基于光伏微網(wǎng)的儲(chǔ)能變流器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙思遠(yuǎn)，于慶廣，黃 杰

(清華大學(xué)電機(jī)系，北京100084)

基于光伏微網(wǎng)的儲(chǔ)能變流器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

趙思遠(yuǎn)，于慶廣，黃 杰

(清華大學(xué)電機(jī)系，北京100084)

儲(chǔ)能裝置作為微網(wǎng)的重要組成部分之一，對(duì)微網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行起到了重要的作用。基于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了具有并離網(wǎng)切換功能的儲(chǔ)能變流器樣機(jī)。該樣機(jī)采用Power PC與FPGA協(xié)同配合作為核心元件，使用PQ控制及V/f控制策略，具備并離網(wǎng)切換功能，能夠向電網(wǎng)提供有功、無功支撐，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓和頻率，同時(shí)可以配合多種儲(chǔ)能設(shè)備。使用主被動(dòng)相結(jié)合的孤島檢測(cè)方法，快速準(zhǔn)確地切換并網(wǎng)離網(wǎng)模式。樣機(jī)在多種工況下，進(jìn)行了并離網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，很好地滿足了設(shè)計(jì)要求，達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的推廣價(jià)值。

儲(chǔ)能變流器;PQ控制;V/f控制;孤島檢測(cè)

在工業(yè)革命之后，世界能源的消耗量急劇增加，傳統(tǒng)能源大量使用，這些直接導(dǎo)致了生態(tài)環(huán)境的不斷惡化。在溫室效應(yīng)引發(fā)全球氣候變化的情況下，電能作為最清潔最便利的一種能源，受到了全世界各行業(yè)的關(guān)注。電網(wǎng)規(guī)模越來越大，導(dǎo)致發(fā)電側(cè)和用戶之間的穩(wěn)定性和可靠性下降，而諸如風(fēng)能、太陽能等分布式電源的發(fā)展介入，致使電力系統(tǒng)的可靠性受到更大的威脅。由于分布式電源本身具有隨機(jī)性、間歇性等特點(diǎn)，能量輸出并不穩(wěn)定。為了能夠更好地讓微網(wǎng)協(xié)同大電力系統(tǒng)運(yùn)作，美國可靠性技術(shù)解決方案協(xié)會(huì)率先提出了微網(wǎng)的概念，來解決微網(wǎng)和大電網(wǎng)之間的矛盾。微網(wǎng)是微電網(wǎng)的簡稱，具有能夠自我控制自我管理就地性好的自治網(wǎng)絡(luò)，在功能上，既可以作為電源接入大電網(wǎng)，又可以作為負(fù)載在大電網(wǎng)下運(yùn)行。微網(wǎng)的常用組成部分包括分布式電源模塊、儲(chǔ)能模塊、變流器模塊、負(fù)荷、監(jiān)控模塊及保護(hù)模塊[1-5]。

微網(wǎng)核心之一的分布式電源模塊，輸出的能量具有波動(dòng)性，以本文研究所涉及的光伏陣列為例，太陽能光伏板的發(fā)電情況極度依賴光照條件，日照時(shí)間和日照強(qiáng)度是影響其穩(wěn)定性的重要因素。為了讓微網(wǎng)系統(tǒng)的能量出入符合大電網(wǎng)的指標(biāo)，需要儲(chǔ)能模塊對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本文研究的儲(chǔ)能變流器，基于北京京能清潔能源電力股份有限公司100 MVA光伏電站中的100 kVA廠用電微網(wǎng)，作為電網(wǎng)與儲(chǔ)能設(shè)備之間的接口，是微網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分之一。它能夠運(yùn)行在并網(wǎng)模式和離網(wǎng)模式，可以在兩者之間進(jìn)行模式切換。根據(jù)分布式發(fā)電和微網(wǎng)建設(shè)的要求，儲(chǔ)能變流器具有對(duì)電網(wǎng)提供有功、無功支撐，同時(shí)配合多種儲(chǔ)能設(shè)備，如鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池、超級(jí)電容等接入電網(wǎng)進(jìn)行充放電等作用。

