光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)控制策略研究

高 飚

（新疆粵水電能源有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

電能是清潔能源的一種，在我國人民生活和生產(chǎn)中具有不可替代的作用。從前，我國電力方面的能量主是以河流、煤炭為動力源進行水力和火力發(fā)電。然而，煤炭資源日益減少，水資源無法有效控制，人們在電力方面的需求日益增長，所以光能發(fā)電成為相關(guān)研究者的主要研究方向[1]。生物質(zhì)能、太陽能光伏以及風(fēng)力發(fā)電是我國現(xiàn)階段3種較為清潔的發(fā)電方式。近年來，光伏發(fā)電發(fā)展極其迅速，得到了極其廣泛的應(yīng)用。光伏發(fā)電是一種新能源發(fā)電技術(shù)，以中小規(guī)模為主進行建設(shè)，構(gòu)成一個微網(wǎng)系統(tǒng)接入我國電網(wǎng)系統(tǒng)。

1 光伏微電網(wǎng)中發(fā)電系統(tǒng)分析

1.1 光伏微電網(wǎng)中發(fā)電系統(tǒng)

現(xiàn)階段，借助并網(wǎng)控制逆變器連接當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，是光伏電源的主流應(yīng)用方式。這一供電方式可以借助電網(wǎng)再分配系統(tǒng)發(fā)的電能，而分析發(fā)電系統(tǒng)可以更好地控制儲能系統(tǒng)。因此，立足于光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成和使用目的不同，可以分為以下幾類（如圖1所示）。

1.1.1 有逆流型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

電能充足的情況下，這一系統(tǒng)可以在大電網(wǎng)進行反饋。有逆流是指光伏電站向電網(wǎng)反饋的電流方向恰好相反于大電網(wǎng)[2]。在光伏電站供給不足時，由電網(wǎng)補充負(fù)載所需電量，使負(fù)載能夠正常運行。

1.1.2 無逆流光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

和有逆流型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)類似，當(dāng)電流供應(yīng)不足的時候，主要依靠電網(wǎng)的補充，但這一系統(tǒng)不會把電輸給電網(wǎng)，控制難度不大。

1.1.3 切換型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

這種并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以靈活運行，可以有效應(yīng)對較為復(fù)雜的外部狀況。比如：天氣晴朗時，系統(tǒng)運行處于逆流狀態(tài)；陰雨連綿時，切換器自動切換到電網(wǎng)供電一側(cè)，由電網(wǎng)供電給負(fù)載。如果電網(wǎng)因為某種原因?qū)е鹿╇姲l(fā)生中止，開關(guān)切換能斷開系統(tǒng)和電網(wǎng)保持運行獨立。受這一系統(tǒng)各種特性的影響，為了在獨立運行過程中滿足當(dāng)?shù)貙嶋H情況對負(fù)荷正常運行的要求，需要復(fù)雜性更強的控制系統(tǒng)。

圖1 并網(wǎng)系統(tǒng)

1.1.4 有儲能裝置的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

這種系統(tǒng)是把儲能裝置配備在以上幾種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，增強系統(tǒng)的自主性，在醫(yī)療站和緊急通信等場所具有特別的應(yīng)用優(yōu)勢[3]。

1.2 光伏發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)繼電保護的影響

通常，單電源的放射狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)電網(wǎng)中最為常見，在電網(wǎng)中引入光伏發(fā)電后，放射式的無源網(wǎng)絡(luò)就發(fā)生了變化，即變成了一個有源網(wǎng)絡(luò)，其中分布有中小型電源。潮流的流向也被改變，即不再單向地從變電站母線向各負(fù)荷傳輸。電網(wǎng)的各種保護定值和機理也深受電網(wǎng)這一變化的影響。傳統(tǒng)的繼電保護設(shè)計均是假設(shè)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都為放射狀鏈?zhǔn)?，而隨著電力系統(tǒng)中大量介入光伏發(fā)電設(shè)備，所以也在很大程度上改變了這一區(qū)域供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使局部電網(wǎng)短路電流的分布發(fā)生了變化，由此也在一定程度上讓這一區(qū)域的電力系統(tǒng)繼電保護和安全自動裝置的配置與動作整定變得更加困難，從而讓繼電保護和安全自動裝置在動作上的不正確?，F(xiàn)階段，電力系統(tǒng)中光伏發(fā)電已有著非常廣泛的應(yīng)用，進而也開始深入探討其對電網(wǎng)保護配合的影響。

