含脈沖負載光儲微電網運行特性研究

崔灝然 王金全 黃克峰 姚衛波 周美權

含脈沖負載光儲微電網運行特性研究

崔灝然 王金全 黃克峰 姚衛波 周美權

（陸軍工程大學國防工程學院，南京 210007）

脈沖負載的暫態特性會對光儲微電網的穩定運行產生不利影響，為了分析含脈沖負載光儲微電網的運行特性，探究提升光儲微電網電能質量的途徑，本文對含脈沖負載的光儲微電網進行仿真建模和試驗測試，分析脈沖負載峰值功率L、脈沖周期及占空比對光儲微電網交直流母線電能質量的影響規律，并進一步探究光照強度變化對含脈沖負載光儲微電網穩定運行的影響，為含脈沖負載光儲微電網的應用設計提供依據。

微電網；脈沖負載；下垂控制；建模仿真；光伏發電

0 引言

近年來，為改變以化石能源為主的發電現狀，推動電能供給側結構的轉型，緩解全球環境污染問題，以太陽能、風能為代表的可再生能源越來越受到重視。在微電網中，光伏發電的穩定性受到天氣等因素的制約，需要并入儲能系統對電能進行消納，維持系統內供電穩定，這樣就構成了光儲微電網[1-2]。隨著軍事裝備的更新換代，以相控陣雷達為代表的先進裝備被廣泛應用。雷達的負荷特性呈連續脈沖狀，這類負荷被稱為脈沖負載[3]。采用多源并聯的光儲微電網為脈沖負載供電，一方面可以增強雷達等重要負荷的供電可靠性，另一方面由于太陽能等新能源的引入，可以減少柴油發電機的燃油消耗，達到節能減排的目的[4]，特別是能夠緩解偏遠地區油料運輸、存儲的壓力，具有重要的實用價值。但這類微電網容量有限，光伏功率輸出具有強烈的隨機性，脈沖負載帶來的高頻率、高功率連續沖擊會造成母線電能質量下降。

針對含脈沖負載微電網的相關研究，多以柴油機、儲能系統、直流微電網、市電接逆變器帶脈沖負載為主。文獻[5]構建柴油發電機-整流器-雷達脈沖負載的試驗平臺，分析濾波電容、脈沖負載的峰值功率、占空比和開關周期對系統動態特性的影響規律。文獻[6]將模糊控制引入柴油機調速系統中，減少脈沖負載條件下柴油發電機的轉速波動，改善發電機輸出電能質量。文獻[7]針對逆變器帶脈沖負載系統進行仿真建模和試驗測試，分析脈沖負載不同工作模式對逆變器運行的影響規律，但是直流端采用恒壓源為逆變器供電，相當于系統容量無限大，削弱了脈沖負載對系統的影響。文獻[8-9]以現代電子雷達為研究對象，提出脈沖負載新型等效拓撲，建立基于開關函數的脈沖負載大信號模型。文獻[10-11]針對直流微電網，利用超級電容快速響應的特性，構建混合儲能供電的結構，抑制直流微電網中脈沖負載引起的功率波動。但是雷達多為交流負載裝備，在供電時只能將其看作“黑箱”，無法改變其內部直流系統結構，在工程應用中難以直接使用直流母線為雷達負載供電。文獻[12]針對交直流微電網并網和孤島兩種工作模式，提出多源協調潮流控制策略，提升了脈沖負載條件下微電網的穩定性，但是所用脈沖負載的脈沖頻率很低，與雷達負載實際工況有較大差距。

結合工程實際，本文以交直流混合微電網為研究背景，構建“光伏+儲能+逆變器+脈沖負載”的拓撲結構，搭建相應的仿真和試驗平臺。通過仿真和試驗分析脈沖負載不同工作模式對微電網電能質量的影響規律；通過仿真進一步探究脈沖負載條件下，光照強度變化對光儲微電網穩定運行的影響。

