提高光伏微網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的儲能設(shè)備控制策略研究

安裔銘，馮星淇，張明理

（1.龍源電力股份有限公司，北京 100037；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015）

專論

提高光伏微網(wǎng)電壓穩(wěn)定性的儲能設(shè)備控制策略研究

安裔銘1，馮星淇1，張明理2

（1.龍源電力股份有限公司，北京 100037；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，遼寧 沈陽 110015）

儲能設(shè)備及其控制策略對于保證微網(wǎng)電壓穩(wěn)定具有重要意義。針對提高光伏電源并網(wǎng)狀態(tài)下的微網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平與抗擾動能力，對光伏電源并網(wǎng)儲能裝置的功率協(xié)調(diào)控制策略進行研究。首先以蓄電池作為主要儲能單元，通過檢測光伏電池與負荷功率差確定充放電控制器Buck－Boost工作模式，使儲能裝置能夠同時平抑光照強度與負荷變化造成的功率波動，穩(wěn)定DC母線電壓水平。其次，對系統(tǒng)能量進行協(xié)調(diào)控制管理，使光伏電池和儲能裝置協(xié)同工作，蓄電池與超級電容器協(xié)調(diào)出力，進一步快速維持直流母線電壓穩(wěn)定。通過LZ電壓穩(wěn)定檢測指標及PSCAD平臺仿真，計算儲能裝置停運與投運狀態(tài)下的電壓穩(wěn)定水平，驗證儲能系統(tǒng)在雙向變換器協(xié)調(diào)控制下能夠有效維持交流端母線電壓穩(wěn)定性，達到設(shè)計目的。

微網(wǎng)；電壓穩(wěn)定；光伏發(fā)電；儲能設(shè)備；協(xié)調(diào)控制

微網(wǎng)技術(shù)可增強電網(wǎng)抵御自然災(zāi)害的能力，提高電力系統(tǒng)的可靠性和安全性，對于電網(wǎng)乃至國家安全都有非常重大的現(xiàn)實意義。微網(wǎng)電壓穩(wěn)定是微網(wǎng)實現(xiàn)可靠供電的重要前提，然而，由于微網(wǎng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)受光照等外界環(huán)境的影響，電壓穩(wěn)定裕度不能保證穩(wěn)定在良好的水平，同時微網(wǎng)本身的低慣性特點進一步導(dǎo)致微網(wǎng)本身在重負荷運行下的耐擾動能力很低，易發(fā)生電壓事故［1－2］。

如何抵御光照強度降低等因素導(dǎo)致的微網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題一直是微網(wǎng)研究的重要方面。多數(shù)文獻采用宏觀調(diào)度方案，當監(jiān)測電壓穩(wěn)定性接近極限時，采用強制切除部分負荷的方式來保證對關(guān)鍵負荷點位置的供能［3－4］。微網(wǎng)應(yīng)實現(xiàn)全面可靠供電，單純的負荷切除調(diào)度方案無法使所有負荷的供電可靠性得到保證。

國內(nèi)外對此進行了許多研究，其中較新的解決措施為合理使用儲能裝置來調(diào)節(jié)功率平衡。文獻［5］提出提高微網(wǎng)過負載能力有效方法是追加儲能裝置。文獻［6］提出將儲能裝置加裝在微源并網(wǎng)節(jié)點是防御光伏、風(fēng)機等微源功率波動滲透微網(wǎng)系統(tǒng)的措施之一。文獻［7］提出，在儲能裝置研究中，如何設(shè)置儲能與光伏電源之間的協(xié)調(diào)功率控制策略是研究的熱點問題。良好的儲能單元控制策略能夠有效平抑光源帶來的功率波動，并使微網(wǎng)交流側(cè)功率輸出能夠?qū)崟r匹配負荷變化所需，整體提高微網(wǎng)的電壓穩(wěn)定水平，增強微網(wǎng)重載荷運行、受功率擾動時的電壓穩(wěn)定性，進而加強其供電可靠性。

本文針對提高光伏電源并網(wǎng)狀態(tài)下的微網(wǎng)電壓穩(wěn)定水平與抗擾動能力，對光伏電源并網(wǎng)儲能裝置的功率協(xié)調(diào)控制策略進行研究。

1 儲能裝置及其控制策略設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)包括能量源光伏電池陣列，能量緩沖的儲能系統(tǒng)。通過MPPT對Boost升壓變換器的控制實現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出，同時利用Boost升壓變換器可調(diào)整光伏陣列較低電壓升到直流母線所需的電壓，并保持穩(wěn)定，實現(xiàn)光伏陣列的最大功率跟蹤［8－9］。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

