，，，，

(國(guó)網(wǎng)浙江德清縣供電有限公司，浙江 德清 313200)

1 引言

大力促進(jìn)包括光伏發(fā)電在內(nèi)的新能源的開發(fā)和利用是解決當(dāng)前面臨的能源短缺危機(jī)和緩解環(huán)保壓力的有效措施[1-3]。近年來，大容量?jī)?chǔ)能技術(shù)得到快速的發(fā)展和應(yīng)用，一些典型的儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)初步具備應(yīng)用于電力系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰或可再生發(fā)電波動(dòng)平抑的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)條件[4]。因此，儲(chǔ)能技術(shù)在很大程度上，可以解決光伏發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性等問題，提升其對(duì)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響。如何利用儲(chǔ)能技術(shù)提升光伏發(fā)電在低電壓穿越期間的安全性、穩(wěn)定性成為了當(dāng)今研究的熱點(diǎn)之一。

光伏電站的輸出電流及逆變器直流側(cè)電壓值是影響其低電壓運(yùn)行能力的兩個(gè)重要因素。當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓跌落時(shí)，通過調(diào)節(jié)逆變器無功功率輸出，支持并網(wǎng)電壓，有助于改善電壓跌落期間的穿越問題[5]。在此基礎(chǔ)上，有人提出通過使用卸荷負(fù)載的Crowbar電路配合無功控制策略提高光伏系統(tǒng)低電壓穿越能力[6]。當(dāng)三相電網(wǎng)電壓對(duì)稱跌落時(shí)，相關(guān)文獻(xiàn)提出利用實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器(RTDS)技術(shù)對(duì)逆變器進(jìn)行控制，并增設(shè)卸荷電路部分用以降低直流側(cè)電壓[7]。以上相關(guān)文獻(xiàn)提出的方法在系統(tǒng)低電壓期間都是通過限制本身最大輸出電流來抑制過流，通過卸荷負(fù)載來抑制直流過壓。這些方法雖能在一定程度上解決了問題，但是都相對(duì)造成了資源浪費(fèi)。

通過以上參考文獻(xiàn)的分析，首先，提出一種控制策略應(yīng)對(duì)光伏系統(tǒng)低壓穿越問題，網(wǎng)側(cè)電壓跌落時(shí)，增加儲(chǔ)能設(shè)備均衡失衡功率，調(diào)節(jié)直流側(cè)過電壓，同時(shí)調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流。既限制了過流問題，又利用逆變器無功容量裕度支撐網(wǎng)側(cè)電壓。最后，理論上驗(yàn)證了該方法的可行性，仿真檢驗(yàn)其策略的有效性。

2 光儲(chǔ)微電網(wǎng)控制策略分析

2.1 光儲(chǔ)微電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。其中光伏電池通過Boost升壓電路工作在最大功率跟蹤模式，為裝置提功能量，DC/AC逆變電路通過直接電流控制實(shí)現(xiàn)交流并網(wǎng)、儲(chǔ)能電路通過雙向DC/DC實(shí)現(xiàn)直流母線的穩(wěn)定。

圖1 光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.2 電壓暫降的檢測(cè)方法

面對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓跌落時(shí)，如何快速準(zhǔn)確的檢測(cè)到跌落電壓，以及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)控制方案。目前，主要為基于峰值電壓法、基波分量法、有效值計(jì)算法等；對(duì)于系統(tǒng)單相電壓跌落時(shí)，通過改進(jìn)坐標(biāo)變換法進(jìn)行檢測(cè)，主要包括：基于瞬時(shí)電壓的dq分解法、改進(jìn)ab變換法、無延時(shí)dq變換法等；三相對(duì)稱跌落，主要使用dq變化法；還有基于信號(hào)處理的方法：如小波變換，S變換等。以上檢測(cè)辦法一般實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，同時(shí)運(yùn)算量較大。通過分析，本文提出基于滑動(dòng)窗理論的電壓跌落檢測(cè)方法，跌落電壓的檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 電壓跌落檢測(cè)原理圖

