基于儲(chǔ)能技術(shù)的不平衡負(fù)載下光伏并網(wǎng)控制系統(tǒng)研究

孟彥京，杜 鵑，馬匯海

(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 引言

隨著分布式發(fā)電技術(shù)與儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，基層供電系統(tǒng)的獨(dú)立微電網(wǎng)技術(shù)也得到了廣泛的研究[1-3].對(duì)于基層供電系統(tǒng)來說，0.4 kV低壓電網(wǎng)三相負(fù)載不平衡一直是難以解決的問題.在實(shí)際運(yùn)行中，由于大功率單相負(fù)載的突然接入、單相用戶的不可控增容以及單相負(fù)載用電的不同時(shí)性，都會(huì)引起三相負(fù)載的不平衡，從而產(chǎn)生負(fù)序、零序分量，導(dǎo)致電壓電流的不平衡.同時(shí)三相負(fù)載不平衡運(yùn)行降低了線路和配電變壓器的供電效率.分布式光伏電站是得到國家政策提倡的重要的新能源使用方式之一，使用量逐年上升.分布式光伏電站為三相四線制配電網(wǎng)供電時(shí)，由于光伏發(fā)電的特性要求光伏并網(wǎng)逆變器以最大功率輸出強(qiáng)制平衡的三相電，當(dāng)用戶側(cè)出現(xiàn)三相負(fù)載不平衡時(shí)，容易產(chǎn)生負(fù)載側(cè)某一相或兩相多余電能逆流回電網(wǎng)，造成的經(jīng)濟(jì)性差的問題，并且嚴(yán)重威脅了低壓電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全平穩(wěn)運(yùn)行[4].

目前，已有相關(guān)研究提出將儲(chǔ)能系統(tǒng)用于改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量.文獻(xiàn)[5,6]研究表明含儲(chǔ)能系統(tǒng)的無功補(bǔ)償器可以對(duì)提高電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性和改善電能質(zhì)量.文獻(xiàn)[7,8]將含儲(chǔ)能的無功補(bǔ)償裝置應(yīng)用于風(fēng)電場，可以提高風(fēng)電場的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性.但上述研究主要集中在大電網(wǎng)或風(fēng)電場等三相三線制系統(tǒng)，且僅考慮系統(tǒng)的有功和無功補(bǔ)償，沒有考慮諧波問題.而低壓配電網(wǎng)大多使用三相四線制系統(tǒng)，其用戶負(fù)載多具有非線性、不對(duì)稱的特點(diǎn).因此針對(duì)光伏的發(fā)電特性以及負(fù)載不平衡所帶來的諧波、無功和不平衡電流等問題，結(jié)合最常見的三相四線制配電網(wǎng)絡(luò)，本文提出一種基于三相四橋臂結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能功率變換系統(tǒng)及其控制策略，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)的無功補(bǔ)償和諧波抑制，并有效解決負(fù)載側(cè)三相功率波動(dòng)問題.

通過對(duì)傳統(tǒng)ip-iq諧波電流檢測法改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)所需的有功、無功和諧波補(bǔ)償電流的準(zhǔn)確檢測.將變流器與儲(chǔ)能系統(tǒng)分開進(jìn)行控制，變流器采用基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流解耦控制方式實(shí)現(xiàn)對(duì)補(bǔ)償指令電流的跟蹤控制.同時(shí)采用兩階段式的充電方式，延長電池使用壽命的同時(shí)保證充放電的安全準(zhǔn)確性.最后，結(jié)合低壓配電網(wǎng)實(shí)際系統(tǒng)，針對(duì)系統(tǒng)主電路拓?fù)浼翱刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過仿真驗(yàn)證了所提出的基于儲(chǔ)能技術(shù)的四橋臂功率變換系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性和控制方案的可行性.通過整合資源，該系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)諧波抑制、無功以及不平衡分量補(bǔ)償，還可以在需要的時(shí)候吸收光伏發(fā)電多余的有功能量，維持微電網(wǎng)的功率平衡，可以為微電網(wǎng)提供更加靈活多樣的電能調(diào)節(jié)功能.該系統(tǒng)的研究分析，既能改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量，又降低了應(yīng)用成本，提高了整個(gè)系統(tǒng)的利用率，具有重要的理論意義和工程價(jià)值.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作原理

