含復合儲能的光伏并網控制策略研究

于 傳 張少文 朱海銘

（1.國網安徽省電力有限公司培訓中心，安徽合肥230022；2.安徽電氣工程職業技術學院，安徽合肥230051；3.南京工程學院電力工程學院，江蘇南京211167）

0 引言

太陽能是無窮無盡的，且綠色環保，因此光伏發電是目前清潔能源的主要利用形式之一。但光伏發電快速大規模發展使其缺點更加突出，亟需解決以下兩大問題：（1）光伏發電易受光照、溫度等氣象條件影響，間歇性和不規則性問題明顯，且發電質量較低；（2）光伏發電儲存困難，傳統的儲能技術已經不能滿足未來大規模的綠色能源發展需求。因此，清潔、高效的儲能技術成為解決光伏高效并網問題的關鍵。

太陽能發電和儲能相結合已成為光伏發電未來主要的利用形式。文獻[1]提出了一種分布式集成控制策略，主要包括光伏發電和儲能系統在直流微電網中的集成運用。文獻[2]提出了一種混合光伏/燃料電池系統的建模方法。文獻[3]提出了一種可再生能源和燃料電池混合電源，其儲能裝置適用于分布式發電，PV和PEMFC系統通過DC/DC變換器并聯運行。文獻[4]提出了一種由膜燃料電池、光伏板和超級電容器組成的網格連接能量管理中心，其中光伏模塊采用最大功率點跟蹤控制。文獻[5]提出了利用光伏電池和氫燃料電池的分布式發電系統中的氫管理方法。文獻[6]研究了由光伏與燃料電池混合系統供電的新型電動汽車建模、控制和功率管理。綜上所述，基于復合儲能的光伏發電是未來能源利用的熱門方向，應加強這方面的技術研究和應用。

本文將研究光伏發電和混合儲能模塊，其中儲能模塊主要包括電解槽、燃料電池和鋰電池。各模塊功率都匯集到直流母線再經逆變器輸送到電網中去，控制中心實現整體協調，以此滿足電網不同情況下的負荷需求。

1 含復合儲能的光伏系統結構

混合系統用于提供負荷，保證負荷需求不中斷。考慮到清潔環保的問題，使用可再生能源，如太陽能、氫能等。除能源外，混合系統還包括直流或交流轉換器、存儲系統和控制管理系統，所有這些組件都可以通過公共的直流母線來連接。本文搭建的復合系統結構如圖1所示。

圖1 光儲復合系統結構圖

由圖1可知，結構圖左側PV模塊、EL模塊、FC模塊、LIB模塊并聯于直流母線，右側是逆變器并網系統。PV提供能量給EL，EL電解水產生氫氣，氫氣除了可以直接使用外，還能當作燃料供給電池，提高了出力效率；LIB吸收或消納不平衡功率。中心控制單元會根據各單元模塊的運行參數來判定系統運行狀態，并隨即給出控制信號，保證直流母線電壓穩定不變，通過DC/AC連接到電網的功率平滑。

在搭建的系統中，直流母線電壓動態方程會對每個單元與電網之間的電氣連接造成影響。通過協調光伏發電模塊、電解槽制氫模塊、燃料電池模塊和鋰電池模塊流入/流出直流母線的總電流可以確保母線電壓不會大幅度波動，并且系統功率實現互補。其中，流入/流出PV模塊、EL模塊、FC模塊和LIB模塊的電流與直流電壓滿足方程式：

式中：Ipv、Ifc、Iel、Ilib、Igrid分別為流入/流出PV模塊、FC模塊、EL模塊和LIB模塊的電流，以及流入DC/AC變流器的電流。

2 光儲系統控制策略

考慮到需要電能產生氫氣的電解槽、需要氫氣發電的燃料電池，以及需要利用鋰電池能量密度高、能夠快速充放電來消除系統功率不平衡量等特性，采用并網逆變器控制和每個單元層的電源管理策略來實現有源電網連接。

