基于PR控制三相光伏并網的混合儲能控制研究

周子恒，崔景順

(1.三峽大學電氣與新能源學院，湖北 宜昌 443002;2.國網四川省電力公司遂寧供電公司，四川 遂寧 629001)

1 引言

經過長時間的發展，光伏發電已經從以前的孤網系統開啟了向并網系統發展的時代。在并網的控制策略中，比例諧振控制(PR控制［1］)與比例積分控制(PI控制［2］)相比，穩態性能更佳，故前者更傾向于用來在逆變過程中進行并網電流的控制。光伏電池的輸出功率不僅與其自身的結構聯系密切，還與光照強度和負荷等外部環境的影響有關，在此背景下，人們對最大功率跟蹤控制［3］進行了廣泛研究。但光照條件和負載的改變仍會使光伏電站并網點的輸出功率產生波動，故蓄電池、超級電容和飛輪常被用作并網點功率平抑［4］的儲能元件，成為完善微網功能的途徑，混合儲能［5－6］也成為了當前的研究熱點。

本文研究了基于PR控制三相光伏并網條件下的混合儲能控制方式，介紹了PR控制的控制方式以及蓄電池和超級電容這兩個元件的控制策略。鉛酸電池能量密度較大，能夠擔當系統長期的儲能設備，而超級電容功率密度較大，可作為短期儲能設備來調節系統的即時變化功率。考慮到以上兩點，本文使用了一種混合儲能系統，將蓄電池和超級電容兩種元件結合起來。該方法將可平抑較短時間大功率波動和較長時間小功率波動的控制方法結合起來作為蓄電池的控制策略，將可使直流母線電壓穩定的方法作為超級電容的控制策略。本文最后利用Matlab/Simulink仿真軟件，獲得了能為系統提供有功的各能量單元的功率波形，驗證了本方法有效。

2 三相光伏并網發電系統

2.1 整體結構

圖1顯示了本文模型的基本架構。該框架可以完成最大功率跟蹤、并網逆變和功率控制等基本目標。MPPT的運用可以讓光伏電池保持一直在最大功率點工作;使用Boost電路的目的是把輸入光伏陣列的低電壓提升的更高，并將所得的較高電壓提供給三相逆變器;三相逆變器用于實現逆變，并將光伏電源和大電網相連;而直流側的兩個雙向DC－DC變換電路與蓄電池及超級電容共同組成的兩組儲能設施則為平抑并網點有功做出貢獻。Boost電路和兩個雙向DC－DC變換電路共同向逆變器輸入的是 的直流電壓，而與LC濾波器相連的是交流大電網。

圖1 系統結構示意圖

2.2 光伏電池模型

光伏電池是光伏電站能量的核心來源。圖2所示光伏電池等效電路中串聯的電阻Rs是為了消除電池電極表面層橫向電流的影響。光照強度S、電池面積和溫度T三者共同影響光生電流Iph的大小。Rsh是分路電阻。I0為PN結的正向電流。單個光伏電池功率太小，對電網影響甚微，而將一定數量的光伏電池進行串聯及并聯，形成光伏陣列，可以增大功率的輸出，故在真實的光伏電站中光伏電池常以光伏陣列的形式存在。

圖2 單體光伏電池的等效電路

簡化以上電路表示的光伏電池，本文系統使用的電池模型為:

式中，S和T代表光伏電池的光照強度和溫度，Sref和Tref則代表它們的參考值，根據本文所用電池的屬性，兩者取1000W/m2和25℃。a是電流變化溫度系數(A/℃);b是電壓變化溫度系數(V/℃);Rs為光伏陣列的串聯電阻(Ω);V是光伏電池工作時的電壓(V)，I是光伏電池工作時的電流(A);Im為該電池工作在最大功率點的電流(A)，Vm為該電池工作在最大功率點的電壓(V);Isc是短路電流(A)，Voc是開路電壓(V)。

2.3 最大功率點跟蹤(MPPT)