基于三相四橋臂結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能變流裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由光伏發(fā)電單元、并網(wǎng)逆變器、三相四線制配電網(wǎng)、檢測運(yùn)算電路、驅(qū)動(dòng)控制電路、四橋臂變流電路、雙向DC-DC電路以及蓄電池構(gòu)成.要將儲(chǔ)能裝置接入三相四線制配電網(wǎng)或微電網(wǎng)，因此需要選擇一種能直接與三相四線配電網(wǎng)互聯(lián)的，能適應(yīng)電網(wǎng)參數(shù)變化、并且能調(diào)控中性線上電流的變流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這種拓?fù)漕愃朴谌嗨木€制有源電力濾波器，文獻(xiàn)[9]已經(jīng)對(duì)三相四線制的幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)做出了分析，即電容器中分式、四橋臂式以及三單相全橋式，并對(duì)其各自的特點(diǎn)進(jìn)行比較.本文在參考對(duì)比下選用四橋臂拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[10]，該結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)三相變流器三橋臂的基礎(chǔ)上再并聯(lián)一組橋臂，其具有很強(qiáng)的補(bǔ)償不平衡負(fù)載電流、中線電流能力，同時(shí)裝置的結(jié)構(gòu)比較簡單，經(jīng)濟(jì)性較高.DC-DC電路采用由BUCK電路和BOOST電路反并聯(lián)的雙向半橋DC/DC變換器[11]來實(shí)現(xiàn).

光伏發(fā)電單元通過并網(wǎng)逆變器以最大功率輸出三相平衡交流電并入電網(wǎng)或直接供負(fù)載使用，本文研究的重點(diǎn)不是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，而是在負(fù)載不平衡條件下儲(chǔ)能變流技術(shù)用于平衡系統(tǒng)有功功率以及補(bǔ)償不平衡分量的協(xié)同控制，在吸收系統(tǒng)多余的有功電能的同時(shí)，更好地補(bǔ)償不平衡電流分量，因此本文不對(duì)光伏發(fā)電以及其并網(wǎng)系統(tǒng)做過多的敘述.

圖1中，光伏發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)逆變器以最大功率輸出三相平衡交流電iPV；vsj(j=a,b,c)為并網(wǎng)電源，電網(wǎng)電流為iSj(j=a,b,c,n)，負(fù)載電流為iLj(j=a,b,c,n).圖中，檢測運(yùn)算電路的作用是檢測出負(fù)載電流中的不平衡電流分量以及光伏發(fā)出多余的有功電能，并根據(jù)檢測值判斷充放電狀態(tài).驅(qū)動(dòng)控制電路的作用是根據(jù)檢測運(yùn)算電路得到的相關(guān)參數(shù)，得出補(bǔ)償電流與并網(wǎng)電流的指令信號(hào)，并產(chǎn)生8路PWM驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)新能源有效利用的同時(shí)治理微電網(wǎng)的無功、諧波和不平衡電流.

三相四線制儲(chǔ)能變換系統(tǒng)的主要作用是抑制諧波、補(bǔ)償無功及平衡系統(tǒng)的有功功率，這些都是通過給系統(tǒng)提供補(bǔ)償電流實(shí)現(xiàn)的.能夠快速準(zhǔn)確地補(bǔ)償系統(tǒng)中的諧波、無功及有功電流，最主要的就是指令電流的計(jì)算和儲(chǔ)能系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地充放電.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)電路圖

2 系統(tǒng)控制策略研究

2.1 指令電流計(jì)算

傳統(tǒng)ip-iq補(bǔ)償電流檢測方法主要用來檢測諧波和無功電流[12]，并沒有考慮有功電流.因此本文在傳統(tǒng)ip-iq檢測法的基礎(chǔ)上改進(jìn)，通過加入有功電流補(bǔ)償值的檢測功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)所需的有功、無功和諧波補(bǔ)償電流的準(zhǔn)確檢測.

