分布式光伏系統(tǒng)中基于儲(chǔ)能的直流母線電壓控制方案

李清然

(國網(wǎng)冀北廊坊供電公司,河北 廊坊065000)

光伏發(fā)電作為一種潛力巨大的可再生能源，分布廣，無污染，取之不盡，具有廣闊的應(yīng)用前景。但同時(shí)光伏出力受光照、溫度等環(huán)境條件影響較大，系統(tǒng)穩(wěn)定性差成為制約其發(fā)展的技術(shù)瓶頸[1]。通過合理配置儲(chǔ)能裝置可以平抑波動(dòng)功率，穩(wěn)定母線電壓，保證負(fù)載供電的可靠性和電能質(zhì)量，儲(chǔ)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制成為研究熱點(diǎn)[2-3]。

本文選擇蓄電池和超級(jí)電容器為儲(chǔ)能載體，設(shè)計(jì)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)光伏出力波動(dòng)與負(fù)載隨機(jī)變化等情境下，實(shí)現(xiàn)源荷互動(dòng)，保證直流母線電壓穩(wěn)定。

1 混合儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合蓄電池與超級(jí)電容器的儲(chǔ)能性能，設(shè)計(jì)了如圖1所示的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

超級(jí)電容器通過雙向DC/DC（1）變換器接到直流母線上，蓄電池通過雙向DC/DC（2）與超級(jí)電容器并聯(lián)。當(dāng)母線電壓波動(dòng)時(shí)，雙向DC/DC（1）控制超級(jí)電容器迅速充放電，可以快速調(diào)節(jié)和穩(wěn)定母線電壓。雙向DC/DC（2）控制蓄電池精確充放電，在適當(dāng)?shù)目刂撇呗韵驴梢詢?yōu)化蓄電池充放電，延長使用蓄電池的壽命。

在儲(chǔ)能元件選擇上，超級(jí)電容和蓄電池都不必與直流母線保持嚴(yán)格匹配，元件選擇相對(duì)靈活，減少了超級(jí)電容和蓄電池的配置容量，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。并且超級(jí)電容器和蓄電池之間沒有耦合關(guān)系，控制相對(duì)簡單獨(dú)立。

2 電壓控制方案設(shè)計(jì)

2.1 超級(jí)電容器控制

根據(jù)能量傳遞方向的不同，雙向DC/DC（1）變換器可以根據(jù)需要在BOOST/BUCK兩種狀態(tài)中無縫切換，控制目標(biāo)為高壓側(cè)即直流母線電壓的恒定。

根據(jù)超級(jí)電容器的充放電特點(diǎn)，超級(jí)電容器選擇采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙向雙環(huán)控制模式。電壓外環(huán)用于控制高壓側(cè)輸出電壓的穩(wěn)定，電流內(nèi)環(huán)參考值經(jīng)由電壓外環(huán)控制得到。由雙向變換器的建模[6]分析可得，電壓傳遞函數(shù)呈現(xiàn)最小相位特性，為了改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，采用PI控制器補(bǔ)償，系統(tǒng)控制圖如圖2所示。

圖2中K1、K2為反饋系數(shù)，Z為負(fù)載等效阻抗，是母線電壓的設(shè)定參考值，為電流內(nèi)環(huán)參考值。

圖2 超級(jí)電容器雙環(huán)控制

2.2 蓄電池控制

根據(jù)能量傳遞方向的不同，雙向DC/DC2變換器可以根據(jù)需要在BOOST/BUCK兩種工作狀態(tài)無縫切換，控制目標(biāo)為電感電流恒定。

根據(jù)蓄電池的充放電特點(diǎn)，蓄電池選擇采用恒流充放電控制，可以避免蓄電池過電流和小電流及頻繁充放電。采用加入PI控制器的閉環(huán)控制，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，系統(tǒng)控制圖如圖3所示。

圖3 蓄電池恒流充放電控制

圖3中，K3為反饋系數(shù)，IL*為充放電電流的設(shè)定參考值。

2.3 儲(chǔ)能元件協(xié)調(diào)控制

根據(jù)超級(jí)電容器和蓄電池的儲(chǔ)能特性，制定協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)雙方優(yōu)勢互補(bǔ)。超級(jí)電容器功率密度大、循環(huán)壽命長，所以優(yōu)先充放電，可以平抑短時(shí)大功率的尖峰波動(dòng)和頻繁往復(fù)性的功率波動(dòng)，避免蓄電池頻繁充放電和小電流或者過電流充放電，延長蓄電池使用壽命。能量密度大的蓄電池則用于提供長時(shí)間的功率支持，使超級(jí)電容器端電壓維持在一定范圍內(nèi)，確保超級(jí)電容器可以隨時(shí)響應(yīng)調(diào)控母線電壓的能量需求。

