电网频率控制的新型三电平光储一体机

王 刚,李志潭,杨金成,王荣强,刘立果,范季阳,张常杰

(1.国网新疆电力有限公司营销服务中心,新疆 乌鲁木齐 830000;2.西安理工大学 电气工程学院, 陕西 西安 710048)

0 引 言

随着全球气候的不断恶化,世界各国出台了一系列环保政策。特别在发电领域,提倡加快新能源发电并网,减少传统火力发电机组的使用,以达到降低二氧化碳排放量的目的[1-2]。光伏作为一种可持续能源,越来越受到重视。但光伏最大功率追踪策略会始终保持着系统最大功率输出,无法为并网时系统频率的波动提供额外的功率支撑,所以需要在系统中增加储能单元。因此,光储一体机成为提高微电网系统频率稳定性的重要选择[3-4]。

但是,目前光储一体机还存在诸多问题[5-6]。例如:在光储—体机的接入容量设计时需要考虑最大发电量的状况。随着光储一体机接入容量增大,设备体积也会增大。其次,光储一体机中,储能对电网的有功支撑控制策略还不成熟,无法做到能量的智能转移,致使自发自用率低,也存在不能快速响应电网功率调度的问题[7-9],因此需要对光储一体机容量及储能对电网的有功支撑调控策略展开研究。

常用的光储一体机拓扑一般为两电平拓扑,有着开关器件少,控制简单的优点。但是,随着光伏容量逐渐增大,两电平拓扑不能很好地满足系统对高功率、高效率、高能量密度、低成本等的要求。随着数字控制技术逐渐成熟,多电平拓扑的应用越来越广泛[10-11],多电平光储一体机具有重要的应用前景。

目前已有论文对光储一体机的拓扑及控制策略进行研究。在拓扑方面,文献[12-13]提出了一种两电平光储一体机,该电路所用开关器件少,控制容易,但是现在光伏容量逐渐增加,两电平电路已经很难满足要求。文献[14]中分析了一种五电平光储一体机的拓扑结构与工作原理,该光储一体机可以适用于大功率场合,但是该拓扑所需开关器件相对较多,维护和控制起来相对困难。在控制策略方面,文献[15]提出了基于鲁棒模型预测控制的运行策略。文献[16]提出含分布式光储配电网时变最优潮流追踪的模型和分布式在线的算法。上述控制策略通过控制储能参与系统有功调节,对系统运行的稳定性有很大提升,但实现过程相对繁琐。

针对上述问题,本文对三电平光储一体机及其控制策略展开研究。首先,提出了一种大容量三电平光储一体机主电路拓扑并分析其工作原理,其次提出了适应新拓扑的控制策略,最后对新拓扑和控制策略进行仿真和实验验证。

1 三电平光储一体机拓扑

本文提出的新型三电平光储一体机拓扑结构如图1所示。

(a) 光储一体机拓扑结构

图1(a)中,由于T型三电平电路相较与I型三电平电路具有损耗小和占用空间小等优势,所以该拓扑由大容量T型三电平DC/AC变换器[17-18]、储能电池及三电平结构储能DC/DC变换器[19]构成。光伏阵列经过三电平Boost变换器[20-21]接入三电平DC/AC变流器的直流母线,储能电池经三电平DC/DC变换器,与DC/AC变流器直流母线互联。其中,三电平DC/DC变换器既能适应光伏阵列、储能电池电压的宽范围变化,又实现了能量的传输控制,是光伏阵列、储能电池与电网能量交互的桥梁。从图1(b)可以看出,采用三电平结构变换器使得开关器件电压应力变为Vin/2,而两电平电压应力为Vin。在开关损耗方面,三电平变换器开关损耗明显低于两电平变换器。上述特点使得三电平变换器可以适用于大功率场合,且由于其低开关损耗进而可以提高开关频率减小变换器体积。基于上述性能优势,以三电平变换器为光储一体机拓扑对其储能参与系统有功支撑展开研究。

2 三电平光储一体机光储联合并网控制策略

为了实现储能对逆变器输出有功功率的支撑,本文提出三电平光储一体机控制策略,如图2所示。主要分为2部分:光储系统控制和逆变器控制。

图2的光储系统中,检测光伏阵列电压Upv、光伏阵列电流Ipv,通过最大功率跟踪控制算法(扰动观察法、电导增量法、三点法等)实现最大功率跟踪与直流电压支撑。本文采用算法扰动观察法进行控制。储能DC/DC变换器中引入电网频率检测,通过频率微分、偏差控制实现对并网点频率的暂态/静态支撑与有功功率调节。后级T型三电平DC/AC变换器采用有功无功控制。

