基于PSCAD的光储联合微网控制仿真研究

苏娟宁，吴罗长，南海鹏

（西安理工大学，陕西西安　710048）



基于PSCAD的光储联合微网控制仿真研究

苏娟宁，吴罗长，南海鹏

（西安理工大学，陕西西安710048）

摘要：光储联合微网的控制技术研究对提高微网可靠运行具有十分重要的意义。针对光储联合微网的能量控制问题，利用PSCAD平台建立了基于主从控制的光储联合微网发电系统模型。对光伏微电源，联网/孤岛模式下均采用了PQ控制方法；对储能微电源，联网模式采用同样的控制方法，而孤岛模式则采用了V/F控制方法。结果表明，采用该控制方法，联网时能够保证光储微网的能量可控及双向流动；孤岛时储能微电源能够为光储微网提供稳定的参考电压和频率，并调节与平抑光伏及负荷的功率波动。实现了光储联合微网在联网/孤岛模式运行下的能量可控性及良好的动态调节性。

关键词：光储微网；联网/孤岛模式；V/F控制；PQ控制

为了协调分布式发电与电网间的矛盾，学者们提出微网[1-2]概念。光储微网是由光伏微电源、储能微电源和负荷组成的微型电力网。将独立光伏发电系统以微网结构形式接入电网，能够解决独立光伏发电的分散性及其功率间歇性问题，且能够提高供电可靠性，充分利用太阳能源。

目前，光储微网在联网/孤岛运行模式下保持系统的稳定运行是现阶段的重点研究内容[3]。其中，文献[4-5]研究了包含储能蓄电池的风能与光伏混合微网模型，微网采用下垂控制策略在并网和孤岛两种模式中的运行特性，但文中的下垂控制是有差调节，影响系统的稳定运行。文献[6]研究了包含单级式光伏发电、微型燃气轮机发电系统的混合微网模型，微型燃气轮机在并网/孤岛模式下分别采用PQ和基于下垂特性的V/F控制方法，验证了控制方式的可行性。而本文结合光伏微电源与蓄电池微电源及负荷形成光储微网系统。光伏微电源联网/孤岛模式下均采用了PQ控制方法；储能微电源联网/孤岛模式分别采用PQ控制和V/F控制方法，实现联网时光储微网的能量可控及双向流动；储能微电源孤岛时能够为光储微网提供稳定的参考电压和频率，并调节与平抑系统功率波动。

1　光储微网结构

本文采用光储微网结构如图1所示，包含光伏微电源、蓄电池微电源、负荷及交流型配电网等部分。其中蓄电池微电源作为主电源，光伏微电源作为从电源。光储微网运行控制策略由中央控制器实现。

光储微网由公共连接点（point of commonCoupling，PCC）的闭合与断开控制联网与孤岛2种运行状态。联网时，光储微网的电压和频率由电网支撑，各微电源的控制方法均采用PQ控制方法。根据中央控制器指令，光伏微电源以最大功率输出，保证最大化利用太阳能源。负荷所需能量优先由光伏和蓄电池微电源提供，不足的部分由电网提供；若光储微网提供能量大于负荷所需能量时，可将多余的能量反送给电网。

图1　光储微网基本结构Fig. 1 Basic structure of the PV-ES micro-grid

孤岛时，蓄电池微电源为光储微网提供稳定的参考电压和频率，且调节和平抑光伏微电源及负荷的功率波动。当光伏微电源所发功率大于负荷所需时，且蓄电池还可接收能量，则将多余功率输送给蓄电池微电源，进行充电储能；当光伏微电源所发功率大于负荷所需时，而蓄电池容量已达饱和状态，则可适当增加负荷；当光伏微电源所发功率小于负荷所需，而蓄电池尚未达过放电状态，则将由蓄电池微电源维持负荷正常运行，若不足以供负荷需求，则切除部分负荷。

2　光伏电池模型

由光伏电池等值电路[6]，得数学方程为

式中：Iph为光生电流；Id为暗电流；Cj为结电容（可忽略）；Rsh为旁路电阻；Rs为串联电阻；I0为反向饱和电流；n为二极管因子；q为电子电荷；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度。