設(shè)定超級(jí)電容器允許電壓波動(dòng)的上下限分別為Uup、Udown，當(dāng)電壓波動(dòng)小于設(shè)定值時(shí)，僅由超級(jí)電容器充放電，穩(wěn)定直流母線電壓。當(dāng)超級(jí)電容器的電壓波動(dòng)大于設(shè)定值時(shí)，蓄電池開始充放電，補(bǔ)償功率缺額或吸收剩余功率。直到超級(jí)電容器電壓恢復(fù)額定值時(shí)，蓄電池停止充放電。

綜上分析可得混合儲(chǔ)能系統(tǒng)4種工作模式。

工作模式一：光伏輸出功率高于負(fù)載吸收的功率，即功率過剩時(shí)，雙向DC/DC（1）工作在BUCK模式，超級(jí)電容器充電，雙向DC/DC（1）保證直流母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)超級(jí)電容器端電壓達(dá)到電壓上限Uup，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入工作模式二。

工作模式二：功率過剩，超級(jí)電容端電壓達(dá)到上限Uup，雙向DC/DC（1）和雙向DC/DC（2）均工作在BUCK模式，雙向DC/DC（2）保證蓄電池恒流充電，并防止超級(jí)電容器端電壓繼續(xù)上升，雙向DC/DC（1）保證直流母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)超級(jí)電容器端電壓恢復(fù)為額定值時(shí)，蓄電池退出工作。

工作模式三：光伏輸出功率低于負(fù)載吸收功率，即功率不足時(shí)，雙向DC/DC（1）工作在BOOST模式，超級(jí)電容器放電，雙向DC/DC（1）保證直流母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)超級(jí)電容器端電壓達(dá)到電壓下線Udown，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入工作模式四。

工作模式四：功率不足，超級(jí)電容器端電壓達(dá)到下限Udown，雙向DC/DC（1）和雙向DCDC（2）均工作在BOOST模式，雙向DC/DC（2）保證蓄電池恒流放電，并防止超級(jí)電容器端電壓繼續(xù)下跌，雙向DCDC（1）保證直流母線電壓穩(wěn)定。當(dāng)超級(jí)電容器端電壓恢復(fù)為額定值時(shí)，蓄電池退出工作。

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)所處的狀態(tài)自動(dòng)選擇相應(yīng)工作模式，并且根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)動(dòng)態(tài)變化實(shí)時(shí)自動(dòng)調(diào)整所選擇的工作模式。

3 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

3.1 模型搭建

為了驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)和控制策略的有效性，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下搭建仿真電路進(jìn)行系統(tǒng)仿真。系統(tǒng)仿真電路如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真電路

其中，PV array為光伏陣列，Variable Load為可變負(fù)載，EDLC為超級(jí)電容器，DCVoltage source為蓄電池，雙向DC/DC（1）采用互補(bǔ)PWM控制[7]，S1/S2 Controller為雙向DC/DC（1）變換器的控制信號(hào)。雙向DC/DC（2）采用獨(dú)立PWM控制，S3 Controller和S4 Controller分別為雙向DC/DC（2）工作在BOOST/BUCK狀態(tài)的控制信號(hào)。

3.2 仿真驗(yàn)證

設(shè)定仿真時(shí)間為3 s，采用變步長仿真，算法選用ode 23 t。本文對(duì)光照強(qiáng)度變化和負(fù)載變化兩種情況分別進(jìn)行了仿真。

3.2.1 光伏輸出功率變化情況

此次仿真中設(shè)定負(fù)載為30 Ω即負(fù)載所需額定功率為3000 W。設(shè)定光照強(qiáng)度變化如圖5所示，光照強(qiáng)度百分值在60%～100%之間變化。光照強(qiáng)度60%模擬實(shí)際中光照較弱的情況，光照強(qiáng)度100%模擬實(shí)際中光照較強(qiáng)的情況。檢查各元件的動(dòng)作情況及穩(wěn)壓效果，驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)及其控制策略有效性。

圖5 光照強(qiáng)度百分值變化

光伏陣列輸出功率如圖6所示，當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，光伏陣列的輸出功率變化會(huì)存在極短的暫態(tài)過程后迅速達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。這是由于本文仿真中光照強(qiáng)度的變化采取的是突變形式，ms級(jí)的極短暫態(tài)過程是可以接受的。

