并網(wǎng)模式下光儲(chǔ)協(xié)同控制策略研究

周紅麗

[摘要]新能源的利用越來(lái)越廣泛，尤其在并網(wǎng)模式下，光儲(chǔ)直流供電系統(tǒng)中包含著多個(gè)設(shè)備，其運(yùn)行特性和控制模式是有差別的，為了確保其能夠共同配合維持系統(tǒng)的功率平衡，增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要對(duì)多個(gè)變換器進(jìn)行協(xié)同控制。本文采用直流電壓的信息反饋，系統(tǒng)各個(gè)單元識(shí)別系統(tǒng)中的功率缺額以及判定自身的應(yīng)處于的工作模式和自身出力，各部分的協(xié)作主要通過(guò)直流母線電壓。通過(guò)直流電壓下垂可以保證系統(tǒng)中各個(gè)單元的功率輸出是按照一定比例進(jìn)行調(diào)節(jié)的。采用協(xié)同控制能夠最大限度的利用系統(tǒng)各個(gè)單元，確保系統(tǒng)的功率平衡、可靠運(yùn)行和母線電壓穩(wěn)定。

[關(guān)鍵詞]協(xié)同控制 下垂控制 母線電壓穩(wěn)定 運(yùn)行模態(tài)

對(duì)于光伏發(fā)電單元，電壓正常范圍內(nèi)始終運(yùn)行在最大功率跟蹤方式，以保證分布式能源的利用率。對(duì)于儲(chǔ)能單元，利用儲(chǔ)能單元充電和放電不同的模式，承擔(dān)系統(tǒng)輸入和負(fù)荷的功率差額。對(duì)于交流網(wǎng)側(cè)，聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，雙向AC/DC變換器采用下垂控制和恒壓控制。

1直流供電系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行模態(tài)

1.1直流供電系統(tǒng)的功率傳輸關(guān)系

如圖1是等效并網(wǎng)直流母線處的能量關(guān)系式，其中，U_dc表示直流母線處的電壓，直流系統(tǒng)內(nèi)直流母線處的等效電容用C_dc表示，P_PV代表光伏發(fā)電單元提供的功率，P_Battery代表儲(chǔ)能單元充放電的功率，P_grid代表電網(wǎng)側(cè)輸入功率，P_load為包含直流負(fù)荷和交流負(fù)荷在內(nèi)的負(fù)荷單元消耗的功率，P_c為直流母線等效電容的充放電功率?？梢钥闯?，微電網(wǎng)直流母線會(huì)受到多種因素影響，最直接影響體現(xiàn)在直流母線電壓。Equation Section4

結(jié)合直流母線處功率平衡的等效公式可得，直流母線等效電容的充/放電功率

直流母線等效電容的充/放電功率又可以表示為

將（1）及（2）聯(lián)立整理，建立了直流母線電壓U_dc和系統(tǒng)中功率的關(guān)系

直流供電系統(tǒng)的控制實(shí)質(zhì)就是通過(guò)功率平衡關(guān)系控制直流母線電壓，盡量減小直流母線電壓的波動(dòng)，使系統(tǒng)工作電壓穩(wěn)定，在母線電壓在額定電壓值附近運(yùn)行。

1.2直流供電系統(tǒng)的運(yùn)行模態(tài)劃分

為確保系統(tǒng)功率供需的平衡以及系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，因此結(jié)合儲(chǔ)能的充放電及直流母線電壓的大小將整個(gè)系統(tǒng)工作的模態(tài)進(jìn)行劃分，即直流母線電壓和儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)SOC是運(yùn)行模式的一個(gè)重要參數(shù)。在本文中將直流母線基準(zhǔn)電壓設(shè)定為400V，其穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間為380V-420V，且只有在儲(chǔ)能單元SOC滿足相關(guān)要求時(shí)才能對(duì)儲(chǔ)能單元進(jìn)行相關(guān)充放電操作。綜合直流母線電壓和儲(chǔ)能單元SOC，將運(yùn)行模式分成5個(gè)模態(tài)。如圖2所示

運(yùn)行模式Mode 1：當(dāng)直流母線電壓在410V到420V之間，且儲(chǔ)能單元SOC在可充范圍內(nèi)，即SOC<90%時(shí)，母線電壓高于額定范圍，光伏電源、電網(wǎng)出力大出交直流負(fù)載所需較多，但仍在穩(wěn)定區(qū)間，即P_PV+P_grid >P_load，此時(shí)，光伏電源依舊進(jìn)行MPPT控制；雙向交直流變換器處于逆變狀態(tài)，能量由直流母線流向電網(wǎng)；儲(chǔ)能單元進(jìn)行恒流模式快速充電，以加速消耗多于功率。在此區(qū)間，電網(wǎng)是調(diào)節(jié)母線電壓的主要角色。其他模態(tài)情況如表1所示

2并網(wǎng)模式下系統(tǒng)協(xié)同控制策略

2.1基于直流母線電壓的多變換器下垂控制策略

根據(jù)儲(chǔ)能單元和電網(wǎng)側(cè)單元變換器的下垂控制的特性，儲(chǔ)能單元的功率僅取決于系統(tǒng)的操作條件。本文提出一種如圖3的基于直流母線電壓的多變換器下垂控制策略。

2.2改進(jìn)型多變換器下垂的控制器設(shè)計(jì)

改進(jìn)后的控制器結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于雙向DC/AC變換器的下垂控制區(qū)為380V-420V，而儲(chǔ)能單元的下垂控制區(qū)為390V-410V，在二者共同處于下垂控制是為了保證系統(tǒng)各個(gè)子單元功率輸出的按比例分配，需要滿足以下功率關(guān)系：

式中，k_AC和k_bat分別代表交流單元和儲(chǔ)能單元的下垂系數(shù)，P_AC和P_bat分別代表交流單元和儲(chǔ)能單元的額定功率。

在實(shí)際運(yùn)行中，儲(chǔ)能單元和雙向DC/AC變換器的直流電壓給定值可以根據(jù)下垂公式計(jì)算得來(lái)

當(dāng)直流母線電壓達(dá)到380V或者420V時(shí)，下垂特性曲線進(jìn)入飽和區(qū)，確保直流母線不會(huì)過(guò)高或者過(guò)低，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)直流母線電壓進(jìn)入到380V-390V和410V-420V區(qū)間時(shí)，儲(chǔ)能單元進(jìn)入恒流控制模式，使其更好的保障系統(tǒng)內(nèi)的功率的平衡，即最大化的平抑系統(tǒng)功率。

4.3并網(wǎng)模式下系統(tǒng)協(xié)同控制仿真驗(yàn)證

仿真中所涉及的參數(shù)如表2。

具體的仿真條件如下：1）初始時(shí)刻在0s時(shí)，光伏單元時(shí)最大輸出功率為10kW，在5s，光照強(qiáng)度發(fā)生突變，輸出功率為14kW。2）初始時(shí)刻0s時(shí)，接人阻值為80hm直流負(fù)載，1s時(shí)，增加阻值為160hm的直流負(fù)載，3s時(shí)，切除阻值為80hm直流負(fù)載。

3）初始時(shí)刻0s時(shí)，儲(chǔ)能單元的SOC值設(shè)定為50%。