張興科

(東營職業(yè)學(xué)院工業(yè)工程系,山東東營257091)

光照是不可控和不可預(yù)測(cè)的，有時(shí)候變化較快，特別是當(dāng)受到云層的影響，光照強(qiáng)度會(huì)發(fā)生劇烈的變化，進(jìn)而導(dǎo)致光伏陣列輸出功率強(qiáng)烈波動(dòng)，如西藏羊八井的l00 kW光伏電站功率波動(dòng)達(dá)70%每分鐘，浙江示范工程250 kW屋頂工程功率波動(dòng)達(dá)20%每分鐘。當(dāng)光伏系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)達(dá)到一定程度時(shí)，電網(wǎng)往往會(huì)采取限制、隔離的方式來處理[2-3]，以減小光伏系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。為了充分發(fā)掘光伏發(fā)電的價(jià)值，協(xié)調(diào)光伏系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的矛盾，提高電能質(zhì)量，有必要對(duì)光伏系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行控制。

1 功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的影響

光伏系統(tǒng)輸出的功率波動(dòng)太大會(huì)給電網(wǎng)規(guī)劃、調(diào)度和運(yùn)行造成很多影響，其中，電壓波動(dòng)問題尤其嚴(yán)重[4]。下面將深入研究電壓波動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理。

大型光伏系統(tǒng)多在距離電力主系統(tǒng)和負(fù)荷中心較遠(yuǎn)的地方，所以光伏系統(tǒng)一般在薄弱的地方與電力系統(tǒng)相聯(lián)，相當(dāng)于接入弱電網(wǎng)。光伏系統(tǒng)的接入改變了電網(wǎng)的潮流分布。如果把光伏系統(tǒng)等效為一個(gè)交流電源，其并網(wǎng)示意圖如圖1所示，其中U為電網(wǎng)相電壓向量，E為光伏系統(tǒng)出口電壓向量，R1為線路的電阻，X1為線路的電抗，Id為線路上有功電流向量，Iq為線路上無功電流向量。

由圖1（b）和（c）可以看出，j IdX1和IqR1與電網(wǎng)電壓U垂直，造成的電壓降落可以忽略不計(jì)，造成電壓降落的主要原因是IdR1和j IdX1。當(dāng)光伏系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)時(shí)，有功電流Id和無功電流Iq會(huì)隨著波動(dòng)，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)。

下面推導(dǎo)結(jié)果可以更直接地顯示電壓波動(dòng)和功率波動(dòng)的關(guān)系。設(shè)光伏系統(tǒng)注入到電網(wǎng)的有功功率和無功功率分別為P和Q，同時(shí)還假設(shè)電網(wǎng)電壓U=1(標(biāo)么值)，則輸電線路兩端的電壓差:

當(dāng)輸電線較短的時(shí)候，兩端電壓相角差很小，故電壓波動(dòng)如下式:

記k=Q/P，則上式可以簡(jiǎn)寫為

當(dāng)功率因數(shù)為1的時(shí)候，k=0。所以，光伏系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)會(huì)直接導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。

圖1 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)示意圖

光照是不可控和不可預(yù)測(cè)的，光伏系統(tǒng)發(fā)出的能量波動(dòng)不定。光伏發(fā)電功率的波動(dòng)達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致明顯的電網(wǎng)電壓波動(dòng)，破壞電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行需要重點(diǎn)考慮的問題，日益受到電力系統(tǒng)專家學(xué)者的重視。所謂電力系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，是指系統(tǒng)在滿足負(fù)荷功率要求的情況下，受到一定的擾動(dòng)后，各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)能維持負(fù)荷電壓在容許范圍內(nèi)的能力。當(dāng)系統(tǒng)具備這種能力時(shí)，系統(tǒng)電壓是穩(wěn)定的，反之就是系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定。系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定可能會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)崩潰，造成大面積停電事故。因此，電網(wǎng)對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性都有嚴(yán)格的要求，如果在運(yùn)行過程中電壓波動(dòng)超出一定的范圍，電網(wǎng)甚至?xí)笙到y(tǒng)停止并網(wǎng)運(yùn)行。光伏系統(tǒng)在電網(wǎng)中的比例越大，功率波動(dòng)問題就越突出。

另外，光伏系統(tǒng)的功率波動(dòng)還會(huì)造成其他一些影響[5-6]:

