光伏微電網(wǎng)PCC點功率跟蹤雙閉環(huán)控制策略及應用實例

陳任峰，黃少偉，陳來軍，趙豐富，傅冬生，王 斌

(1.清華大學電機系，電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京100084;2.宣城供電公司，安徽宣城242000)

1 引言

隨著全球能源危機愈演愈烈，人們對可再生能源利用的需求日益迫切。其中，太陽能作為一種重要的可再生能源，因其清潔、低碳等優(yōu)點，逐漸成為世界各國推廣應用的對象。光伏發(fā)電作為太陽能利用的重要形式，隨著成本下降而在世界范圍內(nèi)掀起了應用高潮。近年來，我國也相繼出臺了一系列政策，支持光伏發(fā)電的推廣［1，2］。

然而，光伏發(fā)電的大量接入引起的諧波、閃變等電能質(zhì)量問題會對配電網(wǎng)的安全運行造成一定影響［3-7］。同時，光伏發(fā)電本身具有間歇性、隨機性的特點，使配電網(wǎng)無法對其進行快速、有效的調(diào)控。這些問題在一定程度上制約了光伏發(fā)電的推廣應用。

21世紀初，學者提出微電網(wǎng)的概念［8-10］，希望通過光伏微電網(wǎng)的形式使光伏發(fā)電更加友好地接入配電網(wǎng)，并且能夠參與配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度，成為配電網(wǎng)的“好市民”。目前，對光伏微電網(wǎng)調(diào)度方面的研究多集中在優(yōu)化策略和算法的設(shè)計［11-14］，而提升光伏微電網(wǎng)自身可調(diào)度性的研究較為少見，尤其是對光伏微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間公共聯(lián)接點(Point of Common Coupling，PCC)的功率控制，更鮮有提及。作為一類特殊的獨立電力系統(tǒng)，光伏微電網(wǎng)可調(diào)度性及可控性的優(yōu)劣，不僅決定了微電網(wǎng)與配網(wǎng)協(xié)同調(diào)度能否順利完成，更決定了光伏微電網(wǎng)離網(wǎng)運行時能否穩(wěn)定運行［15］。因此，對其進行研究具有重要的意義。

光伏微電網(wǎng)可調(diào)度性主要由它與配電網(wǎng)聯(lián)絡線功率的調(diào)節(jié)能力來體現(xiàn)，可通過光伏微電網(wǎng)PCC點功率跟蹤控制實現(xiàn)。本文首先設(shè)計了一種工程實用性較高的PCC點功率跟蹤控制策略，并在此基礎(chǔ)上對其中的外環(huán)和內(nèi)環(huán)控制器進行了具體設(shè)計。之后，通過仿真分析和系統(tǒng)運行實驗，對本文所設(shè)計的策略進行了性能測試。

2 傳統(tǒng)PCC點功率跟蹤控制策略

如圖1所示，光伏微電網(wǎng)功率主要由四部分組成，分別是光伏微電網(wǎng)中PCC點功率(PPCC)，光伏發(fā)電功率(PPV)，儲能系統(tǒng)輸出功率(PESS)以及負載消耗功率(PLoad)。

圖1中，各功率的平衡關(guān)系可描述為:

其中，光伏發(fā)電功率和負載消耗功率在微電網(wǎng)運行過程中會隨時波動，可控性差。因此，要保證PCC點功率維持在給定水平，即讓PPCC的值滿足調(diào)度需求，可通過控制儲能設(shè)備的功率輸出來實現(xiàn)。

圖1 光伏微電網(wǎng)功率流示意圖Fig.1 Power flow diagram of PV microgrid

光伏微電網(wǎng)運行中，PPV和PLoad可通過實際采樣計算獲取，且PCC點功率設(shè)定值為已知參數(shù)，由此可獲得儲能系統(tǒng)輸出功率的參考值PESS-ref:

式中，PPCC_set表示PCC點功率設(shè)定值;PPV-m和PLoad-m分別表示光伏發(fā)電和負載的實測功率。

從控制角度來看，在獲取PPCC_ref后，需對儲能系統(tǒng)采用有功無功控制(PQ控制)，使其輸出的功率PESS跟蹤參考功率PPCC_set，從而使PCC點功率達到設(shè)定值。但需要指出的是，在實際工程應用中，尚存在如下原因?qū)е聜鹘y(tǒng)控制策略難以實現(xiàn):

(1)傳統(tǒng)控制策略中，需監(jiān)測較多的電氣量，尤其是可變功率流，如PPV-m、PLoad-m，實時監(jiān)測困難;

(2)用于儲能系統(tǒng)功率輸出參考值計算的其他量測值如PPV-m、PLoad-m，均需要分別傳輸至儲能控制器的計算模塊。一般而言，工程實際中常采用485通信方式，其存在較大時延，不具備快速的數(shù)據(jù)傳輸和通信能力。因此，儲能控制器將難以實時計算出參考功率，導致實時跟蹤和補償功率困難。

