分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制技術(shù)研究

王洋洋

（華北水利水電大學(xué) 河南省鄭州市 450000）

1 儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

分布式光伏并網(wǎng)環(huán)節(jié)，由于需要利用儲(chǔ)能技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)應(yīng)用可能受到環(huán)境因素影響，導(dǎo)致并網(wǎng)環(huán)節(jié)存在功率波動(dòng)，不平衡的波動(dòng)能夠影響電網(wǎng)運(yùn)行安全。儲(chǔ)能單元屬于對(duì)于風(fēng)能和光能暫時(shí)存儲(chǔ)重要裝置，能夠?qū)⑾到y(tǒng)電能吸收，且電能釋放也較為靈活，維持再生能源并網(wǎng)階段功率平滑?？稍偕茉刺幱诠聧u運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，通過儲(chǔ)能單元就可自動(dòng)完成系統(tǒng)功率缺額的調(diào)節(jié)，維持電壓、頻率等穩(wěn)定性。在光伏并網(wǎng)階段，通常會(huì)利用化學(xué)儲(chǔ)能，也會(huì)利用電池儲(chǔ)能，還有可能會(huì)使用機(jī)械儲(chǔ)能，不同儲(chǔ)能應(yīng)用特點(diǎn)存在差異，具體參數(shù)如表1所示。

2 分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)

2.1 控制系統(tǒng)硬件

按照分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制需求，選擇硬件電路，系統(tǒng)控制重點(diǎn)參數(shù)內(nèi)容如下：

（1）大電網(wǎng)的額定功率運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)為50Hz；

（2）大電網(wǎng)的頻率偏差在±0.5Hz；

（3）光儲(chǔ)系統(tǒng)存在的電壓偏差應(yīng)該不超過5%；

（4）光儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)三相電流的斜波要求應(yīng)該在5%內(nèi)；

（5）光儲(chǔ)系統(tǒng)的直流側(cè)電壓處于300～800V直之間。

由于硬件系統(tǒng)屬于分布式儲(chǔ)能光伏并網(wǎng)基礎(chǔ)系統(tǒng)，電路組成部分有主要電路，還有采樣、控制、驅(qū)動(dòng)等電路，并網(wǎng)運(yùn)行階段，能夠采集電網(wǎng)實(shí)時(shí)電流、電壓，還能明確儲(chǔ)能單元荷電狀態(tài)，下文使用“SOC”表示，在控制電路當(dāng)中生成啟動(dòng)信號(hào)(PWM)，使變流器產(chǎn)生動(dòng)作，完成對(duì)系統(tǒng)控制。

分布式光伏系統(tǒng)運(yùn)行階段，變流器驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)，驅(qū)動(dòng)電路需要借助反激式方式完成，維持變流器正常運(yùn)行。運(yùn)用反激式驅(qū)動(dòng)，需要先采集系統(tǒng)信號(hào)，按照硬件功能需求而展開，采集信號(hào)能夠?yàn)橛布K提供算法數(shù)據(jù)。信號(hào)采集階段，為了確保數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，還需要對(duì)電流、電壓等信號(hào)采取處理措施，使其能夠經(jīng)過隔離電路，進(jìn)而完成高電壓、電流信號(hào)向低電壓、電流信號(hào)的處理，生成電壓、電流等信號(hào)能快速進(jìn)入DSP芯片當(dāng)中，輔助控制過程順利進(jìn)行。

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

在分布式光伏控制線路中，應(yīng)該注意母線電壓的合格率，應(yīng)該達(dá)到指標(biāo)要求，這樣采集的母線電壓數(shù)據(jù)才能處于合理范圍之內(nèi)。

對(duì)于電流信號(hào)進(jìn)行采集，需要利用芯片運(yùn)放采樣電流，保持運(yùn)放階段電流信號(hào)可滿足ADC芯片電流要求。電流、電壓等采集線路設(shè)計(jì)完成以后，還需要對(duì)于系統(tǒng)采取保護(hù)設(shè)計(jì)，具體包括欠電壓、過電壓、過電流等保護(hù)設(shè)計(jì)。本研究根據(jù)分布式光伏電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行這一要求，完成保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，為了保證電路能夠平穩(wěn)運(yùn)行，可設(shè)計(jì)電源電路。

按照電力電子原理可知，當(dāng)IGBT電路柵極受到正向電壓沖擊，并且產(chǎn)生觸發(fā)脈沖時(shí)，那么驅(qū)動(dòng)電路就會(huì)導(dǎo)通。驅(qū)動(dòng)芯片通常選擇具備欠壓保護(hù)、電壓檢測(cè)多種功能的產(chǎn)品。除此之外，還可以利用CAN總線對(duì)于分布式控制、串行通信之間的通信網(wǎng)絡(luò)采取實(shí)時(shí)控制措施。

