光伏直流微电网超级电容储能控制策略研究

郑新昊，祝龙记

（安徽理工大学 电气与信息工程学院，安徽 淮南 232001）

0 引言

微电网是将分布式电源（Distributed Generation，DG）、负荷、储能装置、变流器以及监控保护等装置有机整合的小型发配电系统[1]。 分布式电源以微电网的形式接入配电网，凭借微电网的运行控制和能量管理等关键技术，实现其并网或离网运行。 但微电网中的DG 和系统负荷具有波动性，不仅在离网运行下会造成母线侧电压波动，而且并网运行时会导致并网电流脉动，严重影响微电网的供电质量[2]～[5]。

为最大限度地利用分布式电源出力，提高供电可靠性和电能质量，文献[6]对微电网建立了基础模型，提出了储能系统与分布式电源协调控制策略，对并网运行和离网运行状态进行了仿真分析，但未对负荷和DG 功率的随机性问题提出解决方案，影响系统的电能质量。 文献[7]对微电网孤岛模式建立了仿真模型，提出了一种电压分段控制策略，用于稳定直流母线电压的波动，但系统在发生较大功率突变时母线电压波动幅度过大，系统的稳定性受到影响。 文献[8]针对直流微电网中的光伏功率波动提出了一种自主功率平衡策略，通过自动切换工作模式来实现功率平衡，抑制功率波动，但文中未考虑微电网中的非线性负载产生的低次谐波，并网稳态运行时系统稳定性仍会受到影响。

由于光伏直流微电网中系统功率变化的时间很短，而传统蓄电池的动态响应较慢，很难满足系统的控制要求。 因此，本文以超级电容（Supercapacitor，SC） 作为光伏直流微电网的储能装置。超级电容具有充放电速度快、功率密度大的优势，离网运行下在双闭环控制中加入电压的功率微分控制，提高SC 对微电网电能供给变动的动态响应，稳定负荷和DG 输入功率变动导致的微电网直流母线电压波动。在并网模式下针对SC提出并网电流脉动补偿控制策略，通过检测并网逆变器的输出电流脉动，利用SC 补偿并网电流的脉动功率分量，降低因微电网侧输入功率变动造成的并网电流脉动，抑制稳态工作时微电网中的非线性负载产生的低次谐波，提高微电网系统并网运行的稳定性。

1 光伏直流微电网系统组成与工作过程

本文提出的超级电容储能的光伏直流微电网电路结构如图1 所示。

图1 光伏直流微电网电路结构图Fig.1 Circuit structure of photovoltaic DC microgrid

图中：PV 为光伏电池板组件； 电感 L，Q1，和D1组成 Boost 升压电路；Cdc为直流母线稳压电容；SC 为超级电容；电感 Lsc与 T1，T2组成双向DC/DC 电路；Rload为微电网系统负荷；T3～T8构成三相并网逆变器；L1，L2与 Cf组成 LCL 滤波电路；公共耦合点 （Point of Common Coupling，PCC）控制微电网与电网之间的连接；Zg为电网侧阻抗。SC 与双向DC/DC 电路组成超级电容储能模块，对系统整体进行调节，维持直流微电网的稳定运行。 由图1 可知，离网模式下，PCC 断开，PV 输出功率供应负荷消耗功率，功率突变时会产生功率差额，导致直流母线电压突增/降，微电网系统稳定性降低；并网模式下，PCC 闭合，微电网侧输入功率通过三相逆变器逆变成三相交流电输入电网，输入功率突变及非线性负载产生的低次谐波，会直接导致电网侧的三相电流产生脉动，影响输入到电网的电能质量。 超级电容储能模块并联在稳压电容侧参与系统整体调节，在离网运行下，SC 通过双向DC/DC 电路吸收或补偿功率差额，稳定直流母线电压波动，维持功率平衡。在并网运行下，检测并网逆变器的输出电流脉动，SC 通过双向DC/DC 电路对得出的脉动功率进行补偿，降低电流脉动，提高输入到电网的电能质量。

