能裝置，這是整個系統不可或缺的組成部分。本文在分析了光伏發電系統以及混合儲能裝置的工作特性的基礎上，制定了系統控制策略，大建立系統仿真試驗模型，并在該模型上進行了帶不可變負載擾動及帶可變負載擾動下系統動態試驗，仿真結果表明該系統的系統配置及控制策略的可行性。

混合儲能裝置；光伏發電系統；離網運行

0 前言

分布式能源例如太陽能光伏發電、風力發電、潮汐能發電等被大力推廣應用。其中太陽能光伏發電作為一種取之不盡用之不竭且無污染、無噪聲的蘊含巨大能量的可再生能源，受到越來越廣泛的關注，在微網中的應用也較多。由于太陽能光伏發電的隨機性以及不穩定性，需要配備儲能系統以在光伏系統出力不足的情況下補充微電網中的功率以滿足負荷的需求。因此設計合理的能量控制策略，合理的調配各微源之間的輸出功率是很有必要的。本文的主要研究內容是對微電網離網模式下的光伏發電系統及混合儲能裝置的能量管理策略進行研究。

1 微電網中的光伏發電系統

1.1 光伏發電的原理及特性

太陽能是一種輻射能，因此必須借助轉換部件才能轉換成電能。太陽能電池板就是一種直接將太陽能轉換成電能的部件。考慮到實際太陽能電池的電阻等因素，通常采用的太陽能電池的電流-電壓特性方程是：

其中I為P-N結的電流；I0為反向飽和電流；V為外加電壓；q是電子電荷；K是玻爾茲曼常數；T是絕對溫度。由上式可以得出太陽能電池的電流電壓特性曲線和功率與電壓的特性曲線：

為了達到光伏發電系統的安全穩定運行，通常需要在系統中增加儲能裝置。文中涉及的儲能裝置為蓄電池組和超級電容器組成的混合儲能裝置。在蓄電池中常用的一些參數有以下幾個：

圖1 太陽能電池板的電流電壓和功率電壓特性曲線

1)蓄電池的容量。通常是指處于完全充電狀態下的蓄電池，按照一定的放電條件，放電到所規定的電壓，能夠釋放出的能量。

2)蓄電池的荷電狀態。荷電狀態反映了蓄電池的剩余容量：

其中CN、Cd、CR分別為蓄電池的額定容量、蓄電池已釋放的容量、蓄電池的剩余容量。

3)蓄電池的放電深度。蓄電池的放電深度是指蓄電池已放出的容量與額定容量的比值，表達式為

考慮到放電深度對蓄電池壽命的影響，一般放電深度選在0.6～0.7之間。

超級電容器是一種新型的儲能裝置，具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節約能源和綠色環保等特點。超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。超級電容器的容量可以利用下面的公式來計算：

其中Uwork、Umin、It分別表示電路中的正常工作電壓、器件工作的最小的電壓和負載電流。由于超級電容器在大負載突然接入的時候具有快速放電來填補功率，避免母線電壓的劇烈變化的作用，因此本文中在選擇蓄電池作為儲能元件的同時還用了超級電容器作為補充。

1.2 光伏發電系統的分類

光伏發電是將太陽能直接轉換成電能的一種發電形式，太陽能電池是光伏發電系統的核心器件。光伏發電系統可以分為離網運行以及并網運行兩種方式，文中的仿真是在獨立運行的前提下進行的，光伏系統的供電可靠性受到氣象環境以及負載情況的影響，供電可靠性較差，所以配備了儲能裝置。因為光伏發電系統和常用的儲能裝置都是直流的，所以采用直流母線系統。

光伏發電系統工作在離網模式下，主要由太陽能電池組、控制器、直流變換器、離網逆變器和混合儲能系統構成。離網運行時，光伏發電系統和混合儲能系統構成了一個相對獨立的發電系統。太陽能電池板將接收的太陽能轉化成電能并輸送直流變換器，變換到合適的直流電壓，再通過離網逆變器進行逆變，變成帶動負載所需要的交流電。并且通過控制器對混合儲能系統進行充放電。

目前，離網型光伏發電系統主要有戶用光伏發電系統和光伏電站兩大類。文中的撰寫是以微電網中光伏發電系統為背景的，所以可以看做戶用光伏發電系統。在微電網并網運行時穩定小區域的供電性能良好較容易，但是當電網發生故障，微電網離網運行時能否有較好的供電質量、滿足區域內負載的用電需求是一個值得思考的問題，所以本文研究的光伏發電系統是在離網運行的前提下的。

