劉艷東 胡祎文 陳 楠 王菁月 邵鑫銘 裴忠晨 劉 闖

(1. 陜西吉電能源有限公司 西安 710000；2. 東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院 吉林 132000；3. 長(zhǎng)春吉電能源科技有限公司 長(zhǎng)春 130000)

1 引言

在國(guó)家“雙碳”目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，以光伏發(fā)電為代表的可再生能源將成為能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的中堅(jiān)力量[1]。伴隨著海量光伏的大規(guī)模并網(wǎng)，其隨機(jī)性、間歇性的特點(diǎn)將直接影響微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。因此，亟需利用儲(chǔ)能自身的功率互補(bǔ)特性[3]，平抑光伏發(fā)電的出力波動(dòng)，促進(jìn)光伏、儲(chǔ)能、負(fù)荷與電網(wǎng)的深度融合，實(shí)現(xiàn)可再生能源充分消納和高效利用。

近年來(lái)，由于傳統(tǒng)光伏電站運(yùn)營(yíng)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，光伏陣列端容易出現(xiàn)部分光伏組件衰減嚴(yán)重、陰影遮擋、組件傾角不一致、表面臟污等現(xiàn)象，降低局部組件電流，發(fā)生光伏組串的“木桶效應(yīng)”，從而導(dǎo)致整個(gè)光伏陣列輸出功率出現(xiàn)大幅度的削減，降低光伏發(fā)電效率[4]。文獻(xiàn)[5]從消除組件失配影響的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)光伏陣列組態(tài)進(jìn)行優(yōu)化提升光伏發(fā)電效率，減少因組件老化、局部遮擋造成的光伏功率頻繁波動(dòng)，但這種控制策略會(huì)在組態(tài)優(yōu)化過(guò)程中產(chǎn)生較大損耗。

為保證光伏、負(fù)荷與電網(wǎng)間實(shí)時(shí)功率動(dòng)態(tài)平衡，文獻(xiàn)[6]在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能單元，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)光伏和電網(wǎng)的功率信息實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電削峰填谷和平抑出力波動(dòng)，但文中光伏發(fā)電輸出功率采用基于定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法的最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum power point tracking, MPPT)控制策略，其控制精度會(huì)因光伏電池外部環(huán)境突變而降低，造成最大功率點(diǎn)(Maximum power point, MPP)“誤判現(xiàn)象”，降低了光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

傳統(tǒng)儲(chǔ)能單元并網(wǎng)較多采用全功率雙向DC/DC變換器進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，存在運(yùn)行效率低、占地面積大、前期投入成本高等問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，文獻(xiàn)[7]通過(guò)分析光伏部分功率變換器優(yōu)勢(shì)，提出儲(chǔ)能部分功率變換器，通過(guò)與儲(chǔ)能全功率變換器對(duì)比，對(duì)其效率提升原理進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但并未討論適用于儲(chǔ)能部分功率變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

本文在文獻(xiàn)[6-7]的基礎(chǔ)上提出了一種基于部分功率變換的光儲(chǔ)微電網(wǎng)組網(wǎng)形態(tài)，通過(guò)采用光伏系統(tǒng)組件級(jí)功率優(yōu)化器和儲(chǔ)能部分功率變換器，實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)微電網(wǎng)的功率優(yōu)化提升。由于所提的儲(chǔ)能雙向DC/DC變換器只流過(guò)儲(chǔ)能單元部分功率，因此變換器可以選取遠(yuǎn)小于儲(chǔ)能單元的額定功率等級(jí)，并兼具開關(guān)損耗小、工作效率高[8-9]等優(yōu)勢(shì)。本文通過(guò)分析光伏組件級(jí)功率優(yōu)化器、儲(chǔ)能部分功率變換器和雙向DC/AC變換器在光儲(chǔ)微電網(wǎng)多種工況下的控制方式，提出一種計(jì)及光伏出力波動(dòng)、儲(chǔ)能荷電狀態(tài)、直流母線電壓的光儲(chǔ)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略[10]，保證最大化消納可再生能源同時(shí)平滑功率波動(dòng)，提高光儲(chǔ)微電網(wǎng)運(yùn)行效率。