2 SC储能控制策略

直流微电网系统中DG 及负载功率具有波动性，传统双闭环控制在暂态条件下对直流母线电压的响应较慢，电压波动幅度较大，并网时存在电网电流脉动的问题。 本文提出了在并离网运行下SC 储能控制策略，稳定离网运行下直流母线电压的波动，降低并网运行下的电流脉动，抑制非线性负载产生的低次谐波，提高电能稳定性。

2.1 离网运行SC控制方案

离网运行下直流母线测电压与功率关系为

式中：Udc为直流母线侧电压；Pdc为直流母线侧吸收功率；Cdc为直流母线侧电容。

由式（1）可知，直流侧功率与电压存在非线性关系，在暂态情况下传统双闭环控制对母线电压的调节较慢，并且直流母线电压的波动幅度较大。为了提高SC 对直流母线电压波动的调节效果，在传统双闭环控制中加入直流母线功率微分控制，通过直流母线功率的反馈来提高系统暂态条件下SC 对直流母线电压的动态响应。

图2 为SC 储能控制策略框图。

图2 SC 储能控制策略框图Fig.2 Control strategy block diagram of SC energy storage

2.2 并网运行SC控制方案

传统三相并网逆变器的控制策略如图3 所示。

图3 并网逆变器传统控制策略Fig.3 Traditional control strategy of grid-connected inverters

图中：Udc为直流侧母线电压的参考值；d 轴电流参考值来源于DC 电压PI 控制器；q 轴电流参考值设定为0；为使功率因数接近于1，控制输出无功功率为0； 逆变器输出的并网三相电流 ia，b，c和电压 ea，b，c，通过 Park 变换得到两相电流id，iq和电压 ed，eq； 电网电流控制环的输出 Ud，Uq作为逆变器的控制信号参考值；ω 为电网电压的频率。

在并网过程中，传统并网逆变器的控制策略存在以下两种问题。

①暂态过程中PV 和负荷功率突变会直接导致电网电流参考值发生改变，即：

式中：Δid，Δiq为暂态过程中产生的直流分量，直接影响电网电流参考值。

并网逆变器控制方案中的前馈解耦控制ω（L1+L2）iq和 ω（L1+L2）id不包含上述暂态分量，导致电网电流控制环的动态响应变慢，使输出的电网电流产生脉动。

②当微电网中的DG 和负荷稳定时，系统工作在稳定状态。但由于微电网存在非线性负载，其产生的低次谐波会导致电网电流产生脉动，影响输出的电能质量。

由于SC 的快充放电特性，其电流控制环的动态响应要比电网电流控制环要快得多，因此，须要利用SC 电流控制环，补偿并网逆变器输出功率的动态脉动和稳态脉动。SC 电流控制环的设计分析如下。

电网参考功率应和微电网直流侧的输出功率保持平衡，即：

由式（7）可知，注入电网的功率分成3 部分：没有脉动的稳态分量直流的变化功率高频分量

除去稳态分量为输入到电网的实际功率外，需要补偿的脉动功率PSC_Ripple为

在稳态工作模式下，电网电流脉动是由非线性负载产生的低次谐波引起，因此，电网电流为

脉动功率PSC_Ripple为

所以SC 总补偿功率PSC_Total为

通过上述SC 电流控制器的设计分析，可得SC 并网控制策略，如图4 所示。

图4 SC 并网控制策略框图Fig.4 SC grid-connected control strategy block diagram

三相电流实际值通过Park 变换得到图4 的输入变量id，iq，与直流母线电压Udc及其额定值Uref通过SC 电流控制器得到参考电流，将其与SC 实际电流iSC比较，通过PI 调节及反向后得到两路 PWM 脉冲，控制开关管 T1，T2的导通。

