光伏微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化控制

袁建華　徐澤暉　李波　代春燕

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院　湖北　宜昌　443002）

光伏微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化控制

袁建華徐澤暉李波代春燕

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院湖北宜昌443002）

光伏微電網(wǎng)內(nèi)較多電力電子裝置和敏感負(fù)荷的存在導(dǎo)致電能質(zhì)量下降；光伏電源逆變器按最大功率設(shè)定其容量，卻由于光伏發(fā)電出力波動(dòng)性其容量不能充分利用，其迫切需要提高供電可靠性和解決建設(shè)成本高等問(wèn)題。本文提出一種基于分布式光伏逆變器的微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化控制策略，一方面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)光伏電源的最大功率發(fā)電，另一方面利用逆變器剩余容量來(lái)提高光伏微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。通過(guò)微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下對(duì)光伏電源實(shí)施最大功率追蹤，孤島模式下基于光伏電源出力特性曲線，對(duì)工作于非最大功率點(diǎn)的光伏電源實(shí)施最大功率預(yù)估，最后通過(guò)求取光伏逆變器實(shí)時(shí)最大有功、無(wú)功容量來(lái)解耦建立逆變器群的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)及其對(duì)應(yīng)的控制方法。最后仿照IEEE標(biāo)準(zhǔn)建立6節(jié)點(diǎn)光伏微電網(wǎng)并對(duì)其多目標(biāo)優(yōu)化控制方法進(jìn)行了計(jì)算驗(yàn)證。

分布式；光伏發(fā)電；逆變器復(fù)用；微電網(wǎng)；多目標(biāo)優(yōu)化

1　引言

新能源中太陽(yáng)能和風(fēng)能等總量豐富且可再生，滿(mǎn)足能源持續(xù)發(fā)展和減少環(huán)境污染要求而備受世界關(guān)注[1～2]，我國(guó)也把新能源作為新興產(chǎn)業(yè)之首，并支持分布式光伏發(fā)電[3～4]。微電網(wǎng)把類(lèi)型和數(shù)量眾多的分布式電源聯(lián)合起來(lái)形成供能系統(tǒng)，減緩了分布式電源的不利影響，充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。光伏微電網(wǎng)由于太陽(yáng)能光伏發(fā)電安裝靈活，同建筑物相結(jié)合，適合在公共電網(wǎng)覆蓋良好的中心城鎮(zhèn)廣泛應(yīng)用。光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)可為公共電網(wǎng)提供補(bǔ)充，提高包含微電網(wǎng)和公共電網(wǎng)在內(nèi)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益[5～9]。光伏微電網(wǎng)大多建設(shè)在廠房和單位樓宇屋頂。這些場(chǎng)所一般為公共配電網(wǎng)末梢，存在著許多無(wú)功功率頻繁變化的設(shè)備和敏感負(fù)荷；同時(shí)微電網(wǎng)內(nèi)存在的大量電力電子裝置也會(huì)產(chǎn)生較多諧波，微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行時(shí)電壓穩(wěn)定是薄弱環(huán)節(jié)。

微電網(wǎng)內(nèi)光伏逆變器隨電源分布式配置，容量較小，傳統(tǒng)使用時(shí)不承擔(dān)無(wú)功調(diào)節(jié)功能，其額定容量依光照等環(huán)境因素最優(yōu)下的光伏電源最大出力來(lái)設(shè)置。當(dāng)環(huán)境因素變差或依控制需要，光伏電源出力變小后，逆變器具有相對(duì)較多的剩余容量。雖然單個(gè)光伏逆變器剩余容量有限，但微電網(wǎng)具有一定規(guī)模后，眾多光伏逆變器總剩余容量就很可觀。

基于此，本文通過(guò)研究建立微電網(wǎng)光伏逆變器群最大有功、無(wú)功容量的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，提出一種光伏微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化控制：并網(wǎng)模式下，多目標(biāo)優(yōu)化控制微電網(wǎng)內(nèi)光伏發(fā)電總功率最大，以及基于逆變器群的剩余容量來(lái)提供無(wú)功支撐和改善電能質(zhì)量，優(yōu)化微電網(wǎng)內(nèi)和公共連接點(diǎn)電壓水平；離網(wǎng)模式下，多目標(biāo)優(yōu)化控制微電網(wǎng)內(nèi)儲(chǔ)能裝置獲取功率最大，以及逆變器群提供無(wú)功功率和改善電能質(zhì)量，優(yōu)化微電網(wǎng)內(nèi)電壓水平。