MPPT通過控制端電壓等參量，提高光伏電池的效率，以達到最大程度利用光能的目的，始終使之自動地工作在最大功率點。一般使用的MPPT方法有擾動觀察法、電導增量法、恒定電壓法及各種改良方法和智能算法。本文使用的是擾動觀察法。它的大致方法是使光伏模塊在某參考電壓處進行采樣，計算當前的輸出功率，接著對光伏模塊的電壓施以一正方向擾動并再次計算輸出功率，如果比前一次大，則表明下一次應保持先前的擾動方向，即繼續使參考電壓增大;而如果比前一次小，則表明下一次應改變擾動方向，即讓參考電壓減小。該方法就是通過這樣不停地擾動直到使系統輸出最大功率。本方法所需參數少，結構簡單，易于實現，圖3表示了其詳細步驟。

圖3 擾動觀察法步驟圖

2.4 光伏并網的控制策略

本文用于三相光伏并網的PR控制策略見圖4。在并網的控制過程中，本文并未采用Simulink中3橋臂的Universal Bridge這個模塊，而選擇6個兩兩配對的開關管來實現逆變功能，在此情況下，并網過程需要對三相分別控制，各相的控制方法相同，只是相角不同。光伏模塊在并網過程中，有兩個環起重要作用，即直流電壓環和并網電流環。直流電壓外環在PI環節的作用下能夠維持直流母線的電壓穩定，還可控制并網電流環的電流參考值。A相參考電流信號Iref的相角θ由PLL檢測的電網A相電壓相位角給定，其他各相在此基礎上加上或減去120°得到。電流內環中，各相的實際電流ia，ib和ic與iref作差后的差值經PR控制器［1，7］和PWM發生器后得到3個PWM波以及它們求逆后得到的3個新PWM波共同驅動6個兩兩配對的開關管，從而使得光伏模塊能夠成功并網。

圖4 三相光伏并網控制策略的框圖

圖5 PR控制器的Matlab仿真模型

3 混合儲能單元的控制策略

3.1 蓄電池的控制策略

對于持續時間很短且幅度很大的功率波動，為了讓并網輸出功率保持平整，本文對DC－DC變換電路采用雙環控制算法［10］。在此算法中，功率環充當外環，電流環充當內環。設光伏模塊功率值為PPV，將其通過低通濾波電路，濾掉高頻量。濾波后所得的功率參考值用P*PV表示，蓄電池功率的參考值P*Bat則由以上兩者作差得到。將蓄電池的實際功率PBat與其參考值P*相減得到的誤差信號輸入功率外環的PI環節，再Bat將該PI環節的輸出量通過限幅環節，達到限制蓄電池工作電流的要求，同時獲取電感的電流參考值I*L。接下來將電感的實際電流IL與其參考值I*L相減得到的誤差信號輸入電流內環的PI環節，再通過PWM調制成PWM波，驅動雙向DC－DC變換電路的開關。

而對于持續時間稍長且幅度較小的功率波動，采用電流單環控制。此時雙向DC－DC變換電路可以控制流經電感電流的大小以及方向，實現固定功率值功率的雙向流動，同時變換電路也起到使并網點有功功率保持穩定的作用。其中Pd=Pset－PPV是蓄電池的功率參考值，將其除以蓄電池端電壓值得到電感電流參考值i*L。將i*L與實際獲得的電感電流iL相減得到的誤差通過PI環節，再通過PWM調制成PWM波，驅動雙向DC－DC變換電路的開關。

本文將后者作為前者的補充，以并網點功率Pinverter與光伏模塊輸出功率PPV之差的絕對值|d|作為兩種方法的選擇信號，當|d|≥dref時，選擇上面提到的第一種方法即雙環控制法，當|d|＜dref時，選擇上面提到的第二種方法即單環控制法。采取以上策略的蓄電池控制框圖見圖6。

圖6 蓄電池的控制框圖

3.2 超級電容的控制策略

在前面提到的光伏并網控制策略中，PR法已經有了一個直流電壓的穩定控制環節且大部分的功率平抑功能已經由蓄電池完成，但在光伏電站并網發電的瞬間，存在光伏模塊還未到達最大功率輸出的階段，需要較大容量的功率來補足缺額，這一缺額除了由大電網提供外，還可加入其他的儲能元件來共同完成，由于蓄電池的功率密度不及超級電容，故選用超級電容。

