基于V2控制方法雙Boost-Buck單一逆變器的風(fēng)光儲(chǔ)分布并網(wǎng)/孤島離網(wǎng)控制模式

希望·阿不都瓦依提 晁 勤 王 筱

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基于V2控制方法雙Boost-Buck單一逆變器的風(fēng)光儲(chǔ)分布并網(wǎng)/孤島離網(wǎng)控制模式

希望·阿不都瓦依提1晁 勤1王 筱2

（1. 新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院 烏魯木齊 830047 2. 國網(wǎng)新疆電力公司 烏魯木齊 830063）

目前邊緣農(nóng)牧區(qū)采用風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電，由于通過各自逆變器運(yùn)行，存在成本高、能耗高等問題。提出采用雙Boost-Buck單一逆變器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電共用直流母線方案，達(dá)到降低投資成本和運(yùn)行能耗的效果。首先設(shè)計(jì)了基于V2控制雙Boost-Buck變換器風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電路，實(shí)現(xiàn)了輸入電壓在較寬范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)輸出電壓仍然能夠恒值控制的目標(biāo)，同時(shí)采用電壓斜坡補(bǔ)償方法抑制了Boost-Buck電路自激振蕩問題。接著基于蓄電池，制定了儲(chǔ)能平抑風(fēng)光波動(dòng)、九宮分區(qū)跟隨負(fù)荷、模糊充放電等控制策略，達(dá)到了風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電與逆變器無縫對(duì)接。其次基于風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，進(jìn)行了減小棄風(fēng)光電量效益評(píng)估。最后基于風(fēng)光儲(chǔ)分布并網(wǎng)和孤島離網(wǎng)控制模式，研發(fā)了軟硬件裝置，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證和試驗(yàn)測試。結(jié)果表明：逆變器輸出電流具有良好的靜、動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了較好的經(jīng)濟(jì)性、有效性、穩(wěn)定性和可靠性。

風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電 V2控制雙Boost-Buck變換器 電壓斜坡補(bǔ)償方法 分布式并網(wǎng)抑制波動(dòng)控制 孤島式離網(wǎng)跟隨負(fù)荷控制

0 引言

在邊緣農(nóng)牧區(qū)，由于沒有工業(yè)用電負(fù)荷，若采用架設(shè)遠(yuǎn)距離輸電線由主網(wǎng)供電方法，將存在投資太高卻供電量很小的負(fù)效益缺陷。隨著分布式電源及微網(wǎng)的發(fā)展，因地制宜地開發(fā)利用太陽能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電[1-6]，配置一定量儲(chǔ)能裝置[7-9]的分布式并網(wǎng)或微網(wǎng)孤島運(yùn)行，已成為解決間歇波動(dòng)電源對(duì)電網(wǎng)沖擊和偏遠(yuǎn)地區(qū)供電困難及能源短缺問題的重要途徑。

然而供邊緣地區(qū)農(nóng)牧民用電需求，其經(jīng)濟(jì)性將是主要的因素，其中的逆變器起著關(guān)鍵的接口作用。現(xiàn)有技術(shù)中，這三種電源使用各自的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行并網(wǎng)供電或離網(wǎng)供荷，成本較大。再者逆變器的直流側(cè)必須提供穩(wěn)定的電壓。由此文獻(xiàn)[10]研究了幾種能源互補(bǔ)發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中各自獨(dú)立使用的逆變器直流側(cè)采用Buck變換器穩(wěn)壓方法。但是由于Buck變換器只能降壓，當(dāng)風(fēng)電或光電波動(dòng)造成輸出不一致時(shí)，只能選擇最低電壓作為控制標(biāo)準(zhǔn)，大大降低能源轉(zhuǎn)化效率。文獻(xiàn)[11-13]研究了基于V2控制的、V2C控制的、V2-OCC控制的Buck變換器提高響應(yīng)性和穩(wěn)定性問題，解決了單一電壓控制時(shí)滯問題，但由于未涉及風(fēng)光電應(yīng)用，未研究風(fēng)光聯(lián)合發(fā)電控制策略。文獻(xiàn)[14,15]研究了復(fù)合型級(jí)聯(lián)雙Buck五電平逆變器，提高了系統(tǒng)的可靠性和變換效率，但控制策略變得較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[16]提出采用一個(gè)Buck/Boost變換器，利用了Boost電路的升壓特性和Buck電路的降壓特性，實(shí)現(xiàn)了直流母線的恒壓控制，但只適用于單一能源轉(zhuǎn)換。