1）如果光伏系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，光照突然變?nèi)?，逆變器將工作在輕載模式，THD這樣會(huì)導(dǎo)致電流諧波含量增加，(總諧波失真度)變大，電能質(zhì)量下降。

2）功率波動(dòng)過大會(huì)浪費(fèi)輸配電設(shè)備的容量，增加合理規(guī)劃電網(wǎng)的難度。

3）特別是當(dāng)云層完全擋住光伏陣列的時(shí)候，光伏陣列只能提供很少的功率，可能導(dǎo)致停機(jī)脫網(wǎng)。即使采用軟并網(wǎng)的方式，頻繁的啟停機(jī)動(dòng)作也會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成一定的沖擊。

4）功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的調(diào)度造成困難。光伏系統(tǒng)輸出功率是不可控和不可預(yù)測(cè)的，即使電網(wǎng)能適應(yīng)光伏系統(tǒng)注入功率的隨機(jī)波動(dòng)，也會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)調(diào)度設(shè)備頻繁動(dòng)作。

5）光伏系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)，還有可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)設(shè)備誤動(dòng)。

2 功率平抑控制對(duì)策

上節(jié)分析了光伏系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)過大的危害，下面通過引進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)以解決功率波動(dòng)的問題，儲(chǔ)能裝置通過上雙向DC/DC變換器和光伏系統(tǒng)配合工作，進(jìn)行能量的釋放和儲(chǔ)存，對(duì)光伏陣列發(fā)出的功率進(jìn)行“削峰”和“填谷”，控制光伏系統(tǒng)輸出功率的變化率。

2.1 并網(wǎng)功率的控制

為了控制并網(wǎng)功率的波動(dòng)，可以結(jié)合光伏電站的容量、當(dāng)?shù)氐墓庹涨闆r和電網(wǎng)的需求，采用恒并網(wǎng)功率控制[7]，然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行功率閉環(huán)控制。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，光伏系統(tǒng)在白天始終穩(wěn)定地輸出功率，從大電網(wǎng)角度看，光伏系統(tǒng)完全是一個(gè)可調(diào)度的“負(fù)負(fù)荷”。但是，系統(tǒng)方法無法根據(jù)不同季節(jié)不同時(shí)段的光照情況實(shí)時(shí)調(diào)整并網(wǎng)功率參考值Pref。這樣，如果光照長(zhǎng)時(shí)間比參考光照弱，則電池要持續(xù)放電;反之，如果光照長(zhǎng)時(shí)間比參考光照強(qiáng)，則電池要持續(xù)充電。這種工作方式要求較大的容量?jī)?chǔ)能裝置。

針對(duì)恒功率控制不能實(shí)時(shí)調(diào)整并網(wǎng)功率的缺點(diǎn)，本文通過對(duì)光伏陣列發(fā)出的功率值PPV進(jìn)行低通濾波，濾波后的值P*作為光伏系統(tǒng)并網(wǎng)的參考功率。當(dāng)光照被云層暫時(shí)擋住導(dǎo)致一個(gè)“波谷”的時(shí)候，或者光照暫時(shí)變強(qiáng)出現(xiàn)一個(gè)“波峰”的時(shí)候，低通濾波器通過濾除這些干擾，使參考的并網(wǎng)功率Pref變得平滑，光伏陣列的輸出功率和并網(wǎng)參考功率PPV間的差值ΔP＝PPV-P*即為儲(chǔ)能電池的工作功率。

2.2 系統(tǒng)運(yùn)行工況

在某一段時(shí)間內(nèi)，光照強(qiáng)度可能比較穩(wěn)定，也可能受云層的影響突然變?nèi)?，?dāng)云層散開時(shí)光照又會(huì)很快恢復(fù)變強(qiáng)，根據(jù)這3種光照情況，本文采用的系統(tǒng)有3種運(yùn)行工況。

l）光照強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，光伏陣列發(fā)出的能量全部經(jīng)過并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)幾乎沒有能量流動(dòng)。

2）光照強(qiáng)度突然變?nèi)鯐r(shí)，不但光伏陣列發(fā)出的能量全部經(jīng)過并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)，而且儲(chǔ)能系統(tǒng)還要釋放出一部分能量。此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過“填谷”來控制光伏系統(tǒng)并網(wǎng)功率陡降。