1 脈沖負載條件下光儲微電網結構

本文采用文獻[12]提出的離網型光儲微電網結構，在確保脈沖負載條件下系統穩定運行的基礎上，可以充分利用可再生能源，其結構如圖1所示。光伏單元與儲能單元并聯在直流母線，經過逆變器將電能轉換為交流電，為交流母線負載供電。儲能單元采用恒壓控制，光伏單元采用最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）控制，交流母線的電壓和頻率由逆變器控制。

圖1 微電網系統結構

1.1 光伏發電單元建模

光伏發電陣列由多個光伏電池經過串并聯組成。光伏電池的精確模型十分復雜，部分參數很難直接測量，不便于研究。為此，文獻[13]推導了實用性較強的模型，該模型使用光伏電池的4個主要電氣參數：標準條件下（光照強度ref=1 000W/m2、溫度ref=25℃）短路電流scref、開路電壓ocref、最大功率點電壓mref和最大功率點電流mref的測試參數。非標準條件下的-方程[13]為

非標準條件下的短路電流sc、開路電壓oc、最大功率點電壓m和最大功率點電流m分別為

式中：air為空氣溫度；為溫度系數，其值為0.03℃·m2/W；補償系數、、分別為0.002 5℃、0.5m2/W、0.002 88℃；為實際光照強度。

在Matlab/Simulink環境中，通過式（1）和式（2）搭建光伏仿真模型，設置參數oc=175.12V，sc=23.79A，m=146.32V，m=20.50A，最大功率為3kW。采用Boost升壓電路作為直流母線側光伏模塊的接口電路，用最大功率跟蹤控制來實現光伏發電控制，具體的控制算法已經較為成熟，此處不再贅述。

1.2 蓄電池儲能單元建模

直流母線是微電網中各個直流端口連接的橋梁，分布式發電單元輸出功率具有較大的隨機性，同時脈沖負載也持續帶來高頻功率擾動，對直流母線的電壓穩定造成不利影響。儲能單元可以通過充放電控制保持母線上的功率平衡，穩定直流母線電壓。

儲能單元由蓄電池和雙向DC-DC變換器組成，圖2為儲能單元的結構。蓄電池采用通用模型，由內阻和受控電壓源串聯組成[14]。在運行過程中，通常保持不變，的計算式為

式中：E0為內電動勢；Cmax為蓄電池的最大容量；Qe為放電量；A、B、K均為擬合參數，通過蓄電池的放電特性曲線得到；Aexp(-BQe)用于描述初始放電階段的指數特性。根據式（3）建立蓄電池通用模型，設置參數E0=108.724V，R=0.02W，K=0.021 008，A=9.272 4，B=0.3。

雙向DC-DC變換器采用電壓電流雙環控制。dc為直流母線電壓，b為蓄電池的電壓；dc為直流母線側電容，b為蓄電池側電容，為電感。圖3為雙環控制框圖，電壓外環中，采集直流母線實際電壓dc與參考電壓dcref比較得出的差值，經過PI調節器后作為內環電流參考值bref送入電流環，并與蓄電池電流b比較，得出的差值經過PI調節器送至PWM調制器，生成控制信號，實現對蓄電池充放電的控制。

圖3 雙環控制框圖

1.3 逆變器建模

逆變器是離網型微電網中的關鍵環節，保持輸出電壓和頻率的穩定，實現能量的雙向流動。圖4為三相電壓型逆變器的電路原理，由于系統中線路比較短，可以忽略線路阻抗的影響。逆變器由逆變環節、接口電路和控制環節組成，直流側與直流母線相連接，交流側經濾波電路與交流母線相連。

圖4 三相電壓型逆變器電路原理

逆變器常用的控制方式有：控制、/控制、下垂控制及虛擬同步機控制。下垂控制是通過模擬發電機功頻特性使分布式電源共同參與維持系統頻率和電壓的穩定，可實現多逆變器并聯的無通信控制。本文采用下垂控制作為逆變器的控制方式，便于后期多逆變器并聯的研究，其簡化等效電路如圖5所示。