1.3 光伏發電系統

圖2 光伏發電系統離網運行時的模型圖

文中設計的光伏發電系統離網時主要由光伏陣列、直流變換器、蓄電池組充放電電路、超級電容充放電電路、逆變器及控制器等組成。光伏陣列接收太陽能的輻射，轉換成電能輸給DC/DC直流變換器，直流變換器將電壓進行升高或者降低，同時利用最大功率跟蹤算法，達到對光伏陣列吸收到的太陽能功率的最大化利用，提升資源利用效率；然后將電能輸送給混合儲能裝置或者各類負載。

1.4 能量管理控制策略

1)在天氣條件好的時候，盡可能使用太陽能電池轉換的電來供給負載使用，同時在混合儲能的能量不足時給混合儲能裝置進行充電；

2)天氣情況不好，不足夠使太陽能電池板發出足夠的電來供給負載的時候需要蓄電池補充放電以滿足負載的需要，但是應當控制蓄電池的放電深度避免蓄電池的損壞；

3)當在正常運行的時候突然介入大負載的情況下，應當使超級電容盡快放電，防止母線電壓跌落，同時避免電壓的波動過大，影響供電質量。

文中研究的是光伏發電系統，只有光伏、蓄電池組、超級電容器三種微電源組成的獨立運行發電系統，所以主要從經濟性和電能質量兩個方面進行能量管理。

對于小區域內的微電網來說，損耗小是經濟性的重要體現之一，因此在本文中將網損最小作為能量管理經濟性的目標。網損最小化就是通過控制微電網的潮流使系統內的有功、無功損耗最小化，

其中，N為系統支路數；Ri、Xi為支路i的電阻和電抗；Pi、Qi和Vi分別為支路i的有功、無功和電壓幅值。

電能質量在一定程度上可以用電壓的偏差程度來衡量，因此把電壓偏差作為電能質量的衡量標準。電壓偏差的目標函數就是將各節點的電壓偏移總和最小化，其表達式為：

其中n為光伏發電系統中的節點數；Vi為節點i的電壓；ΔVi為節點i的電壓偏差量；δVi為節點i允許的最大電壓偏差量。

綜上所述，在光伏發電系統正常運行時，不考慮各微電源的暫態特性，能量管理優化的總目標函數為：F=min(fΔSL，fΔV)

具體的控制策略實施方案如圖3所示：

圖3 發電系統的控制框圖

1.5 微電源連接

蓄電池組、超級電容器和光伏發電陣列三個微電源都是連接在直流母線上面的。

1)蓄電池組在其中主要起著維持母線電壓穩定的作用，因此采用了電壓負反饋控制保證其輸出電壓值的穩定。但是由于蓄電池組的放電深度以及充電程度對蓄電池組的使用壽命有很大的影響，因此在控制電路中設置了電壓監測環節，隨時監測蓄電池組的荷電狀態，合理的安排使用蓄電池組的充放電，延長蓄電池組的使用壽命；

2)由于要最大限度的利用太陽能光伏的能量來達到經濟環保的目的，使光伏陣列經過DC/ DC變換器之后的電流能夠跟蹤光伏陣列的輸出電流，使得輸出到直流母線上的電流始終保持最大，因此對于光伏發電陣列是通過電流反饋控制，以保證光伏發電陣列的輸出功率最大的；

3)超級電容器僅僅是在有大負載并且該大負載的接入會使直流母線的電壓大范圍的波動時起到平滑電壓幅值的作用的，所以要在超級電容器的控制電路中設置電壓監測環節，隨時監測直流母線的電壓值，在母線電壓發生大波動的時候及時監測到并傳遞放電信號給超級電容器，使得超級電容器能夠較好的完成填補電壓缺失的作用。

2 對光伏發電系統的仿真試驗

圖4 帶固定負載與可變負載時的直流母線電壓曲線

通過上面a、b兩個圖可以看出，是否帶可變負載對直流母線上的電壓影響并不是很大，在初始階段會有一定的影響，但是經過一段時間之后都能趨近700 V的附近。從此可以看出，當負載發生較大的變動的時候，超級電容器會能夠快速放電，同蓄電池組一起盡力保持母線電壓的穩定，但是由于超級電容器的放電時間極短，所以蓄電池同時也會放電，當超級電容器的電能使用完了之后，蓄電池的放電也達到了可以維持母線電壓的水平，所以體現在電壓上可以看出在初始階段會有明顯的下降，然后再回升的過程。