文獻(xiàn)[17,18]從提高經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性的角度研究了采用多種可再生能源的互補(bǔ)方式或采用儲(chǔ)能的配置方式。文獻(xiàn)[19,20]針對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電采用分布式并網(wǎng)和孤島獨(dú)立就地供電或遠(yuǎn)程供電模式進(jìn)行了控制和優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的研究及對(duì)比分析。文獻(xiàn)[21,22]提出風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型及控制策略，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光互補(bǔ)既有效發(fā)電也抑制功率波動(dòng)的功效。文獻(xiàn)[23-25]提出風(fēng)光儲(chǔ)微網(wǎng)獨(dú)立供電系統(tǒng)電源優(yōu)化配置及控制策略，但未考慮風(fēng)光電與負(fù)荷不匹配，導(dǎo)致棄風(fēng)光電量增大問題。

因此本文提出一種降低成本、減少棄風(fēng)光電量、提高效率且控制簡單的風(fēng)光儲(chǔ)共用直流母線聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)方案，即：充分利用Boost-Buck變換器既能降壓也能升壓的優(yōu)勢、電流和電壓雙環(huán)V2控制既能穩(wěn)壓又能提高響應(yīng)速度的優(yōu)勢，在逆變器直流側(cè)設(shè)計(jì)基于V2控制的雙Boost-Buck變換器（DC-DC）電路，同時(shí)設(shè)計(jì)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電共用一個(gè)逆變器（DC-AC）的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，制定了偏差調(diào)節(jié)方案和恒壓控制策略，實(shí)現(xiàn)降低成本、提高轉(zhuǎn)換效率、適用于風(fēng)光兩個(gè)能源同時(shí)轉(zhuǎn)換且快速控制的效果；在逆變器直流側(cè)加裝蓄電池組，制定跟蹤負(fù)荷的九宮分區(qū)控制判據(jù)和充放電模糊控制策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)分布式并網(wǎng)進(jìn)行平抑波動(dòng)控制、孤島式離網(wǎng)進(jìn)行跟隨負(fù)荷控制、減小棄風(fēng)光電量的目標(biāo)。研發(fā)了軟硬件裝置，經(jīng)過模擬試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證，表明在滿足經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，可以穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。

1 雙Boost-Buck單一逆變器的風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電方案制定

風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)共用單一逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電共用直流母線，在并網(wǎng)或逆變器直流側(cè)設(shè)計(jì)兩個(gè)V2控制的Boost-Buck變換器（DC-DC）通過大功率二極管與直流母線并聯(lián)，分別對(duì)風(fēng)能發(fā)電經(jīng)AC-DC整流變換后的輸出、光伏發(fā)電輸出進(jìn)行控制。同時(shí)加裝并聯(lián)于直流母線的蓄電池組及雙向DC-DC變換器，進(jìn)行平抑風(fēng)光電出力波動(dòng)和提高跟隨負(fù)荷特性及減小棄風(fēng)光電量控制。通過共用的逆變器，實(shí)現(xiàn)分布式并網(wǎng)供電和孤島式離網(wǎng)供荷兩種運(yùn)行方式下的切換。

圖1 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有成本低、適合邊緣區(qū)域；平抑波動(dòng)性好、適合并網(wǎng)運(yùn)行；直流母線電壓穩(wěn)定、控制策略簡單優(yōu)越性。

2 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)軟硬件框架

風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體軟硬件框架如圖2所示，系統(tǒng)由強(qiáng)電功率流動(dòng)回路、弱電采樣顯示控制回路、控制程序模塊三大部分組成。其中的強(qiáng)電功率流動(dòng)回路中設(shè)計(jì)的泄荷電路，用于調(diào)整風(fēng)光輸出偏差不要過大。其中的弱電采樣顯示控制回路，采用STC12C2052D單片機(jī)和五大控制程序模塊對(duì)蓄電池、V2控制雙Boost-Buck變換器、負(fù)荷輸出的電壓和電流采樣，對(duì)蓄電池的雙向DC-DC變換器進(jìn)行平抑波動(dòng)、跟隨負(fù)荷、模糊充放電控制，對(duì)V2控制的雙Boost-Buck變換器進(jìn)行恒壓控制，對(duì)風(fēng)電泄荷電路進(jìn)行偏差控制。

圖2 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體軟硬件框架

3 基于風(fēng)光互補(bǔ)的V2控制雙Boost-Buck變換器電路設(shè)計(jì)