其中，在每一個(gè)周期中，電壓在不同相位分別采集N個(gè)電壓點(diǎn)，并儲(chǔ)存到數(shù)據(jù)池中。指針j指向數(shù)據(jù)池中當(dāng)前待更新的數(shù)據(jù)，每個(gè)采樣周期，將新采集的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)(new)池中，取出替換的數(shù)據(jù)(old)。由于數(shù)據(jù)池對(duì)應(yīng)著一個(gè)周期的電壓數(shù)據(jù)，因?yàn)榕R近周期的電壓諧波含量不會(huì)發(fā)生劇變，可認(rèn)為前后周期的諧波含量相互抵消，于是對(duì)比相鄰周期中同相位的電壓采樣值可以檢測(cè)電壓是否變化。則電壓跌落深度k可用式(1)表示：

(1)

為了進(jìn)一步提高該算法的可靠性，降低諧波等干擾造成的誤判斷，在檢測(cè)過程中增設(shè)變量i用來實(shí)現(xiàn)濾波，其中05時(shí)，才定義為電壓跌落有效。為了驗(yàn)證該算法的有效性，使用simulink軟件進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真條件如下：

(1)電壓值設(shè)置為u(t)=311sin(100πt)，u(t) 在[0.2s-0.4s]之間發(fā)生電壓深度下降，跌落深度0.2，設(shè)置系統(tǒng)采樣時(shí)間Ts=0.0005s。

(2)仿真條件(2)：u(t)=311sin(100πt)+30 sin(250πt)，u(t)同樣在[0.2s-0.4s]之間發(fā)生電壓深度下降，降低深度設(shè)置為0.2，設(shè)置系統(tǒng)采樣時(shí)時(shí)間Ts=0.0005s。

圖3 電壓降落檢測(cè)仿真結(jié)果

如圖3所示，該算法檢測(cè)電壓降落基本上沒有延時(shí)，且當(dāng)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電壓含有諧波時(shí)，仍能夠精準(zhǔn)快速的檢測(cè)到電壓降落深度。

2.3 逆變控制策略分析

忽略光伏系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換的損失，在光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)正常工作時(shí)PV工作在最大功率跟蹤模式，輸出功率為Ppv，直流側(cè)電容電壓消耗功率為Pdc，通過逆變電路輸送到電網(wǎng)中的功率為P0。則有

Ppv=Pdc+Po

(2)

設(shè)輸出的有功電流有效值為Irms，則：

(3)

其中，Urms為系統(tǒng)相電壓有效值。由于PV工作在最大功率跟蹤模式，其輸出功率Ppv和直流側(cè)電容電壓消耗的功率Pdc基本恒定，則輸出有功電流大小和系統(tǒng)電壓有效值成反比。當(dāng)系統(tǒng)電壓跌落時(shí)，Urms變小輸出有功電流Irms快速增大，我們對(duì)輸出有功電流進(jìn)行限制，使得：

Irms≤Ie

(4)

其中，Ie是裝置額定電流。由于逆變器可以短時(shí)工作在1.1Ie電流下，在系統(tǒng)電壓跌落期間，可輸出部分無功電流以便系統(tǒng)電壓恢復(fù)，其輸出無功電流Iq：

(5)

所以可求得指令電流Iref為：

(6)

其中sync為系統(tǒng)A相的電壓相位。逆變器控制原理如圖4所示。通過以上可知，逆變器控制采取直接電流控制，不需要考慮系統(tǒng)解耦問題，只需求取系統(tǒng)電壓相位即可。該方法采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制，控制簡(jiǎn)單，參數(shù)較少，只有2個(gè)PI調(diào)試參數(shù)，易于調(diào)試。

圖4 逆變器控制原理圖

2.4 DC/DC控制策略分析

在系統(tǒng)電壓跌落期間，由于我們限制了有功電流Irms的輸出，造成流向直流側(cè)電容的有功功率遠(yuǎn)大于其輸出的有功功率，這勢(shì)必會(huì)造成直流母線電壓升高，不僅會(huì)降低PV單元功率輸出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)擊穿直流側(cè)電容。而儲(chǔ)能電容不會(huì)受系統(tǒng)電壓變化的影響，此時(shí)，通過雙向DC/DC變換器使得多余的能量?jī)?chǔ)存到儲(chǔ)能電容，從而有效地穩(wěn)定直流側(cè)母線電壓。

