光伏直流微電網超級電容儲能控制策略研究

鄭新昊，祝龍記

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

0 引言

微電網是將分布式電源（Distributed Generation，DG）、負荷、儲能裝置、變流器以及監控保護等裝置有機整合的小型發配電系統[1]。 分布式電源以微電網的形式接入配電網，憑借微電網的運行控制和能量管理等關鍵技術，實現其并網或離網運行。 但微電網中的DG 和系統負荷具有波動性，不僅在離網運行下會造成母線側電壓波動，而且并網運行時會導致并網電流脈動，嚴重影響微電網的供電質量[2]～[5]。

為最大限度地利用分布式電源出力，提高供電可靠性和電能質量，文獻[6]對微電網建立了基礎模型，提出了儲能系統與分布式電源協調控制策略，對并網運行和離網運行狀態進行了仿真分析，但未對負荷和DG 功率的隨機性問題提出解決方案，影響系統的電能質量。 文獻[7]對微電網孤島模式建立了仿真模型，提出了一種電壓分段控制策略，用于穩定直流母線電壓的波動，但系統在發生較大功率突變時母線電壓波動幅度過大，系統的穩定性受到影響。 文獻[8]針對直流微電網中的光伏功率波動提出了一種自主功率平衡策略，通過自動切換工作模式來實現功率平衡，抑制功率波動，但文中未考慮微電網中的非線性負載產生的低次諧波，并網穩態運行時系統穩定性仍會受到影響。

由于光伏直流微電網中系統功率變化的時間很短，而傳統蓄電池的動態響應較慢，很難滿足系統的控制要求。 因此，本文以超級電容（Supercapacitor，SC） 作為光伏直流微電網的儲能裝置。超級電容具有充放電速度快、功率密度大的優勢，離網運行下在雙閉環控制中加入電壓的功率微分控制，提高SC 對微電網電能供給變動的動態響應，穩定負荷和DG 輸入功率變動導致的微電網直流母線電壓波動。在并網模式下針對SC提出并網電流脈動補償控制策略，通過檢測并網逆變器的輸出電流脈動，利用SC 補償并網電流的脈動功率分量，降低因微電網側輸入功率變動造成的并網電流脈動，抑制穩態工作時微電網中的非線性負載產生的低次諧波，提高微電網系統并網運行的穩定性。

1 光伏直流微電網系統組成與工作過程

本文提出的超級電容儲能的光伏直流微電網電路結構如圖1 所示。

圖1 光伏直流微電網電路結構圖Fig.1 Circuit structure of photovoltaic DC microgrid

圖中：PV 為光伏電池板組件； 電感 L，Q1，和D1組成 Boost 升壓電路；Cdc為直流母線穩壓電容；SC 為超級電容；電感 Lsc與 T1，T2組成雙向DC/DC 電路；Rload為微電網系統負荷；T3～T8構成三相并網逆變器；L1，L2與 Cf組成 LCL 濾波電路；公共耦合點 （Point of Common Coupling，PCC）控制微電網與電網之間的連接；Zg為電網側阻抗。SC 與雙向DC/DC 電路組成超級電容儲能模塊，對系統整體進行調節，維持直流微電網的穩定運行。 由圖1 可知，離網模式下，PCC 斷開，PV 輸出功率供應負荷消耗功率，功率突變時會產生功率差額，導致直流母線電壓突增/降，微電網系統穩定性降低；并網模式下，PCC 閉合，微電網側輸入功率通過三相逆變器逆變成三相交流電輸入電網，輸入功率突變及非線性負載產生的低次諧波，會直接導致電網側的三相電流產生脈動，影響輸入到電網的電能質量。 超級電容儲能模塊并聯在穩壓電容側參與系統整體調節，在離網運行下，SC 通過雙向DC/DC 電路吸收或補償功率差額，穩定直流母線電壓波動，維持功率平衡。在并網運行下，檢測并網逆變器的輸出電流脈動，SC 通過雙向DC/DC 電路對得出的脈動功率進行補償，降低電流脈動，提高輸入到電網的電能質量。