3.1 V2控制方法的Boost-Buck電路原理

Boost和Buck電路單獨(dú)使用時(shí)，各自只有單一的升壓或降壓功能。采用Boost-Buck電路增加一個(gè)K和A1、A3模塊，既實(shí)現(xiàn)了升降壓效果也達(dá)到了Boost-Buck電路輸出雙環(huán)反饋（內(nèi)環(huán)K-A1、外環(huán)K-A3-A2-A1）恒壓控制的目的，如圖3所示。內(nèi)環(huán)控制可以提高Boost-Buck電路的瞬態(tài)響應(yīng)速度；外環(huán)控制可以提高Boost-Buck電路的控制準(zhǔn)確度，使輸出電壓基本保持恒定。實(shí)際應(yīng)用時(shí)增加輸入、輸出濾波器減小電流的脈動(dòng)。

圖3 V2控制方法的Boost-Buck變換器及各點(diǎn)電壓波形

V2控制方法是用圖3的Boost-Buck變換器輸出濾波電容器的電壓替代峰值電流控制中的電感電流，作為比較器A1的峰值電壓檢測輸入，由單片機(jī)輸出的、通過斜波補(bǔ)償電路補(bǔ)償后的PWM信號(hào)接入JK觸發(fā)器，作為調(diào)制IGBT功率管導(dǎo)通角占空比的信號(hào)，從而改變電感電流和輸出電壓的大小。

3.2 V2控制雙Boost-Buck電路設(shè)計(jì)

基于Boost-Buck電路輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，且其輸入電流和輸出電流都可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的優(yōu)勢，根據(jù)圖1的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案，采用對(duì)稱的兩個(gè)Boost-Buck電路，增加加法模塊、運(yùn)算放大器模塊、比較器模塊及JK觸發(fā)器模塊，設(shè)計(jì)了如圖4a所示的V2控制雙Boost-Buck變換器電路，將風(fēng)電和光電輸出電壓經(jīng)A3疊加后反饋送入A2和A1及JK觸發(fā)器，通過單片機(jī)恒壓控制模塊輸出的PWM信號(hào)調(diào)制，反饋到Boost-Buck電路IGBT管V的控制極，達(dá)到每塊Boost-Buck電路輸出電壓雙環(huán)反饋（內(nèi)環(huán)K-A1-JK、外環(huán)K-A3-A2-A1-JK）的目的，分別實(shí)現(xiàn)風(fēng)電和光電經(jīng)雙Boost-Buck輸出的電壓A與B恒壓且相同。

V2控制雙Boost-Buck電路及各點(diǎn)電壓波形如圖4所示。從圖4b可以看出，隨著風(fēng)電W和光電PV波動(dòng)，電壓s1和s2不同，在同一控制電壓c作用下，通過調(diào)整p1和p2不同的占空比，獲得風(fēng)電A和光電B恒壓且輸出相同。

（a）變換器電路

（b）各點(diǎn)電壓波形

圖4 V2控制雙Boost-Buck變換器電路及各點(diǎn)電壓波形

Fig.4 V2controlled double Boost-Buck converters and waveforms

3.3 基于電壓斜坡補(bǔ)償?shù)拇沃C波振蕩抑制方法

研究表明：當(dāng)采用V2控制的Boost-Buck變換器工作于電感電流連續(xù)導(dǎo)電模式（Continuous Conduction Mode, CCM）且占空比大于0.5時(shí)，存在次諧波振蕩問題。采用斜坡補(bǔ)償技術(shù)，在圖4a中比較器A1的同相輸入端增加一個(gè)斜坡補(bǔ)償信號(hào)，也就是說，在如圖5所示的控制電壓c上疊加一斜率為c的斜坡補(bǔ)償信號(hào)，可消除次諧波振蕩問題。

圖5 斜坡補(bǔ)償法抑制次諧波振蕩方法

圖5中的紋波電壓上升、下降的斜率12為

式中，i為Boost-Buck變換器的輸入電壓；為Boost-Buck變換器輸出端電壓；為衰減系數(shù)。

當(dāng)采用斜坡補(bǔ)償法抑制振蕩的V2控制Boost- Buck變換器穩(wěn)態(tài)工作時(shí)，有

式中，s為內(nèi)環(huán)檢測電壓，；s為開關(guān)周期；為功率管導(dǎo)通占空比。

當(dāng)輸入發(fā)生變化時(shí)，對(duì)式（1）和式（2）中的相關(guān)變量取小信號(hào)擾動(dòng)，忽略二階小信號(hào)變量，則分別得到直流穩(wěn)態(tài)和交流小信號(hào)的特性表達(dá)式為

（4）

（5）

因此，采用斜坡補(bǔ)償法抑制振蕩的V2控制Boost- Buck變換器的為

加入斜坡補(bǔ)償電壓后，當(dāng)滿足式（8）時(shí)，式（9）成立，Boost-Buck變換器控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

