光儲聯合并網系統建模與低壓耐受能力的研究

張景明，李巖松，杜儒劍，劉君

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市 102206)

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光儲聯合并網系統建模與低壓耐受能力的研究

張景明，李巖松，杜儒劍，劉君

(華北電力大學電氣與電子工程學院，北京市 102206)

為了解決光伏系統隨機性強，且故障情況下低壓耐受能力差、直流母線過電壓、光伏發電效率低等問題，將儲能技術引入光伏系統，形成了光儲聯合并網系統。對光儲聯合并網系統進行了建模，提出了基于改進的最大功率跟蹤技術和有功無功解耦控制的光伏并網模型，并對傳統的鉛酸蓄電池三階動態模型進行了簡化。在Pscad/Emtdc平臺中建立光儲聯合并網系統的仿真模型，驗證了該模型的正確性，在此基礎上分析了不同儲能容量配置對光伏并網低壓耐受能力的影響。仿真結果表明，采用合理的儲能配置能夠有效提高光伏系統的低壓耐受能力。

光伏系統；儲能；光儲聯合系統；低壓耐受能力

0 引 言

隨著光伏發電的快速發展，并網光伏系統受到越來越多的重視與利用[1-3]。由于太陽能具有的隨機性與波動性較大且不可控，光伏系統的功率波動較大。當電網側發生故障引起并網點電壓波動時，會導致光伏電站效率下降甚至不能持續并網運行，即光伏電站不具備較強的低壓耐受能力[4]。因此，引入儲能技術，研究光儲聯合并網系統模型，通過儲能配置改善光伏系統低電壓耐受能力差的問題已經成為近年來電力系統新能源領域的重要課題。

目前光伏發電系統的建模和研究成果，主要集中在光伏電站運行特性和最大功率跟蹤方法(maximum power point tracking，MPPT)等方面[5-8]。儲能系統應用于電力系統的研究也取得了一定的進展，對幾種蓄電池的建模大多采用詳細模型，考慮了電池內部特性[9-11]。利用儲能系統平滑功率波動可以提高發電功率輸出的穩定性，針對可再生能源(大型風電場和光伏電站)的隨機性，為減小風電場或光伏電站功率波動對電網帶來的不利影響、減小功率分鐘級的波動量，蓄電池儲能電站大多應用于平抑隨機輸出功率波動的研究[12-15]。

目前，國內外的光伏-儲能聯合發電系統的研究主要針對于解決功率波動的問題，而對光伏電站并網的低壓耐受能力的研究相對較少。因此，開展儲能技術應用于光伏電站并網的研究，建立光儲聯合并網的模型并針對光伏并網存在的問題設計適當的協調控制策略是十分必要的。

本文對光伏并網系統建模，提出新的MPPT方法和有功無功解耦的并網控制方法；簡化傳統的鉛酸電池的三階動態模型；針對交流母線故障時光伏電站的低壓耐受能力差的問題提出儲能協調運行策略并進行仿真分析。

1 光伏并網模型

1.1 光伏電池原理

基于單二極管模型的光伏電池的等效電路如圖1所示。

圖1 基于單二極管模型光伏電池等效電路

考慮到串聯電阻Rs很小而并聯電阻Rsh很大，光伏電池輸入輸出特性為

(1)

式中：IPV、ES分別為光伏電池的輸出電流、輸出電壓；C1、C2是計算系數，其計算式為

(2)

式中：Im、ISC、Vm、VOC是光伏電池的參數，Im和Vm分別為光伏電池的最大功率點電流和電壓；ISC和VOC是光伏電池的短路電流和開路電壓。

1.2 MPPT控制

實現最大功率點跟蹤控制的常用方法包括恒定電壓法、電導增量法、模糊控制法、最優梯度法、間歇掃描法、爬山法等。本文利用恒電壓法響應快與爬山法定位精確的優點，提出將二者相結合的方法，當工作點偏離最大工作點較大時采用恒電壓法快速定位，而在最大工作點附近則應用爬山法進行細微調節，使工作點逐漸接近最大功率點。具體控制流程如圖2所示，其中Ut、It、Pt分別為t時刻的電壓、電流與有功功率，Um、Uref是恒電壓法輸出電壓和MPPT控制輸出參考電壓，dU、ΔU分別是電壓偏差閾值與擾動電壓。

