面向發電并網功率波動的分布式電壓隨機控制?

李皓然王春梅張合川李怡萌

面向發電并網功率波動的分布式電壓隨機控制?

李皓然王春梅張合川李怡萌

（國網冀北電力有限公司技能培訓中心保定071000）

可再生能源發電并網功率的波動對電網電能質量、電網損耗和電網安全都有影響，在每個分布式發電的并網處就地予以抑制是一種較好的途徑。論文提出一種利用分布式發電的并網逆變器就地抑制并網功率波動的方法，在直流側裝設一定容量的電容器，譬如鋰離子超級電容器。通過對并網逆變器實施直流電壓隨機控制，利用電容器的充放電功率來補償分布式可再生能源發電的功率波動，實現了并網功率的平滑穩定。以光伏并網發電系統為例，仿真驗證了直流電壓隨機控制策略抑制并網功率波動的有效性。

分布式發電；功率波動；并網逆變器；控制策略

Class NumberTN46

1引言

可再生能源具有不可耗盡、無環境污染的特點，必將成為人類未來能源供應系統的基礎［1～2］。其中，風力發電和太陽能發電已經或即將成為非水可再生能源利用的主力軍，正在引領能源市場的增長［3～4］。并網發電將是風光能源的主要利用途徑，但風光發電功率具有間歇性和波動性的特點，風光發電接入電網會對電力供需平衡、電力系統安全和電能質量帶來嚴峻挑戰，尤其是小幅度快速波動會引起電網電壓的波動和閃變［5］。解決好功率波動問題有助于非水可再生能源的大規模開發和利用，也是當前風光發電研究的一個熱點。

從現有文獻來看，目前關于分布式發電功率波動抑制的研究主要集中在風電功率低頻波動的抑制［6］，抑制方法是在可再生能源發電并網裝置之外附加儲能變換設施，沒有充分利用并網逆變器本身的調控能力［7］。本文提出一種直流電壓隨機控制策略，在并網變流器的直流側直接接入一定容量的鋰離子超級電容器（LIC），通過控制并網逆變器直流電壓在一定范圍內的波動來達到平滑并網功率波動的目的，可以省去儲能變換器。

2基于LIC的并網功率波動抑制方法

2.1鋰離子超級電容器（LIC）

基于儲能調節的分布式發電功率波動抑制方法，要求儲能裝置既具有高的比功率，也應具有較高的比能量。然而，目前實用的儲能裝置多為能量型或功率型［8］。二次電池屬于能量型，但目前的充放電次數較少，難以滿足功率波動抑制對頻繁充放電的需要［9］；傳統雙電層超級電容器屬于功率型，充放電功率大，充放電次數多，但儲放能量小，亦難滿足功率波動抑制應用的需要［10］。

隨著混合型超級電容器研究的深入，鋰離子超級電容器得到廣泛關注。鋰離子超級電容器在保持傳統超級電容器特性的基礎上，一定程度彌補了超級電容器能量密度低的缺點，具有良好的應用前景［11］。鋰離子超級電容器可以看做是鋰離子電池和超級電容器的組合，其一極采用電池電極鋰離子嵌入化合物，并通過電化學反應來儲存和轉化能量［12］；另一極采用碳材料，通過雙電層來儲存能量［13］。鋰離子超級電容器的突出特點為比功率高、比能量較高、循環壽命長、快充性能好，非常適合作為抑制分布式發電功率波動的儲能電源。

鋰離子超級電容器不同于電容器的另一突出特點是端口電壓具有一定的變化范圍，變化范圍約為額定電壓的65%～100%，既不能過充過電壓，也不能過放欠電壓［14］。設鋰離子超級電容器的電容量為C、額定電壓為UN，則最大充放電能量為

其中，Umax和Umin分別為端口電壓的最大值與最小值。與雙電層超級電容器相比，鋰離子超級電容器的儲電容量的充放電利用率較低，但是其相對較高的比能量使得其具有更高的應用價值和前景。一般雙電層電容器的能量密度為5Kh/kg，而鋰離子電容器的能量密度可達10～20Kh/kg。