2 SC儲能控制策略

直流微電網系統中DG 及負載功率具有波動性，傳統雙閉環控制在暫態條件下對直流母線電壓的響應較慢，電壓波動幅度較大，并網時存在電網電流脈動的問題。 本文提出了在并離網運行下SC 儲能控制策略，穩定離網運行下直流母線電壓的波動，降低并網運行下的電流脈動，抑制非線性負載產生的低次諧波，提高電能穩定性。

2.1 離網運行SC控制方案

離網運行下直流母線測電壓與功率關系為

式中：Udc為直流母線側電壓；Pdc為直流母線側吸收功率；Cdc為直流母線側電容。

由式（1）可知，直流側功率與電壓存在非線性關系，在暫態情況下傳統雙閉環控制對母線電壓的調節較慢，并且直流母線電壓的波動幅度較大。為了提高SC 對直流母線電壓波動的調節效果，在傳統雙閉環控制中加入直流母線功率微分控制，通過直流母線功率的反饋來提高系統暫態條件下SC 對直流母線電壓的動態響應。

圖2 為SC 儲能控制策略框圖。

圖2 SC 儲能控制策略框圖Fig.2 Control strategy block diagram of SC energy storage

2.2 并網運行SC控制方案

傳統三相并網逆變器的控制策略如圖3 所示。

圖3 并網逆變器傳統控制策略Fig.3 Traditional control strategy of grid-connected inverters

圖中：Udc為直流側母線電壓的參考值；d 軸電流參考值來源于DC 電壓PI 控制器；q 軸電流參考值設定為0；為使功率因數接近于1，控制輸出無功功率為0； 逆變器輸出的并網三相電流 ia，b，c和電壓 ea，b，c，通過 Park 變換得到兩相電流id，iq和電壓 ed，eq； 電網電流控制環的輸出 Ud，Uq作為逆變器的控制信號參考值；ω 為電網電壓的頻率。

在并網過程中，傳統并網逆變器的控制策略存在以下兩種問題。

①暫態過程中PV 和負荷功率突變會直接導致電網電流參考值發生改變，即：

式中：Δid，Δiq為暫態過程中產生的直流分量，直接影響電網電流參考值。

并網逆變器控制方案中的前饋解耦控制ω（L1+L2）iq和 ω（L1+L2）id不包含上述暫態分量，導致電網電流控制環的動態響應變慢，使輸出的電網電流產生脈動。

②當微電網中的DG 和負荷穩定時，系統工作在穩定狀態。但由于微電網存在非線性負載，其產生的低次諧波會導致電網電流產生脈動，影響輸出的電能質量。

由于SC 的快充放電特性，其電流控制環的動態響應要比電網電流控制環要快得多，因此，須要利用SC 電流控制環，補償并網逆變器輸出功率的動態脈動和穩態脈動。SC 電流控制環的設計分析如下。

電網參考功率應和微電網直流側的輸出功率保持平衡，即：

由式（7）可知，注入電網的功率分成3 部分：沒有脈動的穩態分量直流的變化功率高頻分量

除去穩態分量為輸入到電網的實際功率外，需要補償的脈動功率PSC_Ripple為

在穩態工作模式下，電網電流脈動是由非線性負載產生的低次諧波引起，因此，電網電流為

脈動功率PSC_Ripple為

所以SC 總補償功率PSC_Total為

通過上述SC 電流控制器的設計分析，可得SC 并網控制策略，如圖4 所示。

圖4 SC 并網控制策略框圖Fig.4 SC grid-connected control strategy block diagram

三相電流實際值通過Park 變換得到圖4 的輸入變量id，iq，與直流母線電壓Udc及其額定值Uref通過SC 電流控制器得到參考電流，將其與SC 實際電流iSC比較，通過PI 調節及反向后得到兩路 PWM 脈沖，控制開關管 T1，T2的導通。