2　傳統(tǒng)分布式光伏逆變器控制

分布式光伏逆變器前端的光伏電源初始產(chǎn)生電壓較低的不穩(wěn)定直流電。不穩(wěn)定的直流電需經(jīng)一級(jí)直流升壓電路把電壓升到符合逆變要求的較高電壓值并保持穩(wěn)定，然后再經(jīng)逆變器逆變成交流電后接入微電網(wǎng)母線。常用兩級(jí)三相光伏逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，前級(jí)Boost電路除了承擔(dān)把光伏電源輸出的電壓較低直流電升高到符合后級(jí)逆變電路要求的直流電壓外，還在最大功率追蹤（MPPT）控制器的控制下追蹤輸出光伏電源的最大功率。分布式光伏逆變器額定容量較小，傳統(tǒng)控制時(shí)不承擔(dān)無(wú)功補(bǔ)償功能，即逆變電路則把前級(jí)Boost電路傳遞過(guò)來(lái)的光伏發(fā)電直流電逆變成與公共電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電輸入電網(wǎng)。

圖1　兩級(jí)三相光伏逆變器電路

3　多目標(biāo)優(yōu)化下光伏逆變器控制策略

由圖1可知，光伏逆變器后級(jí)逆變電路結(jié)構(gòu)和靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）相比沒(méi)有本質(zhì)差別，即光伏逆變器不僅可以把光伏電源發(fā)出的直流有功功率逆變后送入電網(wǎng)，也可以依據(jù)電網(wǎng)的需求發(fā)出一定容量的無(wú)功功率。雖然單個(gè)分布式光伏逆變器剩余容量有限，但微電網(wǎng)具有一定規(guī)模后，眾多光伏逆變器總剩余容量就很可觀。這些剩余容量可以用來(lái)對(duì)微電網(wǎng)實(shí)施無(wú)功支撐，提高系統(tǒng)電壓水平。

3.1并網(wǎng)模式下光伏電源及逆變器控制方法

光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下，通過(guò)公共連接點(diǎn)與公共電網(wǎng)相聯(lián)，微電網(wǎng)母線上交流電壓由公共電網(wǎng)來(lái)維持穩(wěn)定。為更好利用微電網(wǎng)內(nèi)光伏發(fā)電，光伏逆變器對(duì)各分布式光伏電源實(shí)施MPPT[10]控制。

光伏逆變器可采用PQ控制，即控制逆變器輸出指定的有功和無(wú)功功率。逆變器輸出的有功功率為前級(jí)Boost電路實(shí)施MPPT控制下，追蹤得到的光伏電源最大功率；逆變器輸出的無(wú)功功率則為系統(tǒng)最優(yōu)電壓水平下要求輸出的，以及在實(shí)時(shí)剩余容量范圍內(nèi)的指定數(shù)值的無(wú)功功率?？梢?jiàn)在微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下，主要以光伏發(fā)電最大化為控制目標(biāo)，同時(shí)兼顧微電網(wǎng)電壓水平最優(yōu)。

3.2離網(wǎng)模式下光伏電源及逆變器控制方法

離網(wǎng)模式下微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)斷開(kāi)，此時(shí)微電網(wǎng)交流母線上并聯(lián)有分布式光伏逆變器和儲(chǔ)能裝置用雙向逆變器。其額定容量差異性明顯，在采用集中儲(chǔ)能的微電網(wǎng)中，儲(chǔ)能裝置端雙向逆變器容量要比分布式光伏逆變器容量大得多。離網(wǎng)模式下要維持微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，可采用主從控制。設(shè)定儲(chǔ)能裝置端雙向逆變器為主逆變器，微電網(wǎng)交流母線電壓主要由其決定，其它分布式光伏逆變器均為從逆變器，仍然采用PQ控制，但此時(shí)指定的PQ參考值產(chǎn)生機(jī)制不同。

逆變器群控制策略為主逆變器維持微電網(wǎng)母線電壓，各從逆變器采用下垂控制（P-f和Q-V），依據(jù)各逆變器前級(jí)光伏電源實(shí)時(shí)最大功率和與之對(duì)應(yīng)的剩余容量來(lái)分別確定下垂系數(shù)。