圖5 帶固定負載和可變負載時的交流母線電壓曲線

上面a、b兩圖為帶固定負載與帶可變負載的交流母線上的電壓曲線圖。由圖中能夠明顯的看出，負載是否有較大變化對交流母線的電壓并沒有太大影響，交流母線上的電壓波形始終都能維持一個較好的狀態。由此可以看出經過SVPWM來控制逆變器，可以很好地控制輸出的交流電壓使之符合文中的設計要求。

圖6 帶固定負載與可變負載時的系統輸出功率曲線

從兩個輸出的功率曲線圖可以看出，光伏發電系統帶固定負載的時候是比較平和的趨于穩定的，但是帶動可變負載的時候功率在開始的時候波動很大，這是因為負荷波動較大，需要超級電容器和蓄電池出力填補光伏發電量的不足。超級電容可以迅速放電以在蓄電池組放電量沒跟上的時候填補一些，隨著蓄電池放電量的增加，總的輸出電量會出現過量的情況，但是最終在控制環調節的作用下，輸出功率會逐步趨近于平衡。

3 結束語

1)討論了組成光伏發電系統的各個微電源的特點和輸出特性；

2)針對各種微電源的特性制定了以經濟性和電能質量為控制目標的能量管理策略并通過仿真實驗驗證了控制策略的正確性；

3)根據制定的能量管理策略對由蓄電池、超級電容以及光伏發電陣列組成的光伏發電系統用MATLAB進行了仿真，并得出輸出特性曲線；

4)分析所得的曲線，從中驗證了所搭模型的可行性以及能量管理策略的正確性。通過對系統帶固定負載和可變負載兩種情況下的仿真，能夠看出負載的變化并沒有對系統的輸出電壓以及功率造成大的影響，幾乎沒有變化，這表明各個微源能在不同的條件下充分發揮自己的作用：超級電容器在遇到大負載的時候會快速放電，穩定母線電壓；蓄電池起著穩定直流母線電壓的作用；同時利用最大功率跟蹤，充分發揮光伏的作用，最大限度的利用太陽能。所得到的仿真結果符合預期的設計目標。缺點在于對于超級電容器的特性并沒有得出很好地曲線來加以證明；整個系統沒有在實際的微電網中帶動實際的負載進行驗證，缺少一些說服力。

在我國，太陽能光伏發電系統的應用還不充分，光伏系統尚未脫離試驗和示范階段，結構的設計業還不夠完善、成熟。隨著時間的推移以及科學技術的不斷發展，光伏發電系統的主電路結構的設計以及新型的拓撲結構的開發和采用將成為人們研究的重點，為更好的利用太陽能，實現可持續發展的綠色經濟提供實現途徑。

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馬平，女，教授，研究生導師，華北電力大學，主要從事過程控制、火電廠單元機組控制和優化、計算機原理及應用的教學科研工作。

蘇適，男，云南電網公司電力研究院，從事智能微網的設計、建設、并網、能量管理系統等方面的工作。

Research on Control Strategy of Photovoltaic System Off-grid Operation in Micro-gird

XIE Shengnan1，3，MA Ping1，SU Shi2，YAN Yuting2，YANG Yang2
(1.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；3.Graduate Workstation of Yunnan Power Grid，Kunming 650217，China)

In off-grid photovoltaic power generation system，due to the instability of photovoltaic power generation and randomness，often equipped with a certain capacity of hybrid energy storage device，which is an integral part of the whole system.Based on the analysis of the photovoltaic power generation system and the work characteristics of the hybrid energy storage device，on the basis of this paper introduces the simulation model used in the simulation theory，and combining with actual simulation model and simulation results，this paper expounds the feasibility of this method.Experimental results prove the theoretical analysis is established，the test method is feasible.

hybrid energy storage device；photovoltaic power generation system；off-grid run

TM76

B

1006-7345(2014)06-0063-05

2014-07-21

謝勝男 (1990)，女，碩士研究生，云南電網公司研究生工作站，研究方向為智能電網的控制及相關接口的通信方面 (email)524321061＠qq.com。