圖5 簡化等效電路

圖5中，∠為分布式電源輸出電壓，∠0為交流母線電壓，為電壓幅值，為電壓功角，j為線路阻抗。當線路阻抗為感性時，分布式電壓輸出有功功率和無功功率為

由式（4）可知，當線路等效為感性時，分布式電源輸出有功功率取決于，無功功率取決于，實現和的下垂控制，其核心控制方程為

式中：0、0分別為逆變器額定輸出的有功功率和無功功率；分別為逆變器實際輸出的有功功率和無功功率；f、u分別為有功/頻率下垂系數和無功/電壓下垂系數；0、0分別為逆變器頻率和電壓的參考值。

圖6為下垂控制框圖，首先通過測量分布式電源輸出的有功功率和無功功率，利用下垂特性確定和的參考值，經過電壓電流雙環控制器生成SPWM調制參考信號，進而控制逆變器。

圖6 下垂控制框圖

1.4 脈沖負載建模

脈沖負載的種類多種多樣，其中相控陣雷達是連續脈沖負載典型代表。相控陣雷達陣面由多個T/R組件構成，在信號發射時輸出功率很高，而在信號接收時輸出功率很低，因此相控陣雷達的負荷特性呈現出峰值功率高、平均功率低、脈沖周期為毫秒級的脈沖特性[3]。根據雷達負載工作實際情況，構建如圖7所示的脈沖負載等效模型，由整流器、DC-DC穩壓電路和直流開關負載組成。采用三相不控整流器將交流電整流為直流，經過Buck變換器穩壓后為直流開關負載供電，控制開關SL的通斷使負載特性呈脈沖狀，通過改變開關SL的開關周期、占空比和電阻L的阻值，使脈沖負載呈現出不同的工作模式。

圖7 脈沖負載模型

2 含脈沖負載光儲微電網運行特性研究

根據圖1的結構，在Matlab/Simulink仿真平臺中搭建暫態仿真模型，同時構建實物試驗平臺，試驗裝置如圖8所示。儲能單元由多個蓄電池串聯組成，最大輸出功率為15kW，光伏單元采用Chroma公司62050H—600S光伏模擬器，最大輸出功率為3kW，脈沖負載結構如圖7所示，使用高速同步數據采集系統采集試驗數據，采樣頻率48kHz。仿真與試驗參數設置一致，主要參數見表1。

圖8 試驗裝置

表1 主要參數設置

2.1 脈沖負載條件下電能質量評價指標

在含脈沖負載的微電網中，交流母線電壓、頻率、直流母線電壓始終處在波動中，導致多數描述微電網電能質量的指標不適用于含脈沖負載的微電網。文獻[15]充分考慮脈沖負載條件下微電網的獨特性，提出了電壓相對偏差率（relative deviation rate, RDR）和直流電壓波動率udc、頻率波動率f、交流電壓波動率u，來評價含脈沖負載微電網交直流母線電壓和頻率質量，其表達式分別為

式中：dc_av為采樣周期內直流電壓的平均值；dc_max和dc_min為采樣周期內直流電壓的最大值和最小值；max、min分別為采樣時間內頻率的最大值和最小值；av為頻率的平均值；max、min分別為采樣時間內電壓有效值的最大值和最小值；av為交流電壓有效值的平均值；()為t到t+td時刻采樣的交流電壓；b()為與()頻率、電壓、相位一致的參考正弦信號；d為交流電壓()的周期及脈沖負載工作周期兩者的最小公倍數；bj為t到t+td時刻參考電壓b()的有效值；t為采樣時刻的起始點；為d的整數倍。

