面向发电并网功率波动的分布式电压随机控制∗

李皓然王春梅张合川李怡萌

面向发电并网功率波动的分布式电压随机控制∗

李皓然王春梅张合川李怡萌

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可再生能源发电并网功率的波动对电网电能质量、电网损耗和电网安全都有影响，在每个分布式发电的并网处就地予以抑制是一种较好的途径。论文提出一种利用分布式发电的并网逆变器就地抑制并网功率波动的方法，在直流侧装设一定容量的电容器，譬如锂离子超级电容器。通过对并网逆变器实施直流电压随机控制，利用电容器的充放电功率来补偿分布式可再生能源发电的功率波动，实现了并网功率的平滑稳定。以光伏并网发电系统为例，仿真验证了直流电压随机控制策略抑制并网功率波动的有效性。

分布式发电；功率波动；并网逆变器；控制策略

Class NumberTN46

1引言

可再生能源具有不可耗尽、无环境污染的特点，必将成为人类未来能源供应系统的基础［1～2］。其中，风力发电和太阳能发电已经或即将成为非水可再生能源利用的主力军，正在引领能源市场的增长［3～4］。并网发电将是风光能源的主要利用途径，但风光发电功率具有间歇性和波动性的特点，风光发电接入电网会对电力供需平衡、电力系统安全和电能质量带来严峻挑战，尤其是小幅度快速波动会引起电网电压的波动和闪变［5］。解决好功率波动问题有助于非水可再生能源的大规模开发和利用，也是当前风光发电研究的一个热点。

从现有文献来看，目前关于分布式发电功率波动抑制的研究主要集中在风电功率低频波动的抑制［6］，抑制方法是在可再生能源发电并网装置之外附加储能变换设施，没有充分利用并网逆变器本身的调控能力［7］。本文提出一种直流电压随机控制策略，在并网变流器的直流侧直接接入一定容量的锂离子超级电容器（LIC），通过控制并网逆变器直流电压在一定范围内的波动来达到平滑并网功率波动的目的，可以省去储能变换器。

2基于LIC的并网功率波动抑制方法

2.1锂离子超级电容器（LIC）

基于储能调节的分布式发电功率波动抑制方法，要求储能装置既具有高的比功率，也应具有较高的比能量。然而，目前实用的储能装置多为能量型或功率型［8］。二次电池属于能量型，但目前的充放电次数较少，难以满足功率波动抑制对频繁充放电的需要［9］；传统双电层超级电容器属于功率型，充放电功率大，充放电次数多，但储放能量小，亦难满足功率波动抑制应用的需要［10］。

随着混合型超级电容器研究的深入，锂离子超级电容器得到广泛关注。锂离子超级电容器在保持传统超级电容器特性的基础上，一定程度弥补了超级电容器能量密度低的缺点，具有良好的应用前景［11］。锂离子超级电容器可以看做是锂离子电池和超级电容器的组合，其一极采用电池电极锂离子嵌入化合物，并通过电化学反应来储存和转化能量［12］；另一极采用碳材料，通过双电层来储存能量［13］。锂离子超级电容器的突出特点为比功率高、比能量较高、循环寿命长、快充性能好，非常适合作为抑制分布式发电功率波动的储能电源。

锂离子超级电容器不同于电容器的另一突出特点是端口电压具有一定的变化范围，变化范围约为额定电压的65%～100%，既不能过充过电压，也不能过放欠电压［14］。设锂离子超级电容器的电容量为C、额定电压为UN，则最大充放电能量为

其中，Umax和Umin分别为端口电压的最大值与最小值。与双电层超级电容器相比，锂离子超级电容器的储电容量的充放电利用率较低，但是其相对较高的比能量使得其具有更高的应用价值和前景。一般双电层电容器的能量密度为5Kh/kg，而锂离子电容器的能量密度可达10～20Kh/kg。

2.2控制策略

基于锂离子超级电容器的储能装置可以用来抑制分布式发电并网功率的波动，传统的系统结构如图1所示。

图1 分布式发电功率波动的传统抑制方法

在并网逆变器的直流侧增设储能装置和储能变换器，直流侧电压维持恒定不变，储能变换器根据分布式发电的功率变化来实时调节储能的充放电功率，维持并网逆变器的并网功率平滑［15］。在图1中，前级DC-DC或AC-DC变换器实现MPPT控制，后级并网逆变器工作于定直流电压和单位功率因数方式，而储能变换器通过充放电功率控制补偿分布式发电的输出功率波动，进而达到并网功率平滑的目的。如果去掉储能变换器，则并网逆变器的并网功率也将跟随分布式发电的最大输出功率而变［16］。图2给出了dq坐标系下并网逆变器的控制策略。

图2 传统并网逆变器的控制策略

2.3功率波动抑制

利用锂离子超级电容器的端口电压特性，可以构建一种基于直流电压随机控制策略的分布式发电功率波动抑制方法，如图3所示。与图1不同的是，锂离子超级电容器直接并联到并网逆变器的直流侧，既作为储能电容器，又作为直流电压支撑电容器。通过并网逆变器的功率平滑控制，让直流电压随分布式发电功率的波动而变化，实现锂离子超级电容器的充放电功率对分布式发电功率波动的补偿。