圖2 MPPT方法流程圖

1.3 并網控制

光伏并網電路如圖3中所示，逆變器輸出的三相交流電壓、電流分別為Ucabc、Iabc；電網電壓為Usabc，并假設電網電壓為三相平穩的純正弦波；由于實際的功率開關由理想開關與損耗電阻串聯構成，將功率開關損耗電阻同交流濾波電阻合并，用R表示等效電阻；交流濾波電感用L表示；直流側的電壓電流為Udc、Idc。

圖3 光伏并網拓撲

根據電路，時變微分方程為

(3)

為了實現有功功率與無功功率的解耦控制，對微分方程應用派克變換，派克變換公式為

(4)

式中θ=ωt+θ0，θ0表示零時刻的d軸與α軸的角度。

若d軸以電網電壓Us定位(即Usq為0)，且假設d軸與α軸的角度θ0為0。則dq0坐標下的有功功率與無功功率表達式為

(5)

(6)

式中：id與iq分別是逆變器輸出交流電流的d、q軸分量，d、q軸相互耦合。采用狀態反饋法進行解耦，并加入電網電動勢前饋補償，即可實現d、q軸電流的解耦控制。經處理后，id就是電流有功分量，iq就是電流無功分量。光伏并網的逆變器控制結構如圖4所示，其中的直流電壓參考值Udcref與直流電壓Udc的差值經PI控制器后作為有功電流分量的參考值id*；而無功電流部分的控制模型將無功電流參考值設為0，即不發出無功功率。

圖4 光伏并網的逆變器控制結構示意圖

2 儲能系統模型

2.1 電池儲能簡化模型

三階動態模型多用于長期應用的研究，考慮因素多，建模過程復雜，給應用帶來不便，本文針對交流側故障情況下的光儲控制模型進行研究，對原有模型進行簡化，得到適用的電磁暫態模型。

三階動態模型的元件參數與荷電狀態(state of charge，SOC)、電解液溫度和充放電電流這3個變量有關，而電力系統中的電磁暫態過程的時間通常在幾十ms內。蓄電池以10倍額定電流放電1 s時，SOC的變化值約為0.26%，近似認為SOC在電磁暫態過程中保持其初值不變，進而忽略其對電池參數的影響。同時，電池電解液溫度在實際工作中很難在短時間內進行精確測量，認為電解液溫度在電磁暫態過程中保持恒定。并且短時內放電時RC環節的作用不明顯，電池的模型結構可以等效1個電壓源串聯1個內阻，電路結構如圖5所示。

圖5 蓄電池簡化模型

圖中E0為電池模型開路電壓，其值等于理想電壓源電壓，Vb為放電時電池模型的端電壓，R為等效內阻，I為放電電流。等效內阻為

(7)

保持SOC初值和電解液溫度不變，選擇不同的放電電流對電池模型進行放電，放電電流范圍為(0.1～10)電池標稱容量，放電時長實驗。在不同放電電流下，等效內阻的差值為最小內阻值的1.5%。因此短時間內放電時，認為等效內阻與放電電流無關。

保持充放電電流和電解液溫度不變，選擇不同的SOC初值(取值范圍0.05～0.95)對電池模型進行充放電。圖6為不同SOC初值所對應的等效內阻，圖中PSOC為SOC數值。

正常情況下，電池的SOC值一般為0.2～0.8，由圖6可知在充放電兩種運行狀態下的等效內阻相同。采用多項式擬合得到內阻計算公式。

簡化模型中理想電壓源為

(9)

式中：Em0、KE均為常數，與電池規格有關；T為電解液初始溫度，一般設為環境溫度。

圖6 等效內阻

2.2 儲能系統配置

根據儲能系統原理及模型的結構，主要考慮接入位置和功率容量的影響。考慮低電壓耐受能力是光伏電站的自身特性，相對于分散配置而言，集中配置的方式更加方便，儲能系統通過雙向的DC/DC變換器接入光伏系統的直流母線。光儲系統及其控制模塊的拓撲圖如圖7所示。

圖7 光儲聯合拓撲結構圖

3 協調仿真

在詳細建模的基礎上，本文先對不加儲能的光伏發電并網系統的低壓耐受能力進行仿真，討論儲能協調的配置方式，并進一步驗證模型的正確性和儲能協調提高光伏低壓耐受能力的有效性。