（9）

依據(jù)電感電流伏秒平衡原理得

可知

（11）

即引入斜坡補(bǔ)償電壓的斜率滿足條件式（11）時(shí)，就能夠消除工作于CCM方式下V2控制Boost-Buck變換器在＞0.5時(shí)的次諧波振蕩現(xiàn)象，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，作為逆變器的理想直流電源。

4 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體控制模式及控制策略

圖6為風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體控制模式，由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電三種控制模式、風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電兩種控制模式、單片機(jī)五種控制策略構(gòu)成。

圖6 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體控制模式

通過設(shè)計(jì)的V2控制雙Boost-Buck變換器，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)采用風(fēng)或光恒壓控制的獨(dú)立發(fā)電或風(fēng)光偏差+恒壓控制的互補(bǔ)發(fā)電三種風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制模式；通過加裝的蓄電池和雙向DC-DC變換器，對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用平抑波動(dòng)+模糊控制的分布式并網(wǎng)供電和跟隨負(fù)荷+模糊控制的孤島式離網(wǎng)供荷兩種風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電控制模式。

4.1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制模式及控制策略

在風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中，一般光伏發(fā)電日是晝發(fā)夜停，而風(fēng)力發(fā)電日是隨機(jī)間歇，兩者發(fā)電量具有差異，造成輸入側(cè)電壓隨風(fēng)速和光照變化也有差異，因此風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電工作模式包括風(fēng)力發(fā)電恒壓控制、光伏發(fā)電恒壓控制、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電偏差及恒壓控制三種控制模式。

4.1.1 恒壓控制的風(fēng)光獨(dú)立發(fā)電控制策略

風(fēng)力發(fā)電控制模式和光伏發(fā)電控制模式屬于單一電源恒壓控制模式，可分為兩種情況：

（1）無光輻射時(shí)間段。風(fēng)速足夠，采用風(fēng)力發(fā)電的V2控制單一Boost-Buck變換器控制模式；圖4a上半部分電路工作，輸出波形如圖4b上半部分。

（2）無風(fēng)速時(shí)間段。光輻射足夠，采用光伏發(fā)電的V2控制單一Boost-Buck變換器控制模式；圖4a下半部分電路工作，輸出波形如圖4b下半部分。

當(dāng)風(fēng)電或光電波動(dòng)時(shí)，s1或s2也將波動(dòng)，單片機(jī)恒壓控制模塊輸出PWM信號(hào)，p1或p2的占空比被調(diào)整，保證A或B趨近期望值。

4.1.2 偏差控制+恒壓控制的風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制策略

風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制模式屬于雙電源偏差控制及恒壓控制模式，具體為：既有光輻射又有風(fēng)速時(shí)間段，當(dāng)風(fēng)速、光輻射足夠，但風(fēng)、光發(fā)電兩者輸出電壓差異超過Boost-Buck變換器允許范圍時(shí)，采用單片機(jī)偏差控制模塊輸出PWM信號(hào)使風(fēng)電泄荷電路工作，調(diào)整兩者輸出電壓差異到允許值后，啟動(dòng)風(fēng)-光聯(lián)合發(fā)電的V2控制雙Boost-Buck變換器同時(shí)工作。Boost-Buck恒壓電路外反饋環(huán)的輸入電壓取自每個(gè)Boost-Buck電路的輸出，經(jīng)過同相加法器后獲得兩路輸出電壓的均值，即。外反饋環(huán)采用均值輸入，可以避免或減小兩路Boost-Buck變換器間的環(huán)流及相互影響，提高輸出電壓的穩(wěn)定性，由圖4a、圖4b可知：兩塊Boost-Buck變換器同時(shí)工作，雖然s1和s2波動(dòng)不同，但隨著單片機(jī)恒壓控制模塊控制p1和p2調(diào)節(jié)不同的占空比，最終保證A和B都趨近于同一期望值，獲得A≈B。

由于Boost-Buck變換器的升、降壓幅度很大，所以風(fēng)、光發(fā)電兩者輸出電壓差異可以很寬，只會(huì)造成小幅度的棄風(fēng)。

4.2 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電控制模式及控制策略

風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電控制模式包括風(fēng)光儲(chǔ)分布式并網(wǎng)波動(dòng)及模糊控制、風(fēng)光儲(chǔ)孤島式離網(wǎng)負(fù)荷及模糊控制兩種控制模式。