2.1 光伏發電控制策略

PV系統采用MPPT控制策略，其控制模塊主要由三部分組成，分別是最大功率點跟蹤（MPPT）、Boost升壓控制、逆變器控制。具體控制策略如圖2所示。

圖2 光伏發電控制策略

首先需要通過Boost升壓電路來提高由于光伏發電不穩定導致的較低輸出電壓，然后再接入逆變器送入電網。將光伏模塊的輸出電壓Upv和電流Ipv送入MPPT控制模塊，得到光伏最大功率運行點。將輸出電壓Upv和參考電壓Upv_ref進行比較，再通過PI控制器實現閉環控制，得到脈沖控制信號g，從而實現期望的輸出電壓值。

其中，控制信號g的表達式為：

2.2 燃料電池控制策略

燃料電池需要滿足敏感負載需求，以保持在不同運行情況下的持續供電。其系統控制模塊主要由DC/DC變換器組成，具體控制策略如圖3所示。

圖3 燃料電池控制策略

如圖3所示，系統以協調各模塊功率為目的產生參考功率Pfc_ref，FC模塊將功率參考值和實際值的誤差通過PI控制器實行電流閉環控制，再根據Ifc_ref與Ifc兩者的誤差產生控制信號Tfc，由Tfc來調整FC模塊輸出電壓。

2.3 鋰電池儲能控制策略

混合系統協調控制中的LIB單元控制策略具體如圖4所示。LIB單元通過快速充電和放電，并采用恒定功率控制，可以吸收/發出因為EL和FC響應延遲而引起的系統功率不平衡量。具體控制如下：參考功率Pref，除以LIB端電壓Udclib，可以得到電流參考值Ilibref。最后通過PI控制器進行閉環控制，根據Ilibref與Ilib的誤差值產生控制信號gt1和gt2，由gt1和gt2來調整LIB模塊輸出電壓。

3 仿真結果分析

在第2節所建控制模型的基礎上，通過PSCAD/EMTDC來搭建整體系統模型，深入研究含復合儲能系統的光伏并網控制運行，具體仿真工況分析如下：

設定光照強度G=1 000 W/m2，T=25 ℃，Pfcref=Pelref=Plcref=0.05 MW。由仿真結果得PV出力Ppv=0.265 MW，燃料電池發電Pfc=0.05 MW，EL消納功率Pel=0.05 MW，LIB輸出功率Plib=0.05 MW，網側負荷需求Pgrid=0.3 MW。PV出力和燃料電池總功率小于網側負荷需求和EL消納功率之和，此時系統有功功率缺額為Pnet=Ppv+Pfc-Pgrid-Pel=-0.035 MW，LIB快速動作，補充有功缺額，LIB處于放電狀態。

當系統運行到1.5 s時，增加PV出力和減少電解槽額定消納功率。改變光照強度G=1 300 W/m2，T=25 ℃，Pelref=0.04 MW，Pfcref=Plcref=0.05 MW。仿真結果如圖5所示。

圖4 鋰電池儲能控制策略

圖5 混合系統仿真結果

圖5仿真結果表明，1.5 s時電流明顯增大，負荷需求變為Pgrid=0.4 MW。PV模塊電壓、電流、功率均有明顯增長，PV出力增長為Ppv=0.35 MW；EL模塊電壓、電流、功率均有明顯下降，EL消納功率降為Pel=0.04 MW；燃料電池發電Pfc=0.05 MW；LIB 輸出功率Plib=0.05 MW。此時系統所缺有功功率為Pbus=Pgrid+Pel-Ppv-Pfc=0.04 MW，LIB快速動作，補充系統的有功功率缺額，LIB處于放電狀態。隨著LIB放電時間的增加，其端電壓不斷下降，當仿真運行到Ulib=Ulib_min時，LIB退出運行。LIB補充的功率即為系統功率缺額。

仿真結果表明，在混合系統中，PV模塊以最大功率運行，向電解槽和燃料電池供電。鋰電池作為有干擾時提供負載的主電源，能夠快速實現完全充電和放電，實現四個模塊之間的協調控制。

4 結語

本文給出了含混合儲能的光伏系統結構，并搭建了每個模塊的控制模型和系統模型，通過仿真結果之間的比較可以充分驗證所構建集成系統各單元模型的準確性以及所提控制策略的有效性。結果表明，使用PV、EL、FC和LIB混合電網連接可以實現集成系統的可控輸出，維持電網功率平穩，使直流母線電壓保持恒定，還可以降低光抑制率，保證系統安全可靠運行。