基于储能技术的不平衡负载下光伏并网控制系统研究

孟彦京，杜 鹃，马汇海

(陕西科技大学 电气与信息工程学院，陕西 西安 710021)

0 引言

随着分布式发电技术与储能技术的快速发展，基层供电系统的独立微电网技术也得到了广泛的研究[1-3].对于基层供电系统来说，0.4 kV低压电网三相负载不平衡一直是难以解决的问题.在实际运行中，由于大功率单相负载的突然接入、单相用户的不可控增容以及单相负载用电的不同时性，都会引起三相负载的不平衡，从而产生负序、零序分量，导致电压电流的不平衡.同时三相负载不平衡运行降低了线路和配电变压器的供电效率.分布式光伏电站是得到国家政策提倡的重要的新能源使用方式之一，使用量逐年上升.分布式光伏电站为三相四线制配电网供电时，由于光伏发电的特性要求光伏并网逆变器以最大功率输出强制平衡的三相电，当用户侧出现三相负载不平衡时，容易产生负载侧某一相或两相多余电能逆流回电网，造成的经济性差的问题，并且严重威胁了低压电网和用电设备的安全平稳运行[4].

目前，已有相关研究提出将储能系统用于改善电网的电能质量.文献[5,6]研究表明含储能系统的无功补偿器可以对提高电网暂态稳定性和改善电能质量.文献[7,8]将含储能的无功补偿装置应用于风电场，可以提高风电场的电能质量和稳定性.但上述研究主要集中在大电网或风电场等三相三线制系统，且仅考虑系统的有功和无功补偿，没有考虑谐波问题.而低压配电网大多使用三相四线制系统，其用户负载多具有非线性、不对称的特点.因此针对光伏的发电特性以及负载不平衡所带来的谐波、无功和不平衡电流等问题，结合最常见的三相四线制配电网络，本文提出一种基于三相四桥臂结构的储能功率变换系统及其控制策略，该系统能够实现配电网的无功补偿和谐波抑制，并有效解决负载侧三相功率波动问题.

通过对传统ip-iq谐波电流检测法改进，实现对系统所需的有功、无功和谐波补偿电流的准确检测.将变流器与储能系统分开进行控制，变流器采用基于旋转坐标系的电流解耦控制方式实现对补偿指令电流的跟踪控制.同时采用两阶段式的充电方式，延长电池使用寿命的同时保证充放电的安全准确性.最后，结合低压配电网实际系统，针对系统主电路拓扑及控制系统设计方案，通过仿真验证了所提出的基于储能技术的四桥臂功率变换系统拓扑结构的正确性和控制方案的可行性.通过整合资源，该系统不仅可以实现对配电网谐波抑制、无功以及不平衡分量补偿，还可以在需要的时候吸收光伏发电多余的有功能量，维持微电网的功率平衡，可以为微电网提供更加灵活多样的电能调节功能.该系统的研究分析，既能改善电网的电能质量，又降低了应用成本，提高了整个系统的利用率，具有重要的理论意义和工程价值.

1 系统结构设计与工作原理

基于三相四桥臂结构的储能变流装置的系统结构如图1所示，该系统由光伏发电单元、并网逆变器、三相四线制配电网、检测运算电路、驱动控制电路、四桥臂变流电路、双向DC-DC电路以及蓄电池构成.要将储能装置接入三相四线制配电网或微电网，因此需要选择一种能直接与三相四线配电网互联的，能适应电网参数变化、并且能调控中性线上电流的变流拓扑结构，这种拓扑类似于三相四线制有源电力滤波器，文献[9]已经对三相四线制的几种拓扑结构做出了分析，即电容器中分式、四桥臂式以及三单相全桥式，并对其各自的特点进行比较.本文在参考对比下选用四桥臂拓扑结构[10]，该结构在传统三相变流器三桥臂的基础上再并联一组桥臂，其具有很强的补偿不平衡负载电流、中线电流能力，同时装置的结构比较简单，经济性较高.DC-DC电路采用由BUCK电路和BOOST电路反并联的双向半桥DC/DC变换器[11]来实现.

光伏发电单元通过并网逆变器以最大功率输出三相平衡交流电并入电网或直接供负载使用，本文研究的重点不是光伏并网系统，而是在负载不平衡条件下储能变流技术用于平衡系统有功功率以及补偿不平衡分量的协同控制，在吸收系统多余的有功电能的同时，更好地补偿不平衡电流分量，因此本文不对光伏发电以及其并网系统做过多的叙述.

图1中，光伏发电系统经逆变器以最大功率输出三相平衡交流电iPV；vsj(j=a,b,c)为并网电源，电网电流为iSj(j=a,b,c,n)，负载电流为iLj(j=a,b,c,n).图中，检测运算电路的作用是检测出负载电流中的不平衡电流分量以及光伏发出多余的有功电能，并根据检测值判断充放电状态.驱动控制电路的作用是根据检测运算电路得到的相关参数，得出补偿电流与并网电流的指令信号，并产生8路PWM驱动脉冲信号，实现新能源有效利用的同时治理微电网的无功、谐波和不平衡电流.

