光伏微電網(wǎng)儲能平抑功率波動的控制策略研究

邱子鑒，李寶國，鄭怡璇

光伏微電網(wǎng)儲能平抑功率波動的控制策略研究

邱子鑒1，李寶國1，鄭怡璇2

（1.遼寧工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 錦州 121001；2.吉林工程技術(shù)師范學(xué)院 電氣工程學(xué)院，吉林 長春 130052）

為解決光伏微電網(wǎng)中波動功率的分解問題，給出了一種基于小波包分解的波動功率分析方法，將波動功率分解為不同頻段的功率。針對儲能系統(tǒng)變換器的控制問題，提出了一種改進(jìn)的模糊下垂控制策略，將小波包分解后不同頻段的波動功率和母線電壓穩(wěn)定值作為模糊控制器的輸入量，快速輸出下垂系數(shù)，并對算例進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，提出的控制策略在平抑光伏微電網(wǎng)功率波動時具有準(zhǔn)確性和快速性。

微電網(wǎng)；功率波動；儲能；小波包分解；模糊下垂控制

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與時代趨勢的發(fā)展，對電網(wǎng)運行穩(wěn)定性的要求日漸提升，微電網(wǎng)應(yīng)運而生[1]。針對光伏微電網(wǎng)中儲能系統(tǒng)平抑功率波動的控制策略研究，國內(nèi)外學(xué)者做了大量工作。

在儲能系統(tǒng)平抑光伏微電網(wǎng)波動功率的過程中，因各部分儲能單元充放電特性不同而引起的波動功率分配問題較為突出。針對功率分解問題，有一階低通濾波法、離散傅里葉分解法、經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解法和小波分解法等。文獻(xiàn)[2]將2個截止頻率不同的濾波器組合使用，實現(xiàn)簡易的帶通濾波效果，將光伏輸出功率分為3個頻段，以儲能系統(tǒng)的荷電狀態(tài)為參考量，合理控制對儲能系統(tǒng)的充放電量。文獻(xiàn)[3]提出了基于離散傅里葉變換的功率分解方法，將波動功率分解為直流、基頻周期和倍頻分量，同時著重分析了不同分?jǐn)帱c對功率分配的影響，選擇最優(yōu)功率分界點，實現(xiàn)混合儲能容量的優(yōu)化配置。文獻(xiàn)[4]提出一種自適應(yīng)白噪聲完備經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解，從能量熵的角度，對原始功率進(jìn)行固有模態(tài)函數(shù)分解，求出各階分量和余量，再經(jīng)過熵理論，求得功率分界點。

對波動功率進(jìn)行分解后，如何控制變換器的輸出信號，是儲能系統(tǒng)平抑波動功率的關(guān)鍵步驟。針對儲能系統(tǒng)變換器的控制策略研究，主要有模糊控制、滑?？刂?、下垂控制等。文獻(xiàn)[5]將蓄電池荷電狀態(tài)進(jìn)行模糊化處理，通過模糊控制器輸出參考電壓，進(jìn)一步修正直流輸出電壓和蓄電池輸出電流，從而達(dá)到穩(wěn)定直流母線電壓的目的。文獻(xiàn)[6]為解決傳統(tǒng)滑?？刂拼嬖诘亩墩駟栴}，提出一種超螺旋滑?？刂疲ㄟ^等效控制和切換控制部分，使誤差在規(guī)定時間內(nèi)收斂至期望值，削弱抖振幅度。文獻(xiàn)[7]在考慮儲能荷電狀態(tài)的情況下，通過綜合下垂控制策略，將固定的下垂系數(shù)改為考慮儲能荷電狀態(tài)的動態(tài)下垂系數(shù)，更好地控制儲能系統(tǒng)充放電。

1 光伏微電網(wǎng)功率波動問題分析

1.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的波動性

光伏微電網(wǎng)通過光伏陣列進(jìn)行發(fā)電供能，具有分散性和間歇性的特點。雖然照射到地表的輻射能量大，但能量密度很低；受自然條件的限制和氣候因素的影響，到達(dá)地表的輻射能量呈現(xiàn)出間歇性[8]。

光伏發(fā)電系統(tǒng)作為新興的供能系統(tǒng)，具有獨特的輸電方式。輸出電能時，功率波動幅度較大，導(dǎo)致電網(wǎng)管理設(shè)備頻繁調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率，降低了微電網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定性，電能質(zhì)量也會因功率的大幅度波動受到嚴(yán)重影響。分析功率波動特性，合理調(diào)度光伏源，使其發(fā)揮最大效率，降低光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時的風(fēng)險指數(shù)。