2.2 仿真與試驗對比

在試驗和仿真平臺中，設置脈沖負載的峰值功率L為8kW，脈沖周期為56ms，占空比為50%，仿真和試驗結果如圖9所示。圖9（a）和圖9（b）分別為試驗和仿真交流母線電壓波形，圖9（c）和圖9（d）分別為試驗和仿真交流母線電流波形，圖9（e）和圖9（f）分別為試驗和仿真直流母線電壓波形。

從圖9可以看出，脈沖負載導致系統電壓和頻率質量嚴重下降，交流母線電壓電流嚴重畸變，直流母線電壓出現大幅度波動，仿真和試驗波形基本一致，表明了所構建仿真模型的有效性。

2.3 脈沖負載不同工作模式對系統的影響

為了消除光伏功率波動的影響，在仿真和試驗平臺中將環境設置為標準工況（光照強度為1 000W/m2、溫度為25℃）。通過脈沖負載峰值功率L、脈沖周期和占空比的不同組合，改變脈沖負載工作模式，分析脈沖負載不同工作模式對系統的影響，結果如圖10～圖12所示，其中實線為試驗曲線，虛線為仿真曲線。

設定脈沖負載工作周期為56ms，占空比為50%，改變脈沖負載的峰值功率L，系統各項電能指標見表2，多項式擬合曲線如圖10所示。從圖10可以看出，隨著峰值功率L增加，負載對系統的沖擊越強烈，f、u、RDRudc均呈上升趨勢。

表2 峰值功率PL變化時各項電能指標

圖10 改變峰值功率PL時系統電能質量

表3為脈沖負載峰值功率L=12kW，占空比= 50%，改變脈沖負載的脈沖周期，系統各項電能指標參數，圖11為對應的多項式擬合曲線。從圖11可以看出，脈沖周期增加時，udc、f、u、RDR均先上升后下降。分析其原因，當較小時，脈沖負載變化速度比較快，系統中的濾波電容能夠補償脈沖負載帶來的沖擊，系統電能質量較好；隨著不斷增加，脈沖周期已經超過系統中濾波電容的充放電時間，不足以補償脈沖負載帶來的沖擊，此時系統電能質量逐漸惡化；當增大到一定程度時，脈沖負載對于系統而言可以等效為階躍負載，此時系統電能質量逐漸好轉。

表3 脈沖周期T變化時各項電能指標

圖11 改變脈沖周期T時系統電能質量

表4為脈沖負載峰值功率L=15kW，脈沖周期=56ms，改變脈沖負載的占空比，系統各項電能指標參數，圖12為對應的多項式擬合曲線。從圖12可以看出，占空比增加時，f、u、udc均先上升后下降，并在≈50%左右時達到最大。分析其原因，當趨于0時，脈沖負載平均功率較小，對系統沖擊弱，f、u、RDRudc值較小；當在50%附近時，脈沖負載平均功率變大，脈沖特性逐漸增強，對系統的沖擊較強，f、uudc值達到最大；當趨近于100%時，因為脈沖負載內部結構含有不控整流器，可等效為整流型負載，對系統沖擊減弱，f、u、udc值逐漸減小，但此時因負載功率較大，諧波功率也會較大，使電壓波形發生畸變，此時RDR值仍比較高。

表4 占空比D變化時各項電能指標

圖12 改變占空比D時系統電能質量

通過以上分析可以得出：試驗和仿真結果具有較高一致性，能夠反映脈沖負載參數變化對光儲微電網運行的影響，當脈沖負載峰值功率L越高、占空比為50%～60%、脈沖周期為60～80ms時對系統電能質量影響最大。采用光儲單元為逆變器供電，脈沖負載會使交流母線電能質量惡化，直流母線電壓出現較大范圍波動，交直流母線電能質量難以滿足為其他負載正常供電的要求。

2.4 脈沖負載條件下光照強度對系統的影響

在仿真平臺中，設置脈沖負載工作模式不變，環境溫度保持25℃，改變光照強度，分析脈沖負載條件下光照強度波動對系統的影響。為貼近實際情況，本文采集實際環境中兩個小時的光照變化，將其作為仿真中光伏單元的光照強度。光照強度變化情況如圖13所示。