4.2.1 平抑波動(dòng)的風(fēng)光儲(chǔ)分布式并網(wǎng)供電控制策略

風(fēng)光儲(chǔ)分布式并網(wǎng)控制模式是風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電在分布式并網(wǎng)供電運(yùn)行方式下，按照風(fēng)光電輸出功率波動(dòng)是否超過國家標(biāo)準(zhǔn)情況，控制雙向DC-DC變換器開關(guān)管導(dǎo)通方向，控制儲(chǔ)能充電或放電啟停時(shí)刻，達(dá)到儲(chǔ)能平抑風(fēng)光電功率波動(dòng)量且減小電網(wǎng)沖擊的目的。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《風(fēng)電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，正常運(yùn)行情況下的風(fēng)電場有功功率變化限值的推薦值是從時(shí)間角度（1min & 10min）來定義的，詳見表1。因此，采用風(fēng)光電10min波動(dòng)限值mb作為平抑風(fēng)光電功率波動(dòng)目標(biāo)值。

表1 有功功率變化最大限值

Tab.1 The maximum limit of active power change (單位：MW)

按一定的采樣周期通過A-D轉(zhuǎn)換器，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電有功功率進(jìn)行采樣，控制雙向DC-DC變換器電路中開關(guān)管導(dǎo)通方向，當(dāng)相鄰兩點(diǎn)采樣差值為正且絕對(duì)值大于國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，啟動(dòng)儲(chǔ)能存儲(chǔ)剩余能量；當(dāng)兩點(diǎn)采樣差值為負(fù)且絕對(duì)值大于國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，啟動(dòng)儲(chǔ)能釋放存儲(chǔ)能量；其有功功率波形如圖7所示。此過程可以描述為：當(dāng)時(shí)，儲(chǔ)能充電；當(dāng)時(shí)，儲(chǔ)能放電。其中，為儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)刻充放電功率值，、為風(fēng)光電功率第點(diǎn)、第1點(diǎn)實(shí)時(shí)采樣值，mb為風(fēng)光電功率10min波動(dòng)限值。

圖7 儲(chǔ)能平抑風(fēng)光電波動(dòng)的充放電控制策略的有功功率

4.2.2 跟隨負(fù)荷的風(fēng)光儲(chǔ)孤島式離網(wǎng)供荷控制策略

風(fēng)光儲(chǔ)孤島式離網(wǎng)控制模式是風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電在孤島式離網(wǎng)直接供負(fù)荷運(yùn)行方式下，按照風(fēng)光發(fā)電功率與負(fù)荷需求功率是否匹配，控制雙向DC-DC變換器電路中開關(guān)管導(dǎo)通方向，控制儲(chǔ)能充電或放電啟停時(shí)刻，達(dá)到儲(chǔ)能提高風(fēng)光電與負(fù)荷的跟隨度且減小棄風(fēng)光電量目的。

按一定的采樣周期通過A-D轉(zhuǎn)換器分別對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電有功和負(fù)荷需求有功采樣，當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電量wg與負(fù)荷需求L差值為正且絕對(duì)值大于設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)儲(chǔ)能存儲(chǔ)剩余能量；當(dāng)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電量wg與負(fù)荷需求L差值為負(fù)且絕對(duì)值大于設(shè)定閾值時(shí)，啟動(dòng)儲(chǔ)能釋放存儲(chǔ)能量。

對(duì)于風(fēng)光儲(chǔ)孤島離網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)光儲(chǔ)電功率與負(fù)荷需求功率每時(shí)刻應(yīng)跟隨匹配。因此將風(fēng)光聯(lián)合出力按裝機(jī)容量三等份劃分為高峰、中腰、低谷三個(gè)區(qū)域；同樣將負(fù)荷按最大負(fù)荷三等份也劃分為高荷、中荷、低荷三個(gè)區(qū)域，依據(jù)下述原則制定基于跟蹤負(fù)荷波動(dòng)的風(fēng)光儲(chǔ)九宮分區(qū)控制策略，見表2。

表2 跟蹤負(fù)荷波動(dòng)的風(fēng)光儲(chǔ)系統(tǒng)九宮分區(qū)控制策略表

Tab.2 The table of nine zoning wind-solar-storage system of load fluctuation tracking control strategy

（1）當(dāng)風(fēng)光電出力和負(fù)荷水平分別同時(shí)處于低谷低荷區(qū)、中腰中荷區(qū)和高峰高荷區(qū)時(shí)，認(rèn)為風(fēng)光聯(lián)合出力處于自然跟蹤負(fù)荷波動(dòng)（正調(diào)峰）狀態(tài)，此時(shí)設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)出力為0。