儲能系統(tǒng)經(jīng)過DC／DC雙向變換器跟光伏組件在系統(tǒng)直流側(cè)并聯(lián)。該拓撲結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)儲能系統(tǒng)與光伏系統(tǒng)共享同1套DC／DC逆變器，可改善系統(tǒng)響應(yīng)速度，充分使用儲能裝置容量控制成本。雙向DC／DC變換器保持兩端電壓不變而改變電流方向?qū)崿F(xiàn)電能的雙向流動，削峰填谷，平抑光伏功率波動及直流母線功率波動。

1.2 儲能裝置協(xié)調(diào)控制策略

通過儲能系統(tǒng)與光伏陣列之間能量流動協(xié)調(diào)管理，保持DC母線的功率與電壓穩(wěn)定，提高能源利用率。良好的儲能系統(tǒng)能量流管理策略便于平衡發(fā)電系統(tǒng)的能量流，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定運行及更好地平抑光伏功率波動［10］。

復(fù)合儲能選擇超級電容和蓄電池作為儲能器件，通過協(xié)調(diào)控制光伏陣列、儲能裝置和負載三者之間的能量流達到功率平衡，最終把直流母線的電壓波動保持在1個系統(tǒng)可以接受的相對穩(wěn)定狀態(tài)。

在系統(tǒng)中，當光伏電池產(chǎn)生的功率大于負載需求時，儲能系統(tǒng)超級電容和蓄電池充電儲能；小于負載需求時，超級電容和蓄電池放電。通過合理分配能量流有效控制2臺變換器合理控制光伏電池、負載、儲能系統(tǒng)三者之間的能量關(guān)系得到某種程度的匹配，就可實現(xiàn)系統(tǒng)能量的協(xié)調(diào)控制，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

a.雙向變換器的充放電控制策略

系統(tǒng)能可靠運行的前提是確保光伏電池與儲能系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)工作，能夠調(diào)節(jié)直流系統(tǒng)的能量流向。為了使功率輸出能夠跟蹤交流端負荷需求，根據(jù)光照強度產(chǎn)生的功率與負荷功率的差值ΔP以及蓄電池的荷電狀態(tài)SOC來判斷控制雙向變換器中電流的方向及能量流動的方向，并使雙向充放電變換器在Buck充電、Boost放電和關(guān)機3種模式間切換。使儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，從而穩(wěn)定直流系統(tǒng)電壓。蓄電池SOC可以通過檢測其端電壓來確定。雙向變換器工作模式如表1所示。

表1 雙向變換器工作模式

協(xié)調(diào)控制策略主體可分為電壓外環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)控制與功率平抑控制3個環(huán)節(jié)。電壓外環(huán)控制實現(xiàn)系統(tǒng)直流母線的恒壓控制。直流母線Udc首先與基準電壓Udc－ref作差比較，經(jīng)過PI控制器誤差放大，調(diào)節(jié)比例系數(shù)為0.2且積分系數(shù)為50，再與儲能系統(tǒng)的電流控制信號相加得到電流內(nèi)環(huán)的反饋信號。

在電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)反饋控制平抑功率波動過程中，產(chǎn)生的功率缺額或冗余由儲能裝置補充或吸收。電流的大小與方向是由雙向變換器控制實現(xiàn)的，分為控制放電Boost模式和控制充電的Buck模式。

在Buck／Boost充放電控制環(huán)節(jié)，雙向變換器通過控制2個開關(guān)管的通斷實現(xiàn)Boost放電模式與Buck充電模式之間的切換，調(diào)整對應(yīng)開關(guān)管的占空比D控制充電電流，與外環(huán)電壓控制系統(tǒng)共同實現(xiàn)對系統(tǒng)直流母線的恒壓控制。

以從儲能側(cè)經(jīng)過直流串聯(lián)電感L流向DC／DC母線方向為電流的參考方向。當光生電流因為光照強度變化而變化時，電感電流IL為狀態(tài)變量。設(shè)Kpl和Kil為PI控制調(diào)節(jié)器的比例積分系數(shù)，則在Boost電路中存在如下方程。

當開關(guān)管導(dǎo)通時，得狀態(tài)方程：

當開關(guān)管關(guān)斷時，得狀態(tài)方程：

合并以上2式的狀態(tài)方程：

Boost模式的控制方程：

Boost模式電流內(nèi)環(huán)的控制方程：

同理可得到Buck模式的控制方程：

Buck模式電流內(nèi)環(huán)的系統(tǒng)控制方程：

在混合儲能系統(tǒng)中，因超級電容器快速響應(yīng)能力與蓄電池緩慢充放電的特性，用RC低通濾波器濾波完成儲能系統(tǒng)的高低頻率分配。在負荷或光照強度出現(xiàn)快速擾動時，超級電容器能夠快速響應(yīng)，實現(xiàn)能量階躍突變。在負荷持續(xù)上升或光照強度持續(xù)降落時，蓄電池電流緩慢變化，長時間維持功率平衡，保持DC端電壓水平，進而保證AC端供電電壓不發(fā)生失穩(wěn)。相比于無儲能系統(tǒng)或無協(xié)調(diào)控制策略情況，儲能系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制策略的作用下母線電壓能夠穩(wěn)定在原有水平，并能夠承受更多的負荷增長，不發(fā)生電壓崩潰事故。

