基于分層控制的光儲發電系統電能質量提升方法*

曾正，郭寶甫，孫芊，荊驍睿

（1.重慶大學輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶400044；2.許繼集團有限公司，河南許昌461000；3.國網河南省電力公司電力科學研究院，鄭州450052）

0 引 言

我國幅員遼闊，電力資源和電力負荷沿東西走廊呈逆向分布，高壓遠距離在很長一個時期內無法避免［1-3］。然而，研究結果表明新能源的大規模遠距離傳輸暴露出諸多弊端，譬如風、光集中電站的穩定運行問題、輸電走廊的限制問題等［4-6］。因此，在負荷較重的東部地區發展分布式發電技術具有重要的前景。隨著對可再生能源的需求日益加大，以及對分布式新能源的政策激勵，分布式發電系統的滲透率急劇增加［7-9］。其中，光伏（Photo Voltaic，PV）作為一種清潔能源，由于其便于安裝維護，易于與住宅、廠房等建筑物集成，因此在分布式發電系統中吸引了廣泛的研究興趣和工程示范［10-11］。

分布式光伏系統靠近負荷末端，電網相對較弱，供電品質受到了極大的考驗。一方面，光伏輸出功率具有隨機性和波動性［12-13］，容易引起電網電壓的波動［14］。因此，需要引入光伏輸出功率平穩化的電氣設備和控制方法。另一方面，分布式光伏系統附近存在大量的非線性負荷，產生的諧波與逆變器相結合，容易引發諧波諧振［15-17］。因此，需要采取一些就近的電能質量控制方案，提升光伏發電系統的電能質量。

針對分布式光伏發電系統電能質量的提升，已有一些文獻進行了研究。在光伏輸出的平穩化控制方面，普遍采用儲能（Energy Storage，ES）裝置與光伏電池相互配合。利用儲能的充放電過程抵消光伏的波動性輸出，從而穩定光伏系統并網點處的輸出功率特性［18-19］。這些光、儲聯合的發電系統大致分為兩類［20］：儲能接入光伏的交流母線、儲能接入光伏系統的直流母線。其中，光伏和儲能通過直流母線耦合的方案，以其光儲一體化的結構、減少了儲能逆變器，得到了更多的重視，尤其是在分布式光伏發電系統中具有更多的應用價值。在這類光儲一體化的分布式發電系統中，為了提升光伏輸出的平穩效果、提升電網的可調度能力，往往采用混合儲能的方式，充分利用電池儲能能量密度大、超級電容功率密度大和響應速度快的優勢［21-22］。在光儲發電系統與本地電能質量的治理方面，現有示范工程中大多安裝各類有源和無源的電能質量治理裝置［23］。然而，研究表明光伏發電系統往往難于運行在滿功率發電狀態，其并網逆變器存在大量的剩余功率容量。若能利用逆變器的電路拓撲使其對本地電能質量加以治理，將能在很大程度上避免重復安裝各類其他的電能質量治理裝置。這類集新能源并網發電和電能質量治理于一體的裝置稱作多功能并網逆變器［24-25］，近來吸引了大量的關注。

文章針對光儲一體化的發電裝置，以其系統的供電品質提升為核心，在直流側，研究光伏、混合儲能的聯合控制方案，平抑光儲的輸出功率波動，提升光儲聯合發電系統的可調度性；在交流側，研究光儲一體化系統對本地負荷電能質量的補償方法，采用了一種基于自適應濾波的電能質量檢測方法提升其魯棒性。為提升分布式光儲聯合發電系統的高滲透率提供一套有效的解決方案。

1 光儲聯合發電系統的框架

以一典型輻射形配電網為例，光儲聯合發電系統的整體框架如圖1所示。分布式光伏系統以光伏建筑一體化（Building Integrated Photo Voltaic，BIPV）的形式接入配電網。由于光伏發電系統是一種不可控的電源，在使得傳統無源配電網有源化的同時，也給配電網的運行控制帶來了不少挑戰。在不加治理的情況下，容易導致配網電壓的翹尾、過壓、諧波諧振等。因此，為了使光伏發電系統對電網更加友好，引入儲能裝置構成光儲聯合發電系統是一個不錯的選擇。這樣不但可以增強系統輸出的平穩性，而且還能提升光伏發電系統的可調度能力。