圖13 光照強度變化情況

設置仿真時長為6.5s，0.5s時逆變器啟動，1s時交流母線接入10kW恒功率負載，3s時接入脈沖負載。脈沖負載峰值功率L為16kW，占空比為50%，脈沖周期為56ms。光伏單元參數設置為oc=350.2V，sc=63.4A，m=292.6V，m=61.5A，使標準工況下光伏單元輸出最大功率點為18kW，其他仿真參數與2.3節保持一致。光照強度波動仿真結果如圖14所示。

由圖13和圖14（a）可知，光伏單元輸出功率能夠跟隨光照強度的變化，實現最大功率跟蹤。從圖14（b）可以看出，在恒功率負載條件下，直流母線電壓穩定在520V附近；在脈沖負載條件下，直流母線電壓出現較大幅度波動。分析圖14（a）～圖14（d）可以得到，隨著光照強度的變化，蓄電池和光伏單元的輸出功率互補，能夠滿足系統內功率需求。當光照強度在900～1 000W/m2時，在恒功率負載條件下，蓄電池出現正常充放電切換狀態；在脈沖負載條件下，蓄電池處于高頻充放電切換狀態，且充放電頻率與脈沖負載頻率相關。這是因為脈沖負載產生的能量沖擊直接影響蓄電池的輸出功率，當光伏單元輸出功率與負載平均功率接近時，蓄電池因為脈沖負載功率波動而處于高頻充放電切換狀態，影響系統的可靠性和蓄電池的使用壽命，在含脈沖負載實際工程中，應盡量避免出現光伏單元輸出功率與負載平均功率接近的情況。

圖14 光照強度波動仿真結果

3 結論

相控陣雷達等脈沖負載工作時，會影響光儲微電網的穩定運行。本文對含脈沖負載光儲微電網進行了仿真建模和試驗測試，分析了脈沖負載占空比、峰值功率L和脈沖周期對系統運行規律的影響；探究了脈沖負載條件下光照強度對光儲微電網的影響，得到以下結論：

1）脈沖負載工作時，造成光儲微電網頻率波動、直流電壓波動、交流電壓波動。當脈沖負載峰值功率L越高、占空比為50%～60%、脈沖周期為60～80ms時對系統電能質量影響最大。

2）在脈沖負載條件下，隨著光照強度的變化，當光伏單元輸出功率與負載平均功率接近時，會使蓄電池處于高頻充放電切換狀態，影響系統的可靠性和蓄電池的使用壽命，應避免系統處于這種狀態。

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Research on operating characteristics of photovoltaic and battery microgrid with pulsed load

CUI Haoran WANG Jinquan HUANG Kefeng YAO Weibo ZHOU Meiquan

(College of Defense Engineering, Army Engineering University of PLA, Nanjing 210007)

The transient characteristics of the pulse load have an adverse effect on the stable operation of the photovoltaic and battery microgrid. In order to analyze the operation law of the photovoltaic and battery microgrid with pulsed load, explore methods to improve the power quality of the photovoltaic and battery microgrid, this paper conducts simulation modeling and experimental testing on the photovoltaic and battery microgrid with pulsed load, analyzes the impact of pulse load peak powerL, pulse periodand duty cycleon the power quality of the AC-DC bus of the photovoltaic and battery microgrid, and explores the influence of light intensity change on the stable operation of the photovoltaic and battery microgrid with pulsed load. It provides an important basis for the application design of the photovoltaic and battery microgrid with pulsed load.

microgrids; pulsed load; droop control; modeling and simulation; photovoltaic power generation

2022-01-17

2022-02-25

崔灝然（1997—），男，陜西省渭南市人，碩士研究生，主要研究方向為新能源發電與智能電網。

江蘇省青年科學基金（BK20190574）