2 光儲(chǔ)微電網(wǎng)

2.1 組網(wǎng)形態(tài)

本文所構(gòu)建的光儲(chǔ)微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，光伏組件通過(guò)光伏功率優(yōu)化器串聯(lián)后接入直流母線，兩個(gè)儲(chǔ)能電池組分別通過(guò)各自部分功率雙向DC/DC變換器并聯(lián)接入直流母線[11]，兩個(gè)儲(chǔ)能電池組根據(jù)微電網(wǎng)功率需求實(shí)現(xiàn)充/放電及空閑模式間切換，抑制光伏并網(wǎng)的功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光伏的充分消納[12]。雙向DC/AC變換器與直流母線相連，為交流側(cè)負(fù)荷進(jìn)行供電，通過(guò)公共連接點(diǎn)PCC(Point of common coupling)和升壓變壓器與大電網(wǎng)相連。若光儲(chǔ)微電網(wǎng)中各單元的實(shí)時(shí)功率均能保持動(dòng)態(tài)平衡，忽略功率損耗，系統(tǒng)中的功率平衡關(guān)系為

圖1 共直流母線光儲(chǔ)微電網(wǎng)組網(wǎng)形態(tài)

式中，PESS為儲(chǔ)能單元釋放或吸收的功率；PPV為光伏陣列輸出的功率；PL為系統(tǒng)的總負(fù)荷功率；PG為電網(wǎng)提供或吸收的功率。

為進(jìn)一步提高光儲(chǔ)微電網(wǎng)的可靠性和高效性，本文將進(jìn)行光伏功率優(yōu)化器以及儲(chǔ)能雙向DC/DC變換器的研究。

2.2 光伏功率優(yōu)化器

光伏組串因局部遮擋引起組件失配導(dǎo)致的P-U曲線多峰現(xiàn)象如圖2所示。為克服光儲(chǔ)微電網(wǎng)中光伏發(fā)電系統(tǒng)因組件失配發(fā)生的“木桶效應(yīng)”問(wèn)題，本文提出了一種組件級(jí)Buck型光伏功率優(yōu)化器，使組串內(nèi)各組件均工作在其特性曲線的最大功率點(diǎn)，避免因光伏組件局部遮擋、老化等多種因素造成的光伏發(fā)電系統(tǒng)潛能浪費(fèi)[13]。

圖2 長(zhǎng)組串受局部遮擋后P-U曲線多峰現(xiàn)象

目前，考慮效率及成本等因素，市面上光伏功率優(yōu)化器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多為 Buck、Boost和Buck-Boost電路。相較于成本較高的Buck-Boost型功率優(yōu)化器，Boost型功率優(yōu)化器適合安裝在組件數(shù)量較少的組串，且當(dāng)組件受遮擋優(yōu)化器工作會(huì)降低組串電流進(jìn)而縮小MPPT工作范圍[14]。因此，本文采用如圖3所示的Buck型功率優(yōu)化器結(jié)構(gòu)，提高光伏組串安裝容量，并通過(guò)提高受遮擋組件輸出電流保證組串內(nèi)其他不受遮擋組件處于MPP工作點(diǎn)。

圖3 Buck型功率優(yōu)化器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖3中Buck型功率優(yōu)化器開關(guān)管數(shù)量少、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在光伏組件發(fā)生故障或開路時(shí)，Buck型功率優(yōu)化器中的二極管能夠?yàn)殡娏魈峁┩?，避免熱斑效?yīng)的發(fā)生，無(wú)需額外配置旁路二極管就能保障組串中其他組件正常工作。

