一种基于背靠背式电力弹簧的光伏并网功率波动抑制方法

周杨，叶泰然，李天慧，吕潇，李枫，马刚

(南京师范大学，江苏 南京 210023)

随着我国用电量急剧增加，传统的集中供电方式导致的化石能源短缺和环境污染问题愈发严重[1-2]。同时，分布式能源(distributed generation，DG)以其“小容量、短距离、无污染、易安装、低成本”的优势得到了迅速发展，正逐步取代部分传统供电方式[3]。然而，随着户用光伏注入配电网的有功功率增加，配电网功率波动问题更加严重[4-6]，影响用电设备的使用寿命和配电网的安全稳定运行；因此，在户用光伏并网中，有效地抑制功率波动非常重要。

利用储能系统来抑制DG功率波动是当前研究的热点[7-12]。文献[13]提出一种电池储能型光伏并网发电系统，采用内环控制储能电池电流、外环控制电网正常功率和电网故障时电压的双闭环结构，实现了并网功率平抑功能。文献[14]提出在光伏发电系统引入飞轮储能系统，在考虑飞轮储能允许范围的前提下，采用电流内环和速度外环双闭环控制方式充能，采用电流内环和电压外环的控制方式放能，实现功率的稳定输出。文献[15]提出了光储协同平抑并网功率波动的方法，通过光伏运行工作点的动态控制来平抑大幅度的功率波动，利用储能的快速响应特点来平抑幅度小、变化快的功率波动。此外，背靠背式电力弹簧(back to back electric spring，B2B-ES)作为一种新颖的电力电子设备，被用来抑制由于DG接入而引起的总线电压波动。目前已有一些关于B2B-ES的研究成果，但是其潜力尚未得到充分挖掘[16-17]。B2B-ES电压控制的研究主要集中在无功控制方面，对于B2B-ES的有功功率控制能力缺乏深入的研究。

以上对配电网功率波动平抑方法的研究中，虽然已有大量的方法是通过添加储能系统来实现功率波动平抑方法，但当线路功率波动偏差大于现有功率储备时，基于储能系统的方法将会失效；因此，基于B2B-ES有功控制特性，本文提出一种新的功率波动平抑方法。

本文首先分析含户用光伏的配电网功率波动机理，建立了B2B-ES的有功控制模型；然后在此基础上，提出了并网功率波动抑制的新方法；最后，通过仿真实验验证该方法对户用光伏并网功率波动抑制的有效性。

1 功率波动机理和基于B2B-ES的功率控制模型

1.1 功率波动影响机理

需求侧功率波动机理的分析是研究抑制光伏并网功率波动问题的基础。需求侧功率包括本地负载功率和光伏的输出功率。因可再生能源具有间歇性的特征，光伏的输出功率是不固定的。需求侧功率

PDEM=PLoad-(PPV,ref+ΔPPV(t)).

(1)

式中：PLoad为光伏本地负载功率；PPV,ref为光伏输出功率参考值；ΔPPV(t)为光伏功率随时间t变化的波动量。

根据式(1)可知，需求侧功率PDEM波动是由ΔPPV(t)造成的。为了消除这种波动对交换功率的影响，可以对本地负载功率补偿相同的波动，从而平衡由光伏引起的波动量。据此，式(1)可以修改为

PDEM=(PLoad+ΔPPV(t))-(PPV,ref+ΔPPV(t)).

(2)

由式(2)可知，在降低家庭储能的同时，可平抑光伏引起的需求侧功率波动，并且功耗与光伏输出功率正相关；因此，新的控制思路可以实现需求跟随发电的供电模式。

1.2 B2B-ES的有功控制模型

根据上述分析，同样变化规律的ΔPPV(t)只能补偿到可变的负载上，因此需要对负荷进行分类。在实际家庭负荷中，部分负载的工作电压可承受一定程度的偏移，如家用热水器、照明系统、风扇、烤箱、洗碗机和干燥机等小型电动机负载。这类负载定义为非关键负载(non-critical load，NCL)，否则为关键负载(critical load，CL)。

图1是NCL串联B2B-ES构成的智能负载(smart load，SL)。其中，UDC为B2B-ES的直流中间级电压，C为直流中间级电容，Lf与Cf分别为滤波电感与滤波电容，ZNCL为NCL的阻抗，UES为B2B-ES的输出电压，UNCL为NCL的两端电压，USL为B2B-ES与NCL的整体两端电压，ISL为B2B-ES的输出电流。

图1 SL基本结构Fig.1 Schematic diagram of SL basic structure

由图1可知，ES的有功功率PES、NCL的有功功率PNCL、SL的总有功功率PSL的关系为

PES+PNCL=PSL.

(3)

ES的无功功率QES、NCL的无功功率QNCL、SL的总无功功率QSL的关系为

QES+QNCL=QSL.

