電網(wǎng)頻率控制的新型三電平光儲(chǔ)一體機(jī)

王 剛,李志潭,楊金成,王榮強(qiáng),劉立果,范季陽(yáng),張常杰

(1.國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司營(yíng)銷服務(wù)中心,新疆 烏魯木齊 830000;2.西安理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著全球氣候的不斷惡化,世界各國(guó)出臺(tái)了一系列環(huán)保政策。特別在發(fā)電領(lǐng)域,提倡加快新能源發(fā)電并網(wǎng),減少傳統(tǒng)火力發(fā)電機(jī)組的使用,以達(dá)到降低二氧化碳排放量的目的[1-2]。光伏作為一種可持續(xù)能源,越來(lái)越受到重視。但光伏最大功率追蹤策略會(huì)始終保持著系統(tǒng)最大功率輸出,無(wú)法為并網(wǎng)時(shí)系統(tǒng)頻率的波動(dòng)提供額外的功率支撐,所以需要在系統(tǒng)中增加儲(chǔ)能單元。因此,光儲(chǔ)一體機(jī)成為提高微電網(wǎng)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性的重要選擇[3-4]。

但是,目前光儲(chǔ)一體機(jī)還存在諸多問(wèn)題[5-6]。例如:在光儲(chǔ)—體機(jī)的接入容量設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮最大發(fā)電量的狀況。隨著光儲(chǔ)一體機(jī)接入容量增大,設(shè)備體積也會(huì)增大。其次,光儲(chǔ)一體機(jī)中,儲(chǔ)能對(duì)電網(wǎng)的有功支撐控制策略還不成熟,無(wú)法做到能量的智能轉(zhuǎn)移,致使自發(fā)自用率低,也存在不能快速響應(yīng)電網(wǎng)功率調(diào)度的問(wèn)題[7-9],因此需要對(duì)光儲(chǔ)一體機(jī)容量及儲(chǔ)能對(duì)電網(wǎng)的有功支撐調(diào)控策略展開(kāi)研究。

常用的光儲(chǔ)一體機(jī)拓?fù)湟话銥閮呻娖酵負(fù)?有著開(kāi)關(guān)器件少,控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。但是,隨著光伏容量逐漸增大,兩電平拓?fù)洳荒芎芎玫貪M足系統(tǒng)對(duì)高功率、高效率、高能量密度、低成本等的要求。隨著數(shù)字控制技術(shù)逐漸成熟,多電平拓?fù)涞膽?yīng)用越來(lái)越廣泛[10-11],多電平光儲(chǔ)一體機(jī)具有重要的應(yīng)用前景。

目前已有論文對(duì)光儲(chǔ)一體機(jī)的拓?fù)浼翱刂撇呗赃M(jìn)行研究。在拓?fù)浞矫?文獻(xiàn)[12-13]提出了一種兩電平光儲(chǔ)一體機(jī),該電路所用開(kāi)關(guān)器件少,控制容易,但是現(xiàn)在光伏容量逐漸增加,兩電平電路已經(jīng)很難滿足要求。文獻(xiàn)[14]中分析了一種五電平光儲(chǔ)一體機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理,該光儲(chǔ)一體機(jī)可以適用于大功率場(chǎng)合,但是該拓?fù)渌栝_(kāi)關(guān)器件相對(duì)較多,維護(hù)和控制起來(lái)相對(duì)困難。在控制策略方面,文獻(xiàn)[15]提出了基于魯棒模型預(yù)測(cè)控制的運(yùn)行策略。文獻(xiàn)[16]提出含分布式光儲(chǔ)配電網(wǎng)時(shí)變最優(yōu)潮流追蹤的模型和分布式在線的算法。上述控制策略通過(guò)控制儲(chǔ)能參與系統(tǒng)有功調(diào)節(jié),對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性有很大提升,但實(shí)現(xiàn)過(guò)程相對(duì)繁瑣。

針對(duì)上述問(wèn)題,本文對(duì)三電平光儲(chǔ)一體機(jī)及其控制策略展開(kāi)研究。首先,提出了一種大容量三電平光儲(chǔ)一體機(jī)主電路拓?fù)洳⒎治銎涔ぷ髟?其次提出了適應(yīng)新拓?fù)涞目刂撇呗?最后對(duì)新拓?fù)浜涂刂撇呗赃M(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 三電平光儲(chǔ)一體機(jī)拓?fù)?/h2>