當(dāng)光伏組串中某個(gè)組件受遮擋時(shí)，根據(jù)式(2)，此時(shí)Buck優(yōu)化器可以通過(guò)減小占空比，使得被遮擋組件輸出電流增大，與組串電流匹配。因此，接入Buck型功率優(yōu)化器的光伏組件I-U和P-U特性曲線如圖4所示，其中Io_max為優(yōu)化器的最大輸出電流，曲線中間段為最大功率輸出階段。光伏組件通過(guò)Buck型功率優(yōu)化器的降壓升流功能，擴(kuò)大光伏組件原有的最MPPT控制范圍。

圖4 加入Buck型功率優(yōu)化器前后光伏組件特性曲線

2.3 儲(chǔ)能雙向DC/DC變換器

儲(chǔ)能雙向DC/DC變換器的拓?fù)渲饕ǜ綦x型和非隔離型兩種結(jié)構(gòu)。相較于成本低、結(jié)構(gòu)緊湊的非隔離雙向DC/DC變換器，隔離型結(jié)構(gòu)具備寬電壓增益、電氣隔離等優(yōu)勢(shì)，適合應(yīng)用于儲(chǔ)能兩端電壓隨不斷充放電波動(dòng)較大的場(chǎng)合[15]。為解決傳統(tǒng)光儲(chǔ)微電網(wǎng)全功率儲(chǔ)能變換器運(yùn)行效率低、占地面積大、前期投入成本高等問(wèn)題，本文提出了一種部分功率儲(chǔ)能變換器，其不僅具有全功率儲(chǔ)能變換器易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)、高可靠等優(yōu)勢(shì)，且變換器只流過(guò)儲(chǔ)能單元部分功率(功率流動(dòng)示意圖如圖5所示)，因此可以選取額定功率等級(jí)遠(yuǎn)小于儲(chǔ)能單元、結(jié)構(gòu)更緊湊的變換器結(jié)構(gòu)，大幅提高儲(chǔ)能單元轉(zhuǎn)換效率。

圖5 功率流動(dòng)示意圖

儲(chǔ)能電池組與隔離型儲(chǔ)能雙向DC/DC變換器的連接方式如圖6所示，其中，變換器輸入端與儲(chǔ)能電池組正負(fù)極相連，變換器輸出端正極接直流母線正極，負(fù)極與輸入端正極相連，直流母線負(fù)極接變換器輸入端負(fù)極。

圖6 儲(chǔ)能雙向DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

當(dāng)儲(chǔ)能電池組向直流母線放電時(shí)，假設(shè)ηconv是隔離型雙向DC/DC變換器的效率，G是變換器的增益，k是高頻變壓器變比，D是變換器占空比，則有G=k×D，此時(shí)直流母線電壓與變換器輸入電壓之間的關(guān)系為

考慮功率損耗，變換器輸入與輸出功率之間的關(guān)系為

結(jié)合式(3)和式(4)，可以得出儲(chǔ)能單元整體的效率ηESS為

儲(chǔ)能變換器在運(yùn)行過(guò)程中損耗主要包括濾波損耗(濾波電感/電容)、開關(guān)管損耗和高頻變壓器損耗。模擬流入儲(chǔ)能單元的功率為20 kW，對(duì)全功率儲(chǔ)能變換器和部分功率儲(chǔ)能變換器的工作損耗進(jìn)行估算，全功率儲(chǔ)能變換器工作損耗估算為682.97 W；相較于相同工況下使用全功率儲(chǔ)能變換器方案，流入部分功率儲(chǔ)能變換器的功率為2 kW，部分功率儲(chǔ)能變換器工作損耗估算為332.66 W，減少了350.31 W損耗，兩種變換器的損耗功率對(duì)比如圖7所示。