圖1 配網中分布式光伏系統Fig.1 Distributed PV in distribution network

圖2給出了幾種光儲聯合發電系統的電路拓撲。其中，在圖2（a）所示的系統中，儲能單元分別采用逆變器接入光伏發電系統的交流母線，將光伏的波動輸出功率在交流側平抑。光伏和儲能發電系統相互獨立，相互解耦，兩套控制相對獨立，系統可靠性高，便于調度和管理。這種方案，多用于光伏發電系統中的集中式儲能。圖2（b）所示的系統中，儲能單元通過DC／DC變換器接入光伏發電系統的直流母線。光伏和儲能在直流母線處耦合，公用一套逆變器，便于將光伏輸出的波動性抑制在直流側。這種光儲一體的方案，便于就地平抑光伏的輸出，十分適合于分布式光伏發電系統應用。同時，由于儲能單元配備在光伏電池的輸出端，使得光伏和儲能形成了一個可調度的綜合單元，改善了光伏的輸出特性，使得其輸出特性更適合電網運行。

圖2 光儲聯合發電系統的構架Fig.2 Configuration of PV-ES system

在分布式光儲聯合發電系統中，儲能的輸出特性對于系統的性能具有重要的影響。現有儲能媒介在功率密度、能量密度和響應時間等指標上都存在較大的差異，還無法找到一種功率和能量密度皆高，且響應時間非常快的儲能單元。因此，在光儲聯合發電系統中可以采用電池和超級電容混合的方式。利用電池能量密度高的優勢，提供穩態的功率和能量；利用超級電容功率密度高、響應速度快的優勢，提供暫態過程中的功率和能量缺額。

2 光儲聯合發電系統的控制方法

光儲聯合發電系統的控制可以分為兩個層次，即功率調度層和本地控制層。在功率調度層主要響應上級調度的指令，確定光儲聯合發電系統中電池、超級電容的輸出功率指令。在本地控制層，主要為各個DC／DC、DC／AC變換器的控制，控制光伏電池Boost完成MPPT功能，控制儲能雙向DC／DC變換器完成功率的吸收和釋放功能，控制逆變器完成光儲單元的能量轉換，以及本地負荷電能質量的治理。

2.1 功率調度控制

調度控制主要響應電網側的調度指令，為光儲聯合發電系統中電池和超級電容分配輸出功率指令。其控制框圖如圖3所示。

式中Pref為電網傳遞給光儲聯合發電系統的功率調度指令；Ppv為光伏的輸出功率；Pscref和Pbatref為超級電容和電池的輸出功率指令。其中，傳遞函數Gb（s）為帶寬選擇器，根據超級電容和電池所能響應的工作帶寬，分別為其分配不同頻段的功率指令信號。通常，Gb（s）可選為低通濾波器，即：

式中ωc為電池變流器的工作帶寬，可根據電池的響應時間、雙向DC／DC變換器的控制帶寬決定。

圖3 功率調度控制的原理圖Fig.3 Schematic diagram of power dispatching control

2.2 本地功率控制

本地功率控制主要實現各變流器對指令信號的跟蹤。其中，光伏電池的MPPT控制電路如圖4所示，光伏電池經過 Boost電路接入直流母線Udc處。光伏的輸出電壓和電流分別為UPV和IPV，經過MPPT控制算法后，得到最佳的輸出電壓，通過控制Boost電路將其電壓UPV控制為給定值，以獲得光伏的最大功率輸出。

圖4 光伏電池的最大功率跟蹤控制Fig.4 MPPT control of PV arrays

儲能系統的接口電路和控制策略如圖5所示。以超級電容為例，由功率調度控制獲得的指令功率Pscref與超級電容器組的端電壓相除得到其輸出指令電流，通過控制其輸出電流is跟蹤指令值來控制超級電容的輸出功率。雙向Buck-Boost電路用于平衡超級電容器組的端電壓和直流母線電壓Udc之間的應力差，并實現能量的雙向流動［26］。對于電池儲能系統，情況類似。

圖5 儲能雙向DC／DC變換器拓撲及其控制Fig.5 Topology and control for bi-directional DC／DC converter.

光儲聯合發電系統中并網逆變器的控制策略如圖6所示。并網逆變器的實際有功指令用于平衡直流母線Udc為其額定值Udcref，通過直流母線電壓的PI控制器得到。并網電流跟蹤控制在同步旋轉坐標系下完成，其中 Clarke變換T3s／2s為：

Park變換為：

式中θ為電網電壓相位，由鎖相環（Phase-locked loop，PLL）得到。

圖6 并網逆變器的控制策略Fig.6 Control strategy of the grid-connected inverter

以a相為例，基于自適應濾波算法的諧波檢測方法原理如圖7所示［27］，其他相的情況類似。利用自適應噪聲對消的方法將檢測出的諧波信息反饋回調整網絡，不斷修正濾波系數。使得從負荷電流iLa中檢測出的基波電流iba以二次型最優指標最優為目的逐漸逼近參考電壓信號ua，即其數學模型可以表示為：