2LZ電壓穩(wěn)定判別指標

根據(jù)戴維南等效原理，任意微電網(wǎng)中的某條支路都可以由1端節(jié)點等效為2節(jié)點系統(tǒng)，如圖2所示。功率從i端流向j端，Pj＋jQj為所考慮支路的末端功率，末端節(jié)點的電壓為Vj∠θ。

對于圖2中的2節(jié)點系統(tǒng)，根據(jù)電流平衡關(guān)系，末端存在相量關(guān)系：

圖2 2節(jié)點戴維南等值圖

式中：是末端功率Pj＋jQj取共軛值；Yjj是末端點j自導(dǎo)納；?Ij是i端流向j端電流值。

一般電壓穩(wěn)定性理論中的電壓穩(wěn)定極限的定義為：當前單條支路傳輸功率極限的位置。當支路抵達電壓穩(wěn)定臨界，存在如下關(guān)系：

根據(jù)式（9）構(gòu)成當前支路電壓穩(wěn)定性判別指標：

即可得到當前支路的電壓穩(wěn)定指標計算式：

由指標的構(gòu)造可知：節(jié)點電壓穩(wěn)定水平越高則LZij越小，反之LZij越大，當前節(jié)點達到電壓崩潰臨界時，指標值升到臨界值2。所以從整個微網(wǎng)出發(fā)，LZij值最大的支路決定了整個微網(wǎng)的電壓穩(wěn)定水平。微網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定LZ指標可以構(gòu)建為

決定LZ值的節(jié)點為系統(tǒng)電壓最薄弱節(jié)點，系統(tǒng)往往從最薄弱位置開始發(fā)生電壓崩潰。根據(jù)實際值與臨界值之間的差值可以構(gòu)造微網(wǎng)系統(tǒng)電壓穩(wěn)定裕度指標。

3 仿真分析

如圖1所示，系統(tǒng)直流母線設(shè)定為直流電壓700 V，光伏列陣輸出電壓為150～350 V，列陣輸出峰值功率為22 kW蓄電池組容量為300 Ah、560 V，能夠以10 A均流放電30 h。超級電容器作為蓄電池的輔助單元，快速調(diào)節(jié)直流母線的功率平衡，其值為70 F。Boost變換器輸入電壓150～350 V，輸出電壓700 V，光伏電池直流母線通過DC／AC逆變裝置連接外部交流網(wǎng)絡(luò)，饋線末端用（24.5＋38.0j）Ω阻抗模擬功率17 kW，額定電壓220 V的負荷。

系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

為了模擬實際微網(wǎng)運行中的負荷增長，控制光照強度恒定，負荷以0.1／s增長因子連續(xù)增加，同時采集負荷端交流電壓與電流，實時追蹤LZ指標變化，直至達到電壓崩潰。監(jiān)測LZ電壓穩(wěn)定指標值如圖3所示。

表2 系統(tǒng)參數(shù)

圖3 LZ指標有效性驗證

由圖3可以看到，LZ指標值曲線隨負荷因子增長呈現(xiàn)持續(xù)增長狀態(tài)，在電壓穩(wěn)定臨界時接近臨界值2，驗證了LZ指標的有效性。

3.1 儲能控制系統(tǒng)投運與停運下系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平對比分析

設(shè)置微網(wǎng)系統(tǒng)在儲能設(shè)備全部投運，儲能設(shè)備全部停運2種不同狀態(tài)下運行。設(shè)置負荷節(jié)點投入不同負載功率，并記錄2種狀態(tài)下的LZ指標值如圖4所示。

圖4 不同負載功率下系統(tǒng)LZ指標對比

由圖4中的LZ指標值變化可以看到，當負荷節(jié)點空載時，2種運行狀態(tài)LZ值均在較低水平。當負荷投入最大載荷量的一半，無儲能系統(tǒng)投運的運行狀態(tài)LZ值相較有儲能系統(tǒng)投運有顯著提升，標示系統(tǒng)電壓穩(wěn)定水平的下降。當負荷投入最大載荷量時，無儲能系統(tǒng)投運的運行狀態(tài)LZ值接近電壓穩(wěn)定臨界極限，有儲能系統(tǒng)投運下的LZ值距電壓穩(wěn)定臨界值依然有顯著距離。