3 改進PCC點功率雙閉環(huán)跟蹤控制

針對傳統(tǒng)控制策略在實際應用中存在的困難，本文提出一種改進的PCC點功率跟蹤控制策略，用以實時跟蹤光伏微電網(wǎng)PCC點功率設(shè)定值。圖2給出了雙閉環(huán)跟蹤控制的框圖。

該控制策略主要包含外環(huán)控制和內(nèi)環(huán)控制兩部分。其中，外環(huán)控制器用于計算儲能系統(tǒng)所需功率輸出參考值的控制信號;內(nèi)環(huán)控制器用于產(chǎn)生PWM調(diào)制所需的控制信號?？刂破鞯木唧w設(shè)計分述如下。

圖2 改進PCC點功率跟蹤雙閉環(huán)控制框圖Fig.2 Improved double closed loops control strategy for PCC power flow control

3.1 外環(huán)控制設(shè)計

外環(huán)控制器主要實現(xiàn)控制目標，并產(chǎn)生內(nèi)環(huán)控制所需參考信號。其控制框圖如圖3所示。

圖3 外環(huán)控制器Fig.3 Out-loop controller

圖3中，vd_PCC和id_PCC，vq_PCC和 iq_PCC分別為 PCC點三相電壓和三相電流經(jīng)過dq變換得到的d軸和q軸分量。

若在dq變換中選取d軸與電壓矢量同方向，則q軸電壓分量為零。此時，基于瞬時功率理論，即可求出PCC點的功率值PPCC_m和QPCC_m。然后，與給定參考信號PPCC_set和QPCC_set進行比較，經(jīng)由PI對誤差調(diào)節(jié)后，產(chǎn)生作用于內(nèi)環(huán)的控制信號idref和iqref。一般地，為提高控制性能，常令QPCC_set=0。外環(huán)控制通過對PCC點功率監(jiān)測值和設(shè)定值的計算和分析，確定了儲能設(shè)備功率補償?shù)姆较蚝痛笮　?/p>

3.2 內(nèi)環(huán)控制設(shè)計

內(nèi)環(huán)控制器主要進行精細調(diào)節(jié)，用于提高PCS輸出的電能質(zhì)量和動態(tài)響應性能。其控制框圖如圖4所示。

圖4中，ed和id，eq和iq分別為儲能系統(tǒng)能量變換器(Power Converter System，PCS)出口處三相電壓和三相電流經(jīng)dq變換獲得的d軸和q軸分量。L為系統(tǒng)等效電感;ω=2πf為系統(tǒng)角頻率。

內(nèi)環(huán)控制器將取得的三相瞬時電流iabc經(jīng)Park變換后變換為dq軸分量id和iq，與外環(huán)控制器輸出的“參考信號”idref和iqref比較，并對誤差進行PI控制，通過電壓前饋補償和交叉耦合補償，輸出電壓控制信號vd與vq。內(nèi)環(huán)控制器很好地實現(xiàn)了有功功率和無功功率的解耦控制。

圖4 內(nèi)環(huán)控制器Fig.4 Inner-loop controller

4 仿真分析與實驗驗證

為驗證本文所提方法的正確性和有效性，分別進行了仿真分析和安徽宣城光伏微電網(wǎng)實際系統(tǒng)運行實驗。

首先，采用商業(yè)仿真軟件EMTDC/PSCAD搭建仿真平臺。仿真時長為0.5s，仿真步長為3μs。仿真中的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真中的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of simulation

進一步在安徽省宣城市某光伏微電網(wǎng)示范基地，對所提方法進行了實驗驗證。宣城光伏微網(wǎng)含有公網(wǎng)電源、光伏、儲能、負荷四個組成部分，其中儲能雙向變流器、微網(wǎng)集中控制器等關(guān)鍵設(shè)備均為項目課題組自行設(shè)計和實現(xiàn)，PCC點功率跟蹤控制算法采用本文所提出的雙閉環(huán)控制策略。微網(wǎng)系統(tǒng)拓撲如圖5所示。

從圖5中可知，宣城光伏微網(wǎng)的電氣單元主要包括:

(1)容量為100kWp光伏發(fā)電單元。共由裝機容量為5.25kWp的四樓露臺BIPV光伏采光頂單元、裝機容量為34.32kWp的五樓屋頂BAPV光伏頂棚單元和裝機容量60.84kWp的BIPV光伏車棚單元三個光伏發(fā)電子單元組成，分別通過一個5kW的單相逆變器、三個30kW的三相逆變器和24個200W的微型逆變器接入380V交流母線。

圖5 宣城光伏微電網(wǎng)拓撲Fig.5 Topology of Xuancheng PV microgrid

(2)鋰電池-超級電容組成的混合儲能單元。鋰電池儲能單元容量配置為50kWh，主要由三個部分組成:①162個3V鋰電池單體模組串聯(lián)組成518V儲能單元;②鋰電池管理系統(tǒng)單元(BMS);③容量100kW的雙向功率變換器。超級電容儲能系統(tǒng)主要由四個部分組成:13個50.4V/166F超級電容模組串聯(lián)組成650V/12.8F儲能單元，超級電容管理系統(tǒng)單元，超級電容充電機單元，雙向功率變換器。