（2）當(dāng)風(fēng)光電出力水平在低谷區(qū)，而負(fù)荷水平處于高荷區(qū)時(shí)或當(dāng)風(fēng)光電出力水平在高峰區(qū)，而負(fù)荷水平處于低荷區(qū)時(shí)，認(rèn)為風(fēng)光電出力處于無法跟蹤負(fù)荷波動(dòng)（反調(diào)峰）狀態(tài)，設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)出力為：當(dāng)時(shí)，低谷高荷儲(chǔ)能放電；當(dāng)時(shí)，高峰低荷儲(chǔ)能充電。其中，為系統(tǒng)在時(shí)刻的總負(fù)荷；F為設(shè)定閾值，其設(shè)定量考慮儲(chǔ)能不要頻繁充放，按儲(chǔ)能容量的10%確定。

（3）當(dāng)風(fēng)光電出力水平和負(fù)荷水平分別處于低谷中荷區(qū)和中腰高荷區(qū)且風(fēng)光電在+1時(shí)刻的出力大于等于時(shí)刻的出力，或者當(dāng)風(fēng)光電出力水平和負(fù)荷水平分別處于中腰低荷區(qū)和高峰中荷區(qū)且風(fēng)電在+1時(shí)刻的出力小于等于時(shí)刻的出力時(shí)，認(rèn)為風(fēng)光電出力處于能夠跟蹤負(fù)荷波動(dòng)，此時(shí)設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)出力為0；反之，認(rèn)為風(fēng)光電出力處于不能夠跟蹤負(fù)荷波動(dòng)，并定義為平調(diào)峰狀態(tài)。此時(shí)設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)出力描述如下：當(dāng)且低谷中荷/中腰高荷儲(chǔ)能放電時(shí)，；當(dāng)且中腰低荷/高峰中荷儲(chǔ)能充電時(shí)，。

4.2.3 儲(chǔ)能充放電模糊控制策略

模糊控制結(jié)構(gòu)包括模糊化接口、模糊推理機(jī)、解模糊接口三個(gè)功能模塊，如圖8所示。

圖8 模糊控制結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)蓄電池充放電時(shí)，電壓的上升下降趨勢基本相同。但當(dāng)蓄電池電壓接近飽和時(shí)，電壓的變化率較大，而電流太小充電過慢，受溫度影響又不能過大。因此按一定的采樣周期通過A-D轉(zhuǎn)換器分別對(duì)蓄電池充放電電壓、電流采樣，將蓄電池理想電壓最大值與實(shí)際測量值的差值，相鄰兩個(gè)檢測電壓差值的變化率作為輸入，充電電流變化量作為輸出，構(gòu)成一個(gè)雙輸入、單輸出結(jié)構(gòu)具有PD控制規(guī)律的模糊控制器，其隸屬函數(shù)采用三角形法，根據(jù)模糊原理建立電壓差、電壓差變化率控制充電電流變化量的模糊控制規(guī)則查詢庫，供單片機(jī)分析計(jì)算后輸出PWM信號(hào)以控制雙向DC-DC變換器電路中開關(guān)管導(dǎo)通角的占空比值，控制蓄電池充放電量和時(shí)長，以達(dá)到避免蓄電池充放電流過大、速度過慢、過充及過放損壞的目的。

4.3 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電效益評(píng)估

加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)前后風(fēng)光電棄風(fēng)光量的變化量?AW計(jì)算式為

式中，1、2分別為加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)前后棄風(fēng)光電量的次數(shù)。

5 仿真及試驗(yàn)

按照前述原理與構(gòu)思，新疆大學(xué)研發(fā)了風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電的V2控制雙Boost-Buck變換控制器硬件模塊和恒壓控制、波動(dòng)控制、負(fù)荷控制、模糊控制和偏差控制軟件模塊。基于Matlab和新疆大學(xué)數(shù)字風(fēng)光電與物理儲(chǔ)能聯(lián)合模擬仿真平臺(tái)對(duì)研發(fā)的控制器進(jìn)行了模擬仿真和試驗(yàn)測試。實(shí)物硬件與風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)測試平臺(tái)如圖9所示。

圖9 研發(fā)實(shí)物硬件與風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)網(wǎng)試驗(yàn)測試