4　算例分析

本文通過(guò)在PSASP程序中建立一個(gè)IEEE7節(jié)點(diǎn)光伏微電網(wǎng)模型，并以此為例來(lái)說(shuō)明基于逆變器群的多目標(biāo)優(yōu)化控制算法，如圖2所示。各支路阻抗和各節(jié)點(diǎn)功率均已以標(biāo)幺值標(biāo)示于圖中。節(jié)點(diǎn)1為配網(wǎng)變電站（公共電網(wǎng)）平衡節(jié)點(diǎn)，電壓保持為定值，即U1=1.06+j0，光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)時(shí)與其聯(lián)接，離網(wǎng)時(shí)與其斷開(kāi)。節(jié)點(diǎn)2、3為分布式光伏電源，可當(dāng)作PQ節(jié)點(diǎn)，圖中所標(biāo)功率為其實(shí)時(shí)功率，依據(jù)有功和無(wú)功功率解耦計(jì)算，其有功功率和無(wú)功功率上限相加應(yīng)不超過(guò)1。節(jié)點(diǎn)4為光伏微電網(wǎng)中集中儲(chǔ)能裝置的接入節(jié)點(diǎn)，依據(jù)微電網(wǎng)并網(wǎng)或離網(wǎng)工作模式的改變，分別對(duì)其等效為PQ節(jié)點(diǎn)和平衡節(jié)點(diǎn)，并網(wǎng)時(shí)儲(chǔ)能裝置主要針對(duì)自身荷電狀態(tài)需求進(jìn)行充放電，離網(wǎng)時(shí)儲(chǔ)能裝置端逆變器需要維持微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定，稱(chēng)為一個(gè)平衡節(jié)點(diǎn)。模型中節(jié)點(diǎn)5、6為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，為簡(jiǎn)單PQ節(jié)點(diǎn)。其基準(zhǔn)功率為100kW，計(jì)算精度為ε=10-5。

圖2　光伏微電網(wǎng)模型及其拓?fù)鋮?shù)

光伏微電網(wǎng)中分布式光伏逆變器采用傳統(tǒng)不承擔(dān)無(wú)功補(bǔ)償控制策略時(shí)，系統(tǒng)潮流計(jì)算如圖3所示。

圖4為對(duì)微電網(wǎng)逆變器群實(shí)施多目標(biāo)優(yōu)化控制策略后系統(tǒng)潮流分布，分布式光伏逆變器在承擔(dān)把光伏電源發(fā)出的直流功率轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣饔泄β什⑷胛㈦娋W(wǎng)外，還依據(jù)系統(tǒng)無(wú)功需求在自身剩余容量的基礎(chǔ)上實(shí)施無(wú)功支撐。

5　結(jié)論

本文針對(duì)光伏微電網(wǎng)中分布式光伏發(fā)電、電力電子變換、儲(chǔ)能和控制的固有特點(diǎn)，對(duì)光伏逆變器和無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐匮a(bǔ)結(jié)構(gòu)和功能特性進(jìn)行比較分析。提出在微電網(wǎng)中原本僅承擔(dān)有功逆變而不承擔(dān)無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆植际焦夥孀兤饕罁?jù)其實(shí)時(shí)剩余容量，在完成光伏發(fā)電最大并網(wǎng)發(fā)電的同時(shí)實(shí)時(shí)為系統(tǒng)提供無(wú)功支撐；基于網(wǎng)內(nèi)逆變器群的有功和無(wú)功的優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)了微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化，一方面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)光伏電源的最大功率發(fā)電，另一方面提高了光伏微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。多目標(biāo)優(yōu)化控制可為光伏微電網(wǎng)的低成本規(guī)?；_(kāi)發(fā)利用提供理論支撐，也為提高未來(lái)傳統(tǒng)電網(wǎng)吸納、利用可再生能源電源的能力提供技術(shù)支持。

圖3　光伏微電網(wǎng)分布式逆變器傳統(tǒng)控制下潮流分布

圖4　光伏微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化控制下潮流分布

[1]岳來(lái)群，夏麗洪.宏觀形勢(shì)變化下的各國(guó)能源政策應(yīng)對(duì)[J].國(guó)際石油經(jīng)濟(jì)，2009，17（2）：1～3.

[2]高靜.美國(guó)新能源政策分析及我國(guó)的應(yīng)對(duì)策略[J].世界經(jīng)濟(jì)與政治論壇，2009（6）：58～61.

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院.《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》（2006-2020）.

[4]《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》.2011.

[5]Lasseter，B.Microgirds[A].Power Engineering Society WinterMeeting[C]. 2001（1）：146～149.

[6]樓書(shū)氫，李青鋒，許化強(qiáng)，等.國(guó)外微電網(wǎng)的研究概況及其在我國(guó)的應(yīng)用前景[J].華中電力，2009，22（3）：56～59.

[7]鄭漳華，艾芊.微電網(wǎng)的研究現(xiàn)狀及在我國(guó)的應(yīng)用前景[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（16）：27～32.

[8]魏承志，陳晶，涂春鳴，等.基于儲(chǔ)能裝置和靜止無(wú)功發(fā)生器協(xié)同控制策略的微電網(wǎng)電壓波動(dòng)抑制方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（11）：18～24.

[9]丁明，張穎媛，茹美琴，等.包含鈉硫電池儲(chǔ)能的微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（4）：7～14.

[10]Xiang H.，Yan Y.，Jiang H..A PV grid-connected inverter with optimized AFD and MPPT performance[C].Power and Energy Engineering Conference，Wuhan，China：APPEEC2009，2009：1～4.

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1673-0038（2015）21-0191-02

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