低壓配電網(wǎng)中分布式光儲(chǔ)系統(tǒng)的電壓協(xié)調(diào)控制策略

李風(fēng)洲，李永富

（深能南京能源控股有限公司，江蘇 南京）

引言

低壓配電網(wǎng)電壓跳變是一種局部的、相互聯(lián)系的現(xiàn)象，單純的有功控制和無功控制在電壓調(diào)控方面所起到的作用非常有限，現(xiàn)有的控制手段在很多時(shí)候都無法適應(yīng)大規(guī)模分布式光伏并網(wǎng)的運(yùn)行需求[1-2]。近年來，隨著儲(chǔ)能技術(shù)日趨成熟、成本不斷下降，分布式儲(chǔ)能在提高低壓配電系統(tǒng)電壓品質(zhì)、促進(jìn)新能源消納等方面受到廣泛關(guān)注。為深化分布式光儲(chǔ)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，下文將對(duì)此展開研究。

1 建立分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)模型

在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，直流變換器（DC-DC）所發(fā)揮的作用是十分重要的，通常情況下，在使用中，將直流變換器劃分為兩種類型，其中一種為隔離式變換器，另一種為非隔離式變換器，相比前者，后者的結(jié)構(gòu)更為簡單，且更容易操作、控制，因此，在綜合考慮后，選擇非隔離式變換器作為儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要構(gòu)成[3-4]。其中非隔離式變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 非隔離式變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意

通常情況下，非隔離式變換器的運(yùn)行模式有兩種，分別為升壓模式、降壓模式，根據(jù)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在Simulink 中，輔助計(jì)算機(jī)，進(jìn)行光儲(chǔ)系統(tǒng)變換器模型中元件參數(shù)的設(shè)置，如表1 所示。

表1 光儲(chǔ)系統(tǒng)變換器模型中元件參數(shù)設(shè)置

在此過程中，應(yīng)明確光儲(chǔ)系統(tǒng)變換器模型中直流變換器雙向控制的目的是維持負(fù)載一側(cè)，直流電壓的輸出穩(wěn)定，因此，可以將控制環(huán)的外環(huán)稱之為電壓環(huán)，為實(shí)現(xiàn)對(duì)電感電流的有效控制，并確保電感電流在有效、合理范圍內(nèi)波動(dòng)，將電感電流控制環(huán)稱之為內(nèi)環(huán)，通過對(duì)內(nèi)環(huán)、外環(huán)的結(jié)合控制，實(shí)現(xiàn)直流變換器的雙向控制，控制邏輯如圖2 所示。

圖2 直流變換器的雙向控制邏輯

將圖1 與圖2 所示的內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合，將其在Simulink 中進(jìn)行模型的構(gòu)建，即可生成分布式光伏系統(tǒng)并網(wǎng)模型[5]。

2 電壓協(xié)調(diào)控制策略

2.1 基于光伏逆變器剩余容量的電壓控制策略

在低壓配電網(wǎng)中分布式光儲(chǔ)系統(tǒng)的光伏逆變器有功功率輸出可以起到電壓提升的作用。另外，光伏逆變器輸出的無功既可以像無功補(bǔ)償裝置那樣提升電壓，又可以像負(fù)荷那樣從電網(wǎng)中吸收無功，進(jìn)而降低電壓。所以，對(duì)于電壓越限，即電壓不在規(guī)定的允許范圍內(nèi)，要綜合考慮降低調(diào)壓成本的因素，優(yōu)先利用光伏逆變器自身的可用剩余容量，調(diào)節(jié)電壓[6]。考慮到目前大部分戶用光伏并網(wǎng)逆變器都具有通信調(diào)度的特性，通過外部方式實(shí)現(xiàn)光伏逆變器的無功外環(huán)控制。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)光伏逆變器的剩余容量，采用電壓控制策略對(duì)其進(jìn)行控制，從而產(chǎn)生無功指令Qref 及有功指令Plim。在控制過程中，首先對(duì)光伏逆變器并網(wǎng)的電壓、電流值進(jìn)行采集。其次，在電壓控制裝置中，判斷電壓是否在規(guī)定的范圍內(nèi)出現(xiàn)了越限情況[7]。隨后，通過電壓控制策略得到調(diào)節(jié)電壓在合理范圍內(nèi)所需有功功率限值和無功功率。最后，將得到的參數(shù)傳遞給光伏逆變器，以此達(dá)到調(diào)節(jié)電壓的目的。

無功功率中包含兩個(gè)分量，分別為 Qref 1和 Qref2。在電壓出現(xiàn)越上限的情況時(shí)，此時(shí)無功功率 Qref1為0，因此最終的無功功率 Qref的輸出設(shè)定為兩個(gè)分量之和。同理，當(dāng)電壓出現(xiàn)越下限的情況時(shí)，此時(shí)無功功率 Qref 2為0，因此最終的無功功率 Qref 輸出也可設(shè)定為兩個(gè)分量之和。通過這種方式可以有效降低控制的難度。結(jié)合上述邏輯，繪制無功功率隨電壓變化的曲線圖，如圖3 所示。