5.1 雙Boost-Buck恒壓電路輸出仿真

基于Matlab依照圖4（Boost-Buck變換器）建立了系統(tǒng)仿真模型。雙Boost-Buck變換器的相關(guān)參數(shù)=1mH,=1mF,L=2W。某實(shí)際風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)（風(fēng)機(jī)2.5MW，光電3.5MW）2014年秋季某日風(fēng)光發(fā)電量采樣如圖10所示，依據(jù)風(fēng)速和光照設(shè)定風(fēng)電和光電的輸入電壓，仿真得到輸出電壓波形如圖11所示。由圖11可知，當(dāng)風(fēng)電輸入電壓為5 400V時(shí)，占空比為0.1；當(dāng)光電輸入電壓為150V時(shí)，占空比為0.8，Boost-Buck變換電路輸出側(cè)電壓均約為600V，即為逆變電路的直流側(cè)電壓。當(dāng)占空比在0.1～0.8之間變化時(shí)，逆變電路的輸入側(cè)電壓在583～662V之間波動(dòng)，同樣方式在新疆大學(xué)數(shù)字風(fēng)光電與物理儲(chǔ)能聯(lián)合模擬仿真平臺(tái)上進(jìn)行了模擬，其仿真與實(shí)測波形如圖12所示。

圖10 風(fēng)光電輸出功率

（a）風(fēng)電輸入5 400V（D=0.1）（b）光電輸入150V（D=0.8）

（a）仿真波形

（b）實(shí)測波形

圖12在0.1～0.8之間變化時(shí)輸出電壓隨時(shí)間變化的波形

Fig.12 Waveforms of output voltage change with time whenis 0.1～0.8

由于Boost-Buck變換器的升、降壓特性，風(fēng)電互補(bǔ)差異電壓即輸入側(cè)電壓在10%～90%范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出側(cè)電壓可以穩(wěn)定在同一個(gè)電壓值600V左右。仿真結(jié)果表明：V2控制雙Boost-Buck變換器 可行。

5.2 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電控制模式及控制策略測試

5.2.1 風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制模式測試

（1）在0∶00～7∶00、20∶00～24∶00無光輻射時(shí)間段以及風(fēng)光發(fā)電差異電壓大于允許范圍時(shí)間段7∶00～8∶00、19∶00～20∶00采用風(fēng)力發(fā)電的V2控制單一Boost-Buck變換器控制模式，測試結(jié)果電壓合格且符合要求。

（2）在風(fēng)光發(fā)電差異電壓小于允許范圍7∶00～19∶00時(shí)間段，采用風(fēng)-光聯(lián)合發(fā)電的V2控制雙Boost-Buck變換器控制模式，測試結(jié)果電壓合格，符合要求。

5.2.2 風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電控制模式測試

測試平臺(tái)蓄電池儲(chǔ)能裝置最大功率為20kW，可按風(fēng)光容量比例模擬放大仿真。當(dāng)置信系數(shù)分別為95%、97%時(shí)對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)能最大功率分別為0.519MW和0.730 8MW，占風(fēng)電與光電總裝機(jī)容量的8.65%、12.18%。

采用儲(chǔ)能平抑風(fēng)光波動(dòng)和跟蹤負(fù)荷的控制策略，對(duì)加裝儲(chǔ)能后跟隨負(fù)荷的效果采用正調(diào)峰、平調(diào)峰和反調(diào)峰出現(xiàn)頻次的變化來統(tǒng)計(jì)，棄風(fēng)光電量效果按評(píng)估式（12）計(jì)算，其結(jié)果如圖13所示。

（a）跟隨負(fù)荷效果

（b）平抑波動(dòng)效果

（c）抑制反調(diào)峰效果

表3給出了加裝儲(chǔ)能前后風(fēng)光電功率波動(dòng)、跟隨負(fù)荷、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的變化情況及效果。由此可知，在平抑風(fēng)光電波動(dòng)、提高跟隨負(fù)荷特性，減少風(fēng)光電棄量、提高資源利用率、提高風(fēng)光電經(jīng)濟(jì)效益方面，效果較好。

表3 儲(chǔ)能系統(tǒng)效果評(píng)估結(jié)果

Tab.3 The evaluation results of energy storage system

5.2.3 模糊控制測試

試驗(yàn)分別采用模糊控制充電模式和三段式充電模式對(duì)由12V/9A?h蓄電池串并聯(lián)構(gòu)成的蓄電池組做充電比較，兩種模式下的充電電流動(dòng)態(tài)變化曲線如圖14所示。

圖14 兩種模式充電電流動(dòng)態(tài)變化曲線

（1）三段式充電模式下充電時(shí)間將近17h，模糊控制模式下充電時(shí)間將近15.5h，充電時(shí)間縮短了。

（2）考慮安全問題，蓄電池最大充電電流為4A，三段式充電模式下最大電流為3A，而模糊控制充電模式下，最大充電電流可接近3.5A，表明模糊控制模式下，具有自動(dòng)識(shí)別最大充電電流之能力。