圖7 全功率與部分功率變換器損耗功率

3 光儲(chǔ)微電網(wǎng)控制策略

3.1 協(xié)調(diào)控制策略

考慮光儲(chǔ)微電網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中光伏發(fā)電系統(tǒng)間歇性出力對(duì)系統(tǒng)的沖擊，以及負(fù)荷在并/離網(wǎng)模式下功率突變對(duì)微電網(wǎng)內(nèi)功率動(dòng)態(tài)平衡的影響，本文提出了一種計(jì)及光伏出力波動(dòng)、儲(chǔ)能荷電狀態(tài)(State of charge, SOC)、直流母線電壓的光儲(chǔ)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略，如圖8所示，保證最大化消納可再生能源同時(shí)平滑功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)微電網(wǎng)高效、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

圖8 光儲(chǔ)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略框圖

根據(jù)光儲(chǔ)微電網(wǎng)與電網(wǎng)間公共耦合點(diǎn)(PCC)的開斷情況，光儲(chǔ)微電網(wǎng)可工作在并網(wǎng)與孤島兩種運(yùn)行模式。

(1) 系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，雙向DC/AC變換器以直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)三相電流為控制目標(biāo)實(shí)現(xiàn)光儲(chǔ)微電網(wǎng)與電網(wǎng)間的功率流動(dòng)；儲(chǔ)能單元用來(lái)平抑光伏陣列并網(wǎng)時(shí)的功率波動(dòng)，根據(jù)SOC狀態(tài)對(duì)要釋放或吸收的功率進(jìn)行分配，可工作于恒壓或恒流模式；為實(shí)現(xiàn)可再生能源充分消納，光伏功率優(yōu)化器始終工作在最大功率點(diǎn)跟蹤模式。

(2) 系統(tǒng)孤島運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能單元工作在恒壓模式，用來(lái)維持直流母線的電壓，雙向DC/AC變換器工作在V/f模式為交流側(cè)提供穩(wěn)定的電壓與頻率支撐，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能電池組SOC狀態(tài)，以及系統(tǒng)中光伏/儲(chǔ)能/負(fù)荷間功率匹配情況，儲(chǔ)能單元能夠?qū)崿F(xiàn)充/放電工作模式的切換，此時(shí)，光伏功率優(yōu)化器可工作于MPPT模式或限功率模式。

3.2 光伏陣列控制策略

Buck型光伏功率優(yōu)化器有兩種功能：MPPT控制模式和限功率控制模式。MPPT控制可以保證光伏陣列始終工作在最大功率輸出點(diǎn)，提高光伏發(fā)電效率。當(dāng)光伏陣列的輸出功率過(guò)剩時(shí)，光伏功率優(yōu)化器則工作在限功率控制模式，使光伏陣列降功率輸出，保證系統(tǒng)的功率平衡，防止直流母線波動(dòng)。由圖8所示，UPV和IPV分別為光伏組件輸出電壓和電流，經(jīng)MPPT控制或限功率控制可得到占空比D。

針對(duì)傳統(tǒng)擾動(dòng)觀測(cè)法容易發(fā)生“誤判”的固有缺點(diǎn)，本文采用一種改進(jìn)的變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法來(lái)實(shí)現(xiàn)MPPT。該方法核心思想是在擾動(dòng)過(guò)程中不斷改變擾動(dòng)步長(zhǎng)，當(dāng)工作點(diǎn)遠(yuǎn)離MPP時(shí)，擾動(dòng)步長(zhǎng)變大，工作點(diǎn)快速向MPP處移動(dòng)，提高反應(yīng)速度；當(dāng)工作點(diǎn)靠近MPP時(shí)，步長(zhǎng)逐漸變小，這樣可以提高響應(yīng)精度。另外，為了避免在達(dá)到最大功率點(diǎn)附近時(shí)，傳統(tǒng)擾動(dòng)難以停止產(chǎn)生的振蕩現(xiàn)象，在MPP處設(shè)置了門檻電壓，當(dāng)實(shí)測(cè)電壓與MPP電壓之差較小時(shí)，可以將該點(diǎn)近似確定為最大功率點(diǎn)。該算法的控制流程圖如圖9所示，其中Uk、Ik、Pk分別為k時(shí)刻光伏組件輸出電壓、電流和功率的實(shí)測(cè)值，Um是組件最大功率點(diǎn)電壓，ε是無(wú)限接近零的極小正數(shù)，α為擾動(dòng)系數(shù)，Step是擾動(dòng)步長(zhǎng)，Uref為組件輸出電壓參考值。

