基于直流侧带储能单元的光储并网协调控制

韩 洲，任永峰，胡宏彬，韩俊飞，徐铁胜

(1.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010080；2.内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特010020)

基于直流侧带储能单元的光储并网协调控制

韩 洲1，任永峰1，胡宏彬2，韩俊飞2，徐铁胜1

(1.内蒙古工业大学电力学院，内蒙古呼和浩特010080；2.内蒙古电力科学研究院，内蒙古呼和浩特010020)

光伏发电作为可再生能源之一，易受自然环境变化的影响，其输出功率具有明显的随机性和间歇性，需要加入储能系统储存能量或提供短时能量补给，减小光伏发电的功率波动对电网的冲击。提出了一种新型光储并网结构，即在直流侧加入储能系统，利用其快速充放电特性抑制直流侧电压的波动，从而达到抑制功率波动的目的。在Matlab/Simulink仿真环境中建立了整个系统的仿真模型，验证了该方案的有效性和正确性。

光伏发电；储能系统；光储并网；功率波动；Matlab/Simulink仿真

光伏发电并网运行是实现可再生能源大规模应用和节能减排的重要途径，然而太阳能资源具有随机性、间歇性和不可控性。随着光伏并网系统渗透率的增大，单独并网时不利于电网的安全稳定运行。为了进一步提高光伏发电的灵活性和可控性，满足用户更高的可靠性需求并缓和大电网与光伏发电之间的矛盾，本文设计了直流侧带储能的光伏并网系统。

直流侧引入储能装置可以平滑光伏电源的功率输出。利用储能系统的快速充放电特性，在光照强度良好时，将多余的电能储存起来；在光照强度不足时，再将储存的能量转换为电能，从而达到稳定直流侧电压的目的，进而保证系统供电的连续性和稳定性[1-2]。本文设计的直流侧带储能的光伏并网系统能够直接抑制直流侧电压的波动，从而达到抑制并网功率波动的目的。

1 光储并网结构

本文的光伏并网系统采用两级式结构，需要完成两个控制目标：控制输出电流与电网电压同频同相，以及对光伏电池最大输出功率点的跟踪。在双级式并网发电系统中，前级DC/DC实现最大功率点跟踪的目标，后级DC/AC控制直流母线电压稳定和实现并网控制[3]。储能系统采用Buck-Boost电路接入直流母线，实现对储能单元的快速充放电，如图1所示。

图1 光储并网系统结构

2 光伏并网控制策略

2.1 前级Boost控制策略

在不同的外界条件下，光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率点上。应当寻求光伏电池的最优工作状态，以最大限度地将光能转化为电能。

典型的自寻优类最大功率点跟踪(MPPT)算法有扰动观测法和电导增量法。扰动观测法由于简单易行而被广泛应用于MPPT控制中，但该方法存在明显的不足，即当工作点达到最大功率点附近时会产生功率振荡的现象，从而造成一定的功率损失。电导增量法的主要优点是MPPT的控制稳定度高，当外部环境参数变化时，系统能平稳地追踪其变化且与光伏电池的特性及参数无关，但是电导增量法对控制系统的要求则相对较高。综合比较，本文选用了电导增量法作为MPPT的控制策略。

考虑光伏电池的瞬时输出功率为：

将式(1)两边对光伏电池的输出电压U求导，则：

当dp/du=0时，光伏电池的输出功率达到最大，从而可以推导出工作点达到最大功率点时应满足以下关系式：

最后得出使用电导增量法进行最大功率点跟踪控制的判据如下：

图2中，ΔU*为系统调整的电压该变量，U(n-1)为上一工作点电压，U(n)为当前工作点电压。从图2中可以看出左侧支路与公式(4)相对应，右侧支路主要是为了抑制外部光照强度发生突变时的误判而设置的[4]。