3 實驗與分析

針對上述分析，搭建了圖1 所示的直流微電網的控制系統實驗模型。相關參數：光伏電池組最大功率為60 kW，在光照強度1 000 W/m2達到最大功率。 直流側穩壓電容Cdc=4.6 mF，直流母線電壓參考值Vdc=400 V； 濾波電路L1=0.3 mH，L2=0.6 mH，Cf=5 μF；超級電容側電感 LSC=0.3 mH，光伏電池板側電感L=0.3 mH，超級電容容量為5 F，額定電壓為220 V，初始電壓為216 V。

離網運行仿真條件設置： 初始光伏電池光照強度 S=1 000 W/m2，4.5 s 后降至 800 W/m2，溫度T=25 ℃，初始時刻負載功率Pload=50 kW，在2 s 時負載功率突變為70 kW，在3 s 時功率突變為30 kW，仿真結果如圖5 所示。

圖5 系統輸入輸出功率波形Fig.5 Input and output power waveforms of the system

由圖5 可知，初始階段SC 充電，吸收剩余功率；在2 s 時，負載功率突增，SC 轉為放電模式，提供額外功率供給負載；3 s 時負載功率突降，SC 轉為充電模式，吸收額外功率；4.5 s 時光照強度降低，光伏輸入功率仍大于負載消耗功率，SC 繼續充電，吸收多余功率。

圖6 為離網運行下SC 儲能控制與傳統控制下的直流母線電壓波形，母線電壓在2，3，4.5 s 時存在波動。

圖6 直流母線電壓波形Fig.6 DC bus voltage waveform

由圖6 可知：傳統控制方案下母線電壓波動范圍在10%以上，并且大約需要0.5 s 恢復至額定電壓值； 而SC 控制方案下的直流母線電壓波動范圍在5%以內，并在0.2 s 內恢復至額定電壓值，微網系統恢復穩定。 因此，SC 儲能控制相較于傳統控制有著更好的暫態響應，對直流母線電壓的調節更快，電壓波形更平滑，波動范圍更小。

并網運行仿真條件設置：初始光伏電池光照強度 S=1 000 W/m2，4 s 后降至 700 W/m2，溫度 T=25 ℃，初始時刻負載功率Pload=20 kW，在4 s 時負載功率突變為15 kW，仿真結果如圖7，8 所示。

圖7 傳統并網三相電流波形Fig.7 Three-phase current waveform of traditional grid connection

圖8 SC 補償并網三相電流波形Fig.8 Three-phase current waveform of super capacitor compensation grid connection

由圖7，8 可知：在4 s 時輸入功率突變，傳統并網控制在輸入功率突變后輸出的三相電流發生振蕩，重新恢復至下一穩定狀態的時間較長；SC補償控制的并網輸出三相電流在0.3 s 內恢復至下一穩定狀態，并且兩種穩態工作狀態的切換更加平滑，不存在波形畸變。

圖9 分別是傳統并網和SC 補償并網的單相電流波形。

圖9 并網單相電流波形Fig.9 Single-phase current waveform in grid connection

由圖9 可知： 傳統控制方案的穩態電流中含有的高頻脈動成份較多，并在4 s 后功率變動的暫態過程中存在電流波形畸變； 而SC 補償控制方案能有效地抑制穩態輸出電流的脈動，所得波形接近于標準正弦波，在暫態過程中電流波形仍接近于正弦波，且電流并未發生畸變，兩種穩態工作狀態之間的過渡過程更加平滑。

4 結論

本文提出了一種應用于光伏直流微電網中的SC 儲能控制方案，利用SC 的快速調節作用來提高微電網系統的供電質量。 設計了兩種工作模式下SC 的儲能控制策略，離網運行下，在傳統電壓電流雙閉環控制方案中加入功率微分控制，提高了SC 對直流母線電壓的動態響應；并網運行下，提出一種并網電流脈動補償控制方案，抑制并網電流的脈動，提高輸入到電網的電能質量。結果驗證了本文提出的SC 儲能控制方案在離網運行下直流母線電壓波動幅度更小，調節速度更快；在并網運行下補償系統的暫態高頻分量，降低了并網電流脈動，使得三相電流可以平滑過渡至下一穩定工作狀態，并在穩定狀態下抑制了低次諧波，提高了并網的電能質量。