基于直流側帶儲能單元的光儲并網協調控制

韓 洲，任永峰，胡宏彬，韓俊飛，徐鐵勝

(1.內蒙古工業大學電力學院，內蒙古呼和浩特010080；2.內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特010020)

基于直流側帶儲能單元的光儲并網協調控制

韓 洲1，任永峰1，胡宏彬2，韓俊飛2，徐鐵勝1

(1.內蒙古工業大學電力學院，內蒙古呼和浩特010080；2.內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特010020)

光伏發電作為可再生能源之一，易受自然環境變化的影響，其輸出功率具有明顯的隨機性和間歇性，需要加入儲能系統儲存能量或提供短時能量補給，減小光伏發電的功率波動對電網的沖擊。提出了一種新型光儲并網結構，即在直流側加入儲能系統，利用其快速充放電特性抑制直流側電壓的波動，從而達到抑制功率波動的目的。在Matlab/Simulink仿真環境中建立了整個系統的仿真模型，驗證了該方案的有效性和正確性。

光伏發電；儲能系統；光儲并網；功率波動；Matlab/Simulink仿真

光伏發電并網運行是實現可再生能源大規模應用和節能減排的重要途徑，然而太陽能資源具有隨機性、間歇性和不可控性。隨著光伏并網系統滲透率的增大，單獨并網時不利于電網的安全穩定運行。為了進一步提高光伏發電的靈活性和可控性，滿足用戶更高的可靠性需求并緩和大電網與光伏發電之間的矛盾，本文設計了直流側帶儲能的光伏并網系統。

直流側引入儲能裝置可以平滑光伏電源的功率輸出。利用儲能系統的快速充放電特性，在光照強度良好時，將多余的電能儲存起來；在光照強度不足時，再將儲存的能量轉換為電能，從而達到穩定直流側電壓的目的，進而保證系統供電的連續性和穩定性[1-2]。本文設計的直流側帶儲能的光伏并網系統能夠直接抑制直流側電壓的波動，從而達到抑制并網功率波動的目的。

1 光儲并網結構

本文的光伏并網系統采用兩級式結構，需要完成兩個控制目標：控制輸出電流與電網電壓同頻同相，以及對光伏電池最大輸出功率點的跟蹤。在雙級式并網發電系統中，前級DC/DC實現最大功率點跟蹤的目標，后級DC/AC控制直流母線電壓穩定和實現并網控制[3]。儲能系統采用Buck-Boost電路接入直流母線，實現對儲能單元的快速充放電，如圖1所示。

圖1 光儲并網系統結構

2 光伏并網控制策略

2.1 前級Boost控制策略

在不同的外界條件下，光伏電池可運行在不同且唯一的最大功率點上。應當尋求光伏電池的最優工作狀態，以最大限度地將光能轉化為電能。

典型的自尋優類最大功率點跟蹤(MPPT)算法有擾動觀測法和電導增量法。擾動觀測法由于簡單易行而被廣泛應用于MPPT控制中，但該方法存在明顯的不足，即當工作點達到最大功率點附近時會產生功率振蕩的現象，從而造成一定的功率損失。電導增量法的主要優點是MPPT的控制穩定度高，當外部環境參數變化時，系統能平穩地追蹤其變化且與光伏電池的特性及參數無關，但是電導增量法對控制系統的要求則相對較高。綜合比較，本文選用了電導增量法作為MPPT的控制策略。

考慮光伏電池的瞬時輸出功率為：

將式(1)兩邊對光伏電池的輸出電壓U求導，則：

當dp/du=0時，光伏電池的輸出功率達到最大，從而可以推導出工作點達到最大功率點時應滿足以下關系式：

最后得出使用電導增量法進行最大功率點跟蹤控制的判據如下：

圖2中，ΔU*為系統調整的電壓該變量，U(n-1)為上一工作點電壓，U(n)為當前工作點電壓。從圖2中可以看出左側支路與公式(4)相對應，右側支路主要是為了抑制外部光照強度發生突變時的誤判而設置的[4]。

圖2 電導增量法控制流程

2.2 后級DC-AC逆變器

后級DC-AC逆變器采用基于電壓定向矢量的雙環控制[5]。由圖1可得到該逆變電路的狀態方程：

式中：L為濾波電感；ia/b/c為逆變器輸出電流；us(a/b/c)為電網電壓；K=N1/N2為變壓器的變比；R為線路電阻。

對公式(5)進行dq0變換，可得到三相電壓型逆變器模型在dq0坐標下的數學模型：

式中：p為微分因子；ω為電網同步角頻率。

由式(6)中可以看出，逆變器輸出的電壓電流的d、q分量彼此耦合。可采用前饋控制策略，電流經PI控制模塊調節，得到ud和uq控制方程如下：

式中：Kp和Ki分別為比例系數與積分系數分別為與iq的參考電流值。

若dq坐標系與電網電壓矢量同步旋轉，且d軸與重合，dq坐標系為基于電網電壓矢量定向的同步旋轉坐標系，顯然有

根據瞬時功率理論，系統的瞬時有功功率p和無功功率q分別為：

由于usq=0，所以式(8)簡化為：

式(9)表明，當電網電壓不變時，通過控制id和iq就可以分別控制并網逆變器的有功、無功功率。

圖3 光伏并網系統的控制系統

由圖3可以看出控制系統有直流電壓外環和有功、無功電流內環組成。直流電壓外環的作用是穩定直流側電壓，引入直流電壓反饋并通過一個PI調節可實現無靜差調節。由于直流電壓的控制可通過控制Id實現，所以直流電壓外環PI的輸出量為有功電流內環的參考值I*d，從而對并網逆變器的有功功率調節。當I*q=0時，并網逆變器運行于單位功率因數狀態，即僅向電網輸送有功功率。