由于不平衡負(fù)載的存在，三相負(fù)載電流之和不為零，系統(tǒng)中性線存在電流，直接應(yīng)用基于瞬時(shí)無功理論的ip-iq法會(huì)造成零序電流補(bǔ)償誤差，所以要先將零序電流從三相電流中分離出來，再使用ip-iq補(bǔ)償電流檢測方法計(jì)算補(bǔ)償電流.該方法對(duì)應(yīng)的原理框圖如圖2所示.

圖2 改進(jìn)的ip-iq檢測法原理框圖

由對(duì)稱分量法知三相負(fù)載電流中零序電流的相位和大小一致，可求得各相所含零序電流iLa0=iLb0=iLc0=i0/3，將各相負(fù)載電流iLa、iLb、iLc減去各相零序電流iLa0、iLb0、iLc0，即得到分離后的三相負(fù)載電流iLa′、iLb′、iLc′，可用公式(1)描述.

iLa′=iLa-iLa0

iLb′=iLb-iLb0

iLc′=iLc-iLc0

(1)

不平衡負(fù)載可能引起系統(tǒng)電壓不平衡，進(jìn)一步導(dǎo)致鎖相不準(zhǔn)確，因此通過將矩陣C2s/2r和C2r/2s中對(duì)應(yīng)的ω設(shè)為一個(gè)定值ω0，使矩陣成為一個(gè)恒定的矩陣C0和C0′，假設(shè)電網(wǎng)的頻率為f，其對(duì)應(yīng)的角頻率如式(2)所示.

ω=2πf

(2)

系統(tǒng)頻率為50 Hz，因此可得ω0為314 rad/s.分離零序電流后的負(fù)載側(cè)電流iLabc′乘以變換矩陣C3s/2r，將三相靜止坐標(biāo)系中的負(fù)載電流變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，如公式(3)所示.

(3)

(4)

(5)

iLp、iLq經(jīng)低通濾波器得基波直流分量iLp′、iLq′，將直流分量乘以矩陣C2r/3s經(jīng)過反變換可得三相負(fù)載電流的基波分量iLaf、iLbf、iLcf.

經(jīng)過反變換求得的是負(fù)載基波有功分量，并沒有考慮對(duì)系統(tǒng)有功功率的補(bǔ)償值.假設(shè)某時(shí)刻分布式光伏電站提供的有功功率為PPV，某時(shí)刻負(fù)載消耗功率為PLoad，由于光伏發(fā)電周期性以及負(fù)載的多變性，使得PPV不總是等于PLoad，因此由儲(chǔ)能變換系統(tǒng)來補(bǔ)償吸收光伏發(fā)出的多余功率，故系統(tǒng)有功功率給定值為Pref=PPV-PLoad.如圖2所示Pc為變流裝置吸收的有功功率，Pref為參考吸收功率，為了實(shí)現(xiàn)無差調(diào)節(jié)，使用PI控制模塊，將有功功率補(bǔ)償值Pref轉(zhuǎn)換為有功電流補(bǔ)償值ipref.與pq坐標(biāo)系中的基波有功電流iLp′相減后，得到系統(tǒng)所需要輸送的基波有功電流iLp*，再經(jīng)過Park反變換后，與經(jīng)過分離零序電流后的三相電流相減，即可得儲(chǔ)能變流系統(tǒng)a、b、c三相補(bǔ)償電流參考值ica*、icb*、icc*，同時(shí)可得零線補(bǔ)償電流i0*，如公式(6)所示.

ica*=iLa′-iLaf

icb*=iLb′-iLbf

icc*=iLc′-iLcf

i0*=(iLa+iLb+iLc)

(6)

2.2 控制策略設(shè)計(jì)