1.3 光伏發(fā)電并網(wǎng)對自動重合閘的影響

自動重合閘屬于自動裝置的一種，其是把由于故障跳開后的斷路器根據(jù)需要自動投入。自動重合閘裝置應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，讓供電的可靠性得到了明顯提高，使停電損失大大減少，同時也讓電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平進一步提高，使線路的送電容量增強。當(dāng)配電網(wǎng)接入光伏系統(tǒng)后，如果保護由于故障動作而出現(xiàn)跳閘的情況，而光伏系統(tǒng)沒有從線路解列，由此便形成了一個電力孤島，其電力由光伏系統(tǒng)提供。雖然這些電力孤島可讓功率與電壓的運行保持在額定值附近，但無疑也威脅到了自動重合閘。

2 光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)控制

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合微電網(wǎng)并網(wǎng)后電儲能系統(tǒng)變化，設(shè)計光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)中不僅包含電網(wǎng)、發(fā)電系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)以及儲能變換器等電路控制系統(tǒng)，還包含儲能控制系統(tǒng)。其中，儲能系統(tǒng)由DSP控制器和繼電保護電路等組成?？刂破鞑扇∮嬎氵\行性能較好的TMS320F28335控制芯片，雙極式變流結(jié)構(gòu)電路做儲能功能變換系統(tǒng)，雙芯片DSP控制四橋臂變流器和DC/DC變換器。此外，預(yù)充電模塊防止電流增加損壞開關(guān)管。

2.2 具體控制策略

2.2.1 儲能功率變換器控制

微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)放電狀態(tài)與電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部各組成部件的運行特性息息相關(guān)，必須定期檢測光伏單元發(fā)電情況和負(fù)載需求，明確儲能系統(tǒng)充放電運行策略。采用“雙極式四橋臂儲能功率變換器”控制電網(wǎng)、光伏系統(tǒng)以及電流負(fù)載等，驗證儲能系統(tǒng)中電池充放電控制策略的有效性。

2.2.2 儲能功率變換系統(tǒng)控制

設(shè)計中的儲能功率變換系統(tǒng)在三相電網(wǎng)調(diào)整電壓和電流后持續(xù)為蓄電池充電，電壓的等級相對較高。根據(jù)光伏微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分析，儲能系統(tǒng)配置的儲能單元功率要求非常高，實際中可以擴充電池組，其中DC/DC變換器參數(shù)可參考文獻[4]。

2.2.3 DSP核心控制電路

圖2 光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計

DSP核心控制電路主要對系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)進行運算處理，設(shè)定系統(tǒng)控制闡述，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，從而實現(xiàn)控制目標(biāo)。DSP核心控制電路芯片對運算速度、外設(shè)接口以及功能要求非常高，必須滿足變流器環(huán)節(jié)和DC/DC環(huán)節(jié)的控制要求。

3 控制結(jié)果

系統(tǒng)對各控制系統(tǒng)進行仿真驗證，借助Matlab系統(tǒng)搭建系統(tǒng)仿真模型電路。驗證結(jié)果顯示：指令電流、電壓以及鎖相環(huán)等相關(guān)因素都滿足基本控制要求，發(fā)電系統(tǒng)對該系統(tǒng)的影響相對較小。儲能功率變換系統(tǒng)可以有效控制電池充放電，還可以補償三相負(fù)載所造成的不平衡和諧波等問題，系統(tǒng)整體運行效果良好。這進一步驗證了儲能運行實施方案的可行性，不僅可以改善電網(wǎng)運行電能質(zhì)量，而且進一步降低了應(yīng)用成本，對促進微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)和電網(wǎng)整體安全有一定的積極意義。

4 結(jié) 論

現(xiàn)階段，智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展越來越快，電網(wǎng)中正不斷接入光伏發(fā)電等再生能源和清潔能源。電網(wǎng)由單電源放射狀網(wǎng)絡(luò)向多電源供電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，必須重視由短路電流、電壓水平以及潮流分布等因素造成的影響。傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)動作性能和動作行為受到影響很大，必須探討光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)控制策略，才能滿足智能電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級需求。