1 儲(chǔ)能變流器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，儲(chǔ)能變流器要配合光電站進(jìn)行平滑的功率輸出；在微網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)谷以及離網(wǎng)時(shí)刻確保重要負(fù)荷不斷電，維持電網(wǎng)電壓和頻率的穩(wěn)定[6]。本文的儲(chǔ)能變流器樣機(jī)具有以下基本設(shè)計(jì)思想：

(1)采用基于空間矢量控制的PQ控制算法，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)較高的控制性能；

(2)采用V/f控制算法，實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)作為微網(wǎng)運(yùn)行的主電源控制；

(3)采用平滑控制思想，保證PQ控制和V/f控制兩種控制方式之間的快速平穩(wěn)過渡；

(4)采用主動(dòng)和被動(dòng)孤島檢測(cè)算法準(zhǔn)確檢測(cè)出孤島時(shí)刻，確保兩種控制模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)刻的準(zhǔn)確性。

根據(jù)引言中的研究及上述設(shè)計(jì)思想，本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能變流器硬件系統(tǒng)包括以下部分：主功率回路系統(tǒng)、控制器系統(tǒng)、邏輯回路系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、采樣電路系統(tǒng)、顯示回路系統(tǒng)及其他部件。主功率回路系統(tǒng)主要由直流斷路器、直流接觸器、直流預(yù)充電電阻、功率模塊、交流電抗器、濾波電容電抗、隔離變壓器、交流接觸器、交流斷路器構(gòu)成，主要完成電能的變換。其中，濾波器采用LC濾波器。由于單電感L濾波器需要很大的電感值，在本文的功率要求下，成本會(huì)很高，故不予采用。而LCL濾波器為三階濾波器，控制策略較為復(fù)雜，增加了研發(fā)成本，所以本文選用LC濾波器[7]?？刂破髦饕≒ower PC與FPGA。其中FPGA方便進(jìn)行AD控制，也可以完成PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)的計(jì)算；而Power PC主要進(jìn)行全系統(tǒng)的能量控制策略的實(shí)現(xiàn)和保護(hù)，以及與其他系統(tǒng)的通信。電源系統(tǒng)主要包括UPS、開關(guān)電源、電源隔離變壓器。采樣電路主要包括直流電壓霍爾、直流電流霍爾、交流側(cè)電壓互感器和交流側(cè)電流互感器，主要采樣值位置參考圖1。驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)中，主體為IPM功率模塊，將其與IGBT結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)。儲(chǔ)能變流器的電氣部分主拓?fù)浜筒糠挚刂平Y(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)設(shè)計(jì)要求和硬件條件(主要是Power PC與FPGA)，軟件系統(tǒng)包括：系統(tǒng)初始化模塊、AD采樣處理模塊、保護(hù)模塊、孤島檢測(cè)模塊、PQ矢量控制模塊、VF控制模塊、脈沖生成模塊、通訊模塊及人機(jī)界面模塊。

圖1 儲(chǔ)能變流器主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及PQ控制模塊

1.1 PQ控制

1.1.1 電流內(nèi)環(huán)控制

電流內(nèi)環(huán)控制主要包括有功調(diào)節(jié)及無功調(diào)節(jié)，都采用增量式PI閉環(huán)控制。電流的給定值是功率閉環(huán)調(diào)節(jié)的輸出值，電流的實(shí)際值為dq坐標(biāo)系下的d軸分量和q軸分量[8]。在單位功率因數(shù)條件下，無功電流的給定值為0。控制方程為：

式中：id_ref、iq_ref為有功電流給定值、無功電流給定值；id、iq為有功電流實(shí)測(cè)值、無功電流實(shí)測(cè)值。

1.1.2 功率外環(huán)控制

采用增量式PI閉環(huán)控制，功率給定值為監(jiān)控下發(fā)的功率指令，實(shí)際值通過交流電壓電流的采樣值計(jì)算得到。有功無功給定值分別和實(shí)際值比較，差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)，并經(jīng)過限幅處理，輸出結(jié)果作為內(nèi)環(huán)電流給定的幅值。電流限幅曲線由監(jiān)控給定?？刂品匠虨椋?/p>