圖9 變步長(zhǎng)擾動(dòng)觀測(cè)法流程圖

3.3 儲(chǔ)能單元控制策略

儲(chǔ)能單元的控制框圖見圖8，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能單元在放電狀態(tài)采用恒流控制方法，用于維持系統(tǒng)功率的平衡；由于儲(chǔ)能單元在充電狀態(tài)只作為系統(tǒng)的功率終端，因此儲(chǔ)能單元可根據(jù)自身的SOC狀態(tài)采用恒流或恒壓充電控制方法。孤島運(yùn)行時(shí)，儲(chǔ)能單元采用恒壓充/放電控制方法，維持直流母線電壓的同時(shí)平衡系統(tǒng)中光伏和負(fù)荷的功率波動(dòng)。

為了確保儲(chǔ)能的充/放電可以在其SOC狀態(tài)內(nèi)(20%～80%)平抑系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，需要根據(jù)光伏陣列的輸出功率、負(fù)載額定功率、網(wǎng)側(cè)變壓器容量以及儲(chǔ)能SOC之間的關(guān)系，來(lái)選擇儲(chǔ)能變換器的工作模式。本文中光儲(chǔ)微電網(wǎng)中配置了兩個(gè)儲(chǔ)能單元，其控制流程圖如圖10所示，首先通過(guò)比較判斷儲(chǔ)能單元是釋放或是吸收功率，再根據(jù)SOC狀態(tài)的大小判斷此時(shí)兩個(gè)電池組的狀態(tài)，選擇充電或放電的模式。假設(shè)SOC1、SOC2分別為儲(chǔ)能單元中兩個(gè)儲(chǔ)能電池組的SOC狀態(tài)，其中模式一為切出儲(chǔ)能單元，模式二為儲(chǔ)能單元放電，模式三為SOC狀態(tài)大于50%的儲(chǔ)能電池組放電，模式四為SOC狀態(tài)小于50%的儲(chǔ)能電池組充電，模式五為儲(chǔ)能單元充電。

圖10 雙儲(chǔ)能控制模式流程圖

4 仿真驗(yàn)證

本文圍繞光儲(chǔ)微電網(wǎng)功率優(yōu)化與靈活運(yùn)行需要解決光伏組件失配導(dǎo)致的“木桶效應(yīng)”問(wèn)題，進(jìn)一步釋放光伏發(fā)電潛力；克服光儲(chǔ)微電網(wǎng)采用全功率儲(chǔ)能變換器存在運(yùn)行效率低、占地面積大、前期投入成本高等缺陷，促進(jìn)儲(chǔ)能單元高效運(yùn)行；考慮微電網(wǎng)各單元間功率動(dòng)態(tài)平衡(PPV+PESS+PG?PL=0)，保證最大化消納可再生能源同時(shí)平滑功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各單元在不同控制模式之間平滑切換及功率自主分配。為驗(yàn)證本文所提光儲(chǔ)微電網(wǎng)功率優(yōu)化方法及協(xié)調(diào)控制策略的可行性和有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下搭建了如圖1所示的光儲(chǔ)微電網(wǎng)仿真模型，其中光伏陣列由兩個(gè)光伏組串構(gòu)成，每個(gè)組串包括20個(gè)光伏組件，且所連雙向DC/AC變換器最大輸送功率上限為10 kW，針對(duì)不同的運(yùn)行工況進(jìn)行仿真分析，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

