光伏微電網中電儲能系統控制策略研究

高 飚

（新疆粵水電能源有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

電能是清潔能源的一種，在我國人民生活和生產中具有不可替代的作用。從前，我國電力方面的能量主是以河流、煤炭為動力源進行水力和火力發電。然而，煤炭資源日益減少，水資源無法有效控制，人們在電力方面的需求日益增長，所以光能發電成為相關研究者的主要研究方向[1]。生物質能、太陽能光伏以及風力發電是我國現階段3種較為清潔的發電方式。近年來，光伏發電發展極其迅速，得到了極其廣泛的應用。光伏發電是一種新能源發電技術，以中小規模為主進行建設，構成一個微網系統接入我國電網系統。

1 光伏微電網中發電系統分析

1.1 光伏微電網中發電系統

現階段，借助并網控制逆變器連接當地電網，是光伏電源的主流應用方式。這一供電方式可以借助電網再分配系統發的電能，而分析發電系統可以更好地控制儲能系統。因此，立足于光伏發電系統的構成和使用目的不同，可以分為以下幾類（如圖1所示）。

1.1.1 有逆流型光伏并網發電系統

電能充足的情況下，這一系統可以在大電網進行反饋。有逆流是指光伏電站向電網反饋的電流方向恰好相反于大電網[2]。在光伏電站供給不足時，由電網補充負載所需電量，使負載能夠正常運行。

1.1.2 無逆流光伏并網發電系統

和有逆流型光伏并網發電系統類似，當電流供應不足的時候，主要依靠電網的補充，但這一系統不會把電輸給電網，控制難度不大。

1.1.3 切換型光伏并網發電系統

這種并網發電系統可以靈活運行，可以有效應對較為復雜的外部狀況。比如：天氣晴朗時，系統運行處于逆流狀態；陰雨連綿時，切換器自動切換到電網供電一側，由電網供電給負載。如果電網因為某種原因導致供電發生中止，開關切換能斷開系統和電網保持運行獨立。受這一系統各種特性的影響，為了在獨立運行過程中滿足當地實際情況對負荷正常運行的要求，需要復雜性更強的控制系統。

圖1 并網系統

1.1.4 有儲能裝置的并網光伏發電系統

這種系統是把儲能裝置配備在以上幾種光伏并網發電系統中，增強系統的自主性，在醫療站和緊急通信等場所具有特別的應用優勢[3]。

1.2 光伏發電并網對電網繼電保護的影響

通常，單電源的放射狀鏈式結構在傳統電網中最為常見，在電網中引入光伏發電后，放射式的無源網絡就發生了變化，即變成了一個有源網絡，其中分布有中小型電源。潮流的流向也被改變，即不再單向地從變電站母線向各負荷傳輸。電網的各種保護定值和機理也深受電網這一變化的影響。傳統的繼電保護設計均是假設電力系統的結構都為放射狀鏈式，而隨著電力系統中大量介入光伏發電設備，所以也在很大程度上改變了這一區域供電系統的結構，使局部電網短路電流的分布發生了變化，由此也在一定程度上讓這一區域的電力系統繼電保護和安全自動裝置的配置與動作整定變得更加困難，從而讓繼電保護和安全自動裝置在動作上的不正確。現階段，電力系統中光伏發電已有著非常廣泛的應用，進而也開始深入探討其對電網保護配合的影響。

1.3 光伏發電并網對自動重合閘的影響

自動重合閘屬于自動裝置的一種，其是把由于故障跳開后的斷路器根據需要自動投入。自動重合閘裝置應用于電力系統中，讓供電的可靠性得到了明顯提高，使停電損失大大減少，同時也讓電力系統的暫態穩定水平進一步提高，使線路的送電容量增強。當配電網接入光伏系統后，如果保護由于故障動作而出現跳閘的情況，而光伏系統沒有從線路解列，由此便形成了一個電力孤島，其電力由光伏系統提供。雖然這些電力孤島可讓功率與電壓的運行保持在額定值附近，但無疑也威脅到了自動重合閘。

2 光伏微電網中電儲能系統控制

2.1 控制系統設計

結合微電網并網后電儲能系統變化，設計光伏微電網中電儲能系統的控制系統，如圖2所示。該系統中不僅包含電網、發電系統、負載系統以及儲能變換器等電路控制系統，還包含儲能控制系統。其中，儲能系統由DSP控制器和繼電保護電路等組成。控制器采取計算運行性能較好的TMS320F28335控制芯片，雙極式變流結構電路做儲能功能變換系統，雙芯片DSP控制四橋臂變流器和DC/DC變換器。此外，預充電模塊防止電流增加損壞開關管。

2.2 具體控制策略

2.2.1 儲能功率變換器控制

微電網中電儲能系統放電狀態與電網系統內部各組成部件的運行特性息息相關，必須定期檢測光伏單元發電情況和負載需求，明確儲能系統充放電運行策略。采用“雙極式四橋臂儲能功率變換器”控制電網、光伏系統以及電流負載等，驗證儲能系統中電池充放電控制策略的有效性。

2.2.2 儲能功率變換系統控制

設計中的儲能功率變換系統在三相電網調整電壓和電流后持續為蓄電池充電，電壓的等級相對較高。根據光伏微電網發電系統分析，儲能系統配置的儲能單元功率要求非常高，實際中可以擴充電池組，其中DC/DC變換器參數可參考文獻[4]。

2.2.3 DSP核心控制電路

圖2 光伏微電網中電儲能系統的控制系統設計

DSP核心控制電路主要對系統采樣數據進行運算處理，設定系統控制闡述，發出相應的控制指令，從而實現控制目標。DSP核心控制電路芯片對運算速度、外設接口以及功能要求非常高，必須滿足變流器環節和DC/DC環節的控制要求。

3 控制結果

系統對各控制系統進行仿真驗證，借助Matlab系統搭建系統仿真模型電路。驗證結果顯示：指令電流、電壓以及鎖相環等相關因素都滿足基本控制要求，發電系統對該系統的影響相對較小。儲能功率變換系統可以有效控制電池充放電，還可以補償三相負載所造成的不平衡和諧波等問題，系統整體運行效果良好。這進一步驗證了儲能運行實施方案的可行性，不僅可以改善電網運行電能質量，而且進一步降低了應用成本，對促進微電網儲能系統和電網整體安全有一定的積極意義。

4 結 論

現階段，智能電網和能源互聯網的發展越來越快，電網中正不斷接入光伏發電等再生能源和清潔能源。電網由單電源放射狀網絡向多電源供電網絡轉變，必須重視由短路電流、電壓水平以及潮流分布等因素造成的影響。傳統儲能系統動作性能和動作行為受到影響很大，必須探討光伏微電網中電儲能系統控制策略，才能滿足智能電力系統轉型升級需求。