本文提出的新型三電平光儲(chǔ)一體機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a) 光儲(chǔ)一體機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1(a)中,由于T型三電平電路相較與I型三電平電路具有損耗小和占用空間小等優(yōu)勢(shì),所以該拓?fù)溆纱笕萘縏型三電平DC/AC變換器[17-18]、儲(chǔ)能電池及三電平結(jié)構(gòu)儲(chǔ)能DC/DC變換器[19]構(gòu)成。光伏陣列經(jīng)過(guò)三電平Boost變換器[20-21]接入三電平DC/AC變流器的直流母線,儲(chǔ)能電池經(jīng)三電平DC/DC變換器,與DC/AC變流器直流母線互聯(lián)。其中,三電平DC/DC變換器既能適應(yīng)光伏陣列、儲(chǔ)能電池電壓的寬范圍變化,又實(shí)現(xiàn)了能量的傳輸控制,是光伏陣列、儲(chǔ)能電池與電網(wǎng)能量交互的橋梁。從圖1(b)可以看出,采用三電平結(jié)構(gòu)變換器使得開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力變?yōu)閂in/2,而兩電平電壓應(yīng)力為Vin。在開(kāi)關(guān)損耗方面,三電平變換器開(kāi)關(guān)損耗明顯低于兩電平變換器。上述特點(diǎn)使得三電平變換器可以適用于大功率場(chǎng)合,且由于其低開(kāi)關(guān)損耗進(jìn)而可以提高開(kāi)關(guān)頻率減小變換器體積?；谏鲜鲂阅軆?yōu)勢(shì),以三電平變換器為光儲(chǔ)一體機(jī)拓?fù)鋵?duì)其儲(chǔ)能參與系統(tǒng)有功支撐展開(kāi)研究。

2 三電平光儲(chǔ)一體機(jī)光儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)控制策略

為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能對(duì)逆變器輸出有功功率的支撐,本文提出三電平光儲(chǔ)一體機(jī)控制策略,如圖2所示。主要分為2部分:光儲(chǔ)系統(tǒng)控制和逆變器控制。

圖2的光儲(chǔ)系統(tǒng)中,檢測(cè)光伏陣列電壓Upv、光伏陣列電流Ipv,通過(guò)最大功率跟蹤控制算法(擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、三點(diǎn)法等)實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤與直流電壓支撐。本文采用算法擾動(dòng)觀察法進(jìn)行控制。儲(chǔ)能DC/DC變換器中引入電網(wǎng)頻率檢測(cè),通過(guò)頻率微分、偏差控制實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)頻率的暫態(tài)/靜態(tài)支撐與有功功率調(diào)節(jié)。后級(jí)T型三電平DC/AC變換器采用有功無(wú)功控制。

圖2 大容量光儲(chǔ)一體機(jī)控制策略

2.1 光儲(chǔ)系統(tǒng)頻率微分及偏差控制方法

電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)與有功原理[22]如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)有功與頻率變化

圖3中,光儲(chǔ)一體機(jī)輸出負(fù)荷增加,負(fù)荷頻率特性由PD1(f)變?yōu)镻D2(f),增量為ΔP0,頻率由f1變?yōu)閒2。PG為發(fā)電機(jī)組功頻曲線,發(fā)電機(jī)組的有功增量為ΔP1=P1-P2,負(fù)荷有功減少量為ΔP2=P-P2。由上述原理進(jìn)而可以得出采用頻率作為控制器外環(huán)可以為系統(tǒng)提供有功支撐。本文提出的光儲(chǔ)系統(tǒng)頻率微分及偏差控制方法如圖4所示。

圖4 雙向DC/DC變換器的頻率控制

圖4中,雙向DC/DC變換器控制器中引入電網(wǎng)頻率變量作為控制器外環(huán),通過(guò)頻率微分、偏差控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)頻率的暫態(tài)/靜態(tài)支撐與有功功率調(diào)節(jié),提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。該控制方法首先檢測(cè)三相電網(wǎng)電壓Ua、Ub、Uc,并通過(guò)數(shù)字鎖相環(huán)[23]提取電網(wǎng)頻率fg。根據(jù)電網(wǎng)頻率變化率,計(jì)算用于實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)頻率暫態(tài)支撐的功率參考值Ptranst,靜態(tài)支撐的功率參考值Pstatic,則:

(1)