2.3 控制軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)利用TMS320f2812作為核心芯片，融合微機(jī)控制、DSP等技術(shù)特點(diǎn)，因此控制能力強(qiáng)，對(duì)于復(fù)雜算法能夠有效處理。利用分布式儲(chǔ)能并網(wǎng)系統(tǒng)展開軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括DSP程序框架、主程序、中斷子程序等。

第一，主程序的設(shè)計(jì)作為基礎(chǔ)內(nèi)容，需要在系統(tǒng)正式運(yùn)行以前完成各項(xiàng)初始化操作，對(duì)于不同控制模塊工作模式進(jìn)行設(shè)置。系統(tǒng)啟動(dòng)之時(shí)，需要先將內(nèi)部中斷關(guān)閉，之后開始初始化操作，完成以后中斷開啟，等待中斷端信號(hào)，如果系統(tǒng)內(nèi)存在該信號(hào)，那么可按照中斷優(yōu)先級(jí)別、類型等自動(dòng)進(jìn)入子程序控制當(dāng)中。

主程序控制整個(gè)流程，中斷子程序有三個(gè)，一是ADC中斷，二是保護(hù)中斷，三是外部中斷。ADC中斷主要負(fù)責(zé)AD轉(zhuǎn)換、檢測(cè)畸變量、輸出PWM算法等，保護(hù)中斷的功能。系統(tǒng)如果出現(xiàn)故障，能夠快速將脈沖封鎖，并且將PWM輸出停止；外部中斷是在同步坐標(biāo)發(fā)生變化時(shí)，能夠?qū)τ诔跏枷辔徽归_校對(duì)。

2.4 系統(tǒng)控制流程

ADC中斷控制流程需要按照分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)，利用DSP內(nèi)AD采樣引腳，實(shí)時(shí)獲取電壓、電流等信號(hào)，之后利用固定算法，獲得PWM脈沖、指令信號(hào)等，以此對(duì)于變流器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，產(chǎn)生有功功率。當(dāng)中斷服務(wù)程序開啟以后，應(yīng)該先將中斷關(guān)閉，后對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行讀取，之后按照協(xié)調(diào)控制這一算法，將系統(tǒng)的功率缺額計(jì)算出來，最后利用協(xié)調(diào)控制，保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

保護(hù)中斷程序運(yùn)行期間，如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，那么就會(huì)將脈沖封鎖，確保系統(tǒng)能夠處于環(huán)境下運(yùn)行。如果系統(tǒng)內(nèi)部存在故障，那么就會(huì)發(fā)出指令，將PWM輸出信號(hào)停止，以免系統(tǒng)當(dāng)中存在過高電流，沖擊開關(guān)，導(dǎo)致功率開關(guān)受損。AD轉(zhuǎn)換結(jié)束之后，對(duì)于其采集數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，之后對(duì)系統(tǒng)故障加以檢測(cè)，如果故障存在，那么就要將脈沖封鎖，否則系統(tǒng)就會(huì)持續(xù)運(yùn)行。

表1：儲(chǔ)能技術(shù)參數(shù)表

外部中斷主要通過變換同步坐標(biāo)完成初始相位的校對(duì)，和系統(tǒng)控制準(zhǔn)確度有直接聯(lián)系。系統(tǒng)運(yùn)行階段，中斷尚未開始時(shí)，就可以對(duì)相位校準(zhǔn)，若沒有發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，那么就可繼續(xù)計(jì)算，如果發(fā)生錯(cuò)誤，那么可自動(dòng)校正，之后將中斷標(biāo)志清除，并退出中斷。

2.5 控制策略驗(yàn)證

分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)控制實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)選擇電網(wǎng)參數(shù)為電壓AC380V，電流200A，頻率50Hz。電池使用磷酸鐵鋰型，每個(gè)電壓為3.2V，容量10kWh。逆變器處于并網(wǎng)下，為三相四線制，輸出功率50kW，額定電壓380V，額定頻率為50Hz；離網(wǎng)模式下，額定電壓為380V，輸出頻率為50～60Hz。直流電壓350～850V，直流紋波在5%以內(nèi)，穩(wěn)壓精度在±1%，轉(zhuǎn)換效率能夠超過95%。

選擇多晶硅組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中額定功率10kW，額定輸入電壓640V，電壓變化區(qū)間在200～800V，逆變啟動(dòng)的電壓是120V，最高直流功率為13000W，通過分布式儲(chǔ)能的并網(wǎng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)運(yùn)用，對(duì)于控制策略加以驗(yàn)證，檢驗(yàn)過程，儲(chǔ)能放電使用光伏負(fù)載SOC(70～85%)，充電利用SOC(15～30%)和SOC60%，對(duì)于控制策略實(shí)效進(jìn)行驗(yàn)證。