三相四线制储能变换系统的主要作用是抑制谐波、补偿无功及平衡系统的有功功率，这些都是通过给系统提供补偿电流实现的.能够快速准确地补偿系统中的谐波、无功及有功电流，最主要的就是指令电流的计算和储能系统快速准确地充放电.

图1 系统结构电路图

2 系统控制策略研究

2.1 指令电流计算

传统ip-iq补偿电流检测方法主要用来检测谐波和无功电流[12]，并没有考虑有功电流.因此本文在传统ip-iq检测法的基础上改进，通过加入有功电流补偿值的检测功能，实现对系统所需的有功、无功和谐波补偿电流的准确检测.

由于不平衡负载的存在，三相负载电流之和不为零，系统中性线存在电流，直接应用基于瞬时无功理论的ip-iq法会造成零序电流补偿误差，所以要先将零序电流从三相电流中分离出来，再使用ip-iq补偿电流检测方法计算补偿电流.该方法对应的原理框图如图2所示.

图2 改进的ip-iq检测法原理框图

由对称分量法知三相负载电流中零序电流的相位和大小一致，可求得各相所含零序电流iLa0=iLb0=iLc0=i0/3，将各相负载电流iLa、iLb、iLc减去各相零序电流iLa0、iLb0、iLc0，即得到分离后的三相负载电流iLa′、iLb′、iLc′，可用公式(1)描述.

iLa′=iLa-iLa0

iLb′=iLb-iLb0

iLc′=iLc-iLc0

(1)

不平衡负载可能引起系统电压不平衡，进一步导致锁相不准确，因此通过将矩阵C2s/2r和C2r/2s中对应的ω设为一个定值ω0，使矩阵成为一个恒定的矩阵C0和C0′，假设电网的频率为f，其对应的角频率如式(2)所示.

ω=2πf

(2)

系统频率为50 Hz，因此可得ω0为314 rad/s.分离零序电流后的负载侧电流iLabc′乘以变换矩阵C3s/2r，将三相静止坐标系中的负载电流变换到两相同步旋转坐标系中，如公式(3)所示.

(3)

(4)

(5)

iLp、iLq经低通滤波器得基波直流分量iLp′、iLq′，将直流分量乘以矩阵C2r/3s经过反变换可得三相负载电流的基波分量iLaf、iLbf、iLcf.

经过反变换求得的是负载基波有功分量，并没有考虑对系统有功功率的补偿值.假设某时刻分布式光伏电站提供的有功功率为PPV，某时刻负载消耗功率为PLoad，由于光伏发电周期性以及负载的多变性，使得PPV不总是等于PLoad，因此由储能变换系统来补偿吸收光伏发出的多余功率，故系统有功功率给定值为Pref=PPV-PLoad.如图2所示Pc为变流装置吸收的有功功率，Pref为参考吸收功率，为了实现无差调节，使用PI控制模块，将有功功率补偿值Pref转换为有功电流补偿值ipref.与pq坐标系中的基波有功电流iLp′相减后，得到系统所需要输送的基波有功电流iLp*，再经过Park反变换后，与经过分离零序电流后的三相电流相减，即可得储能变流系统a、b、c三相补偿电流参考值ica*、icb*、icc*，同时可得零线补偿电流i0*，如公式(6)所示.

ica*=iLa′-iLaf

icb*=iLb′-iLbf

icc*=iLc′-iLcf

i0*=(iLa+iLb+iLc)

(6)

2.2 控制策略设计

在得到指令电流后，需要对指令电流进行跟踪控制，常用的控制方法有电流滞环控制、准比例谐振控制、PI控制等.电流滞环控制器虽具有动态响应快、误差小等优点，但其开关频率不固定而且不利于数字化实现；本系统电流给定中含有多个频率信号，使用多个准比例谐振控制器并联的形式可以对其中影响最大的次数谐波实现无静差控制，但有动态相应慢、实现复杂等缺点[13].本系统要求对不对称电流进行补偿，因此，逆变器实际输出的电流将不再是对称的，采用传统的控制方法难以实现较好的控制，导致实际的输出电流存在较大的误差.因此针对三相四桥臂变流装置采用基于旋转坐标系的电流解耦PI控制方式，通过双闭环控制策略，电压外环稳定直流侧电容电压；电流内环实现对指令电流的跟踪控制，并保证电流跟踪的快速性以及较小的误差，具体的控制策略框图如图3所示.

图3 控制策略结构图

由2.1节得到的指令电流与采样得到的储能变流器输入侧的实际电流分别经dq坐标变换后分别得到直流分量iLd*、iLq*及iCd、iCq，将两者作差，经PI调制及dq轴解耦后，经过dq坐标反变换以及PWM调制得到储能变流器前三桥臂的PWM开关信号；将零线补偿电流i0*与第四桥臂输出电流i0做差，经PI调节及PWM调制，得到第四桥臂的开关信号.