2.2控制策略

基于鋰離子超級電容器的儲能裝置可以用來抑制分布式發電并網功率的波動，傳統的系統結構如圖1所示。

圖1 分布式發電功率波動的傳統抑制方法

在并網逆變器的直流側增設儲能裝置和儲能變換器，直流側電壓維持恒定不變，儲能變換器根據分布式發電的功率變化來實時調節儲能的充放電功率，維持并網逆變器的并網功率平滑［15］。在圖1中，前級DC-DC或AC-DC變換器實現MPPT控制，后級并網逆變器工作于定直流電壓和單位功率因數方式，而儲能變換器通過充放電功率控制補償分布式發電的輸出功率波動，進而達到并網功率平滑的目的。如果去掉儲能變換器，則并網逆變器的并網功率也將跟隨分布式發電的最大輸出功率而變［16］。圖2給出了dq坐標系下并網逆變器的控制策略。

圖2 傳統并網逆變器的控制策略

2.3功率波動抑制

利用鋰離子超級電容器的端口電壓特性，可以構建一種基于直流電壓隨機控制策略的分布式發電功率波動抑制方法，如圖3所示。與圖1不同的是，鋰離子超級電容器直接并聯到并網逆變器的直流側，既作為儲能電容器，又作為直流電壓支撐電容器。通過并網逆變器的功率平滑控制，讓直流電壓隨分布式發電功率的波動而變化，實現鋰離子超級電容器的充放電功率對分布式發電功率波動的補償。

圖3 分布式發電功率波動的電壓隨動抑制方法

3抑制并網功率波動的直流電壓隨機控制策略

3.1基于LIC的發電并網系統

以光伏發電并網為例，如圖4所示，DC-DC變換器起到光伏輸出電壓到并網逆變所需直流電壓的升壓變換作用，同時實現光伏發電的最大功率點跟蹤控制，始終以最大功率將光伏輸出電量傳輸到直流側，光伏功率和鋰離子超級電容器的充放電功率疊加在一起通過逆變器輸出到電網。

圖4 基于LIC功率平滑的光伏發電并網系統

3.2發電功率波動

若忽略電力電子變換器的損耗，則光伏直流發電功率PPV、鋰離子超級電容器充放電功率PLIC和交流并網功率PAC有如下關系：

設光伏發電功率包括穩定分量PPV和波動分量P～PV，即

為實現功率平滑、抑制并網功率波動，則并網逆變器的期望并網功率應等于光伏發電功率的穩定分量［17］，而鋰離子超級電容器的充放電功率應等于光伏發電功率的波動分量，即

3.3電壓隨機控制

根據電容器的充放電原理，直流電壓的隨機分量應按照式（5）所示的規律變化，同時得到圖5所示的電壓隨機控制系統結構。

圖5中，由前級DC-DC變換器的輸出電壓和電流得到光伏發電的輸出功率PPV，通過低通濾波器LPF得到其穩定分量PPV及波動分量P~PV，進而按照式（5）得到直流電壓的隨機分量u~dc，此隨機分量與直流電壓參考值udc.ref合成為并網逆變器的直流電壓控制指令。如果光伏發電功率平穩，則直流電壓將穩定在參考值udc.ref上［18］。

圖5 抑制并網功率波動的電壓隨動控制系統

4仿真及結果分析

按照圖4所示主電路結構和圖5所示控制系統結構，建立了一套50KW/380V三相光伏并網發電系統的PSIM仿真模型。假設太陽光的輻射照度在750W/m2～1250W/m2之間以正弦規律波動，得到仿真結果如圖6所示。

圖6 直流電壓隨機控制前后的仿真結果比較

圖6中，在t＜2s期間，未加入直流電壓隨機控制策略，采用圖2所示定直流電壓控制策略。可以看出，盡管光伏功率以正弦波形大幅波動，但并網逆變器的直流側電壓被穩定在設定值800V，交流并網功率跟隨光伏功率的變化而波動。