設(shè)定恒功率充放電參考值為Pbat_ref,則與并網(wǎng)點(diǎn)頻率暫態(tài)/靜態(tài)支撐及充放電控制相對(duì)應(yīng)的DC/DC變換器側(cè)功率參考值為

(2)

根據(jù)電力系統(tǒng)有功調(diào)度參考值Pref和光伏陣列輸出的最大功率值Pmppt計(jì)算剩余功率,將剩余功率ΔP作為DC/DC變換器側(cè)功率參考值的一部分,由此可在不影響并網(wǎng)點(diǎn)頻率支撐及DC/DC恒功率充放電控制的情況下,實(shí)現(xiàn)能量的自主分配與并網(wǎng)功率的調(diào)節(jié)。其中,DC/DC側(cè)總的功率參考值為

(3)

采集電池電壓Ubat,并將DC/DC變換器側(cè)總的功率參考值轉(zhuǎn)換為電流參考值,通過(guò)電流閉環(huán)控制和PWM生成,最終實(shí)現(xiàn)DC/DC側(cè)功率控制,其中電流閉環(huán)參考值為

(4)

在最終輸出設(shè)置限幅環(huán)節(jié),設(shè)置為[-1,1],作為參考值上限和下限。最后通過(guò)參考值大小控制雙向DC/DC變換器充放電調(diào)節(jié)。

2.2 T型三電平有功無(wú)功控制方法

三電平光儲(chǔ)一體機(jī)中T型三電平DC/AC變換器采用的有功無(wú)功控制控制方法如圖5所示。

圖5 T型三電平DC/AC變換器功率控制策略

由2.1節(jié)可知光伏輸出最大功率為Pmppt,電池輸出功率為Pbat_ref,則輸入逆變器的總功率為Psum,則可得

Psum=Pmppt+Pbat_ref

(5)

T型三電平DC/AC變換器與電網(wǎng)的連接的數(shù)學(xué)模型[24-25]可以表示為

(6)

式中:Uabc為變換器的輸入端電壓;iabc為三相電流;Eabc為網(wǎng)側(cè)的三相電壓。

對(duì)式(6)進(jìn)行park變換,得到式(7):

(7)

當(dāng)d軸以電網(wǎng)電壓向量定位時(shí),即Eq=0,則可以對(duì)上式進(jìn)行化簡(jiǎn),得

(8)

從式(8)可以看出,DC/AC變換器的有功功率和無(wú)功功率可以通過(guò)q軸和d軸電流進(jìn)行控制。d軸電流id影響著逆變器的有功輸出大小。因此,如果母線電壓低于設(shè)定理論值時(shí),就需要減小id,這樣DC/AC變換器的功率輸出Psum就會(huì)減小。此時(shí),光伏電池和儲(chǔ)能電池輸出的能量之和則會(huì)大于逆變器的功率輸出Psum,進(jìn)而可以對(duì)DC/AC變換器輸入電容C1和C2進(jìn)行充電提高電容的電壓,保持DC/AC變換器輸入電壓穩(wěn)定。相反,母線電壓低于參考值時(shí),我們就應(yīng)該提高id。光儲(chǔ)并網(wǎng)系統(tǒng)母線電壓Vbus的變化可以表示為

(9)

3 仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的大容量三電平光儲(chǔ)一體機(jī)及其控制策略的有效性,搭建了Matlab/simulink仿真平臺(tái)和與之對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證,仿真參數(shù):母線電壓Vbus=750 V,電池電壓Ubat=640 V,電池功率Pbat_ref=4 kW·h(電壓640 V,容量為62.5 Ah)濾波電感Li=1 mH(i=1,2,3,4,5),逆變器總功率Pref(sum)=50 kW,逆變器無(wú)功Qref=1 kW,光伏最大功率Pmppt=60 kW,電容Cx=1 500 μF(x=1,2)。

根據(jù)上述參數(shù),對(duì)該文所設(shè)計(jì)的大容量三電平光儲(chǔ)一體機(jī)及其控制策略進(jìn)行驗(yàn)證。在仿真中,通過(guò)改變輻照強(qiáng)度驗(yàn)證光儲(chǔ)一體機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。仿真中,0～0.33 s時(shí)的輻照強(qiáng)度為1 000 W/m2,0.33～0.6 s時(shí)輻照強(qiáng)度為490 W/m2。圖6(a)～(e)為光儲(chǔ)一體機(jī)工作時(shí)的關(guān)鍵波形。