图2 电导增量法控制流程

2.2 后级DC-AC逆变器

后级DC-AC逆变器采用基于电压定向矢量的双环控制[5]。由图1可得到该逆变电路的状态方程：

式中：L为滤波电感；ia/b/c为逆变器输出电流；us(a/b/c)为电网电压；K=N1/N2为变压器的变比；R为线路电阻。

对公式(5)进行dq0变换，可得到三相电压型逆变器模型在dq0坐标下的数学模型：

式中：p为微分因子；ω为电网同步角频率。

由式(6)中可以看出，逆变器输出的电压电流的d、q分量彼此耦合。可采用前馈控制策略，电流经PI控制模块调节，得到ud和uq控制方程如下：

式中：Kp和Ki分别为比例系数与积分系数分别为与iq的参考电流值。

若dq坐标系与电网电压矢量同步旋转，且d轴与重合，dq坐标系为基于电网电压矢量定向的同步旋转坐标系，显然有

根据瞬时功率理论，系统的瞬时有功功率p和无功功率q分别为：

由于usq=0，所以式(8)简化为：

式(9)表明，当电网电压不变时，通过控制id和iq就可以分别控制并网逆变器的有功、无功功率。

图3 光伏并网系统的控制系统

由图3可以看出控制系统有直流电压外环和有功、无功电流内环组成。直流电压外环的作用是稳定直流侧电压，引入直流电压反馈并通过一个PI调节可实现无静差调节。由于直流电压的控制可通过控制Id实现，所以直流电压外环PI的输出量为有功电流内环的参考值I*d，从而对并网逆变器的有功功率调节。当I*q=0时，并网逆变器运行于单位功率因数状态，即仅向电网输送有功功率。

3 储能系统的双向DC-DC变换

本文采用双环控制对蓄电池进行功率和能量管理，双向DC/DC变换器并联在逆变器直流母线上，根据光伏阵列Boost电路的电压波动和电网反馈回来的信息，控制蓄电池的充放电[6]。

双向DC/DC变换器采用半桥结构，如图4所示，其中开关管Sb2和Sb3互补导通。当光伏阵列的输出电压大于逆变器直流外环的给定电压时，双向DC/DC变换器工作在Buck电路模式，对蓄电池进行充电；当光伏阵列的输出电压小于逆变器直流外环的给定电压时，双向DC/DC变换器工作在Boost电路模式，对蓄电池进行放电。从而控制直流侧电压的波动，达到对并网功率波动抑制的目的。

图4 双向DC/DC变换器半桥结构电路

蓄电池储能系统的控制策略采用双环串联控制，即内环为电流环、外环为直流母线电压，如图5所示。从图5中可以看出，外环电压环通过采样直流母线电压Udc，与参考电压Uref比较得到误差信号，经PI调节器后得到内环电流的参考值I*b。内环电流采样值Ib与参考值I*b做差，得到的误差信号经电流环PI调节器后经PWM调制产生开关信号，从而控制功率开关管的开通关断。

图5 双环串级控制结构图

4 光储并网系统仿真分析

为验证储能系统通过吞吐电能，在外部条件变化时能抑制直流侧电压的变化，最终达到抑制并网功率波动的目的，本文基于Matlab/Simulink平台搭建了光储并网系统的仿真模型，相关参数为：

光伏电池：Uoc=370 V，Isc=210 A，Um=350 V，Im=200 A；

Boost电路：C1=100×10－6F，C=300×10－6F，L=100×10－3H；

滤波电路及电网：R=0.01 Ω，Lf=3×10－3H，f=50 Hz，

蓄电池及 DC-DC电路：Ubat=600 V，SOC=30%，C2=2× 10－3F，L2=2×10－3H。

仿真过程中，光照强度如图6所示。由于外部自然条件随机性的变化，在0.2 s时光照强度由1 000 W/m2变为600 W/m2，在0.4 s时由600 W/m2变为800 W/m2，温度为25℃保持不变。