在t＞2s期間，在原有控制的基礎上，加入了圖5所示的直流電壓隨機控制策略。可以看出，隨著光伏功率以正弦波形大幅波動，并網逆變器的直流側電壓在設定值800V的上下跟隨變化，通過對直流支撐電容的充放電過程，實現了交流并網功率的平滑。觀察網側交流電壓電流波形可知，在兩種工況下電流與電壓完全反相，實現了單位功率因數逆變的目的。在實施直流電壓隨機控制期間，交流并網電流平穩。

5結語

通過分析分布式可再生能源并網發電系統的功率流動特性，提出利用并網逆變器直流支撐電容器的充放電功率來補償分布式發電功率波動的直流電壓隨機控制策略，并利用光伏并網發電系統進行了仿真驗證，得到如下結論：

1）利用并網逆變器的直流支撐電容器的充放電能力和直流電壓隨機控制策略，可以有效平滑分布式發電的并網功率。

2）鋰離子超級電容器的高比功率和較高的比能量特性，使其更適合作為直流電壓隨機控制下并網逆變器的直流支撐電容器。

［1］唐西勝，苗福豐，齊智平.風力發電的調頻技術研究綜述［J］.中國電機工程學報，2014，34（25）：4304-4314.

TANG Xisheng，MIAO Fufeng，QI Zhiping.Review of fre?quency modulation technology for wind power generation［J］.Chinese Journal of Electrical Engineering，2014，34（25）：4304-4314.

［2］趙平平.太陽能發電的最新發展趨勢［J］.電工文摘. 2012（1）：5-7.

ZHAO Pingping.The latest development trend of solar power generation［J］.Electrical Engineering Abstracts. 2012（1）：5-7.

［3］程啟明，程尹曼，王映斐.風力發電系統技術的發展綜述［J］.自動化儀表，2012，33（1）：1-8.

CHENG Qiming，CHENG Yiman，WANG Yinfei.Develop?ment of wind power generation system technology［J］.Au?tomatic instrument，2012，33（1）：1-8.

［4］關根志，雷娟，吳紅霞.太陽能發電技術［J］.水電與新能源，2013（1）：6-9. GUAN Ghenzhi，LEIJuan，WU Hongxia.Solar power tech?nology［J］.Hydropower and new energy，2013（1）：6-9.

［5］孔令國，蔡國偉，楊德友.光-儲聯合并網發電系統建模與協調控制［J］.電網技術，2013，37（2）：312-318.

KONG Lingguo，CAI Guowei，YANG Deyou.Modeling and coordinated control of optical storage combined grid connected generation system［J］.Power grid technology. 2013，37（2）：312-318.

［6］劉皓明，陸丹，楊波.可平抑高滲透分布式光伏發電功率波動的儲能電站調度策略［J］.高電壓技術，2015，41（10）：3213-3223.

LIU Haoming，LU Dan，YANG Bo.Energy storage power station scheduling strategy for stabilizing the power fluctu?ation of high permeable distributed PV generation［J］. High voltage technology，2015，41（10）：3213-3223.

［7］李曉東，劉廣一，賈宏杰.基于電壓調節的分布式可再生能源發電功率波動平抑策略［J］.電工技術學報. 2015，30（23）：76-82.

LI Xiaodong，LIU Guangyi，JIA Hongjie.Power fluctuation stabilization strategy of Distributed Renewable Energy Generation Based on voltage regulation［J］.Transactions of China Electrotechnical Society.2015，30（23）：76-82.

［8］祝瑞，金易林，婁素華.儲能裝置在含風電電力系統中的應用綜述［J］.水電能源科學，2013（9）：229-232.

ZHU Rui，JIN Yilin，LOU Suhua.Review of applications of energy storage devices in wind power systems［J］.Hy?droelectric Energy Science，2013（9）：229-232.