在得到指令電流后，需要對(duì)指令電流進(jìn)行跟蹤控制，常用的控制方法有電流滯環(huán)控制、準(zhǔn)比例諧振控制、PI控制等.電流滯環(huán)控制器雖具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、誤差小等優(yōu)點(diǎn)，但其開關(guān)頻率不固定而且不利于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)；本系統(tǒng)電流給定中含有多個(gè)頻率信號(hào)，使用多個(gè)準(zhǔn)比例諧振控制器并聯(lián)的形式可以對(duì)其中影響最大的次數(shù)諧波實(shí)現(xiàn)無靜差控制，但有動(dòng)態(tài)相應(yīng)慢、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜等缺點(diǎn)[13].本系統(tǒng)要求對(duì)不對(duì)稱電流進(jìn)行補(bǔ)償，因此，逆變器實(shí)際輸出的電流將不再是對(duì)稱的，采用傳統(tǒng)的控制方法難以實(shí)現(xiàn)較好的控制，導(dǎo)致實(shí)際的輸出電流存在較大的誤差.因此針對(duì)三相四橋臂變流裝置采用基于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的電流解耦PI控制方式，通過雙閉環(huán)控制策略，電壓外環(huán)穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓；電流內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)指令電流的跟蹤控制，并保證電流跟蹤的快速性以及較小的誤差，具體的控制策略框圖如圖3所示.

圖3 控制策略結(jié)構(gòu)圖

由2.1節(jié)得到的指令電流與采樣得到的儲(chǔ)能變流器輸入側(cè)的實(shí)際電流分別經(jīng)dq坐標(biāo)變換后分別得到直流分量iLd*、iLq*及iCd、iCq，將兩者作差，經(jīng)PI調(diào)制及dq軸解耦后，經(jīng)過dq坐標(biāo)反變換以及PWM調(diào)制得到儲(chǔ)能變流器前三橋臂的PWM開關(guān)信號(hào)；將零線補(bǔ)償電流i0*與第四橋臂輸出電流i0做差，經(jīng)PI調(diào)節(jié)及PWM調(diào)制，得到第四橋臂的開關(guān)信號(hào).

為確保儲(chǔ)能電池組的安全以及延長其使用壽命，采用先恒流充電至額定電壓后再轉(zhuǎn)恒壓充電的二階段充電方式[14].多余發(fā)電量經(jīng)過儲(chǔ)能變流器整流吸收后，給蓄電池充電，根據(jù)蓄電池組的電壓范圍來確定采用恒流或是恒壓充電方式，外環(huán)控制電池端電壓，內(nèi)環(huán)控制電池充電電流iL，通過控制相應(yīng)開關(guān)管的占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充放電控制.具體的充放電控制策略設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制器

分布式光伏電站在負(fù)載不平衡條件下的協(xié)同控制需要實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)不平衡電流分量動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)，根據(jù)光伏發(fā)電量以及負(fù)載變化情況完成蓄電池的充放電控制.該系統(tǒng)具有白天并網(wǎng)儲(chǔ)能充電、夜晚放電，同時(shí)變流器一直工作在有源濾波器狀態(tài)，補(bǔ)償系統(tǒng)的無功、諧波以及不平衡電流分量.具體通過檢測對(duì)比光伏發(fā)電功率與實(shí)際負(fù)載消耗功率來實(shí)現(xiàn)的，在光伏發(fā)電量充足的情況下，即PPV>PLoad，需要完成對(duì)負(fù)載引起的不平衡分量補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能控制.當(dāng)檢測到光伏發(fā)電功率小于一定值時(shí)，說明光伏電池板基本不發(fā)電了，可以將其切除，并將有功電流補(bǔ)償值ipref設(shè)為0，此時(shí)變流器僅工作在有源濾波狀態(tài)，DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電池的放電控制.

3 控制系統(tǒng)仿真分析與結(jié)果

3.1 仿真系統(tǒng)建立

為驗(yàn)證分布式光伏電站在負(fù)載不平衡條件下對(duì)不平衡電流的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與存儲(chǔ)的協(xié)同控制策略的正確性，基于圖1在MATLAB上搭建系統(tǒng)仿真電路模型如圖5所示[15].