式中：Pref、Qref為有功、無功給定值；P、Q為有功、無功計(jì)算值。

利用交流側(cè)電壓電流的采樣值，使用傅里葉變換進(jìn)行計(jì)算，求出基波分量的有功及無功，計(jì)算過程如公式(3)：

式中：x(k)是一個(gè)周波內(nèi)的第k個(gè)采樣值；N是一個(gè)周波內(nèi)的采樣次數(shù)?；ǚ至康挠泄χ岛蜔o功值為：

1.2 恒流/恒壓充放電

恒流充放電時(shí)，外環(huán)采用直流電流PI控制，維持充放電電流的恒定。通過與FPGA連接的AD模塊及采集傳感器，取得直流母線電流值，將該值作為電流的實(shí)際值，電流的給定值由儲(chǔ)能電池允許的充放電電流大小決定。直流電流外環(huán)調(diào)節(jié)的輸出量，在經(jīng)過處理后，將其作為電流內(nèi)環(huán)有功電流的給定值。恒壓充放電時(shí)，外環(huán)采用直流電壓PI調(diào)節(jié)，維持電池電壓的恒定。通過與FPGA連接的AD模塊及采集傳感器，取得直流母線電壓值，將該值作為電壓的實(shí)際值，電壓的給定值由儲(chǔ)能電池允許的充放電電壓大小決定。直流電壓外環(huán)調(diào)節(jié)的輸出量，在經(jīng)過處理后，將其作為電流內(nèi)環(huán)有功電流的給定值。控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 恒流/恒壓充放電控制原理圖

以恒流充放電控制為例：

電流內(nèi)環(huán)無功電流的給定值由有功電流給定值和要求的功率因數(shù)求?。?/p>

1.3 電壓/頻率控制

離網(wǎng)模式下，儲(chǔ)能系統(tǒng)獨(dú)立給負(fù)荷供電或儲(chǔ)能系統(tǒng)在微網(wǎng)中作主電源運(yùn)行時(shí)，要為負(fù)荷提供電壓和頻率支撐，維持供電點(diǎn)電壓和頻率的穩(wěn)定，采取定電壓和定頻率控制策略(V/f控制)[3,8]。V/f控制框圖如圖3所示。

圖3 V/f控制框圖

(1)電壓閉環(huán)控制

PI調(diào)節(jié)器的輸入端為額定線電壓有效值和傅氏變換求出的電壓有效值的差值，輸出端為電壓矢量參考幅值，經(jīng)計(jì)算可得：

(2)頻率開環(huán)控制

頻率使用電網(wǎng)的額定頻率，則將其積分，得到電壓相位角。本文選用頻率開環(huán)控制，主要因?yàn)殚_環(huán)控制下精度可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

2 孤島運(yùn)行檢測(cè)

儲(chǔ)能電流器并網(wǎng)作為電源運(yùn)行時(shí)，輸出電壓是由電網(wǎng)控制的，逆變器所能控制的只是輸入電網(wǎng)的電流，包括電流幅值、相位和頻率。其中頻率和相位應(yīng)與電網(wǎng)電壓相同，在實(shí)際系統(tǒng)中一般都是通過與公共耦合點(diǎn)(PCC)電壓過零點(diǎn)同步來實(shí)現(xiàn)的，而幅值是根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)來調(diào)節(jié)的[9]。

電網(wǎng)系統(tǒng)本身具有基本的過壓欠壓、過頻欠頻監(jiān)測(cè)，如果出現(xiàn)異常，會(huì)將分布式電源切離系統(tǒng)，這被稱為被動(dòng)式的反孤島措施。這種孤島檢測(cè)條件下，當(dāng)PCC點(diǎn)的電壓幅值或者頻率出現(xiàn)異常，就主動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)。但這種檢測(cè)方式并不準(zhǔn)確，一旦發(fā)生事故，對(duì)設(shè)備和人身安全會(huì)造成重大損失。

在研究孤島檢測(cè)技術(shù)時(shí)，我們只要將分布式電源相關(guān)的部分等效成一個(gè)整體，并不需要深究其內(nèi)部控制，準(zhǔn)確地描述其輸出特性即可。所以，本文在進(jìn)行研究工作時(shí)，將逆變電源等效成一個(gè)受控電流源，其幅值可調(diào)，頻率和相位都跟蹤大電網(wǎng)，等效電路如圖4所示。