4.1 光伏功率優(yōu)化器仿真分析

通過(guò)比較兩個(gè)光伏組串在相同工況下分別采用組件級(jí)/組串級(jí)功率優(yōu)化器的功率差值，驗(yàn)證了所用組件級(jí)Buck型功率優(yōu)化器的優(yōu)化效果，優(yōu)化前后最大輸出功率值對(duì)比如圖11所示。假設(shè)光伏組串中包括10個(gè)光伏組件，且初始均在標(biāo)況(T=25 ℃，S=1 000 W/m2)下工作，1.1 s前兩個(gè)組串都沒(méi)有發(fā)生局部陰影遮擋，此時(shí)由于優(yōu)化器的作用，兩個(gè)組串能夠保證最大功率輸出；1.1 s時(shí)刻發(fā)生局部陰影遮擋(S1-5=1 000 W/m2，S5-10=500 W/m2)后，采用組件級(jí)功率優(yōu)化器的組串能夠保證各組件均工作在最大功率點(diǎn)，相較于采用組串級(jí)功率優(yōu)化器的組串輸出功率提升了750 W。圖12中，1.1 s時(shí)刻組串發(fā)生局部陰影遮擋時(shí)，采用組件級(jí)功率優(yōu)化器的組串通過(guò)分布式MPPT控制使受遮擋的組件輸出電流短暫下降，保證組串中所有組件均工作在MPP處，而采用組串級(jí)功率優(yōu)化器的組串輸出電流由受遮擋的組件決定。

圖11 組串輸出功率對(duì)比

圖12 組件輸出電流對(duì)比

4.2 部分功率變換器仿真分析

如圖13所示，為了驗(yàn)證部分功率儲(chǔ)能變換器的有效性，對(duì)比儲(chǔ)能電池組和分別流出部分功率儲(chǔ)能變換器和全功率儲(chǔ)能變換器的功率，在1.5 s時(shí)刻前，光儲(chǔ)微電網(wǎng)中儲(chǔ)能電池組放電功率PESS=3.2 kW，1.5 s時(shí)刻系統(tǒng)中負(fù)荷所需功率減少500 W，在仿真過(guò)程中，全功率儲(chǔ)能變換器功率損耗ΔPa=60 W，部分功率儲(chǔ)能變換器的功率損耗ΔPp=10 W，采用部分功率變換器減少了儲(chǔ)能單元的功率損耗，提升了儲(chǔ)能單元的整體運(yùn)行效率。

圖13 功率損耗對(duì)比波形圖

為了驗(yàn)證儲(chǔ)能部分功率變換器控制策略的正確性，如圖14所示，在1.5 s時(shí)刻以前，模擬光儲(chǔ)微電網(wǎng)中儲(chǔ)能單元放電功率約為3.6 kW，其中直通功率約為3.2 kW，部分功率變換器流過(guò)的功率僅為400 W左右；在1.5 s時(shí)刻，將系統(tǒng)中負(fù)荷所需功率降低600 W，由于此時(shí)系統(tǒng)中產(chǎn)生功率波動(dòng)，導(dǎo)致直流母線電壓值上升至605 V，儲(chǔ)能單元輸出功率升高了50 W左右；在2.5 s時(shí)刻，受上層指令控制，儲(chǔ)能單元維持直流母線電壓值為600 V，由于光伏陣列的輻照度未改變，此時(shí)儲(chǔ)能單元會(huì)明顯降低輸出功率，以維持系統(tǒng)的功率平衡。

圖14 儲(chǔ)能單元各部分功率波形

4.3 光儲(chǔ)微電網(wǎng)仿真分析

工況一：光儲(chǔ)微電網(wǎng)工作在并網(wǎng)模式，雙向DC/AC變換器用來(lái)控制直流母線電壓和網(wǎng)側(cè)三相電流，光伏陣列通過(guò)組件級(jí)功率優(yōu)化器進(jìn)行MPPT控制。在仿真過(guò)程中，使輻照度持續(xù)變換，但不改變負(fù)荷所需功率。如圖15所示，該工況下，光伏陣列和儲(chǔ)能單元發(fā)出的總功率為6 kW，儲(chǔ)能單元在光伏陣列輻照度發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)工作在充電或放電模式，平抑光伏陣列發(fā)出的功率波動(dòng)，削峰填谷，滿足系統(tǒng)平衡條件。同時(shí)，設(shè)置儲(chǔ)能單元中兩個(gè)儲(chǔ)能電池組的SOC狀態(tài)分別為40%和60%，則兩個(gè)電池組充/放電功率波動(dòng)如圖16所示。

