并网模式下光储协同控制策略研究

周红丽

[摘要]新能源的利用越来越广泛，尤其在并网模式下，光储直流供电系统中包含着多个设备，其运行特性和控制模式是有差别的，为了确保其能够共同配合维持系统的功率平衡，增强系统的稳定性，需要对多个变换器进行协同控制。本文采用直流电压的信息反馈，系统各个单元识别系统中的功率缺额以及判定自身的应处于的工作模式和自身出力，各部分的协作主要通过直流母线电压。通过直流电压下垂可以保证系统中各个单元的功率输出是按照一定比例进行调节的。采用协同控制能够最大限度的利用系统各个单元，确保系统的功率平衡、可靠运行和母线电压稳定。

[关键词]协同控制 下垂控制 母线电压稳定 运行模态

对于光伏发电单元，电压正常范围内始终运行在最大功率跟踪方式，以保证分布式能源的利用率。对于储能单元，利用储能单元充电和放电不同的模式，承担系统输入和负荷的功率差额。对于交流网侧，联网运行时，双向AC/DC变换器采用下垂控制和恒压控制。

1直流供电系统的并网运行模态

1.1直流供电系统的功率传输关系

如图1是等效并网直流母线处的能量关系式，其中，U_dc表示直流母线处的电压，直流系统内直流母线处的等效电容用C_dc表示，P_PV代表光伏发电单元提供的功率，P_Battery代表储能单元充放电的功率，P_grid代表电网侧输入功率，P_load为包含直流负荷和交流负荷在内的负荷单元消耗的功率，P_c为直流母线等效电容的充放电功率。可以看出，微电网直流母线会受到多种因素影响，最直接影响体现在直流母线电压。Equation Section4

结合直流母线处功率平衡的等效公式可得，直流母线等效电容的充/放电功率

直流母线等效电容的充/放电功率又可以表示为

将（1）及（2）联立整理，建立了直流母线电压U_dc和系统中功率的关系

直流供电系统的控制实质就是通过功率平衡关系控制直流母线电压，尽量减小直流母线电压的波动，使系统工作电压稳定，在母线电压在额定电压值附近运行。

1.2直流供电系统的运行模态划分

为确保系统功率供需的平衡以及系统稳定运行，因此结合储能的充放电及直流母线电压的大小将整个系统工作的模态进行划分，即直流母线电压和储能单元的荷电状态SOC是运行模式的一个重要参数。在本文中将直流母线基准电压设定为400V，其稳定运行区间为380V-420V，且只有在储能单元SOC满足相关要求时才能对储能单元进行相关充放电操作。综合直流母线电压和储能单元SOC，将运行模式分成5个模态。如图2所示

运行模式Mode 1：当直流母线电压在410V到420V之间，且储能单元SOC在可充范围内，即SOC<90%时，母线电压高于额定范围，光伏电源、电网出力大出交直流负载所需较多，但仍在稳定区间，即P_PV+P_grid >P_load，此时，光伏电源依旧进行MPPT控制；双向交直流变换器处于逆变状态，能量由直流母线流向电网；储能单元进行恒流模式快速充电，以加速消耗多于功率。在此区间，电网是调节母线电压的主要角色。其他模态情况如表1所示

2并网模式下系统协同控制策略

2.1基于直流母线电压的多变换器下垂控制策略

根据储能单元和电网侧单元变换器的下垂控制的特性，储能单元的功率仅取决于系统的操作条件。本文提出一种如图3的基于直流母线电压的多变换器下垂控制策略。

2.2改进型多变换器下垂的控制器设计

改进后的控制器结构如图4所示。由于双向DC/AC变换器的下垂控制区为380V-420V，而儲能单元的下垂控制区为390V-410V，在二者共同处于下垂控制是为了保证系统各个子单元功率输出的按比例分配，需要满足以下功率关系：

式中，k_AC和k_bat分别代表交流单元和储能单元的下垂系数，P_AC和P_bat分别代表交流单元和储能单元的额定功率。

在实际运行中，储能单元和双向DC/AC变换器的直流电压给定值可以根据下垂公式计算得来

当直流母线电压达到380V或者420V时，下垂特性曲线进入饱和区，确保直流母线不会过高或者过低，保证系统稳定运行。当直流母线电压进入到380V-390V和410V-420V区间时，储能单元进入恒流控制模式，使其更好的保障系统内的功率的平衡，即最大化的平抑系统功率。

4.3并网模式下系统协同控制仿真验证

仿真中所涉及的参数如表2。

具体的仿真条件如下：1）初始时刻在0s时，光伏单元时最大输出功率为10kW，在5s，光照强度发生突变，输出功率为14kW。2）初始时刻0s时，接人阻值为80hm直流负载，1s时，增加阻值为160hm的直流负载，3s时，切除阻值为80hm直流负载。

3）初始时刻0s时，储能单元的SOC值设定为50%。