1.2 負(fù)荷單元的波動性

負(fù)荷指某一時刻用戶通過電力網(wǎng)向電力系統(tǒng)索取電功率的總和，不同類型負(fù)荷的工作特性不相同[9]。居民用電負(fù)荷整體變化趨勢較為穩(wěn)定，呈現(xiàn)明顯的季節(jié)特性；商業(yè)負(fù)荷在節(jié)假日用電量激增；工業(yè)負(fù)荷耗電量與用電方式密切相關(guān)，波動性與行業(yè)特點緊密相連，大型用電負(fù)荷的投切對電網(wǎng)運行穩(wěn)定性有較大影響；農(nóng)業(yè)負(fù)荷主要受季節(jié)和氣候的影響，農(nóng)耕灌溉時期，用電量較大，非農(nóng)耕時間不用電。

綜上分析可知，用電負(fù)荷并非固定的、單一的，對季節(jié)、溫度、氣候等自然因素的影響較為敏感。在1個負(fù)荷周期內(nèi)，用電負(fù)荷或增或減，受諸多因素的影響。分析負(fù)荷的波動性，精確預(yù)測用電負(fù)荷，可以更好地保證電力系統(tǒng)安全運行，增加系統(tǒng)的可靠性。

1.3 儲能系統(tǒng)的波動性

儲能系統(tǒng)的種類及形式諸多，在光伏源輸出過剩時，吸收過多的電能，充當(dāng)負(fù)荷的角色，起到填充低谷負(fù)荷的作用；在光伏源供能不足時，將存儲的電能及時釋放，充當(dāng)供給電能的角色，起到削除高峰負(fù)荷的作用，彌補光伏源輸出的間歇性和波動性。儲能系統(tǒng)的充放電過程，及光伏源和負(fù)荷的投切過程，將對微電網(wǎng)的功率平衡產(chǎn)生影響。

合理配置儲能系統(tǒng)，優(yōu)化充放電的過渡過程，有益于降低微電網(wǎng)對光伏源的依賴性，維持母線電壓穩(wěn)定，減小了負(fù)荷的峰谷差。儲能系統(tǒng)對光伏微電網(wǎng)輸出功率的快速調(diào)節(jié)過程，是微電網(wǎng)系統(tǒng)中頗為重要的一個環(huán)節(jié)，盡可能降低儲能系統(tǒng)的動作過程對光伏微電網(wǎng)功率平衡的影響。

2 小波包分解不平衡功率

2.1 小波基函數(shù)的選擇

小波基函數(shù)的選取應(yīng)從2方面考慮，一般原則和具體對象。一般原則包括正交性、緊支性、對稱性、平滑性。

在滿足具體對象需求的同時完全考慮以上原則十分困難，由于函數(shù)緊支性越強，導(dǎo)致其無法連續(xù)平滑，平滑性下降；正交性對參數(shù)進(jìn)行限制，使函數(shù)難以對稱。故緊支性和平滑性難以兼得，正交性和對稱性難以共存，只能依據(jù)所需信號分析特性，盡可能尋找一種兼顧這些特性的合理方案[10]。

對于波動功率的分解問題，小波函數(shù)頻域的分辨率不需要同圖像處理的需求一樣高，主要考慮正交性、緊支性、對稱性和函數(shù)的支撐長度即可滿足要求。Haar小波、Daubechies(dbN)小波、Coiflet小波系和Symlets小波系滿足正交性且滿足緊支性，Haar小波雖完全對稱，但支撐長度太小，能夠表征的頻率范圍過小，而Coiflet小波系支撐長度過大，將導(dǎo)致計算量增大，Symlets小波系對Daubechies(dbN)小波進(jìn)行了改進(jìn)，在對稱性方面的性能更為突出，但綜合考慮程序設(shè)計、計算量和小波函數(shù)的選擇原則，在滿足信號分解需求的情況下，本文采用Daubechies(dbN)小波對波動功率進(jìn)行分解。

2.2 分解層數(shù)的確定

2.3 波動功率分配

鉛酸蓄電池的循環(huán)次數(shù)較低，充放電響應(yīng)時間較長，在數(shù)分鐘到數(shù)小時之間，電能轉(zhuǎn)換頻率較低；超級電容循環(huán)次數(shù)較多，充放電響應(yīng)時間較短，在數(shù)秒鐘到數(shù)分鐘之間，電能轉(zhuǎn)換頻率較高。