式中λ為濾波網絡的常系數，為待優化變量。一般地，可以采用如圖7所示的結構，其中ω1和ω2為濾波系數。采用最小二乘法修正濾波系數，其過程為：

式中μ為自適應學習率，一般取為足夠小的常數，這里取 μ＝0.000 1。

圖7 自適應諧波電流檢測算法的原理Fig.7 Principle of self-adaptive harmonicdetection algorithm

3 仿真結果與分析

為了驗證所提光儲聯合發電系統模型和控制策略的可行性和有效性，在PSCAD／EMTDC中建立了如圖2（b）所示的仿真模型，系統參數如表1所示。仿真過程中的擾動設置為：電網調度功率為8 kW；0s開機，1 s時光照強度從 400W／m2階躍到 1 200W／m2，1.5 s時光伏電池的穩定從25℃階躍到50℃，2 s時非線性不控整流負荷的電阻從200Ω階躍到100Ω。

圖8給出了光伏電池的輸出情況，不難發現，在光照強度增加后，光伏電池的輸出也相應增加；但在溫度增加后，光伏電池的輸出有所減少。由于電網對光儲聯合發電系統的調度功率為8 kW，不足或過剩的穩態功率由電池平衡，暫態功率的缺口有超級電容填補。從而實時響應并滿足電網的調度需求，提升光儲聯合發電系統的可調度性。

表1 光儲聯合發電系統參數Tab.1 Parameters of PV-ES system

圖8 光儲聯合發電系統的輸出Fig.8 Power generation output of PV-ES system

光儲聯合發電系統直流母線電壓如圖9所示，從中可以發現，開機時光伏輸出為0，電池和超級電容急劇向母線充電，并通過逆變器向電網注入功率，在這個過程中直流母線電壓存在一個正向的超調。但是超調量不大，最大電壓偏差不超過50 V，可以滿足系統運行要求。在動態過程中，1 s時，光伏輸出突然增加，過剩的功率轉移到儲能單元中，但是在動態過程的瞬間，儲能還沒有來得及響應，光伏電池的輸出功率給直流母線充電，使得直流母線出現了正的超調電壓，但在控制器的作用下，迅速恢復到了額定值。表明所設計的控制策略可以達到維持直流母線電壓的目的。

圖9 光儲聯合發電系統的直流母線電壓Fig.9 DC-link voltage of PV-ES system

光儲聯合發電系統位于配電網末端，往往面臨各種復雜的負荷環境，若能充分利用光儲聯合發電系統的容量和電路拓撲，可以有效提升電網的電能質量。圖10（a）給出了在光儲聯合系統含有電能質量補償功能時，有效補償本地負荷的諧波，從而改善電網電流的結果。電網電流總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）被控制在5%以內，可以達到電網的要求。相反，如圖10（b）所示，若光儲聯合發電系統沒有電能質量治理功能，電網電流嚴重畸變，其THD達到15%，難以滿足電網對諧波水平的要求。

圖10 有無補償時光儲聯合發電系統的電網電流Fig.10 Grid-connected current of PV-ES system with and without power quality compensation

圖11給出了自適應諧波電力電流檢測算法的實施效果，基于最小二乘迭代的自適應算法能有效檢測出本地負荷電流中的基本分量和諧波分量，以確保光儲聯合發電系統對電能質量的有效補償。

圖11 自適應諧波電力檢測算法的結果Fig.11 Results of self-adaptive harmonic detection algorithm

4 結束語

分布式光伏發電系統往往采用逆變器作為其并網接口，隨著其滲透率的不斷提高，對電網的影響也越來越大。其輸出功率的波動性，會影響電網電壓偏離其合理運行范圍。同時，光伏并網逆變器和本地負荷一起可能會形成復雜的諧波諧振網絡，影響電網的安全穩定運行。為了降低分布式光伏發電系統對電網的影響，文章提出光儲聯合發電系統的概念。在光伏并網逆變器的直流母線引入電池和超級電容的混合儲能系統，并輔以合理的控制策略，消除光伏輸出的波動性，提升其可調度能力。在交流母線處，借鑒多功能并網逆變器的思路，利用光伏并網逆變器補償本地負荷中的諧波分量，提升電網電流的供電品質。仿真結果驗證了所提方法的正確性和有效性。可以得到如下結論：

（1）所提分布式光儲聯合發電系統的框架和和分層協調控制算法行之有效，能有效平抑光伏輸出功率的波動，并增強光儲聯合發電系統的可調度性；

（2）基于自適應迭代的諧波電流檢測算法能有效檢測本地負荷的諧波分量，為分布式光儲聯合發電系統的電能質量就地補償提供保障；

（3）仿真結果驗證了所提方法的正確性和有效性，為高滲透率光伏發電系統的運行與控制提供了一條種新的方法，多個光儲聯合發電系統的協調控制還有待進一步的研究。