(3)總功率為65kW的四組負載單元。分別為二層、三層、四層的照明和空調(diào)負載各20kW，以及一層熱水爐5kW。各負載支路均能實現(xiàn)遠程監(jiān)測和遠程控制。

(4)容量為100A的電能質(zhì)量綜合治理單元。根據(jù)本系統(tǒng)的容量，光伏系統(tǒng)專用電能質(zhì)量綜合治理裝置對電源和負荷同時進行無功、諧波和三相不平衡等電能質(zhì)量綜合治理。

(5)交直流配電單元(含PCC點開關(guān))，由直流配電單元和交流配電單元組成，同時微電網(wǎng)通過PCC點開關(guān)與配網(wǎng)相聯(lián)。

針對以上所述的仿真平臺和宣城光伏微電網(wǎng)實際系統(tǒng)，根據(jù)PCC點功率跟蹤控制的需求，對有功功率控制進行仿真與實驗，并分別設(shè)置零功率模式、恒功率模式以及曲線功率模式等三種運行工況進行有效性驗證。

4.1 零功率模式

零功率模式即控制聯(lián)絡線功率為零，即光伏微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間沒有功率交互。PCC點零功率模式運行是微電網(wǎng)主動離網(wǎng)的前提。仿真與實驗結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

從圖6可看出，聯(lián)絡線功率實際值在0附近小幅波動，滿足功率跟蹤需求。對于圖7，由于實驗過程中示波器只能測量電壓電流值，故可通過電路理論，即P=2UI，計算出聯(lián)絡線功率(下同)。其大小也在零值附近。

圖6 零功率模式仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of zero power mode

圖7 零功率模式實驗結(jié)果Fig.7 Field test result of zero power mode

4.2 恒功率模式

恒功率模式即控制聯(lián)絡線功率為某個恒定值，此時光伏微網(wǎng)可向大電網(wǎng)輸送或者吸收功率，是實現(xiàn)光伏微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間能量交互的重要形式。設(shè)定聯(lián)絡線功率值為－10kW(負號表示電網(wǎng)吸收功率)，結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖8 恒功率模式仿真結(jié)果(－10kW)Fig.8 Simulation result of constant power mode

圖9 恒功率模式實驗結(jié)果(－10kW)Fig.9 Field test result of constant power mode

從圖8和圖9中可以看出，聯(lián)絡線功率給定為－10kW時，PCC點實際功率都比較接近設(shè)定功率值，具有良好的跟蹤效果。

4.3 曲線功率模式

曲線功率模式主要是規(guī)定聯(lián)絡線功率設(shè)定值為一固定曲線，這種模式適合調(diào)度人員進行計劃調(diào)度。

仿真與實驗中均設(shè)置PCC點功率從10kW運行一定時間后變?yōu)椋?0kW。結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 曲線功率模式仿真結(jié)果Fig.10 Simulation result of power curve mode

圖11 曲線功率模式實驗結(jié)果Fig.11 Field test result of power curve mode

從圖10和圖11可以看出，采用所提控制聯(lián)絡線功率的方法，可較好地跟蹤預先設(shè)定的功率曲線。在功率設(shè)定值發(fā)生突變時，仿真中過渡較快，但存在輕微沖擊;實驗中過渡過程較慢，主要是和系統(tǒng)的動態(tài)響應有關(guān)，但響應時間在40ms以內(nèi)，滿足功率跟蹤的需求。

綜上，仿真和實驗表明本文所設(shè)計的光伏微電網(wǎng)PCC點功率跟蹤雙閉環(huán)控制策略能夠快速、準確地調(diào)節(jié)微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的聯(lián)絡功率。

5 結(jié)論

PCC功率跟蹤控制對微電網(wǎng)的調(diào)度運行至關(guān)重要。本文提出了一種改進的雙閉環(huán)控制策略用于實現(xiàn)PCC點功率跟蹤，取得了較好的控制效果，主要體現(xiàn)在以下兩方面:

(1)所提控制策略減少了實時監(jiān)測量，解決了傳統(tǒng)方法中實時監(jiān)測困難的問題。同時，監(jiān)測量和計算量的減少也改善了通信時延的問題。

(2)所提方法能夠穩(wěn)定地跟蹤聯(lián)絡線功率設(shè)定值，在多種運行工況下均能快速響應，具有較高的工程應用價值。

仿真和實驗結(jié)果表明了本文所設(shè)計策略的有效性和實用性，為光伏微電網(wǎng)參與配電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度奠定了基礎(chǔ)，也能為其他微電網(wǎng)的可調(diào)度性提升提供了借鑒。

值得注意的是，所提控制策略主要針對三相電壓對稱情況。對于三相電壓不平衡以及故障條件下的聯(lián)絡線功率控制，將是今后的研究重點。

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