3）光照強(qiáng)度突然變強(qiáng)時(shí)，光伏陣列發(fā)出的能量一部分經(jīng)過并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)，剩下的能量存儲(chǔ)到儲(chǔ)能系統(tǒng)。此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過“削峰”來防止并網(wǎng)功率突增。

2.3 低通濾波器的設(shè)計(jì)

數(shù)字濾波器，只是一個(gè)計(jì)算過程，可以通過編寫程序來實(shí)現(xiàn)，不存在阻抗匹配、非一致性、特性波動(dòng)等問題，穩(wěn)定可靠;只要適當(dāng)改變相關(guān)參數(shù)，就可以改變?yōu)V波器的特性，設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單[9-10]。

數(shù)字濾波器是一個(gè)對(duì)抽樣數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理來達(dá)到頻域?yàn)V波目的的數(shù)字系統(tǒng)，其輸入是一個(gè)數(shù)字系列，輸出是另一個(gè)數(shù)字系列。其原理是通過設(shè)計(jì)系統(tǒng)的頻率響應(yīng)，讓它滿足一定的要求，對(duì)信號(hào)的某些特定頻率成分進(jìn)行過濾。從頻域分析來看，輸入信號(hào)的頻譜與系統(tǒng)傳遞函數(shù)的乘積就是輸出信號(hào)的頻譜，所以，只要F（jω）不是常數(shù)，某些頻率成分將得到加強(qiáng)，而另外一些頻率成分將被削弱甚至變?yōu)?，濾波器輸出信號(hào)的頻譜將不同于輸入信號(hào)的頻譜。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，只需要根據(jù)系統(tǒng)的差分方程編寫程序，根據(jù)需要設(shè)計(jì)好相關(guān)參數(shù)，濾波器就可以對(duì)信號(hào)的頻譜進(jìn)行相應(yīng)的加工，而且速度快，精度高，適用范圍廣，靈活性大,抗干擾能力強(qiáng)。

數(shù)字濾波器的種類很多，也有很多的分類方法。在實(shí)際應(yīng)用中，常根據(jù)濾波器單位沖激響應(yīng)h(n)的長(zhǎng)度劃分，即無限沖激響應(yīng)濾波器(IIR)和有限沖激響應(yīng)濾波器(FIR)兩大類。從性能上來說，在相同選擇特性的情況下，F(xiàn)IR濾波器階數(shù)較高，要求較多的運(yùn)算次數(shù)和較多的存儲(chǔ)單元;但這些缺點(diǎn)都是相對(duì)IIR濾波器比較而言的，IIR濾波器必須要加全通網(wǎng)絡(luò)來校正相位才能獲得相同的選擇性和相位線性，這會(huì)大大增加濾波器的階數(shù)。從結(jié)構(gòu)上看，在FIR濾波器采用非遞歸結(jié)構(gòu)，幅度特性可以隨便設(shè)計(jì)，可以保證精確、嚴(yán)格的線性相位特性，而且在有限精度的運(yùn)算中總是穩(wěn)定的;而IIR濾波器采用遞歸性結(jié)構(gòu)，要保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，極點(diǎn)位置必須在單位圓內(nèi)。本文采用這種濾波器對(duì)光伏陣列的輸出功率進(jìn)行濾波。

數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法有窗函數(shù)設(shè)計(jì)法、插值逼近法、Chebyshev逼近法、雙線性變換法等。FIR濾波器的設(shè)計(jì)主要采用窗函數(shù)法，利用這種方法將理想濾波器的沖激響應(yīng)加窗截?cái)啵現(xiàn)IR數(shù)字濾波器的輸入、輸出關(guān)系如式（4），其中h(n)表示系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)。

對(duì)上式進(jìn)行z變換，得到傳遞函數(shù)如下:

所以，可以得到系統(tǒng)的輸入輸出差分方程:

低通濾波器的一般結(jié)構(gòu)如圖2所示。從其結(jié)構(gòu)圖可以看出，F(xiàn)IR濾波器本質(zhì)上就是一個(gè)分節(jié)的延時(shí)線，每節(jié)的輸出加權(quán)累加，最后得到濾波輸出。

圖2 FIR低通濾波器結(jié)構(gòu)圖

可以看出，設(shè)計(jì)數(shù)字濾波器，就是按照系統(tǒng)的特性要求，求出一系列的系數(shù)