圖6 光伏陣列輸出功率變化

當(dāng)光照強(qiáng)度變化導(dǎo)致光伏陣列的輸出功率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器和蓄電池的動(dòng)作情況如圖7、圖8、圖9所示。圖7為超級(jí)電容器的充放電電流，圖8為超級(jí)電容器端電壓，圖9為蓄電池充放電電流。其中圖7和圖9中儲(chǔ)能器件放電電流為正，充電電流為負(fù)。

圖7 超級(jí)電容器的充放電電流

圖8 超級(jí)電容器的端電壓

圖9 蓄電池的充放電電流

在0～0.5 s時(shí)間內(nèi)，光伏陣列輸出功率發(fā)生短時(shí)頻繁波動(dòng)，超級(jí)電容器進(jìn)行相應(yīng)的充放電動(dòng)作，以穩(wěn)定直流母線電壓。0～0.1 s光伏陣列輸出功率高于負(fù)載功率，系統(tǒng)功率過剩，超級(jí)電容器充電，端電壓略有上升。0.1～0.2 s光伏陣列的輸出功率低于負(fù)載額定功率，系統(tǒng)存在功率缺額，超級(jí)電容器放電，端電壓下降。0.2～0.3 s系統(tǒng)功率過剩，超級(jí)電容器充電，端電壓回升，0.3～0.5 s重復(fù)上述過程。

在0～0.5 s過程中蓄電池沒有動(dòng)作。表明當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生頻繁瞬時(shí)功率波動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器充放電平抑系統(tǒng)中的不平衡功率，維持直流母線電壓的穩(wěn)定，避免了蓄電池頻繁的小電流充放電，有效延長了蓄電池的使用壽命。

0.5～0.7 s光伏陣列的輸出功率略高于負(fù)載功率，超級(jí)電容器充電，端電壓略有上升。0.7～1.7 s光伏陣列的輸出功率約為2300 W，負(fù)載功率為3000 W，存在較大功率缺額，超級(jí)電容器放電補(bǔ)償功率缺額穩(wěn)定直流母線電壓，隨著超級(jí)電容器放電不斷進(jìn)行，其端電壓不斷下降，當(dāng)超級(jí)電容器的端電壓達(dá)到放電的最低電壓Udown時(shí)，蓄電池啟動(dòng)，開始恒流放電過程。由于蓄電池釋放的功率大于系統(tǒng)的功率缺額，所以超級(jí)電容器的端電壓開始回升。在1.7 s時(shí)刻，光伏陣列的輸出功率突變，系統(tǒng)輸出功率為3900 W，負(fù)載功率為3000 W，系統(tǒng)功率過剩，超級(jí)電容器瞬時(shí)動(dòng)作在1.7 s時(shí)刻由放電狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，吸收系統(tǒng)過剩的功率，端電壓繼續(xù)上升。蓄電池繼續(xù)放電直至超級(jí)電容器的端電壓達(dá)到額定值時(shí)，蓄電池放電終止，退出運(yùn)行。隨著超級(jí)電容器充電的不斷進(jìn)行，其端電壓不斷上升，當(dāng)超級(jí)電容器的端電壓達(dá)到充電的最高電壓Uup時(shí)，蓄電池啟動(dòng)，開始恒流充電過程。由于蓄電池的充電功率大于系統(tǒng)的過剩功率，超級(jí)電容器的端電壓開始下降。在2.7 s時(shí)刻，光伏陣列的輸出功率再次突變?yōu)?700 W，負(fù)載功率3000 W，系統(tǒng)處于功率缺額狀態(tài)，超級(jí)電容器在2.7 s時(shí)刻瞬時(shí)動(dòng)作由充電狀態(tài)轉(zhuǎn)入放電狀態(tài)。蓄電池繼續(xù)充電，直至超級(jí)電容器的端電壓恢復(fù)為額定值，超級(jí)電容器充電終止，退出運(yùn)行。

0.5～3 s時(shí)間內(nèi)，各元件的動(dòng)作情況可以看到，超級(jí)電容器充放電優(yōu)先，當(dāng)超級(jí)電容器達(dá)到電壓的上下限不能滿足功率平抑的需求后，蓄電池啟動(dòng)。此時(shí)超級(jí)電容器充當(dāng)了蓄電池充放電的功率緩沖器的作用。超級(jí)電容器的端電壓水平是蓄電池充放電的啟動(dòng)和退出的判斷依據(jù)。

圖10為無儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)直流母線電壓，圖11為有儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)直流母線電壓，比較二者可以看到無儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)母線電壓隨光照強(qiáng)度的變化發(fā)生大幅波動(dòng)，加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后母線電壓基本穩(wěn)定于額定值，電壓紋波為1.6%，符合電能質(zhì)量的要求，從而驗(yàn)證了所提儲(chǔ)能系統(tǒng)及電壓控制策略的有效性。