超級電容利用雙閉環控制策略［11］進行控制，在兩環的共同作用下，本策略能維持直流母線電壓Udc和給定的電壓參考值Udc－ref相等。本策略將直流母線電壓控制環作為外環，超級電容工作電流控制環作為內環，兩環的結構見圖7中的控制框圖。直流母線電壓Udc與電壓參考值Udc－ref相減得到的差值經PI環節輸出超級電容的電流參考值I*L3，該值再與實際電流I'L相減得到的差值經PI環節得到PWM載波。最后將此PWM載波和調制波進行比較，獲得上下橋臂的PWM脈沖信號。

圖7 超級電容的控制框圖

4 算例仿真

為了驗證作者的蓄電池－超級電容儲能單元與采用PR控制的光伏并網模型能夠有效配合，同時又可平抑光伏并網點有功功率的波動，本文在Matlab/Simulink環境下對基于混合儲能的光伏并網微網的能量單元及主要元件進行了建模。

基于圖4的架構，作者搭建了小型光伏及蓄電池－超級電容混合儲能模型。實驗參數如下:本文選用尚德(SUNTECH)公司的 STP175S－24Ac光伏模塊［12］構成410的光伏陣列。在標準光照強度 Sref=1000W/m2和標準溫度Tref=25℃的情況下，短路電流Isc=5.2A，開路電壓Voc=44.2V。工作在最大工作點時，Im=4.95A，Vm=35.2V。直流母線的參考電壓是900V，蓄電池容量是500Ah，超級電容容量是600F。仿真步長1×10－6s，仿真時間為1s。本算例指定的時間段內，在標準溫度下，初始光照強度為1000W/m2，在0.2s時突然下降到 700W/m2，0.201s恢復到1000W/m2，在 0.3s 時突然上升到 1300W/m2，0.301s恢復到 1000W/m2，在 0.45s下降到 900W/m2，在0.55s恢復到1000W/m2，在0.65s上升到1100W/m2，在0.75s恢復到1000W/m2。本文所建系統的初始負荷為14kW+3kVar，在 0.85s切去800W，在0.95s恢復到初始負荷。光照、負荷變化如圖8所示。

圖8 光照條件變化和系統負荷變化

圖9所示為在以上光照和負荷變化條件下的光伏模塊、大電網、蓄電池和超級電容四大有功來源方的有功功率變化。由圖9可得，光伏模塊在0.2s和0.3s處開始出現的兩個幅值變化大、持續極短的功率波動由大電網、蓄電池和超級電容三者共同平抑，此三者的有功功率在這兩段時間內均有波動。光伏模塊在0.45s和0.65s開始出現的兩個幅值變化小、持續稍長的兩個波動主要由蓄電池平抑。系統負荷在0.85s出現的波動，主要由大電網平抑。

圖10所示為在三相光伏并網PR控制策略和超級電容的電壓穩定環節作用下，直流母線電壓的變化情況。由圖10可知，直流母線電壓穩定在上下，達到了預期效果。

圖9 各部分所提供有功的變化

圖11所示為光伏并網點的輸出有功功率，此處的有功功率維持在6kW左右。可見，算例中設置的各種功率波動并未影響光伏并網點的有功功率，可見本文設置的蓄電池－超級電容混合儲能控制與本文采用的光伏并網系統PR控制配合良好，起到了平抑功率的作用。

圖10 直流母線電壓

圖11 光伏并網點有功功率

5 結論

本文對三相光伏并網點輸出有功功率波動的問題進行了研究，設置了一種基于蓄電池一超級電容的混合儲能控制方法，在PR控制三相光伏并網的基礎上利用雙向DC－DC變換電路實現了對三相光伏并網點有功功率的平抑。仿真結果表明:

(1)本文的蓄電池一超級電容控制方法和光伏三相并網的PR控制配合良好。

(2)本文應用于混合儲能元件的控制方法，能有效地實施充放電。

(3)在本文設定的光照和系統負荷變化的情況下，三相光伏并網點的有功功率在該蓄電池一超級電容系統的調節下能保證較平穩的輸出。

綜上所述，本文設計的混合儲能控制方法能平抑光伏并網點的有功功率，對光伏發電有一定的意義。

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