文中采用PSCAD软件中的模拟光伏电池模块。该模块考虑了太阳能光照强度、温度、串并联个数等相关参数，通过改变其参数可进行不同状态下的仿真研究[7]。

3　光储微网控制模型

3.1光伏微电源控制电路模型

李业平建构的分析问题的3个层面分别是，数学特征、文字特征和达到要求．从文字特征层面将数学例题分为“只有数字和文字的形式（PM）”以及“有图表解释或故事背景（IC）”两类[16]．根据这两种分类对两版教科书有理数例题的文字特征进行对比分析，绘制如图8所示的柱状图．

光伏微电源选用两级式控制结构，前级为DCDC控制部分，主要包括光伏阵列、基于电导增量法[8]的MPPT控制部分；后级为DC-AC控制部分，经过LC滤波等接入电网。图2为光伏微电源控制结构。

图2　光伏微电源控制结构Fig. 2 Control structure of the PV micro power

采集逆变器输出电压Uabc和电流iabc，用锁相环SPLL跟踪电网频率，为abc/dq0变换提供参考角频率w；光伏系统通过MPPT控制提供最大参考功率Ppv.ref，参考无功Qpv.ref可直接设定或由Qpv.ref=Ppv.max×tanθ得到；由功率控制模块得参考idref和iqref，与实际id和iq比较，差值经PI调节器、dq0/abc变换及电网电压前馈补偿得到调制信号Uref，最后经过SPWM调制控制逆变器gt1～gt6开关器件。

3.2 PQ控制原理

联网/孤岛模式下，光伏逆变器均采用PQ控制，控制原理如图3所示。外环为功率控制，内环为电流控制，并通过选用前馈解耦控制引入电流状态反馈，其控制方程如下：

图3　光伏逆变器PQ控制原理Fig. 3 Principle of the PV inverter PQ control

其馈线电压Uk（k=a、b、c）在dq坐标系下如下：

将电流状态反馈方程代入馈线电压方程如下：

从而实现电流环解耦，d、q轴分别独立控制。

3.3储能微电源控制电路模型

图4　蓄电池微电源控制结构Fig. 4 Battery micro power control structure

3.4 V/F控制原理

根据图4基本电路原理得，选择滤波电容电压为状态变量，在dq坐标系下，则电压外环的控制方程如下：

从而得其电流内环的参考电流如下：

联网时，蓄电池逆变器采用PQ控制，开关K与1端连接；孤岛时，蓄电池逆变器采用V/F控制，开关K 与0端连接。两种模式共用电流内环。其控制原理图如图5所示。

图5　蓄电池逆变器的PQ和V/F控制原理Fig. 5 PQ and V/F control principle of battery inverter

4　仿真结果及分析

在PSCAD平台搭建光储微网发电系统控制模型。光伏微电源采用的光伏阵列由10块光伏板串连，并由20组并连构成；每一块光伏板由108块电池单元串连，由4组并连形成。光储微网中，蓄电池逆变器最大输出30 kW，光伏逆变器在标况下最大输出20 kW。

光伏微电源仿真参数：逆变器直流侧电压Udc= 560 V，光伏阵列输出侧电容C=5 000 μF，Buck电路电感L=0.001 H，逆变器直流侧电容C=8 000 μF，LC滤波电感L=8 mH，电容C=20 μF，为了防止发生谐振，设置滤波电阻R=0.001 Ω。

蓄电池微电源仿真参数：逆变器直流侧电压Udc= 800 V，DC-DC电路电感L=0.001 H，电容C=6 500 μF，LC滤波电感L=1 mH，电容C=200 μF，为了防止发生谐振，设置滤波电阻R=0.001 Ω。电网电压取380 V，频率为50 Hz。

1）联网模式运行，0～3 s时，S=800 W/m2，T= 25℃；3～4 s时，温度保持不变，光照强度由800 W/m2变为1 000 W/m2；4～5 s，光照强度保持1 000 W/m2，温度由25℃变为35℃；5～10 s，保持标准状况S=1 000 W/m2，T=25℃，0～7 s，负荷PL=60 kW；7～10 s，负荷PL=45 kW，Qpv.ref=0 kvar。仿真运行10 s结果如下：

