光伏微電網多目標優化控制

袁建華　徐澤暉　李波　代春燕

（三峽大學電氣與新能源學院　湖北　宜昌　443002）

光伏微電網多目標優化控制

袁建華徐澤暉李波代春燕

（三峽大學電氣與新能源學院湖北宜昌443002）

光伏微電網內較多電力電子裝置和敏感負荷的存在導致電能質量下降；光伏電源逆變器按最大功率設定其容量，卻由于光伏發電出力波動性其容量不能充分利用，其迫切需要提高供電可靠性和解決建設成本高等問題。本文提出一種基于分布式光伏逆變器的微電網多目標優化控制策略，一方面實現網內光伏電源的最大功率發電，另一方面利用逆變器剩余容量來提高光伏微電網的電能質量。通過微電網并網模式下對光伏電源實施最大功率追蹤，孤島模式下基于光伏電源出力特性曲線，對工作于非最大功率點的光伏電源實施最大功率預估，最后通過求取光伏逆變器實時最大有功、無功容量來解耦建立逆變器群的多目標優化函數及其對應的控制方法。最后仿照IEEE標準建立6節點光伏微電網并對其多目標優化控制方法進行了計算驗證。

分布式；光伏發電；逆變器復用；微電網；多目標優化

1　引言

新能源中太陽能和風能等總量豐富且可再生，滿足能源持續發展和減少環境污染要求而備受世界關注[1～2]，我國也把新能源作為新興產業之首，并支持分布式光伏發電[3～4]。微電網把類型和數量眾多的分布式電源聯合起來形成供能系統，減緩了分布式電源的不利影響，充分發揮其優勢。光伏微電網由于太陽能光伏發電安裝靈活，同建筑物相結合，適合在公共電網覆蓋良好的中心城鎮廣泛應用。光伏微電網并網時可為公共電網提供補充，提高包含微電網和公共電網在內電力系統的經濟效益[5～9]。光伏微電網大多建設在廠房和單位樓宇屋頂。這些場所一般為公共配電網末梢，存在著許多無功功率頻繁變化的設備和敏感負荷；同時微電網內存在的大量電力電子裝置也會產生較多諧波，微電網并網和孤島運行時電壓穩定是薄弱環節。

微電網內光伏逆變器隨電源分布式配置，容量較小，傳統使用時不承擔無功調節功能，其額定容量依光照等環境因素最優下的光伏電源最大出力來設置。當環境因素變差或依控制需要，光伏電源出力變小后，逆變器具有相對較多的剩余容量。雖然單個光伏逆變器剩余容量有限，但微電網具有一定規模后，眾多光伏逆變器總剩余容量就很可觀。

基于此，本文通過研究建立微電網光伏逆變器群最大有功、無功容量的多目標優化函數，提出一種光伏微電網多目標優化控制：并網模式下，多目標優化控制微電網內光伏發電總功率最大，以及基于逆變器群的剩余容量來提供無功支撐和改善電能質量，優化微電網內和公共連接點電壓水平；離網模式下，多目標優化控制微電網內儲能裝置獲取功率最大，以及逆變器群提供無功功率和改善電能質量，優化微電網內電壓水平。

2　傳統分布式光伏逆變器控制

分布式光伏逆變器前端的光伏電源初始產生電壓較低的不穩定直流電。不穩定的直流電需經一級直流升壓電路把電壓升到符合逆變要求的較高電壓值并保持穩定，然后再經逆變器逆變成交流電后接入微電網母線。常用兩級三相光伏逆變器電路拓撲結構如圖1所示。

由圖1可知，前級Boost電路除了承擔把光伏電源輸出的電壓較低直流電升高到符合后級逆變電路要求的直流電壓外，還在最大功率追蹤（MPPT）控制器的控制下追蹤輸出光伏電源的最大功率。分布式光伏逆變器額定容量較小，傳統控制時不承擔無功補償功能，即逆變電路則把前級Boost電路傳遞過來的光伏發電直流電逆變成與公共電網電壓同頻同相的交流電輸入電網。

