基于蓄電池儲能的光伏并網(wǎng)發(fā)電功率平抑控制研究

21ic智能電網(wǎng)：本文針對光伏發(fā)電因光照強度與溫度變化而導致的發(fā)電功率波動(dòng)問(wèn)題，提出一種儲能型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統，以抑制并網(wǎng)功率的波動(dòng)。

以光伏發(fā)電最大功率跟蹤和并網(wǎng)逆變控制為基礎，引入蓄電池儲能系統，實(shí)現對發(fā)電功率削峰填谷、平抑的功能。光伏發(fā)電系統采用兩級功率變換結構，以最小化逆變器容量，解耦最大功率控制與逆變并網(wǎng)控制。在逆變器直流母線(xiàn)上并接雙向DC/DC變換器，對儲能電池充放電予以管理。

在功率平抑控制中，儲能系統采用雙環(huán)控制，內環(huán)控制儲能電池電流，外環(huán)則分兩種情況：1)電網(wǎng)正常時(shí)為功率外環(huán);2)電網(wǎng)故障時(shí)為電壓外環(huán)。系統不僅具有最大功率跟蹤和并網(wǎng)發(fā)電功能，還具有并網(wǎng)功率平抑功能。當電網(wǎng)因故障而斷開(kāi)時(shí)，系統將光伏發(fā)電能量?jì)θ胄铍姵?，提高了發(fā)電效率，確保了直流母線(xiàn)電壓穩定。對整個(gè)系統建立仿真模型和實(shí)驗樣機，仿真和實(shí)驗結果驗證了所提出的控制方法可行、有效。

0 引言

光伏發(fā)電無(wú)污染、無(wú)噪音、運行成本低，是理想的可持續能源，發(fā)展前景好。據預測，到2050年太陽(yáng)能在能源結構中的比例將達到13.5%，是未來(lái)化石能源的主要替代能源之一[1-2]。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，光伏發(fā)電正逐漸從過(guò)去的小規模離網(wǎng)系統，向大規模并網(wǎng)發(fā)電方向發(fā)展?；谧畲蠊β矢櫩刂芠3-5](Maximum Power Point Tracking， MPPT)和各種并網(wǎng)逆變控制[6-8]的光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)得到了廣泛研究。但是，由于光照和溫度變化無(wú)常，光伏發(fā)電站輸出的功率并不穩定，導致電壓波動(dòng)[9]。當前，光伏發(fā)電站在電力系統中所占比例很小，功率波動(dòng)對電網(wǎng)影響不大?？墒请S著(zhù)兆瓦級光伏電站的建設，其規模將不斷增大，當發(fā)電功率達到一定比例時(shí)，功率波動(dòng)會(huì )給電網(wǎng)運行帶來(lái)危害[10]。另外，當電網(wǎng)故障斷開(kāi)時(shí)，光伏陣列將停止發(fā)電，降低了系統效率。

本文研究基于蓄電池儲能的光伏并網(wǎng)發(fā)電功率平抑控制，以解決上述問(wèn)題。提出了控制方法，并通過(guò)仿真和實(shí)驗驗證了其可行性和有效性。

1 儲能型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統

為實(shí)現最大功率跟蹤、并網(wǎng)逆變和功率平抑等功能，采用圖1所示的系統結構。Boost變換器主要用于實(shí)現最大功率跟蹤，同時(shí)把光伏陣列較低的電壓升到較高的電壓，供三相逆變橋使用;三相逆變橋用于實(shí)現并網(wǎng)逆變;由雙向DC/DC變換器和蓄電池構成的儲能系統用于實(shí)現并網(wǎng)功率平抑控制，以及電網(wǎng)故障時(shí)存儲光伏陣列發(fā)出的能量。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電

2.1 最大功率跟蹤

光伏電池具有很強的非線(xiàn)性特征[11]，其I-V特性和P-V特性如圖2所示。當光照和溫度一定時(shí)，光伏電池輸出電壓隨負載變化，而且在某一電壓值時(shí)輸出功率最大，此工作點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)，而且最大功率點(diǎn)隨光照和溫度的變化而變化。因此，在光伏發(fā)電系統中，常采用最大功率跟蹤控制，隨著(zhù)光照和溫度變化實(shí)時(shí)調整光伏陣列的工作電壓，使其盡可能工作在最大功率點(diǎn)。