隨著MATLAB軟件的信號(hào)處理工具不斷完善，采用該軟件自帶的FDAtool(Filter Design and Analysis Tool)不但可以很簡(jiǎn)單地進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，而且還可以使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。用FDAtool設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，只要根據(jù)要求，選擇濾波器設(shè)計(jì)方法和響應(yīng)類型，設(shè)定濾波器階數(shù)、采樣頻率、通過頻率、截止頻率等參數(shù)，即可生成所需的濾波器。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，很多時(shí)候要根據(jù)設(shè)計(jì)要求和濾波效果不斷地調(diào)整階數(shù)和類型，以達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。

2.4 雙向DC/DC變換器的工作方式

BUCK/BOOST雙向DC/DC變換器是由BUCK電路和BOOST電路反并聯(lián)組成的，主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。K1、D2、L和C2組成BUCK電路，K2、D1、L和C1組成BOOST電路，兩個(gè)開關(guān)管共同組成一個(gè)橋臂，根據(jù)兩個(gè)開關(guān)管工作時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的關(guān)系，可分獨(dú)立PWM工作方式和互補(bǔ)PWM工作方式[11]。

圖3 BUCK/BOOST雙向DC/DC變換器

2.4.1 獨(dú)立PWM工作方式

獨(dú)立PWM工作方式，即一個(gè)開關(guān)管工作在開關(guān)狀態(tài)時(shí)，另外一個(gè)開關(guān)管可靠關(guān)斷。如圖4，PWM1和PWM2分別對(duì)應(yīng)圖3中的開關(guān)管K1和K2。在t0～t1時(shí)間內(nèi)開關(guān)管K1導(dǎo)通;在t1～t2時(shí)間內(nèi)開關(guān)管K1關(guān)斷，此時(shí)D2續(xù)流導(dǎo)通;開關(guān)管K1和二極管D2輪流工作，變換器工作在BUCK模式，使功率從高壓側(cè)流向低壓側(cè)，在這個(gè)過程中開關(guān)管K2始終可靠關(guān)斷。在t3時(shí)刻，變換器由BUCK模式切換到BOOST模式，為了防止整個(gè)橋臂直通，先要經(jīng)過一個(gè)死區(qū)時(shí)間（t3～t4）;然后在t4時(shí)刻開關(guān)管K2導(dǎo)通，直到時(shí)刻t5;在t5～t6時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管K2關(guān)斷，二極管Dl續(xù)流導(dǎo)通;開關(guān)管K2和二極管D1輪流導(dǎo)通，變換器工作在B00ST模式，此時(shí)功率從低壓側(cè)流向高壓側(cè)，在這個(gè)過程中開關(guān)管K1始終可靠關(guān)斷。

圖4 獨(dú)立PWM工作方式

變換器在BUCK和B00ST兩種工作模式切換時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致瞬間的電流沖擊，所以需要一個(gè)合理的狀態(tài)切換判據(jù)來實(shí)現(xiàn)兩種工作模式的平滑切換。

2.4.2 互補(bǔ)PWM工作方式

互補(bǔ)PWM工作方式，即不管變換器工作在BUCK模式還是BOOST模式，開關(guān)管K1和K2的控制信號(hào)都是互補(bǔ)的，當(dāng)Kl高電平時(shí)，K2低電平，反之亦反。為了防止橋臂直通，兩個(gè)開關(guān)管之間要設(shè)置一個(gè)死區(qū)。這種工作方式可以平滑地實(shí)現(xiàn)BUCK和BOOST兩種工作模式的切換。本文采用這種工作方式，下面詳細(xì)分析其工作原理。

1）BUCK工作模式。當(dāng)開關(guān)管Kl高電平導(dǎo)通時(shí)，下橋臂開關(guān)管K2低電平關(guān)斷，2個(gè)二極管Dl和D2均承受反壓關(guān)斷，此時(shí)，電流沿“正極-K1-L-C2、Battery-負(fù)極”形成回路，如圖5（a）;接著開關(guān)管K1低電平關(guān)斷，由于流過電感L的電流要保持原來方向流動(dòng)，二極管D2導(dǎo)通，電流沿“L-C2、Battery-C2-L”形成續(xù)流回路，如圖5（b），所以盡管K2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)為高電平，但不會(huì)導(dǎo)通。