(4)

对于式(3)，在不考虑变流器损耗的情况下，变流器A从电网中吸收(或注入电网)的有功功率始终等于变流器B发出(或吸收)的有功功率，因此PES始终为零，式(1)可等效为

PNCL=PSL.

(5)

以有功控制为SL的控制目标时，其输出电压超前支路电流ISL的相位差θ控制为0°/180°即可，如图2所示。其中：虚线为SL不受控时正常的相量关系，实线为有功受控后的相量关系；φ为NCL的阻抗角；US为供电电压。

综合图1与图2可知，改变UES的值可使UNCL、ISL的值发生变化，从而实现对PNCL(即PSL)的控制。由图2可知，SL不受控时吸收的有功功率

(6)

图2 SL的有功控制相量图Fig.2 Phasor diagram of SL active control

SL受控时吸收的有功功率

PSL=PNCL=|UNCL|×|ISL|×cosφ.

(7)

根据式(6)、(7)，SL的有功控制模型为

(8)

式中：ΔP为SL的有功控制量，ΔP>0表示SL的有功消耗量增大，ΔP<0表示SL的有功消耗量减小。

若实时控制指令为ΔPorder(t)，则根据式(6)可得

(9)

结合式(9)与图2可知，为实现控制指令ΔPorder(t)，可根据ΔPorder(t)的值动态改变UES的幅值。

1.3 控制回路设计

根据上述分析可知，通过调节UES的幅值与相位，可使PSL动态可控。

为了使SL达到平滑并网功率波动的可靠性要求，并适用于对应的户用光伏装机容量，需要对B2B-ES的控制模块进行设计。B2B-VSC包含整流和逆变电路，需要分别设计其控制模块。B2B-ES的整流电路以单位功率因数为目标设计控制模块[18-19]。而对于B2B-ES的逆变级，为了满足以上控制要求，结合经典的ES控制回路[20]，对原有的控制回路作出改进。重新设计的控制模型如图3所示。在控制模型中：PSL与ISL分别为测得的SL实时输出功率、电流；k为设定的PI控制器后置增益；Abs为取绝对值函数；sign为符号函数；锁相环输出IES的实时相位值。

图3 基于电压幅值、相位的SL有功功率控制模型Fig.3 Model of SL active power control based on voltage amplitude and phase

首先，在NCL可运行前提下，基于当前非关键负荷量和光伏输出功率，根据其可承受的偏移电压量，计算出可调功率Porder(t)；然后，将Porder(t)送入UES幅值控制回路与UES相位控制回路。其中，Porder(t)是利用粒子群优化算法求出来的，求解流程如图4所示，其目标函数

minf=|PDEM(t)-PDEM,ref|.

(10)

式中：PDEM(t)为光伏母线侧(需求)功率实际值；PDEM,ref为光伏母线侧(需求)功率参考值。

图4 基于粒子群优化算法的指令求解流程Fig.4 Flow chart of instruction solving based on PSO algorithm

由于SL是利用电压在一定范围内可偏移的负荷作为NCL，则其调节量也存在着容许范围。根据SL容许功率值，设定ΔPorder(t)约束条件为

ΔPES,min≤ΔPorder(t)≤ΔPES,max.

(11)

式中ΔPES,min、ΔPES,max分别为SL有功功率调节能力的下限和上限。

根据光伏出力情况，基于SL的光伏并网功率波动抑制策略如图5所示。其中：①模式1，当户用光伏处于出力低谷时，即PDEM低于PDEMref，通过控制ΔPorder(t)使SL处于180°工作模式，以减小PSL(t)，保证需求侧功率稳定在可允许的范围内；②模式2，当户用光伏处于出力高峰时，即PDEM高于PDEMref，通过控制ΔPorder(t)使SL处于0°工作模式，以增大PSL(t)，保持需求侧功率稳定在可允许的范围内。

图5 基于SL的光伏并网功率波动抑制策略Fig.5 SL-based photovoltaic grid-connected power fluctuation suppression strategy

2 仿真验证

2.1 仿真模型

为了验证本文所述的低压有源配电网功率波动平抑策略的有效性，本文在MATLAB/Simulnk中建立系统模型。在系统中，光伏电池工作在最大功率点且逆变器以单位功率因数运行，其发出的交流电先给家庭负荷供电，然后并入低压配电网。注入低压配电网的有功功率具有间歇性和不稳定性，会引起低压有源配电网功率波动，对本地CL运行带来不利的影响。为对有功功率进行控制，考虑到成本问题，本文所提到的B2B-ES串接多个家庭NCL形成SL，然后再与多个家庭CL并联，最后接入本地配电网。通过连续可控的功率交换，能够实现平抑户用光伏并网功率波动。与户用光伏发电系统结合后的系统仿真模型如图6所示，其中ZCL为CL的阻抗，SL模型的具体参数见表1。