5.3 逆變器輸出試驗(yàn)測試

新疆大學(xué)風(fēng)光儲(chǔ)試驗(yàn)平臺(tái)模擬試驗(yàn)中逆變器輸出電壓波形與實(shí)際現(xiàn)場風(fēng)光并網(wǎng)母線電壓錄波對(duì)比，如圖15所示，結(jié)果表明：逆變器輸出三相電壓對(duì)稱，初始階段具有一定的波動(dòng)和諧波，這是由于風(fēng)電或光電波動(dòng)引起，經(jīng)過V2控制雙Boost-Buck變換器調(diào)節(jié)控制，0.005s后平滑。

（a）模擬測試波形

（b）現(xiàn)場風(fēng)光并網(wǎng)母線電壓錄波

圖15 逆變器輸出電壓波形

Fig.15 Voltage waveforms of inverter

6 結(jié)論

本文介紹了一種風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)及方法。系統(tǒng)由強(qiáng)電功率流動(dòng)回路、弱電采樣顯示控制回路、控制軟件程序模塊三大部分組成；運(yùn)行方式由風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電三種運(yùn)行方式、風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電兩種運(yùn)行方式。控制模式為風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電共用直流母線和逆變器，通過設(shè)計(jì)的V2控制雙Boost-Buck變換器，對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，采用風(fēng)或光恒壓控制的獨(dú)立發(fā)電或風(fēng)光偏差+恒壓控制的互補(bǔ)發(fā)電三種風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電控制模式；通過加裝的蓄電池和雙向DC-DC變換器，對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用平抑波動(dòng)+模糊控制的分布式并網(wǎng)供電或跟隨負(fù)荷+模糊控制的孤島式離網(wǎng)供荷兩種風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電控制模式，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電。仿真分析和試驗(yàn)結(jié)果證明：風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電可以平滑單能源隨機(jī)性、間歇性造成的電能波動(dòng)，加之儲(chǔ)能平抑波動(dòng)的控制作用，減小了對(duì)電網(wǎng)的沖擊，很適合分布式并網(wǎng)運(yùn)行；設(shè)計(jì)雙Boost-Buck變換電路恒壓控制，得到較為理想的直流母線電壓，為逆變器輸出高品質(zhì)的交流電提供保障；風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電僅使用一個(gè)逆變器，可簡化控制策略、降低成本和運(yùn)行能耗；同時(shí)基于儲(chǔ)能跟隨負(fù)荷的控制作用，也可減小棄風(fēng)光電量，很適合邊緣農(nóng)牧區(qū)域。基于以上優(yōu)勢，凸顯了系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性。

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The Control Mode of Distribution Grid/Off-Grid of Wind-Solar-Storage with Double Boost-Buck Converter Single Inverter Based on V2Control Method

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（1. School of Electrical Engineering Xinjiang University Urumqi 830047 China 2. State Grid Xinjiang Electric Power Company Urumqi 830063 China）

Wind and solar hybrid power generation is widely used in agricultural and pastoral areas. In current applications, each system uses independent inverters, which requires higher cost and energy consumption. In this paper, a common DC bus scheme with dual Boost-Buck based single inverter structure was proposed, to realize wind and solar hybrid power generation. The proposed scheme can reduce cost and energy consumption. Firstly, topological structure and circuit of wind-solar-storage cogeneration system were designed based on V2controlled double Boost-Buck converter. Hence the constant voltage value control can be achieved when the input voltage varies in a wide range. At the same time, voltage slope compensation method was used to suppress the self-excited oscillation of Boost-Buck circuit. Secondly, a series of control strategies were designed to improve storage stability, including stabilizing fluctuation of wind-solar, nine zoning following load, fuzzy charging and discharging. The seamless abutment between wind-solar-storage power and inverter was achieved. Thirdly, the benefit evaluation on the power consumption reduction of abandoned wind-solar was carried out. Finally, the software and hardware device were developed, according to the control modes of distribution grid and isolated island off-grid. The test and simulation were carried out. The output current of inverter shows good static and dynamic performance, stability and reliability, as well as better cost economy.

Wind and PV energy complemental generation, V2control dual Boost-Buck converter, voltage slope compensation method, distributed grid connected suppression control, following load control with isolated island

TP273.1

國家自然科學(xué)基金（51367016）和國家國際科技合作專項(xiàng)（172013DFG61520）資助項(xiàng)目。

2016-01-30 改稿日期 2016-06-29

希望·阿不都瓦依提 男，1967年生，副教授，博士研究生，研究方向?yàn)槎喾N可再生能源互補(bǔ)發(fā)電。E-mail: xiwang_x@126.com（通信作者）

晁 勤 女，1959年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闈崈裟茉床⒕W(wǎng)發(fā)電技術(shù)，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail: cqtdx@163.com