3 儲能系統的雙向DC-DC變換

本文采用雙環控制對蓄電池進行功率和能量管理，雙向DC/DC變換器并聯在逆變器直流母線上，根據光伏陣列Boost電路的電壓波動和電網反饋回來的信息，控制蓄電池的充放電[6]。

雙向DC/DC變換器采用半橋結構，如圖4所示，其中開關管Sb2和Sb3互補導通。當光伏陣列的輸出電壓大于逆變器直流外環的給定電壓時，雙向DC/DC變換器工作在Buck電路模式，對蓄電池進行充電；當光伏陣列的輸出電壓小于逆變器直流外環的給定電壓時，雙向DC/DC變換器工作在Boost電路模式，對蓄電池進行放電。從而控制直流側電壓的波動，達到對并網功率波動抑制的目的。

圖4 雙向DC/DC變換器半橋結構電路

蓄電池儲能系統的控制策略采用雙環串聯控制，即內環為電流環、外環為直流母線電壓，如圖5所示。從圖5中可以看出，外環電壓環通過采樣直流母線電壓Udc，與參考電壓Uref比較得到誤差信號，經PI調節器后得到內環電流的參考值I*b。內環電流采樣值Ib與參考值I*b做差，得到的誤差信號經電流環PI調節器后經PWM調制產生開關信號，從而控制功率開關管的開通關斷。

圖5 雙環串級控制結構圖

4 光儲并網系統仿真分析

為驗證儲能系統通過吞吐電能，在外部條件變化時能抑制直流側電壓的變化，最終達到抑制并網功率波動的目的，本文基于Matlab/Simulink平臺搭建了光儲并網系統的仿真模型，相關參數為：

光伏電池：Uoc=370 V，Isc=210 A，Um=350 V，Im=200 A；

Boost電路：C1=100×10－6F，C=300×10－6F，L=100×10－3H；

濾波電路及電網：R=0.01 Ω，Lf=3×10－3H，f=50 Hz，

蓄電池及 DC-DC電路：Ubat=600 V，SOC=30%，C2=2× 10－3F，L2=2×10－3H。

仿真過程中，光照強度如圖6所示。由于外部自然條件隨機性的變化，在0.2 s時光照強度由1 000 W/m2變為600 W/m2，在0.4 s時由600 W/m2變為800 W/m2，溫度為25℃保持不變。

圖6 光照強度和溫度

圖7(a)和(b)分別為不含儲能單元的Boost電路側直流電壓和含儲能單元的Boost電路側直流電壓的仿真波形，(c)為儲能單元的工作電流，正值表示放電，負值表示充電。由仿真可以看出，通過儲能單元的充放電，直流側電壓在光照強度發生變化時得到了較好的抑制，輸出更平穩，最終穩定在600 V。

圖7 儲能側電壓、電流波形

通過圖8(a)和(b)可以看出，加入儲能單元能夠吸收并網瞬間的沖擊電流，當光照強度減弱后，能夠通過儲能單元補償由于光照強度減弱后的電流損失，使并網逆變器高效運行；圖8(c)表明并網逆變器實現單位功率因數運行。

由圖9可以看出，由于直流電壓和并網電流的波動都得到了明顯改善，所以并網功率的波動也得到了抑制，并且在光照強度減弱時，能夠通過儲能單元補償功率損失，使并網功率最終穩定在20 kW。

圖8 并網側電壓、電流仿真

5 總結

由于太陽能資源具有隨機性、間歇性和不可控性，隨著光伏并網系統容量的增加，其并網功率波動問題尤為突出。本文提出的直流側帶儲能單元的光伏并網結構，在原有光伏并網系統的基礎上，在其直流側掛接儲能單元，從而將并網功率波動的抑制轉化為對直流側電壓波動的抑制。Boost電路能夠實現最大功率跟蹤和升壓的作用，并網逆變器也能實現單位功率因數運行。通過仿真驗證得到，利用儲能單元的雙向DC-DC充放電電路抑制直流側電壓的波動，且能夠補償光照強度減弱時的功率損失，改善了并網功率的穩定性。

圖9 并網側功率因數仿真

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Control of PV storage grid-connection based on DC side with energy storage

HAN Zhou1,REN Yong-feng1,HU Hong-bin2,HAN Jun-fei2,XU Tie-sheng1
(1.College of Electric Power,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot Inner Mongolia 010080,China;2.Inner Mongolia Electric Power Research Institute,Hohhot Inner Mongolia 010020,China)

As one of the renewable energy,photovoltaic power generation systems are vulnerable to the influence of natural environment change,and the output power has obvious randomness and intermittent.Therefore,energy storage system should be added to store energy or short-time energy supply should be provided to reduce the impact of PV power fluctuation on the grid.A novel optical storage grid-connection structure was presented,that is energy storage system was added at the DC side,using the rapid charge and discharge characteristics to inhibit the DC side voltage fluctuations,thus achieving the objective of restraining the power fluctuations.The model of the whole system was established in the Matlab/Simulink simulation environment, verifying the correctness and effectiveness of the proposed scheme.

photovoltaic power generation;energy storage system;PV storage grid-connection;power fluctuation; Matlab/Simulink simulation

TM 615

A

1002-087 X(2015)08-1739-03

2015-01-12

韓洲(1987—)，男，山東省人，碩士研究生，主要研究方向為微網及光伏并網。