圖5 BUCK工作模式

2）B00ST工作模式。工作過程和BUCK工作模式相反，如圖6所示，電流周期性地沿著“C2、Battery－L-D1-C1、DClink-C2、Battery”或“C2、Battery-L-D2-C2、Battery”形成回路，使能量從低壓側(cè)往高壓側(cè)傳輸。綜合以上分析，功率平抑控制的流程如圖7所示，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制。外環(huán)是功率控制環(huán)，光伏陣列發(fā)出的功率值PPV經(jīng)過低通濾波器濾波，濾除高頻量、控制變化率，濾波后的值P作為并網(wǎng)功率的給定值，則電池工作的參考功率為P＝PPV-P；將P與電池工作的實(shí)際功率值Pb比較，誤差e1經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，以調(diào)整電池的工作電流參考值Ib*。內(nèi)環(huán)為電池工作電流控制環(huán)，使電池實(shí)際的工作電流值Ib跟蹤外環(huán)給定的電流參考值。在外環(huán)PI調(diào)節(jié)器后面采用了限幅環(huán)節(jié)，以限制電池工作電流[12-13]。此外，系統(tǒng)還有過充過放保護(hù)，當(dāng)電池端電壓低于某一個(gè)值，接近臨界過放時(shí)，開關(guān)管K9是可靠封鎖的，電池停止放電;當(dāng)電池端電壓高于某一個(gè)值，接近臨界過充時(shí)，開關(guān)管K8是可靠關(guān)斷的，電池停止充電。

圖6 BOOST工作模式

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文所提出的功率平抑控制，開展了仿真研究。仿真時(shí)，系統(tǒng)額定功率為6 k W，光伏陣列開路電壓320 V，電網(wǎng)相電壓220 V，頻率50 Hz，直流母線參考電壓600 V，電池正常工作電壓150 V，額定容量5 Ah。

仿真時(shí)溫度恒定28℃,光照情況如圖8（a）所示，在t=0.4 s和0.65 s的時(shí)候光照分別受到了-300 W/m2和+300 W/m2的干擾。圖8(b)中，PPV、Pg和Pb分別是光伏陣列輸出的功率、并網(wǎng)功率和電池的工作功率，可以看出，光照的變化導(dǎo)致光伏陣列輸出的功率波動(dòng)較大，但在儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用下，并網(wǎng)功率變得平緩、變化率減小，實(shí)現(xiàn)了本文提出的功率平抑控制。圖8（c）是在第一個(gè)功率波動(dòng)期間逆變器輸出的電流，可以看出，整個(gè)波動(dòng)過程中并網(wǎng)電流幅值穩(wěn)定，波形質(zhì)量好。圖8（d）是電池的工作電流，正值表示放電，負(fù)值表示充電，隨著光伏陣列發(fā)出功率的變化，電池能快速地改變工作電流，配合功率平抑控制對(duì)能量予以管理。

圖7 功率平抑控制策略

4 結(jié)語

圖8 功率平抑仿真結(jié)果

光伏并網(wǎng)發(fā)電是最有發(fā)展前景的新能源之一，規(guī)模越來越大。然而，當(dāng)光照劇烈變化時(shí)，光伏系統(tǒng)輸出功率波動(dòng)較大，會(huì)給電網(wǎng)的規(guī)劃、運(yùn)行和調(diào)度造成困難，制約了光伏并網(wǎng)發(fā)電的大規(guī)模發(fā)展。上面，我們首先分析了光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)的關(guān)系，得出了功率波動(dòng)過大會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓波動(dòng)的結(jié)論，還探討了功率波動(dòng)的其他危害，論述了功率平抑的必要性。其次，研究了功率平抑控制的方法，提出了通過對(duì)光伏陣列發(fā)出的功率值進(jìn)行低通濾波來給定并網(wǎng)功率參考值的方法，全面介紹了系統(tǒng)的3種運(yùn)行工況，詳細(xì)討論了低通濾波器的設(shè)計(jì)和雙向DC/DC變換器的工作方式，最后給出了功率平抑控制流程圖，系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，還具有過流、過放和過充保護(hù)功能。最后，進(jìn)行了仿真研究，仿真結(jié)果表明，采用本文提出的控制策略可以有效控制功率的波動(dòng)，減小其變化率，即使光照波動(dòng)較大，光伏系統(tǒng)輸出的電流波形也很好，儲(chǔ)能系統(tǒng)隨著光伏陣列發(fā)出功率的波動(dòng)而改變功率流動(dòng)的方向和大小。

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