图3 分布式发电功率波动的电压随动抑制方法

3抑制并网功率波动的直流电压随机控制策略

3.1基于LIC的发电并网系统

以光伏发电并网为例，如图4所示，DC-DC变换器起到光伏输出电压到并网逆变所需直流电压的升压变换作用，同时实现光伏发电的最大功率点跟踪控制，始终以最大功率将光伏输出电量传输到直流侧，光伏功率和锂离子超级电容器的充放电功率叠加在一起通过逆变器输出到电网。

图4 基于LIC功率平滑的光伏发电并网系统

3.2发电功率波动

若忽略电力电子变换器的损耗，则光伏直流发电功率PPV、锂离子超级电容器充放电功率PLIC和交流并网功率PAC有如下关系：

设光伏发电功率包括稳定分量PPV和波动分量P～PV，即

为实现功率平滑、抑制并网功率波动，则并网逆变器的期望并网功率应等于光伏发电功率的稳定分量［17］，而锂离子超级电容器的充放电功率应等于光伏发电功率的波动分量，即

3.3电压随机控制

根据电容器的充放电原理，直流电压的随机分量应按照式（5）所示的规律变化，同时得到图5所示的电压随机控制系统结构。

图5中，由前级DC-DC变换器的输出电压和电流得到光伏发电的输出功率PPV，通过低通滤波器LPF得到其稳定分量PPV及波动分量P~PV，进而按照式（5）得到直流电压的随机分量u~dc，此随机分量与直流电压参考值udc.ref合成为并网逆变器的直流电压控制指令。如果光伏发电功率平稳，则直流电压将稳定在参考值udc.ref上［18］。

图5 抑制并网功率波动的电压随动控制系统

4仿真及结果分析

按照图4所示主电路结构和图5所示控制系统结构，建立了一套50KW/380V三相光伏并网发电系统的PSIM仿真模型。假设太阳光的辐射照度在750W/m2～1250W/m2之间以正弦规律波动，得到仿真结果如图6所示。

图6 直流电压随机控制前后的仿真结果比较

图6中，在t＜2s期间，未加入直流电压随机控制策略，采用图2所示定直流电压控制策略。可以看出，尽管光伏功率以正弦波形大幅波动，但并网逆变器的直流侧电压被稳定在设定值800V，交流并网功率跟随光伏功率的变化而波动。

在t＞2s期间，在原有控制的基础上，加入了图5所示的直流电压随机控制策略。可以看出，随着光伏功率以正弦波形大幅波动，并网逆变器的直流侧电压在设定值800V的上下跟随变化，通过对直流支撑电容的充放电过程，实现了交流并网功率的平滑。观察网侧交流电压电流波形可知，在两种工况下电流与电压完全反相，实现了单位功率因数逆变的目的。在实施直流电压随机控制期间，交流并网电流平稳。

5结语

通过分析分布式可再生能源并网发电系统的功率流动特性，提出利用并网逆变器直流支撑电容器的充放电功率来补偿分布式发电功率波动的直流电压随机控制策略，并利用光伏并网发电系统进行了仿真验证，得到如下结论：

1）利用并网逆变器的直流支撑电容器的充放电能力和直流电压随机控制策略，可以有效平滑分布式发电的并网功率。

2）锂离子超级电容器的高比功率和较高的比能量特性，使其更适合作为直流电压随机控制下并网逆变器的直流支撑电容器。

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Distributed Voltage Random Controlfor Power Grid-Connected Power Fluctuation

LI Haoran WANG Chunmei ZHANG Hechuan LI Yimeng
（State Grid Jibei Electric Power Company Limited Skills Training Center，Baoding 071000）

The fluctuation ofgrid-connected power ofrenewable energy power generation has an influence on the power quali⁃ty，power grid loss and grid safety.It is a good way to suppress the local grid in each distributed power generation.In this paper，a method ofsuppressing the power fluctuation ofthe grid-connected inverter by using distributed power generation is proposed.A cer⁃tain capacity capacitor，such as a lithium ion supercapacitor，is installed on the DC side.By using the DC voltage random controlof the grid-connected inverter，the power fluctuation of the distributed renewable energy is compensated by the charge and discharge power ofthe capacitor，and the smooth and stable power ofthe grid-connected power is realized.Taking the PV grid-connected pow⁃er generation system as an example，the simulation results show thatthe DC voltage stochastic controlstrategy can suppress the pow⁃er fluctuation.

distributed powergeneration，power fluctuation，grid-connected inverter，controlstrategy

TN46

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.08.024

2017年2月7日，

2017年3月18日

国家自然科学基金项目（编号：51607042）资助。

李皓然，男，硕士，讲师，研究方向：电力电子与电力传动。王茜，女，硕士，助教，研究方向：电力系统分析与控制。张合川，男，硕士，助教，研究方向：新能源电力系统，电力电子控制。李怡萌，女，硕士，助教，研究方向：电力系统故障诊断，电力电子控制技术。