圖4 孤島運(yùn)行等效電路

圖4中，當(dāng)并網(wǎng)開關(guān)閉合時(shí)，逆變器輸出功率為PI+jQI，負(fù)載獲得的功率為Pload+jQload，電網(wǎng)向負(fù)載注入的功率為ΔP+jΔQ，此時(shí)，公共耦合點(diǎn)電壓的幅值和頻率由電網(wǎng)決定。當(dāng)ΔP≠0且ΔQ≠0的情況下，如果此時(shí)電網(wǎng)斷開，公共耦合點(diǎn)的運(yùn)行參數(shù)(電壓、頻率和幅值)就會(huì)發(fā)生變化，所以把ΔP、ΔQ稱為功率不匹配程度,有公式為：

由式(8)可知，若已知允許輸出電壓范圍[(380±10%)V]、允許輸出頻率范圍[(50±1%)Hz]和品質(zhì)因數(shù)(2.5)，可以得到這樣的規(guī)律：公共耦合點(diǎn)電壓的幅值和頻率與有功功率和無功功率有關(guān)，其中，幅值僅與有功功率有關(guān)，而頻率與二者都有關(guān)系；對(duì)于PCC點(diǎn)的電壓頻率而言，主要影響因素是無功不匹配程度。

目前比較通用的孤島檢測(cè)方式即為監(jiān)測(cè)公共點(diǎn)電壓和頻率，根據(jù)電壓、頻率是否超出正常范圍來判斷電網(wǎng)的存續(xù)狀態(tài)。這是孤島檢測(cè)中最常用的指標(biāo)，不需外加任何硬件，但如果負(fù)載消耗的功率與逆變器輸出的功率相差不大，使失壓前后電壓或頻率的變化較小，僅根據(jù)電壓信號(hào)判別孤島就會(huì)出現(xiàn)失誤，如果不與其他技術(shù)配合，會(huì)有較大檢測(cè)盲區(qū)。

結(jié)合仿真分析及經(jīng)濟(jì)性考慮，本文選用被動(dòng)式監(jiān)測(cè)(過欠壓保護(hù)及過欠頻保護(hù))與對(duì)無功功率實(shí)施擾動(dòng)相結(jié)合的方法。通過每秒在無功電流指令上疊加一個(gè)10～20 ms，大小為3～5 kvar的脈沖電流指令，測(cè)量并網(wǎng)、孤島狀態(tài)下頻率的波動(dòng)，用以進(jìn)行主動(dòng)檢測(cè)。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能變流器，接入光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中，進(jìn)行離網(wǎng)啟動(dòng)-同期并網(wǎng)-并網(wǎng)充放電-離網(wǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)波形取交流側(cè)電壓電流。實(shí)驗(yàn)接線拓?fù)淙鐖D5所示，太陽能光伏陣列經(jīng)由DC/DC及DC/AC變換接入電網(wǎng)，蓄電池組和DC/DC變換器通過儲(chǔ)能變流器接入電網(wǎng)。通過斷路器的分合，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)結(jié)果詳見本節(jié)。

圖5 實(shí)驗(yàn)接線拓?fù)鋱D

3.1 離網(wǎng)啟動(dòng)

根據(jù)圖 5 進(jìn)行接線，分?jǐn)嗦菲?K4、K5、K6、K1、K2，合斷路器K3，接入負(fù)載，離網(wǎng)條件下，進(jìn)行V/f控制啟動(dòng)，啟動(dòng)波形如圖6所示。從圖中可以看到，電壓在兩個(gè)周波內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，電流在前三個(gè)周波有微小畸變，隨即達(dá)到穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 離網(wǎng)-并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)

離網(wǎng)啟動(dòng)成功后，分?jǐn)嗦菲鱇3，在離網(wǎng)狀態(tài)下待機(jī)，合斷路器K1，轉(zhuǎn)為在并網(wǎng)狀態(tài)下待機(jī)，波形如圖7所示。圖中光標(biāo)左側(cè)是離網(wǎng)待機(jī)下電流電壓波形，右側(cè)是并網(wǎng)后電流電壓波形。可以觀察到在切換過程中，電壓穩(wěn)定，電流有微小畸變，將在20個(gè)周波左右平穩(wěn)。