圖1　兩級三相光伏逆變器電路

3　多目標優化下光伏逆變器控制策略

由圖1可知，光伏逆變器后級逆變電路結構和靜止無功發生器（SVG）相比沒有本質差別，即光伏逆變器不僅可以把光伏電源發出的直流有功功率逆變后送入電網，也可以依據電網的需求發出一定容量的無功功率。雖然單個分布式光伏逆變器剩余容量有限，但微電網具有一定規模后，眾多光伏逆變器總剩余容量就很可觀。這些剩余容量可以用來對微電網實施無功支撐，提高系統電壓水平。

3.1并網模式下光伏電源及逆變器控制方法

光伏微電網并網模式下，通過公共連接點與公共電網相聯，微電網母線上交流電壓由公共電網來維持穩定。為更好利用微電網內光伏發電，光伏逆變器對各分布式光伏電源實施MPPT[10]控制。

光伏逆變器可采用PQ控制，即控制逆變器輸出指定的有功和無功功率。逆變器輸出的有功功率為前級Boost電路實施MPPT控制下，追蹤得到的光伏電源最大功率；逆變器輸出的無功功率則為系統最優電壓水平下要求輸出的，以及在實時剩余容量范圍內的指定數值的無功功率。可見在微電網并網模式下，主要以光伏發電最大化為控制目標，同時兼顧微電網電壓水平最優。

3.2離網模式下光伏電源及逆變器控制方法

離網模式下微電網與公共電網斷開，此時微電網交流母線上并聯有分布式光伏逆變器和儲能裝置用雙向逆變器。其額定容量差異性明顯，在采用集中儲能的微電網中，儲能裝置端雙向逆變器容量要比分布式光伏逆變器容量大得多。離網模式下要維持微電網電壓穩定，可采用主從控制。設定儲能裝置端雙向逆變器為主逆變器，微電網交流母線電壓主要由其決定，其它分布式光伏逆變器均為從逆變器，仍然采用PQ控制，但此時指定的PQ參考值產生機制不同。

逆變器群控制策略為主逆變器維持微電網母線電壓，各從逆變器采用下垂控制（P-f和Q-V），依據各逆變器前級光伏電源實時最大功率和與之對應的剩余容量來分別確定下垂系數。

4　算例分析

本文通過在PSASP程序中建立一個IEEE7節點光伏微電網模型，并以此為例來說明基于逆變器群的多目標優化控制算法，如圖2所示。各支路阻抗和各節點功率均已以標幺值標示于圖中。節點1為配網變電站（公共電網）平衡節點，電壓保持為定值，即U1=1.06+j0，光伏微電網并網時與其聯接，離網時與其斷開。節點2、3為分布式光伏電源，可當作PQ節點，圖中所標功率為其實時功率，依據有功和無功功率解耦計算，其有功功率和無功功率上限相加應不超過1。節點4為光伏微電網中集中儲能裝置的接入節點，依據微電網并網或離網工作模式的改變，分別對其等效為PQ節點和平衡節點，并網時儲能裝置主要針對自身荷電狀態需求進行充放電，離網時儲能裝置端逆變器需要維持微電網母線電壓穩定，稱為一個平衡節點。模型中節點5、6為負荷節點，為簡單PQ節點。其基準功率為100kW，計算精度為ε=10-5。

圖2　光伏微電網模型及其拓撲參數

光伏微電網中分布式光伏逆變器采用傳統不承擔無功補償控制策略時，系統潮流計算如圖3所示。

圖4為對微電網逆變器群實施多目標優化控制策略后系統潮流分布，分布式光伏逆變器在承擔把光伏電源發出的直流功率轉變為交流有功功率并入微電網外，還依據系統無功需求在自身剩余容量的基礎上實施無功支撐。

5　結論

本文針對光伏微電網中分布式光伏發電、電力電子變換、儲能和控制的固有特點，對光伏逆變器和無功補償的拓補結構和功能特性進行比較分析。提出在微電網中原本僅承擔有功逆變而不承擔無功補償的分布式光伏逆變器依據其實時剩余容量，在完成光伏發電最大并網發電的同時實時為系統提供無功支撐；基于網內逆變器群的有功和無功的優化控制實現了微電網多目標優化，一方面實現網內光伏電源的最大功率發電，另一方面提高了光伏微電網的電能質量。多目標優化控制可為光伏微電網的低成本規模化開發利用提供理論支撐，也為提高未來傳統電網吸納、利用可再生能源電源的能力提供技術支持。

圖3　光伏微電網分布式逆變器傳統控制下潮流分布

圖4　光伏微電網多目標優化控制下潮流分布

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