3 实验与分析

针对上述分析，搭建了图1 所示的直流微电网的控制系统实验模型。相关参数：光伏电池组最大功率为60 kW，在光照强度1 000 W/m2达到最大功率。 直流侧稳压电容Cdc=4.6 mF，直流母线电压参考值Vdc=400 V； 滤波电路L1=0.3 mH，L2=0.6 mH，Cf=5 μF；超级电容侧电感 LSC=0.3 mH，光伏电池板侧电感L=0.3 mH，超级电容容量为5 F，额定电压为220 V，初始电压为216 V。

离网运行仿真条件设置： 初始光伏电池光照强度 S=1 000 W/m2，4.5 s 后降至 800 W/m2，温度T=25 ℃，初始时刻负载功率Pload=50 kW，在2 s 时负载功率突变为70 kW，在3 s 时功率突变为30 kW，仿真结果如图5 所示。

图5 系统输入输出功率波形Fig.5 Input and output power waveforms of the system

由图5 可知，初始阶段SC 充电，吸收剩余功率；在2 s 时，负载功率突增，SC 转为放电模式，提供额外功率供给负载；3 s 时负载功率突降，SC 转为充电模式，吸收额外功率；4.5 s 时光照强度降低，光伏输入功率仍大于负载消耗功率，SC 继续充电，吸收多余功率。

图6 为离网运行下SC 储能控制与传统控制下的直流母线电压波形，母线电压在2，3，4.5 s 时存在波动。

图6 直流母线电压波形Fig.6 DC bus voltage waveform

由图6 可知：传统控制方案下母线电压波动范围在10%以上，并且大约需要0.5 s 恢复至额定电压值； 而SC 控制方案下的直流母线电压波动范围在5%以内，并在0.2 s 内恢复至额定电压值，微网系统恢复稳定。 因此，SC 储能控制相较于传统控制有着更好的暂态响应，对直流母线电压的调节更快，电压波形更平滑，波动范围更小。

并网运行仿真条件设置：初始光伏电池光照强度 S=1 000 W/m2，4 s 后降至 700 W/m2，温度 T=25 ℃，初始时刻负载功率Pload=20 kW，在4 s 时负载功率突变为15 kW，仿真结果如图7，8 所示。

图7 传统并网三相电流波形Fig.7 Three-phase current waveform of traditional grid connection

图8 SC 补偿并网三相电流波形Fig.8 Three-phase current waveform of super capacitor compensation grid connection

由图7，8 可知：在4 s 时输入功率突变，传统并网控制在输入功率突变后输出的三相电流发生振荡，重新恢复至下一稳定状态的时间较长；SC补偿控制的并网输出三相电流在0.3 s 内恢复至下一稳定状态，并且两种稳态工作状态的切换更加平滑，不存在波形畸变。

图9 分别是传统并网和SC 补偿并网的单相电流波形。

图9 并网单相电流波形Fig.9 Single-phase current waveform in grid connection

由图9 可知： 传统控制方案的稳态电流中含有的高频脉动成份较多，并在4 s 后功率变动的暂态过程中存在电流波形畸变； 而SC 补偿控制方案能有效地抑制稳态输出电流的脉动，所得波形接近于标准正弦波，在暂态过程中电流波形仍接近于正弦波，且电流并未发生畸变，两种稳态工作状态之间的过渡过程更加平滑。

4 结论

本文提出了一种应用于光伏直流微电网中的SC 储能控制方案，利用SC 的快速调节作用来提高微电网系统的供电质量。 设计了两种工作模式下SC 的储能控制策略，离网运行下，在传统电压电流双闭环控制方案中加入功率微分控制，提高了SC 对直流母线电压的动态响应；并网运行下，提出一种并网电流脉动补偿控制方案，抑制并网电流的脉动，提高输入到电网的电能质量。结果验证了本文提出的SC 储能控制方案在离网运行下直流母线电压波动幅度更小，调节速度更快；在并网运行下补偿系统的暂态高频分量，降低了并网电流脉动，使得三相电流可以平滑过渡至下一稳定工作状态，并在稳定状态下抑制了低次谐波，提高了并网的电能质量。