利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其光伏列陣的有功功率輸出為2kW，負(fù)載側(cè)的功率1kW，實(shí)驗(yàn)過程可按照時(shí)間的變化轉(zhuǎn)換投切，控制交流側(cè)的輸出電壓為380V，利用交流母線對(duì)于光伏發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行并聯(lián)，之后和大點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，在負(fù)載一側(cè)需要利用阻值可調(diào)節(jié)電阻箱。實(shí)驗(yàn)區(qū)域（街）的容載量30MW，而園區(qū)容載量1MW，二者之間未設(shè)置隔離變，所以，實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)還需要增設(shè)IT及Delay環(huán)節(jié)，以便將電池本身存在的問題導(dǎo)致SOC出現(xiàn)不穩(wěn)定變化的問題消除，確保實(shí)驗(yàn)過程PCS功率具有連貫性，以免SOC突變對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

2.5.1 放電工況介紹

儲(chǔ)能單元內(nèi)部荷電狀態(tài)達(dá)到70～85%時(shí)，只能進(jìn)行放電，對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)放電采取測(cè)試，在交流母線上負(fù)載1kW，并且間隔時(shí)間10s往復(fù)投切，在并網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中接入光伏按照SOC占據(jù)比例，由儲(chǔ)能逆變器（雙向）對(duì)于放電功率進(jìn)行計(jì)算，并且讓儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，使其電能從85%降至70%。此時(shí)，逆變器的放電功率降為0，在交流母線上并網(wǎng)。分布式光伏并網(wǎng)階段不同單元電流、電壓和功率波形線能夠?qū)崟r(shí)獲取。

2.5.2 控制過程分析

儲(chǔ)能單元的荷電狀態(tài)在70～85%這個(gè)區(qū)間段之內(nèi)，儲(chǔ)能單元就可放電。測(cè)試儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)放電量，需要在交流母線之上負(fù)載1kW，并且間隔10s往復(fù)投切，將光伏向并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)接入。為了確保并網(wǎng)環(huán)節(jié)功率、電壓等平穩(wěn)性，使儲(chǔ)能單元能夠?qū)⒂泄β瘦敵?，而且處于放電狀態(tài)。當(dāng)SOC的放電量達(dá)到70%，儲(chǔ)能逆變器放電功率就降為0，這時(shí)光伏系統(tǒng)能夠?yàn)樨?fù)載提供有功功率，電網(wǎng)當(dāng)中多余的功率還能有效并網(wǎng)。在此期間，可以看出，利用分布式儲(chǔ)能電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制方式，能夠?yàn)橄到y(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行營造良好條件。

2.5.3 充電工況介紹

若儲(chǔ)能單元電荷量為15%～30%間，那么儲(chǔ)能單元就會(huì)進(jìn)入充電狀態(tài)，對(duì)于系統(tǒng)并網(wǎng)采取充電測(cè)試，保持交流母線荷載1kW，并且在間隔10s以后，展開往復(fù)投切，此時(shí)并網(wǎng)系統(tǒng)能否順利進(jìn)入和功率變化有關(guān)。同樣，逆變器可以按照SOC占據(jù)百分比，對(duì)于充電功率進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，使其電量從5%上升到30%。SOC充電量能夠達(dá)到30%后，儲(chǔ)能逆變器的放電功率就會(huì)降到0。系統(tǒng)并網(wǎng)環(huán)節(jié)不同來源電流、電壓及功率也能夠?qū)崟r(shí)獲取。

2.5.4 控制過程分析

如果儲(chǔ)能單元內(nèi)部的荷電量達(dá)到15%～30%這一范圍，儲(chǔ)能單元進(jìn)入充電狀態(tài)，此時(shí)對(duì)于并網(wǎng)放電情況進(jìn)行測(cè)試，保持交流母線上帶載1kW，間隔時(shí)間10s后展開往復(fù)投切，在并網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)接入光伏。由于此階段，儲(chǔ)能單元始終保持充電狀態(tài)，而且荷電也在充電狀態(tài)。因?yàn)楣夥到y(tǒng)當(dāng)中，有功功率的輸出相對(duì)有限，需要通過大電網(wǎng)滿足儲(chǔ)能單元、有功負(fù)載等充電需求，電網(wǎng)需要為系統(tǒng)傳輸功率。若SOC的充電量達(dá)到30%，逆變器對(duì)于放電功率的控制降為0，可由光伏系統(tǒng)為負(fù)載來提供有功功率，對(duì)于多余功率并網(wǎng)。系統(tǒng)運(yùn)行階段，通過光伏并網(wǎng)系統(tǒng)采取協(xié)調(diào)控制，可為系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)運(yùn)行提供保障。

3 結(jié)束語

總之，經(jīng)上文分析，將儲(chǔ)能單元作為控制基礎(chǔ)，對(duì)于儲(chǔ)能單元控制策略展開研究，探討分布式儲(chǔ)能并網(wǎng)系統(tǒng)的控制要求，對(duì)于分布式光伏的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)展開協(xié)調(diào)控制，控制系統(tǒng)調(diào)控有效，期待為后續(xù)分布式光伏儲(chǔ)能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)之間的協(xié)調(diào)控制提供實(shí)踐支持，實(shí)現(xiàn)安全并網(wǎng)，讓電網(wǎng)生產(chǎn)更加安全。