圖15 平抑光伏并網(wǎng)波動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)各單元輸出功率

圖16 儲(chǔ)能單元輸出功率

工況二：在仿真過(guò)程中，保持光伏陣列的輻照度不變，模擬微電網(wǎng)中負(fù)荷突然增加后，各單元為保證功率動(dòng)態(tài)平衡的出力變化。如圖17所示，假設(shè)初始時(shí)負(fù)荷總功率為9 kW，且僅由光伏陣列和電網(wǎng)提供，此時(shí)光伏陣列和電網(wǎng)輸出功率分別約為6 kW和3 kW。1 s時(shí)刻將系統(tǒng)中直流負(fù)荷所需的功率增大13 kW，在此工況下，由于雙向DC/AC變換器達(dá)到輸送功率上限10 kW，因此剩余6 kW缺額功率由儲(chǔ)能單元補(bǔ)充，系統(tǒng)能夠保持穩(wěn)定運(yùn)行。

圖17 負(fù)荷波動(dòng)時(shí)微電網(wǎng)各單元輸出功率

工況三：光儲(chǔ)微電網(wǎng)工作在孤島模式。如圖18所示，系統(tǒng)中光伏陣列的輻照度保持不變，在仿真開始時(shí)，假設(shè)儲(chǔ)能電池組SOC狀態(tài)均為60%，光伏陣列發(fā)出約7.2 kW功率向負(fù)荷供電并同時(shí)為儲(chǔ)能單元充電，最大化消納可再生能源；0.1 s時(shí)刻切出部分負(fù)荷，此時(shí)為了保持系統(tǒng)的功率平衡，儲(chǔ)能單元的充電功率上升；0.2 s時(shí)刻將儲(chǔ)能電池組SOC狀態(tài)均調(diào)整至80%，此時(shí)為了防止過(guò)充，儲(chǔ)能單元被切出，但由于光伏陣列輸出功率遠(yuǎn)大于負(fù)荷總功率，因此光伏功率優(yōu)化器從MPPT控制模式切換為限功率控制模式，保證系統(tǒng)的平衡及安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖18 孤島工況下微電網(wǎng)各單元輸出功率

5 結(jié)論

本文圍繞光儲(chǔ)微電網(wǎng)功率優(yōu)化與靈活運(yùn)行提出了組件級(jí)配置方案和協(xié)調(diào)控制策略，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電充分消納和儲(chǔ)能單元高效運(yùn)行。通過(guò)與組串級(jí)光伏功率優(yōu)化器和全功率儲(chǔ)能變換器對(duì)比以及各工況仿真結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

(1) 本文光儲(chǔ)微電網(wǎng)中光伏發(fā)電系統(tǒng)配置的組件級(jí)光伏功率優(yōu)化器，可以實(shí)現(xiàn)可再生能源高效利用，避免光伏發(fā)電潛能浪費(fèi)，提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，最大程度地獲取光伏發(fā)電收益，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(2) 本文光儲(chǔ)微電網(wǎng)中儲(chǔ)能單元采用的部分功率變換器，不但具有全功率變換器易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)、高可靠性等優(yōu)勢(shì)，而且由于變換器只流過(guò)儲(chǔ)能單元部分功率，能夠顯著提高儲(chǔ)能單元整體運(yùn)行效率。

(3) 結(jié)合儲(chǔ)能電池組的SOC狀態(tài)，所提光儲(chǔ)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略能夠管理控制各變換器工作模式，實(shí)現(xiàn)各單元功率自主分配，快速消除光伏與負(fù)荷引起的功率波動(dòng)，保證最大化消納可再生能源的同時(shí)維持系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。