圖5 系統(tǒng)仿真電路原理圖

其中，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示：

表1 仿真電路參數(shù)

利用不平衡負(fù)載模塊和非線性負(fù)載模塊來模擬負(fù)載特性，其中不平衡負(fù)載模塊的三相電阻分別為40 Ω、20 Ω、50 Ω；非線性負(fù)載模塊采用帶阻感性負(fù)載的三相不可控整流電路.為縮短仿真時(shí)間，將蓄電池的額定容量設(shè)為8 Ah，所以在恒流充電模式下，電池電壓很快升高，然后進(jìn)入恒壓充電階段.實(shí)際中在光伏不發(fā)電時(shí)，微處理器就要控制DC-DC相應(yīng)開關(guān)管以及接觸器開關(guān)使電池處于恒流放電狀態(tài)，因此在中間直流側(cè)通過階躍信號(hào)控制繼電器開關(guān)對(duì)負(fù)載進(jìn)行放電操作，模擬電池的放電狀態(tài).

3.2 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖6所示.圖6為系統(tǒng)電流波形，開始運(yùn)行時(shí)，光伏發(fā)電能量充足，在為負(fù)載供電的同時(shí)仍能產(chǎn)生多余電量，變流裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載側(cè)不平衡的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償以及多余發(fā)電量的有功存儲(chǔ)；在2 s時(shí)，光伏電池板不工作，變流裝置只實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載不平衡電流的補(bǔ)償.

整個(gè)運(yùn)行過程中，非線性負(fù)載使系統(tǒng)電流產(chǎn)生畸變，同時(shí)由于不平衡負(fù)載的存在導(dǎo)致中性線電流不為零.通過加入儲(chǔ)能變流裝置使得并網(wǎng)系統(tǒng)三相電流恢復(fù)正弦波，中線電流接近于0，電網(wǎng)的電能質(zhì)量得到了極大的改善.

圖7為變流裝置對(duì)負(fù)載側(cè)不平衡進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償與有功存儲(chǔ)時(shí)電網(wǎng)A相電壓電流波形.由圖7可以看出，電壓和電流基本為正弦波，且為同相位，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)為1的控制，保證了系統(tǒng)始終處于平衡的狀態(tài).

為了延長電池的使用壽命，防止蓄電池過充過放，采用二階段充電方式，由圖8可以看出，充電策略實(shí)現(xiàn)了先恒流充電至設(shè)定電壓后再轉(zhuǎn)恒壓充電兩階段充電過程的轉(zhuǎn)換；通過設(shè)置階躍信號(hào)在2 s時(shí)控制繼電器開關(guān)模擬對(duì)負(fù)載的放電操作，由圖也可看出，采用的放電策略實(shí)現(xiàn)了恒流放電過程，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制策略的正確性.

圖6 系統(tǒng)電流波形

圖7 充電時(shí)交流側(cè)電壓、電流波形圖

圖8 電池充放電過程中參數(shù)變化波形圖

4 結(jié)論

本文針對(duì)用戶側(cè)三相不平衡負(fù)載條件下的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，將儲(chǔ)能變流技術(shù)加入分布式光伏電站，針對(duì)不平衡負(fù)載帶來的諧波、無功和不平衡電流等問題，提出了一種基于三相四橋臂結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能功率變換系統(tǒng)，通過提出改進(jìn)的ip-iq補(bǔ)償電流檢測法，能夠快速準(zhǔn)確地檢測到補(bǔ)償電流.通過整合資源，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載不平衡分量的補(bǔ)償，還可以在需要的時(shí)候吸收光伏發(fā)電多余的有功能量，實(shí)現(xiàn)不同工作模式的協(xié)同控制；既改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，又降低了應(yīng)用成本，提高了整個(gè)系統(tǒng)的利用率.通過與儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，采用階段式充電方式為電池提供安全、靈活、可靠的工作狀態(tài)，有效延長電池組的使用壽命，保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行.并通過在MATLAB軟件上對(duì)系統(tǒng)控制方案進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果驗(yàn)證了電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性和控制方案的可行性，達(dá)到了預(yù)期的效果.