3.1 光伏發電并網仿真

本文算例采用單機-無窮大系統。系統容量基值1 MVA，光伏發電的輸出功率為1 MW，光伏并網經變壓器接入三相交流系統。固定溫度25 ℃，光照在1 000 W/m2情況下，設置網絡故障，在交流并網母線發生三相短路接地故障，接地阻抗為0.001 Ω，并網點電壓下降70%，故障持續時間1 s。直流輸出功率、直流電容電壓和直流電流的變化情況如圖8所示。在不配置儲能的情況下，比較不同的MPPT方法對于光伏系統和直流母線的影響。

圖8 故障情形下光伏發電系統輸出

由圖8可看出：故障發生后，并網點電壓降落，同時并網電流上升，光伏發電系統的功率輸出下降，導致直流電容電壓升高了30%以上，已經嚴重超出了正常運行范圍，同時光伏發電的效率也降低到不足40%。另外，比較圖8(a)、(b)可以看出，采用恒電壓法時，在故障發生和切除時刻光伏電池有功功率才會出現最大值，在故障前后的穩態時刻有功輸出都低于最大值，而采用改進MPPT方法則能夠有效地改善這一情況。

因此，在故障狀態下光伏電站不具備低壓耐受能力，必須通過儲能裝置的協調來解決這一問題。

3.2 儲能配置仿真

在光伏系統并網仿真的基礎上，對配置儲能系統的光儲聯合并網模型進行仿真分析，對功率容量分別配置為光伏系統容量的30%和50%這2種情況仿真。另外，本文中的蓄電池儲能系統并不承擔無功調節的作用，主要分析儲能系統的配置對于交流母線故障引起的直流母線電壓過高和光伏系統效率過低的問題影響。因此，儲能系統的有功占比都為100%。

當功率容量達到50%時，才能明顯提高光伏電站的低壓耐受能力，直流輸出功率、直流電容電壓和直流電流的變化情況如圖9所示。

由圖9可看出，當儲能配置功率容量為30%時，故障時的直流母線電壓最大值不超過正常值的120%，有了顯著的下降，同時光伏系統輸出功率也有了明顯提高；當功率容量為50%時，光伏并網系統在故障情況下仍然能夠維持高效的運行，直流電壓控制在正常值的110%以內且光伏發電效率能達到將近80%，光伏系統已經有了較強的低壓耐受能力。

圖9 不同儲能容量配置的低壓耐受能力仿真結果

4 結 論

(1)建立光伏發電并網模型，提出了新的MPPT方法和有功無功解耦的逆變器控制策略。

(2)對鉛酸蓄電池的三階動態模型進行建模分析，針對特定的時間尺度進行了模型簡化。

(3)對配置儲能前后的光伏發電并網模型仿真分析，進一步驗證模型的正確性和儲能協調提高光伏低壓耐受能力的有效性。

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(編輯：蔣毅恒)

Modeling and Low Voltage Tolerance Ability Study of Solar-Battery Hybrid Generation System

ZHANG Jingming, LI Yansong, DU Rujian, LIU Jun

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

To solve the randomness of photovoltaic (PV) system and low voltage tolerance ability under fault, the over voltage of DC bus, the low efficiency of PV power generation and so on, this paper brought energy storage technology into PV system, and formed solar-battery hybrid system. Detailed modeling of solar-battery co-generation system was studied, and a PV grid model was constructed based on improved maximum power tracking technology and the decoupling control of active and reactive power. The third-order dynamic model of lead-acid batteries had been simplified. In PSCAD/EMTDC, the simulation model of solar-battery hybrid system was established and the simulation results verified the correctness of the model. Furthermore, the impact of energy storage capacity on the low voltage tolerance ability of PV grid was compared. The simulation results show that reasonable storage configurations can effectively improve the low voltage tolerance ability of PV system.

photovoltaic system; energy storage; solar-battery hybrid system; low voltage tolerance ability

E0=Em0-KE(273+T)(1-PSOC)

國家自然科學基金項目(51277066)。

TM 615

A

1000-7229(2015)04-0027-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.005

2014-09-19

2014-11-14

張景明(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統分析與控制；

李巖松(1970)，男，博士，副教授，主要研究方向為電力系統分析與控制；

杜儒劍(1989)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統分析與控制；

劉君(1970)，女，博士，副教授，主要研究方向為光學電流互感器及電力系統分析運行與控制。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China(NSFC)(51277066).