3.2 不同運行狀態(tài)下儲能控制系統(tǒng)投運與停運電壓穩(wěn)定水平對比分析

設(shè)置微網(wǎng)系統(tǒng)在儲能設(shè)備全部投運，儲能設(shè)備全部停運2種不同狀態(tài)下運行。同時降低光照水平直至負荷節(jié)點的LZ指標接近值2，使微網(wǎng)的負荷節(jié)點電壓穩(wěn)定裕度降低到接近極限點。并設(shè)置負荷在運行至1 s時刻發(fā)生小擾動，監(jiān)測2種運行狀態(tài)下負荷點電壓變化情況。

仿真結(jié)果表明沒有儲能設(shè)備投運時，重載荷運行系統(tǒng)無法承受擾動，發(fā)生電壓崩潰，無法繼續(xù)向負荷供電。當含協(xié)調(diào)控制策略儲能設(shè)備投運時，在負載接近電壓穩(wěn)定裕度極限時依然具備一定的擾動防御能力。

不同運行狀態(tài)下受擾動后的系統(tǒng)相圖（狀態(tài)變量IL，Id，其中Id為逆變器交流測電流矢量的d軸分量）如圖5，圖6所示。

圖5 聯(lián)合儲能系統(tǒng)投運狀態(tài)下重載系統(tǒng)受擾動時相圖

圖6 聯(lián)合儲能系統(tǒng)停運狀態(tài)下重載系統(tǒng)受擾動時相圖

由圖5和圖6可以看到，沒有儲能設(shè)備投運時，受擾后系統(tǒng)各個狀態(tài)參量發(fā)生持續(xù)性的單調(diào)滑動，無法恢復(fù)到原運行點，發(fā)生電壓崩潰。當含協(xié)調(diào)控制策略儲能設(shè)備投運時，受擾后系統(tǒng)能夠自發(fā)減幅振蕩，并快速恢復(fù)至原有運行點，保證電壓回到原有水平穩(wěn)定供電。

4 結(jié)論

光伏并網(wǎng)運行給微網(wǎng)的電壓穩(wěn)定性造成隱患。本文在傳統(tǒng)光伏電池并網(wǎng)運行模型基礎(chǔ)上，設(shè)計由超級電容器與蓄電池聯(lián)合構(gòu)成的直流端儲能裝置，并設(shè)計根據(jù)蓄電池SOC狀態(tài)與光照強度－負荷需求功率差調(diào)節(jié)儲能充放電功率的協(xié)調(diào)功率控制策略。由仿真微網(wǎng)平臺上試驗以及LZ電壓穩(wěn)定判別指標的監(jiān)測，驗證了功率協(xié)調(diào)控制策略對于消除電壓穩(wěn)定隱患的有效性，并得到以下結(jié)論。

a.本功率協(xié)調(diào)控制策略能夠自動平抑光源波動與負荷變化帶來的功率失衡，進而顯著減弱光源波動與負荷變化對電壓穩(wěn)定造成的影響。在重負荷以及光照強度減弱的運行狀態(tài)下，能夠根據(jù)負荷的增長自行調(diào)解功率輸出，使功率維持均衡。對于長期負荷變化與短期負荷擾動均能夠有效防御。

b.LZ指標在微網(wǎng)環(huán)境中依然具有適用性，能夠在光伏與儲能系統(tǒng)聯(lián)合運行時，在負荷點位置實時測量電壓與電流相量構(gòu)建指標計算，準確判別電壓穩(wěn)定狀態(tài)與電壓穩(wěn)定裕度。

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Research on Control Strategy in Energy Storage Equipment to Improve Voltage Stability of Micro－grid

AN Yi?ming1，F(xiàn)ENG Xing?qi1，ZHANG Ming?li2
（1.China Longyuan Power Group Co.，Ltd.，Beijing 100037，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China）

Energy storage device and its control strategies are great significance for ensuring the micro－grid voltage stability.In this pa?per，micro－grid voltage stabilization levels and increasing of the photovoltaic power grid anti－state disturbance capability is studied，coordinated control strategy of photovoltaic power grid storage device is deeply researched.Design target is achieved throughLZvoltage stability detect index and PSCAD simulation platform by computing voltage stabilization level of outage and put into operation an energy storage device and verify that the storage system can effectively maintain stability of AC bus voltage by bidirectional coordinated con?trolled converter.

Micro－grid；Voltage stability；PV power generation；Energy storage equipment；Coordination control

TM712

A

1004－7913（2016）04－0001－05

安裔銘（1978—），男，學(xué)士，工程師，從事電力系統(tǒng)、新能源并網(wǎng)技術(shù)研究。

2015－12－10）