本文采用擾動(dòng)觀(guān)察法[3]實(shí)現最大功率跟蹤控制，流程圖如圖3。通過(guò)給光伏陣列工作點(diǎn)電壓施加擾動(dòng)ΔU，同時(shí)記錄擾動(dòng)后的輸出功率，如果輸出功率增加，則保持原方向繼續擾動(dòng)，否則反方向擾動(dòng)，最終使光伏陣列工作在最大功率點(diǎn)附近。

2.2 并網(wǎng)逆變

光伏并網(wǎng)發(fā)電時(shí)，期望輸出電流波形正弦度高、諧波小、功率因素為1，實(shí)現這一目標的關(guān)鍵是逆變器的控制方法。在逆變器中，電壓源型逆變器最普遍。光伏發(fā)電系統和電網(wǎng)相當于兩個(gè)電源并聯(lián)，如果對電壓源型逆變器采用輸出電壓控制，則容易導致環(huán)流;如果采用輸出電流控制，則可以有效控制輸出電流，在逆變器輸出電流與電網(wǎng)電壓同步時(shí)，實(shí)現功率因數為1，而且控制方法簡(jiǎn)單。圖4給出了DC/AC控制的流程圖，采用SVPWM和雙環(huán)控制結構[8，12-13]，外環(huán)控制直流母線(xiàn)電壓，內環(huán)控制逆變器輸出電流。

3 儲能系統

儲能系統主要由一個(gè)雙向DC/DC變換器和蓄電池組成。雙向DC/DC變換器并聯(lián)在逆變器直流母線(xiàn)上，根據光伏陣列發(fā)出的功率和電網(wǎng)反饋回來(lái)的信息，控制蓄電池的能量流動(dòng)。雙向DC/DC變換器采用半橋結構，如圖5所示，其中開(kāi)關(guān)管G1和G2互補工作[14]。當光伏陣列發(fā)出功率大于給定的并網(wǎng)功率時(shí)，蓄電池充電，此時(shí)雙向DC/DC變換器工作在Buck電路模式。當光伏陣列發(fā)出功率小于給定的并網(wǎng)功率時(shí)，蓄電池放電，此時(shí)雙向DC/DC變換器工作在Boost電路模式。

光伏陣列輸出的功率是波動(dòng)的，而且變化率較大，大致可分為相對高頻的波動(dòng)功率和相對低頻的波動(dòng)功率兩部分。蓄電池隨著(zhù)相對高頻的功率波動(dòng)充電或者放電，通過(guò)削峰、填谷實(shí)現并網(wǎng)功率的平抑、減小其變化率[15]。在電網(wǎng)故障時(shí)，將電網(wǎng)斷開(kāi)，把光伏陣列發(fā)出的功率都存儲到蓄電池，這樣光伏陣列仍能繼續發(fā)電，提高了系統發(fā)電效率，同時(shí)起到穩定直流母線(xiàn)電壓的作用，防止電壓過(guò)高而損壞設備。

儲能系統的控制流程圖如圖6所示。電網(wǎng)正常時(shí)，外環(huán)是功率控制環(huán)，光伏陣列發(fā)出的波動(dòng)功率P經(jīng)過(guò)低通濾波器濾波，濾除高頻量，減小變化率，其輸出值作為并網(wǎng)功率的給定值P*;將P*與逆變器并網(wǎng)的實(shí)際功率值Pg比較，誤差e1經(jīng)過(guò)PI調節器，以調整電池的工作電流參考值I*。當電網(wǎng)由于故障斷開(kāi)時(shí)，外環(huán)是直流母線(xiàn)電壓控制環(huán)，將直流母線(xiàn)實(shí)際電壓值U作為反饋信號，與給定電壓值Uref比較，誤差e2經(jīng)過(guò)PI調節器，以調整電池的工作電流參考值I*。內環(huán)為電池工作電流控制環(huán)，使電池實(shí)際的工作電流值I跟蹤外環(huán)給定的電流參考值I*。在外環(huán)PI調節器之后采用限幅環(huán)節，以限制電池工作電流。此外，系統設計有電池過(guò)充、過(guò)放保護控制，以確保電池安全運行。