图6 户用光伏并网系统Fig.6 Household photovoltaic grid-connected system

上述系统模型中，馈线电压等级为400 V，系统频率为50 Hz，相对于低压配电网的上一级电网，其可以视为无穷大电源，即其输出可等效为恒定电压源。户用光伏系统通过并网点注入/吸收有功功率。传输线路的阻抗由集中式阻抗Z1、Z2、Z3等效实现，其中，实部均为0.1 Ω，虚部均为0.03 Ω。典型时间段户用光伏电源出力波动曲线如图7所示，含户用光伏的需求侧功率PDEM波动曲线如图8所示。

表1 SL 模型参数设置Tab.1 SL model parameter settings

图7 户用光伏电源出力波动曲线Fig.7 Fluctuation of household photovoltaic power output

图8 含户用光伏的需求侧功率PDEM波动曲线Fig.8 Demand-side power PDEM fluctuation with household photovoltaics

2.2 结果分析

分别通过2种情况对本文所提平抑功率波动方法有效性进行验证：①当户用光伏并网功率恒定值时(分别取光伏出力最大值点和最小值点)，验证该方法对光伏恒功率的支持作用；②当户用光伏并网功率连续变化时，通过光伏出力波动曲线验证该方法对户用光伏并网功率连续变化的平抑作用。

a)验证该方法对户用光伏恒功率的支持作用。

光伏并网系统注入有功功率值在2.5 kW左右，得到开合B2B-ES变流器前、后需求侧功率PDEM波形如图9所示，SL有功功率PSL波形如图10所示。由图9可知：当户用光伏并网向耦合点注入功率增大时，4 s之前，需求侧功率明显抬高；4 s之后，ES开始起作用，降低了需求侧功率。结合图9、图 10可知，通过控制SL增加消耗的有功功率PSL至1 kW左右，减少向电网输送的功率，起到了对需求侧功率PDEM波峰的抑制作用，使其始终保持在8 kW左右。

图9 交换功率PDEM抑制图Fig.9 PDEM suppression of switching power

光伏并网系统向馈线注入的有功功率由2.5 kW左右减小到0 kW左右时，得到在加入B2B-ES变流器前、后需求侧功率PDEM波形如图11所示，SL功率PSL波形如图12所示。在光伏并网系统向馈线注入的功率减小时，加入B2B-ES前需求侧功率PDEM明显降低，结合图11、12可知，通过控制SL减少消耗功率PSL到0.4 kW左右，增加向电网输送的功率，起到了对需求侧功率波谷的支撑作用，从而使需求侧功率在短时间内逐渐抬升至8 kW左右。

图10 注入功率增大时的SL有功功率PSLFig.10 SL active power PSL as injection power increases

图11 交换功率PDEM支撑图Fig.11 PDEM supporting for switching power

图12 注入功率减小时的SL有功功率PSLFig.12 SL active power PSL as injection power decreases

b)验证该方法对户用光伏功率连续变化的平抑作用。

将图7所示的光伏出力波动接入到系统，得到如图13、14所示的效果图。通过控制SL的功率消耗，使需求侧功率波动被完全抑制在8 kW左右，上下浮动不超过300 W，此时SL的功率调控范围为1 ～3 kW，满足SL的调控范围。

综上，在户用光伏恒功率输出，导致输送到电网功率处于高峰或波谷时，通过增加或减少SL消耗功率，保证输送到电网的功率稳定；在光伏出力连续变化，导致输送到电网功率处于连续变化时，通过控制SL消耗功率，保证输送到电网的功率稳定在一定波动范围内。

图13 ES打开时的需求侧功率PDEMFig.13 Demand-side power PDEM when ES is turned on

图14 注入功率连续变化时的SL有功功率PSLFig.14 SL active power PSL as injection power in continuous changes

3 结束语

本文基于B2B-ES变流器，提出了一种新的功率波动平抑方法。首先，分析了现有功率波动抑制方法的优缺点；其次，分析了SL有功功率控制模型，并设计了SL的控制回路。仿真验证结果表明：在不弃光的前提下，采用本文所提出的光伏并网功率波动平抑方法，即通过控制SL的功率消耗来减小传输到配电网的功率波动，可达到平抑并网功率波动的目的。

相较于已有的研究，本文所述方法的优势有：①本文所采用的策略通过调节负荷自身消耗功率来实现功率波动抑制，在合理的调节范围内，不需要储能设备的参与，降低了经济成本；②对负荷的功率调节是连续平滑的，提高了用户的用电舒适度。在后续研究中，一方面将会考虑选取实际的小型微电网作为仿真试点，另一方面将进一步提高B2B-ES单元性能，以增大本文所提控制策略的有效调控范围。