2.2 儲(chǔ)能參與調(diào)壓的控制策略

在上述基于光伏逆變器剩余容量的電壓控制邏輯基礎(chǔ)上，若光伏逆變器當(dāng)中的可用剩余容量存在無法將電壓越限問題完全消除的情況，再選擇利用儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)電壓控制調(diào)節(jié)。將儲(chǔ)能荷電狀態(tài)變化量定義為△ S OC，△ SOC 為一致性變量。這一變量的應(yīng)用不僅能夠充分考慮到儲(chǔ)能安裝容量的差異問題，同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能功率與SOC 的同步控制。

當(dāng)光伏逆變器的剩余電量用完后，若主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)的電壓超過上限值問題仍未解決，那么就會(huì)把減少的有功部分存儲(chǔ)到儲(chǔ)能電池中，對(duì)儲(chǔ)能進(jìn)行充電，從而提高SOC。當(dāng)系統(tǒng)中的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)電壓超出下限的問題仍未得到解決時(shí)，系統(tǒng)將會(huì)釋放能量，從而使系統(tǒng)的SOC 降低。相應(yīng)的主導(dǎo)節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)能SOC 計(jì)算為：

式中：S OCmin代表儲(chǔ)能SOC 下限值；S OCmax代表儲(chǔ)能SOC 上限值。

2.3 光伏逆變器與儲(chǔ)能協(xié)調(diào)的電壓控制策略

在充分考慮經(jīng)濟(jì)因素的前提下，當(dāng)?shù)蛪号渚W(wǎng)發(fā)生電壓越限時(shí)，優(yōu)先選擇使用光伏逆變器的剩余容量來調(diào)節(jié)電壓。當(dāng)電網(wǎng)剩余容量較小，且過壓現(xiàn)象仍然存在時(shí)，可在電網(wǎng)中引入蓄電系統(tǒng)，通過蓄電系統(tǒng)的充電和放電，使電網(wǎng)的電壓保持在一個(gè)合理的范圍。在此部分中，提出一種以光伏逆變器和鋰離子電池為基礎(chǔ)的協(xié)同電壓控制方法。本文提出的電壓協(xié)調(diào)控制方法分兩個(gè)階段進(jìn)行，在發(fā)現(xiàn)有過高電壓時(shí)，從經(jīng)濟(jì)角度進(jìn)行研究。對(duì)光伏逆變器進(jìn)行電壓控制的研究，如果光伏逆變器的剩余容量已用完，但過壓問題仍然沒有得到有效的解決，再進(jìn)行能量儲(chǔ)存的電壓控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的有效控制。具體如下：

第一階段：當(dāng)電壓超過下限值時(shí)，此時(shí)光伏逆變器的有功一直處于MPPT 狀態(tài)。除此之外，光伏逆變器還會(huì)輸出電容式無功。這個(gè)時(shí)候，就會(huì)使用Qmax進(jìn)行限制，如果剩余容量耗盡，仍然會(huì)出現(xiàn)電壓過下限的問題。其次，引進(jìn)鋰離子電池的儲(chǔ)能，將這些儲(chǔ)能釋放出來，通過兩者的配合，來實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的調(diào)整。

第二階段：當(dāng)電壓超過上限值時(shí)，光伏逆變器輸出感性無功，非必要不減少有功功率。此時(shí)，以Spv限幅，如果剩余容量耗盡，仍然存在電壓越上限問題，則削減其有功功率，給儲(chǔ)能電池充電，將其儲(chǔ)存到鋰離子電池中備用，通過協(xié)調(diào)來滿足電壓調(diào)節(jié)需求。

3 電壓協(xié)調(diào)控制效果分析

繪制某一測(cè)試時(shí)段內(nèi)的電壓協(xié)調(diào)控制前、電壓協(xié)調(diào)控制后的光儲(chǔ)系統(tǒng)儲(chǔ)能電池輸出電壓波形圖，如圖4 所示。

圖4 某一測(cè)試時(shí)段內(nèi)的電壓協(xié)調(diào)控制前、電壓協(xié)調(diào)控制后的光儲(chǔ)系統(tǒng)儲(chǔ)能電池輸出電壓波形

結(jié)束語

根據(jù)此次研究，得到如下所示的結(jié)論：根據(jù)圖4光儲(chǔ)系統(tǒng)儲(chǔ)能電池輸出電壓波形圖中的兩條曲線變化趨勢(shì)可以看出，在測(cè)試時(shí)段內(nèi)，協(xié)調(diào)控制前的系統(tǒng)儲(chǔ)能電池輸出電壓整體波動(dòng)趨勢(shì)較大，而協(xié)調(diào)控制后的系統(tǒng)儲(chǔ)能電池輸出電壓整體波動(dòng)趨勢(shì)較小，基本可以在光儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行中將儲(chǔ)能電池的輸出電壓控制在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定數(shù)值，由此可見，本文設(shè)計(jì)的電壓協(xié)調(diào)控制方法可以在應(yīng)用中達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的協(xié)調(diào)控制。