［9］陶占良，陳軍.智能電網儲能用二次電池體系［J］.科學通報，2012，57（27）：2545-2560.

TAO Zhanliuang，CHEN Jun.Two battery system for ener?gy storage in Smart Grid［J］.Chinese science bulletin. 2012，57（27）：2545-2560.

［10］吳漢.新型雙電層超級電容器儲能模型研究［J］.電子元件與材料，2015（8）：98-99.

WU Han.Study on the energy storage model of a new type of double layer supercapacitor［J］.Electronic com?ponents and materials，2015（8）：98-99.

［11］梁海泉，謝維達，趙洋.超級電容器動態特性虛擬測試平臺設計［J］.儀器儀表學報，2012，33（6）：1210-1217.

LIANG Haiquan，XIE Weida，ZHAO Yang.Design ofvir?tual test platform for dynamic characteristics of superca?pacitor［J］.Journal of instrument and instrument，2012，33（6）：1210-1217.

［12］曾艾群.金屬有機骨架（MOFs）作為電極材料在二次鋰離子電池中的應用［J］.電子世界，2016（17）：200-200.

ZENG Aiqun.Application of metal organic frameworks（MOFs）as electrode materials in two Li ion batteries［J］.Electronic world，2016（17）：200-200.

［13］鄭銳萍，廖世軍.碳材料的摻雜改性及其用于燃料電池催化劑的研究［J］.表面技術，2015（1）：34-40.

ZHENG Ruiping.Doping modification of carbon materi?als and its application in fuel cell catalysts［J］.Surface technology，2015（1）：34-40.

［14］賈磊磊，張旭.復合儲能下微電網運行模式平滑切換控制分析［J］.信息化建設，2016（1）：261-262.

JIA Leilei，ZHANG Xu.Analysis of smooth switching control of microgrid operation mode under composite en?ergy storage［J］.Information technology，2016（1）：261-262.

［15］陳新，韋徵，胡雪峰.三相并網逆變器LCL濾波器的研究及新型有源阻尼控制［J］.電工技術學報，2014，29（6）：71-79.

CHEN Xin，WEIZheng，HU Xuefeng.Research on LCL filter ofthree-phase grid connected inverter and novelac?tive damping control［J］.Transactions ofthe Electrotech?nical Society，2014，29（6）：71-79.

Distributed Voltage Random Controlfor Power Grid-Connected Power Fluctuation

LI Haoran WANG Chunmei ZHANG Hechuan LI Yimeng
（State Grid Jibei Electric Power Company Limited Skills Training Center，Baoding 071000）

The fluctuation ofgrid-connected power ofrenewable energy power generation has an influence on the power quali?ty，power grid loss and grid safety.It is a good way to suppress the local grid in each distributed power generation.In this paper，a method ofsuppressing the power fluctuation ofthe grid-connected inverter by using distributed power generation is proposed.A cer?tain capacity capacitor，such as a lithium ion supercapacitor，is installed on the DC side.By using the DC voltage random controlof the grid-connected inverter，the power fluctuation of the distributed renewable energy is compensated by the charge and discharge power ofthe capacitor，and the smooth and stable power ofthe grid-connected power is realized.Taking the PV grid-connected pow?er generation system as an example，the simulation results show thatthe DC voltage stochastic controlstrategy can suppress the pow?er fluctuation.

distributed powergeneration，power fluctuation，grid-connected inverter，controlstrategy

TN46

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.08.024

2017年2月7日，

2017年3月18日

國家自然科學基金項目（編號：51607042）資助。

李皓然，男，碩士，講師，研究方向：電力電子與電力傳動。王茜，女，碩士，助教，研究方向：電力系統分析與控制。張合川，男，碩士，助教，研究方向：新能源電力系統，電力電子控制。李怡萌，女，碩士，助教，研究方向：電力系統故障診斷，電力電子控制技術。