分析图6—8得：联网模式下，由2～5 s知，随着光照强度与温度阶跃变化，光伏逆变器控制模块快速调节直流侧电压稳定输出，且能够及时跟踪其输出最大功率。根据中央控制器给定指令，蓄电池逆变器输出功率30 kW，光伏逆变器以最大功率输出20 kW。由5～7 s知，光储微网提供能量50 kW，而负荷消耗60 kW，则由电网（PCC）为其提供能量10 kW；由7～10 s知，光储微网提供能量50 kW，而负荷消耗45 kW，则剩余5 kW馈送给电网，从而实现了光储微网的能量可控性及其与电网的功率交换即能量双向流动。

图6　光伏逆变器直流侧电压Fig. 6 PV inverter DC voltage

2）孤岛模式运行，光照强度和温度分别保持1 000 W/m2和25℃；根据中央控制器给定指令，光伏阵列以最大功率输出。0～4 s，负荷为PL=25 kW；4～6 s，负荷为PL=10 kW，Qpv.ref=0 kvar。仿真运行6 s结果如下：

分析图9—11得，孤岛模式下，光伏逆变器输出电流快速跟踪蓄电池逆变器输出电压且同相位；根据中央控制器给定指令，光伏逆变器在标准状况下以最大功率输出20 kW，由2～4 s知，负荷消耗25 kW，则蓄电池微电源跟随负荷变化输出5 kW；由4～6 s知，负荷消耗10 kW，则光伏微电源将剩余10 kW能量馈送给蓄电池微电源。光储微网的频率波动在±0.3 Hz内，电压波动在其额定值的±5%内，均满足光储微网运行要求。

图7　光伏、蓄电池逆变器及PCC点输出功率Fig. 7 The output power of the inverter of PV and Battery and PCC

图8　光伏逆变器侧输出电压和电流Fig. 8 The output of voltage and current of the PV inverter

图9　光伏与蓄电池逆变器输出功率Fig. 9 The output power of the PV and battery inverter

图10　光储微网系统电压Fig. 10 Voltage of the PV-ES micro-grid system

图11　光储微网系统频率Fig. 11 Frequency of the PV-ES micro-grid system

5　结语

通过建立基于主从控制的光储微网系统模型，光伏微电源以最大功率输出，保证最大化利用太阳能源。联网模式下，实现了优先由光储微网提供能量，不足部分由电网提供；反之，若光储微网提供能量大于负荷所需，则将多余的能量反送给电网。孤岛模式下，实现了蓄电池微电源为光储微网提供稳定的参考电压和频率，且平抑功率波动。因此，光储微网实现了在联网/孤岛模式运行下的能量可控性及良好的动态调节性，为微网的进一步研究提供了依据。

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苏娟宁（1989—），女，硕士研究生，主要从事电力系统的测量、控制与保护。

（编辑李沈）

Research on the Simulation of PV-ES Microgrid Based on PSCAD

SU Juanning，WU Luochang，NAN Haipeng
（Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

ABSTRACT：Researching control technology of the PV -Energy Storage micro-grid is of great significance to improve the reliable operation of the micro-grid. In order to address the energy control of the PV-ES micro-grid，in this paper，the model of the PV-ES combined generation system is established based on master-slave control by using PSCAD platform. In the PV micro power，the PQ control method is used in both the grid connection and isolation mode. In the battery micro power，the same control method is adopted in the connection mode but the V/F control method is used in the isolation mode. The results show that in the connection mode，the control methods can guarantee the control and two-way flow of energy. In the isolation mode，the battery system can provide stable reference voltage and frequency for the PV-ES micro-grid，and adjust and smooth the power fluctuation of the PV and load. In conclusion，the method proposed in this paper realizes the energy controllability and good dynamic regulation of the PVES micro-grid in the connection or isolation mode.

KEY WORDS：PV-ES micro-grid；connection or isolation mode；V/F control；PQ control

作者简介：

收稿日期：2015-06-19。

文章编号：1674- 3814（2016）03- 0149- 05

中图分类号：TM72

文献标志码：A