图6 光照强度和温度

图7(a)和(b)分别为不含储能单元的Boost电路侧直流电压和含储能单元的Boost电路侧直流电压的仿真波形，(c)为储能单元的工作电流，正值表示放电，负值表示充电。由仿真可以看出，通过储能单元的充放电，直流侧电压在光照强度发生变化时得到了较好的抑制，输出更平稳，最终稳定在600 V。

图7 储能侧电压、电流波形

通过图8(a)和(b)可以看出，加入储能单元能够吸收并网瞬间的冲击电流，当光照强度减弱后，能够通过储能单元补偿由于光照强度减弱后的电流损失，使并网逆变器高效运行；图8(c)表明并网逆变器实现单位功率因数运行。

由图9可以看出，由于直流电压和并网电流的波动都得到了明显改善，所以并网功率的波动也得到了抑制，并且在光照强度减弱时，能够通过储能单元补偿功率损失，使并网功率最终稳定在20 kW。

图8 并网侧电压、电流仿真

5 总结

由于太阳能资源具有随机性、间歇性和不可控性，随着光伏并网系统容量的增加，其并网功率波动问题尤为突出。本文提出的直流侧带储能单元的光伏并网结构，在原有光伏并网系统的基础上，在其直流侧挂接储能单元，从而将并网功率波动的抑制转化为对直流侧电压波动的抑制。Boost电路能够实现最大功率跟踪和升压的作用，并网逆变器也能实现单位功率因数运行。通过仿真验证得到，利用储能单元的双向DC-DC充放电电路抑制直流侧电压的波动，且能够补偿光照强度减弱时的功率损失，改善了并网功率的稳定性。

图9 并网侧功率因数仿真

[1]邱培春，葛宝明，毕大强.基于蓄电池储能的光伏并网发电功率平抑控制研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(3):30-33.

[2]侯世英，房勇，孙韬，等.混合储能系统在独立光伏发电系统功率平衡中的应用[J].电网技术，2011，35(5):184-187.

[3]鲍雪娜，张建成，徐明，等.基于混合储能的并网光伏电站有功分级控制策略[J].电力系统自动化，2013，37(1):115-121.

[4]杨海柱，金新民.并网光伏系统最大功率点跟踪控制的一种改进措施及其仿真和实验研究[J].电工电能新技术，2006，25(1): 64-67.

[5]姚致清，张茜，刘喜梅.基于PSCAD/EMTDC的三相光伏并网发电系统仿真研究[J].电力系统保护与控制，2009，38(17):77-81.

[6]KIM J Y,JEON J H,KIM S K,et al.Cooperative control strategy of energy storage system and microsources for stabilizing the microgrid during islanded operation[J].Power Electronics,2010(12): 3037-3048.

Control of PV storage grid-connection based on DC side with energy storage

HAN Zhou1,REN Yong-feng1,HU Hong-bin2,HAN Jun-fei2,XU Tie-sheng1
(1.College of Electric Power,Inner Mongolia University of Technology,Hohhot Inner Mongolia 010080,China;2.Inner Mongolia Electric Power Research Institute,Hohhot Inner Mongolia 010020,China)

As one of the renewable energy,photovoltaic power generation systems are vulnerable to the influence of natural environment change,and the output power has obvious randomness and intermittent.Therefore,energy storage system should be added to store energy or short-time energy supply should be provided to reduce the impact of PV power fluctuation on the grid.A novel optical storage grid-connection structure was presented,that is energy storage system was added at the DC side,using the rapid charge and discharge characteristics to inhibit the DC side voltage fluctuations,thus achieving the objective of restraining the power fluctuations.The model of the whole system was established in the Matlab/Simulink simulation environment, verifying the correctness and effectiveness of the proposed scheme.

photovoltaic power generation;energy storage system;PV storage grid-connection;power fluctuation; Matlab/Simulink simulation

TM 615

A

1002-087 X(2015)08-1739-03

2015-01-12

韩洲(1987—)，男，山东省人，硕士研究生，主要研究方向为微网及光伏并网。