圖6 離網(wǎng)V/f啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)波形(帶載)

圖7 離網(wǎng)-并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)波形

3.3 并網(wǎng)充放電實(shí)驗(yàn)

并網(wǎng)成功后，進(jìn)行PQ控制充放電實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。光標(biāo)左側(cè)是40 kW充電波形，電池接近充滿時(shí)，儲(chǔ)能變流器轉(zhuǎn)為待機(jī)模式，隨后進(jìn)行75 kW放電。在40 kW充電過程中，電壓穩(wěn)定，充電結(jié)束后，電流在半個(gè)周波內(nèi)衰減到零，滿足充電的要求；放電開始時(shí)，電流在一個(gè)周波內(nèi)有微小畸變，隨即達(dá)到穩(wěn)定，電壓始終穩(wěn)定，滿足放電的要求。

圖8 40 kW充電-待機(jī)-75 kW放電實(shí)驗(yàn)波形

3.4 并網(wǎng)-離網(wǎng)切換實(shí)驗(yàn)

并網(wǎng)條件下，保持蓄電池能量在90%左右，進(jìn)行并網(wǎng)-離網(wǎng)切換實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)包括無負(fù)載條件下離網(wǎng)切換及負(fù)載不斷電情況下離網(wǎng)切換。無負(fù)載條件的實(shí)驗(yàn)，首先分?jǐn)嗦菲鱇3，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中只有儲(chǔ)能變流器接入電網(wǎng)運(yùn)行，再分?jǐn)嗦菲?，波形如圖9(a)所示，電流在半個(gè)周波內(nèi)變?yōu)榱?，電壓在第一個(gè)周波有微小畸變。負(fù)載不斷電情況下，合斷路器K3，此時(shí)由電網(wǎng)與帶蓄電池的儲(chǔ)能變流器為負(fù)載供電，再分?jǐn)嗦菲?，波形如圖9(b)所示，此時(shí)由儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)為負(fù)載供電。離網(wǎng)后的第一個(gè)周波電流有微小畸變，隨后恢復(fù)正常，而電壓在切換過程中降低，經(jīng)過約20個(gè)周波調(diào)回，負(fù)載不掉電，由于儲(chǔ)能系統(tǒng)單獨(dú)為負(fù)載供電，電流幅值變大。

圖9 儲(chǔ)能變流器并網(wǎng)-離網(wǎng)切換實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能變流器，能夠在離網(wǎng)條件下進(jìn)行V/f控制啟動(dòng)，單獨(dú)對(duì)負(fù)載供電，供電電壓電流符合市電標(biāo)準(zhǔn)；可以實(shí)現(xiàn)離網(wǎng)-并網(wǎng)的雙向切換，切換過程中電壓電流畸變小。并網(wǎng)期間可以進(jìn)行恒流充放電與恒壓充放電，對(duì)電網(wǎng)起到削峰填谷的作用。主被動(dòng)結(jié)合的孤島檢測(cè)方式，使其能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行反孤島保護(hù)。由于科研時(shí)間限制，本文僅針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)之間展開研究，在后期可以結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)及不同的儲(chǔ)能設(shè)備，展開全系統(tǒng)的測(cè)試與實(shí)驗(yàn)。

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Design and realization of energy storage converter for solar photovoltaic system

ZHAO Si-yuan,YU Qing-guang,HUANG Jie
(Department of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)

Energy storage device is an important part of the micro-grid and plays an important role in the safe and stable operation of the micro-grid.Its core component is the battery energy storage converter.A prototype of energy storage converter was designed with the mode of grid and off-grid,based on the solar photovoltaic systems.Using power PC and FPGA as the main controller,the converter could provide support for active and reactive power and match different energy storage device.The prototype adopted a hybrid method to switch between the mode of grid and off-grid accurately.In a variety of conditions,the prototype gave a good performance.So the energy storage converter has good popularization value.

energy storage converter;PQ control;V/f control;islanding detection

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-1031-04

2016-12-01

趙思遠(yuǎn)(1990—)，男，遼寧省人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槲⒕W(wǎng)控制理論等。