(a) 光伏功率

從圖6(a)、(b)可以看出,在0.33 s前,光伏提供功率為6 kW,大于逆變器所需功率,此時(shí)儲(chǔ)能電池充電,SOC增加;在0.33 s后,光伏提供功率小于5 kW,此時(shí)儲(chǔ)能電池放電,SOC減小。從圖6(c)可以看出,本文所提控制策略可以使儲(chǔ)能快速提供有功支撐,0.33 s時(shí)儲(chǔ)能參與有功支撐恢復(fù)系統(tǒng)額定功率時(shí)間約為0.03 s,滿足儲(chǔ)能參與有功支撐時(shí)間響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)4 s之內(nèi)[26]。從圖6(d)可以看出,在光伏提供功率不足,儲(chǔ)能可以提供頻率支撐,在設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)使并網(wǎng)頻率在50.02～49.97 Hz之間波動(dòng),滿足國(guó)標(biāo)規(guī)定。圖6(e)可以看出,0.33 s前后儲(chǔ)能變換器分別工作在充電和放電狀態(tài)。

圖7(a)、(b)為光儲(chǔ)一體機(jī)后級(jí)DC/AC變換器的三電平電壓、最終輸出電壓/電流波形、最終輸出電壓。

(a) 三電平波形

圖7(a)中,系統(tǒng)輸出為三電平電壓。圖7(b)中,0～0.33 s為儲(chǔ)能未參與時(shí)段;0.33～0.6 s時(shí),光伏輸出功率不足,儲(chǔ)能進(jìn)行有功支撐?？梢钥闯鰞?chǔ)能能夠及時(shí)提供有功使得系統(tǒng)輸出保持穩(wěn)定。

實(shí)驗(yàn)中光伏部分采用光伏模擬器模擬光伏輸出特性,控制器采用DSP28335與CPLD進(jìn)行配合實(shí)現(xiàn)三電平光儲(chǔ)一體機(jī)控制。由于光伏模擬器輸出功率限制最大為3 kW且本文重點(diǎn)為驗(yàn)證提出的控制算法,所以實(shí)驗(yàn)部分以2 kW為光伏和逆變器最大功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

通過(guò)控制光伏模擬器輸出功率,進(jìn)行控制策略驗(yàn)證。圖8為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中負(fù)載突變,輸出頻率波動(dòng),儲(chǔ)能電池進(jìn)行調(diào)節(jié)過(guò)程實(shí)驗(yàn)波形。

(a) 電感電流/逆變器輸出波形

圖8(a)中,通道CH1為雙向DC/DC變換器電感電流iL波形,以充電方向?yàn)檎?通道CH2為逆變器輸出A相電壓Ua。剛開(kāi)始時(shí)雙向DC/DC變換器處于充電狀態(tài),此時(shí)不進(jìn)行有功支撐,之后通過(guò)控制光伏模擬器輸出功率使其低于逆變器額定功率,此時(shí),雙向DC/DC變換器變?yōu)榉烹姞顟B(tài),電感電流變?yōu)樨?fù)值。a1、a2、a3分別為儲(chǔ)能調(diào)節(jié)過(guò)程中輸出電壓正峰值,可以看出經(jīng)過(guò)約半個(gè)工頻正弦周期,逆變器輸出恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。從圖8(b)可以看出,在儲(chǔ)能投入后,存在瞬時(shí)的波動(dòng),之后很快恢復(fù)正常工作時(shí)的電壓和電流。從圖8所示結(jié)果可以得到,本文提出控制策略能夠有效地穩(wěn)定逆變器功率。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種通過(guò)電網(wǎng)頻率微分、偏差控制方法的三電平光儲(chǔ)一體機(jī),主要是通過(guò)采集逆變器并網(wǎng)頻率,與50 Hz基頻做差進(jìn)行上述控制,進(jìn)而控制光儲(chǔ)一體機(jī)中的儲(chǔ)能部分進(jìn)行電網(wǎng)頻率支撐。結(jié)果表明,該方法可很好地控制光儲(chǔ)一體機(jī)對(duì)電網(wǎng)頻率進(jìn)行支撐,且具有原理簡(jiǎn)單、易于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),為未來(lái)大容量光儲(chǔ)系統(tǒng)參與電網(wǎng)頻率支撐中調(diào)頻響應(yīng)時(shí)間、儲(chǔ)能有功支撐等相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。