圖10 無儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)直流母線電壓

圖11 有儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)直流母線電壓

3.2.2 負(fù)載擾動(dòng)情況

此次仿真中設(shè)定光照強(qiáng)度為85%保持不變，負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)，設(shè)定負(fù)載擾動(dòng)情況為0～0.8 s負(fù)載為30 Ω，0.8～1.6 s負(fù)載為38 Ω，1.6～2.4 s負(fù)載為22 Ω，2.4～3 s負(fù)載為30 Ω。負(fù)載變化率為26.7%。觀察各元件動(dòng)作情況及穩(wěn)壓效果，驗(yàn)證所提結(jié)構(gòu)和控制策略的有效性。

從圖12、圖13可見，當(dāng)光照強(qiáng)度維持85%時(shí)，光伏陣列的輸出功率基本穩(wěn)定在3300 W。

圖12 光照強(qiáng)度百分值

圖13 光伏陣列輸出功率

負(fù)載擾動(dòng)情況下各元件的動(dòng)作情況如圖14、圖15、圖16所示。圖14為超級(jí)電容器充放電電流，圖15為超級(jí)電容器端電壓，圖16為蓄電池充放電電流。圖14和圖16中儲(chǔ)能器件放電電流為正，充電電流為負(fù)。

圖14 超級(jí)電容器充放電電流

圖15 超級(jí)電容器端電壓

圖16 蓄電池充放電電流

在0～0.8 s由于光伏陣列輸出功率高于負(fù)載功率，系統(tǒng)功率過剩，超級(jí)電容器工作在充電狀態(tài)，端電壓上升。此過程中超級(jí)電容器端電壓未達(dá)到上限，蓄電池不動(dòng)作。0.8 s時(shí)刻負(fù)載突減，0.8～1.6 s系統(tǒng)功率過剩，超級(jí)電容器繼續(xù)充電。當(dāng)超級(jí)電容器端電壓達(dá)到充電電壓的最高值時(shí)，蓄電池啟動(dòng)開始恒流充電過程，由于蓄電池吸收的功率大于系統(tǒng)功率缺額，所以超級(jí)電容器端電壓回落。1.6 s時(shí)刻負(fù)載突增，超級(jí)電容器瞬時(shí)動(dòng)作開始放電，補(bǔ)償功率缺額，端電壓繼續(xù)下降。在此過程中蓄電池繼續(xù)恒流充電直至超級(jí)電容器端電壓回落到額定值時(shí)，蓄電池充電終止，退出運(yùn)行。超級(jí)電容器放電過程中端電壓不斷降低，當(dāng)其端電壓達(dá)到放電最低電壓時(shí)，蓄電池啟動(dòng)，開始恒流放電過程。由于蓄電池釋放的功率大于系統(tǒng)功率缺額，超級(jí)電容器的端電壓開始回升，2.4 s時(shí)刻負(fù)載再次突減，系統(tǒng)功率過剩，超級(jí)電容器開始充電吸收過剩功率，端電壓繼續(xù)回升。當(dāng)超級(jí)電容器的端電壓恢復(fù)為額定值時(shí)，蓄電池放電終止，退出運(yùn)行。

負(fù)載擾動(dòng)情況下無儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)直流母線電壓如圖17所示，有儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)直流母線電壓如圖18所示，對(duì)比二者可見負(fù)載發(fā)生擾動(dòng)時(shí)無儲(chǔ)能系統(tǒng)情況下直流母線電壓發(fā)生大幅波動(dòng)，有儲(chǔ)能系統(tǒng)后直流母線電壓基本穩(wěn)定在額定值，電壓紋波為1.4%，滿足電能質(zhì)量的要求，從而驗(yàn)證了所提儲(chǔ)能系統(tǒng)及其控制策略的有效性。

圖17 無儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)直流母線電壓

圖18 有儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)直流母線電壓

4 結(jié)束語

本文針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中基于儲(chǔ)能的直流母線電壓控制問題重點(diǎn)進(jìn)行了分析和研究。首先結(jié)合超級(jí)電容器和蓄電池的儲(chǔ)能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了蓄電池與超級(jí)電容器混合儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，然后分別設(shè)計(jì)了蓄電池與超級(jí)電容器的控制策略及二者在4種不同場景下的協(xié)調(diào)控制策略。最后，搭建了系統(tǒng)仿真模型并在光照強(qiáng)度變化和負(fù)載波動(dòng)兩種情況下仿真驗(yàn)證了所提儲(chǔ)能系統(tǒng)及其控制策略的有效性。