为确保储能电池组的安全以及延长其使用寿命，采用先恒流充电至额定电压后再转恒压充电的二阶段充电方式[14].多余发电量经过储能变流器整流吸收后，给蓄电池充电，根据蓄电池组的电压范围来确定采用恒流或是恒压充电方式，外环控制电池端电压，内环控制电池充电电流iL，通过控制相应开关管的占空比，实现对电池的充放电控制.具体的充放电控制策略设计如图4所示.

图4 储能系统充放电控制器

分布式光伏电站在负载不平衡条件下的协同控制需要实现对系统不平衡电流分量动态补偿的同时，根据光伏发电量以及负载变化情况完成蓄电池的充放电控制.该系统具有白天并网储能充电、夜晚放电，同时变流器一直工作在有源滤波器状态，补偿系统的无功、谐波以及不平衡电流分量.具体通过检测对比光伏发电功率与实际负载消耗功率来实现的，在光伏发电量充足的情况下，即PPV>PLoad，需要完成对负载引起的不平衡分量补偿的同时实现储能控制.当检测到光伏发电功率小于一定值时，说明光伏电池板基本不发电了，可以将其切除，并将有功电流补偿值ipref设为0，此时变流器仅工作在有源滤波状态，DC-DC变换器实现对储能电池的放电控制.

3 控制系统仿真分析与结果

3.1 仿真系统建立

为验证分布式光伏电站在负载不平衡条件下对不平衡电流的动态补偿与存储的协同控制策略的正确性，基于图1在MATLAB上搭建系统仿真电路模型如图5所示[15].

图5 系统仿真电路原理图

其中，系统参数设置如表1所示：

表1 仿真电路参数

利用不平衡负载模块和非线性负载模块来模拟负载特性，其中不平衡负载模块的三相电阻分别为40 Ω、20 Ω、50 Ω；非线性负载模块采用带阻感性负载的三相不可控整流电路.为缩短仿真时间，将蓄电池的额定容量设为8 Ah，所以在恒流充电模式下，电池电压很快升高，然后进入恒压充电阶段.实际中在光伏不发电时，微处理器就要控制DC-DC相应开关管以及接触器开关使电池处于恒流放电状态，因此在中间直流侧通过阶跃信号控制继电器开关对负载进行放电操作，模拟电池的放电状态.

3.2 仿真结果分析

仿真结果如图6所示.图6为系统电流波形，开始运行时，光伏发电能量充足，在为负载供电的同时仍能产生多余电量，变流装置实现对负载侧不平衡的动态补偿以及多余发电量的有功存储；在2 s时，光伏电池板不工作，变流装置只实现对负载不平衡电流的补偿.

整个运行过程中，非线性负载使系统电流产生畸变，同时由于不平衡负载的存在导致中性线电流不为零.通过加入储能变流装置使得并网系统三相电流恢复正弦波，中线电流接近于0，电网的电能质量得到了极大的改善.

图7为变流装置对负载侧不平衡进行动态补偿与有功存储时电网A相电压电流波形.由图7可以看出，电压和电流基本为正弦波，且为同相位，实现了功率因数为1的控制，保证了系统始终处于平衡的状态.

为了延长电池的使用寿命，防止蓄电池过充过放，采用二阶段充电方式，由图8可以看出，充电策略实现了先恒流充电至设定电压后再转恒压充电两阶段充电过程的转换；通过设置阶跃信号在2 s时控制继电器开关模拟对负载的放电操作，由图也可看出，采用的放电策略实现了恒流放电过程，仿真结果验证了该控制策略的正确性.

图6 系统电流波形

图7 充电时交流侧电压、电流波形图

图8 电池充放电过程中参数变化波形图

4 结论

本文针对用户侧三相不平衡负载条件下的光伏并网系统，将储能变流技术加入分布式光伏电站，针对不平衡负载带来的谐波、无功和不平衡电流等问题，提出了一种基于三相四桥臂结构的储能功率变换系统，通过提出改进的ip-iq补偿电流检测法，能够快速准确地检测到补偿电流.通过整合资源，不仅可以实现对负载不平衡分量的补偿，还可以在需要的时候吸收光伏发电多余的有功能量，实现不同工作模式的协同控制；既改善了电网的电能质量，又降低了应用成本，提高了整个系统的利用率.通过与储能系统的协调配合，采用阶段式充电方式为电池提供安全、灵活、可靠的工作状态，有效延长电池组的使用寿命，保障光伏发电系统的安全、稳定、经济运行.并通过在MATLAB软件上对系统控制方案进行了仿真分析，结果验证了电路拓扑结构的正确性和控制方案的可行性，达到了预期的效果.