如圖5所示，雙向DC/DC變換器工作原理圖，功率交換主要通過Buck電路及Boost電路完成。當(dāng)開關(guān)管T1動(dòng)作時(shí)，雙向功率DC/DC變換器運(yùn)行在降壓斬波(Buck電路)狀態(tài)，功率流主要由直流側(cè)C1流向開關(guān)管T1、L給C2儲(chǔ)能；當(dāng)開關(guān)管T2動(dòng)作時(shí)，雙向功率DC/DC變換器運(yùn)行在生涯斬波(Boost電路)狀態(tài)，功率流在由存儲(chǔ)側(cè)T2流經(jīng)L、T2 ，此時(shí)給電感L充電，同時(shí)在經(jīng)過D1向直流側(cè)C1放電，當(dāng)T2斷開時(shí)候，C2、L通過D1向電容C1放電。儲(chǔ)能電容充電能量，設(shè)系統(tǒng)電壓跌落深度為k，裝置額定輸出功率為P0，則在系統(tǒng)電壓跌落期間，裝置輸出功率為kP0，流向儲(chǔ)能電容的能量為(1-k)P0。則有：

(7)

式中，t為降落時(shí)間，U0和U1分別為儲(chǔ)能電容在網(wǎng)側(cè)電壓降落前后的電壓值。

圖5 DC/DC變換器原理圖

3 仿真分析

為了驗(yàn)證前文所提控制方案的正確性，利用simulink軟件搭建仿真電路圖進(jìn)行驗(yàn)證。由于所仿真的光伏電池容量較小，沒有采取隔離變壓器，光伏逆變直接和市電并網(wǎng)。仿真電路圖如圖6所示。

圖6 光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)模型

所建立的仿真模型中，系統(tǒng)相電壓為220V，電壓在[0.2s 0.4s]期間發(fā)生跌落，跌落深度為0.1。PV單元工作在最大功率跟蹤模式，最大輸出功率為4kW，直流側(cè)電容電壓設(shè)定在600V，母線電容為200μF，儲(chǔ)能電容采用電容來代替，C=30000μF，設(shè)定初始電壓為100V。

正常工作時(shí)，變流器功率因數(shù)為1，當(dāng)網(wǎng)側(cè)電壓發(fā)生跌落時(shí)。跌落電壓情況如圖7所示，由于變流器實(shí)時(shí)輸出有功功率，當(dāng)網(wǎng)側(cè)跌落電壓時(shí)，逆變器輸出電流增大，由于逆變器存在熱穩(wěn)定極限，若不加以控制，必然觸發(fā)逆變器過流保護(hù)系統(tǒng)，同時(shí)由于逆變器存在大量功率不能外送，使逆變器兩端功率失衡，直流側(cè)電壓由600V升高到接近2000V，若實(shí)際電路中直流側(cè)電容早已擊穿，逆變器輸出有功功率受到較大影響。

圖7 不含有儲(chǔ)能電容的仿真結(jié)果圖

當(dāng)采用光儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制策略時(shí)，仿真結(jié)果如圖8所示，檢測(cè)到網(wǎng)側(cè)跌落電壓時(shí)，雙向DC/DC變換器啟動(dòng)均衡失衡功率，直流側(cè)失衡功率由母線流向儲(chǔ)能電容，電壓跌落期間逆變器直流側(cè)電壓波動(dòng)較小，逆變器有功輸出基本穩(wěn)定，根據(jù)仿真結(jié)果，可判斷逆變器利用無功裕量向系統(tǒng)注入了一定的無功電流，對(duì)于減少無功配置容量，支撐電網(wǎng)電壓恢復(fù)起到了一定的作用。

4 結(jié)語

本文針對(duì)此問題提出了一種光儲(chǔ)協(xié)調(diào)控制的低電壓穿越控制策略，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，光伏系統(tǒng)始終工作在MPPT模式，按照功率因數(shù)發(fā)出最大功率，整個(gè)過程采用直接電流控制，不存在解耦問題，控制策略簡(jiǎn)單可行；在網(wǎng)側(cè)故障工況時(shí)，光伏陣列依然在MPPT模式下工作，利用儲(chǔ)能電容吸收直流側(cè)冗余能量，穩(wěn)定了逆變器直流側(cè)母線電壓穩(wěn)定，提升了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。同時(shí)在故障工況時(shí)，系統(tǒng)向電網(wǎng)輸送了一定的無功功率，為網(wǎng)側(cè)提供了一定的電壓支撐，減少了一定的無功設(shè)備配備容量。通過仿真對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了該方法簡(jiǎn)單、控制效果好、具有較高的實(shí)用價(jià)值。

圖8 含有儲(chǔ)能電容的仿真結(jié)果圖