3 儲能系統(tǒng)的控制策略

3.1 傳統(tǒng)下垂控制局限性

傳統(tǒng)下垂控制的局限性主要在于完全忽略了各部分阻抗和下垂系數(shù)無法改變，導(dǎo)致其不適用于功率波動的光伏微電網(wǎng)[11]。傳統(tǒng)下垂控制局限性如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)下垂控制局限性

3.2 改進(jìn)型模糊下垂控制策略

改進(jìn)型模糊下垂控制表達(dá)式為：

式中：為下垂系數(shù)；為初始下垂系數(shù)。

圖3 改進(jìn)MPPT控制仿真模型

4 仿真驗證

根據(jù)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過Matlab/Simulink搭建光伏微電網(wǎng)系統(tǒng)模型，進(jìn)一步驗證大系統(tǒng)中本文控制策略的可行性。系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。

以某地光伏電站1 d的運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對本文控制策略進(jìn)行仿真驗證，系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)定如表1所示[12]。

表1 仿真模型參數(shù)設(shè)置

波動功率曲線如圖4所示。

圖4 波動功率曲線

圖4中，功率為正表示光伏陣列輸出功率不足，需要儲能單元充當(dāng)電源，光伏陣列和儲能單元共同發(fā)電以滿足負(fù)荷需求；功率為負(fù)表示光伏陣列輸出功率充足，需要儲能單元充當(dāng)負(fù)荷，負(fù)荷和儲能單元共同作用吸收光伏陣列發(fā)出的電能。儲能單元的輸出功率如圖5所示。

圖5 儲能單元的輸出功率

不同控制策略平抑效果對比如圖6所示。

圖6 不同控制策略的平抑效果對比

對比分析1天中光伏陣列出力與負(fù)荷需求之間的差額，得出波動功率的仿真曲線，確定波動功率的參數(shù)。其次，對鉛酸蓄電池儲能單元和超級電容儲能單元出力情況進(jìn)行仿真分析，確定儲能系統(tǒng)的出力情況，保證了儲能系統(tǒng)對波動功率的有效平抑，并驗證了所給控制策略在平抑波動功率方面比傳統(tǒng)控制策略更加快速、準(zhǔn)確。最后，將本文控制策略和傳統(tǒng)控制策略對比分析，改進(jìn)型模糊下垂控制在傳統(tǒng)模糊下垂控制的基礎(chǔ)上減少了儲能系統(tǒng)的動作步驟，縮短了動作時間，驗證了本文控制策略的有效性。

5 結(jié)語

分析了光伏微電網(wǎng)功率波動的原理及影響，針對波動功率的分解問題，采用小波包分解方法對不平衡功率進(jìn)行分解，充分考慮了不同儲能單元的充放電特性。為有效平抑波動功率，提出改進(jìn)的模糊下垂控制策略，動態(tài)調(diào)整下垂系數(shù)。通過仿真分析，驗證了所提出的控制策略能夠有效地平抑光伏微電網(wǎng)中的功率波動。

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Research on Control Strategy of Photovoltaic Microgrid Energy Storage to Suppress Power Fluctuation

QIU Zi-jian1, LI Bao-guo1, ZHENG Yi-xuan2

（1. School of Electrical Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China; 2. School of Electrical Engineering, Jilin Engineering Normal University, Changchun 130052, China）

In order to solve the problem of decomposition of fluctuating power in photovoltaic microgrid, an analysis method of fluctuating power based on wavelet packet decomposition is proposed. Aiming at the control problem of energy storage system converter, an improved fuzzy droop control strategy is proposed. The fluctuating power and bus voltage stability values in different frequency bands after wavelet packet decomposition are taken as the inputs of the fuzzy controller, and the droop coefficient is quickly output. The simulation results show that the proposed control strategy is accurate and fast in suppressing the power fluctuation of photovoltaic microgrid.

microgrid; power fluctuation; energy storage; wavelet packet decomposition; fuzzy droop control

10.15916/j.issn1674-3261.2021.05.008

TM615

A

1674-3261(2021)05-0312-05

2021-07-17

邱子鑒(1996-)，男，河北廊坊人，碩士生。

李寶國(1966-)，男，遼寧義縣人，教授，碩士。

責(zé)任編輯：孫 林