图2 大容量光储一体机控制策略

2.1 光储系统频率微分及偏差控制方法

电力系统频率调节与有功原理[22]如图3所示。

图3 系统有功与频率变化

图3中,光储一体机输出负荷增加,负荷频率特性由PD1(f)变为PD2(f),增量为ΔP0,频率由f1变为f2。PG为发电机组功频曲线,发电机组的有功增量为ΔP1=P1-P2,负荷有功减少量为ΔP2=P-P2。由上述原理进而可以得出采用频率作为控制器外环可以为系统提供有功支撑。本文提出的光储系统频率微分及偏差控制方法如图4所示。

图4 双向DC/DC变换器的频率控制

图4中,双向DC/DC变换器控制器中引入电网频率变量作为控制器外环,通过频率微分、偏差控制,实现对并网点频率的暂态/静态支撑与有功功率调节,提高系统稳定性。该控制方法首先检测三相电网电压Ua、Ub、Uc,并通过数字锁相环[23]提取电网频率fg。根据电网频率变化率,计算用于实现电网频率暂态支撑的功率参考值Ptranst,静态支撑的功率参考值Pstatic,则:

(1)

设定恒功率充放电参考值为Pbat_ref,则与并网点频率暂态/静态支撑及充放电控制相对应的DC/DC变换器侧功率参考值为

(2)

根据电力系统有功调度参考值Pref和光伏阵列输出的最大功率值Pmppt计算剩余功率,将剩余功率ΔP作为DC/DC变换器侧功率参考值的一部分,由此可在不影响并网点频率支撑及DC/DC恒功率充放电控制的情况下,实现能量的自主分配与并网功率的调节。其中,DC/DC侧总的功率参考值为

(3)

采集电池电压Ubat,并将DC/DC变换器侧总的功率参考值转换为电流参考值,通过电流闭环控制和PWM生成,最终实现DC/DC侧功率控制,其中电流闭环参考值为

(4)

在最终输出设置限幅环节,设置为[-1,1],作为参考值上限和下限。最后通过参考值大小控制双向DC/DC变换器充放电调节。

2.2 T型三电平有功无功控制方法

三电平光储一体机中T型三电平DC/AC变换器采用的有功无功控制控制方法如图5所示。

图5 T型三电平DC/AC变换器功率控制策略

由2.1节可知光伏输出最大功率为Pmppt,电池输出功率为Pbat_ref,则输入逆变器的总功率为Psum,则可得

Psum=Pmppt+Pbat_ref

(5)

T型三电平DC/AC变换器与电网的连接的数学模型[24-25]可以表示为

(6)

式中:Uabc为变换器的输入端电压;iabc为三相电流;Eabc为网侧的三相电压。

对式(6)进行park变换,得到式(7):

(7)

当d轴以电网电压向量定位时,即Eq=0,则可以对上式进行化简,得

(8)

从式(8)可以看出,DC/AC变换器的有功功率和无功功率可以通过q轴和d轴电流进行控制。d轴电流id影响着逆变器的有功输出大小。因此,如果母线电压低于设定理论值时,就需要减小id,这样DC/AC变换器的功率输出Psum就会减小。此时,光伏电池和储能电池输出的能量之和则会大于逆变器的功率输出Psum,进而可以对DC/AC变换器输入电容C1和C2进行充电提高电容的电压,保持DC/AC变换器输入电压稳定。相反,母线电压低于参考值时,我们就应该提高id。光储并网系统母线电压Vbus的变化可以表示为

(9)

3 仿真和实验验证

为了验证本文提出的大容量三电平光储一体机及其控制策略的有效性,搭建了Matlab/simulink仿真平台和与之对应的实验平台进行验证,仿真参数:母线电压Vbus=750 V,电池电压Ubat=640 V,电池功率Pbat_ref=4 kW·h(电压640 V,容量为62.5 Ah)滤波电感Li=1 mH(i=1,2,3,4,5),逆变器总功率Pref(sum)=50 kW,逆变器无功Qref=1 kW,光伏最大功率Pmppt=60 kW,电容Cx=1 500 μF(x=1,2)。

根据上述参数,对该文所设计的大容量三电平光储一体机及其控制策略进行验证。在仿真中,通过改变辐照强度验证光储一体机的运行状态。仿真中,0～0.33 s时的辐照强度为1 000 W/m2,0.33～0.6 s时辐照强度为490 W/m2。图6(a)～(e)为光储一体机工作时的关键波形。

(a) 光伏功率

从图6(a)、(b)可以看出,在0.33 s前,光伏提供功率为6 kW,大于逆变器所需功率,此时储能电池充电,SOC增加;在0.33 s后,光伏提供功率小于5 kW,此时储能电池放电,SOC减小。从图6(c)可以看出,本文所提控制策略可以使储能快速提供有功支撑,0.33 s时储能参与有功支撑恢复系统额定功率时间约为0.03 s,满足储能参与有功支撑时间响应标准4 s之内[26]。从图6(d)可以看出,在光伏提供功率不足,储能可以提供频率支撑,在设备正常运行时使并网频率在50.02～49.97 Hz之间波动,满足国标规定。图6(e)可以看出,0.33 s前后储能变换器分别工作在充电和放电状态。

图7(a)、(b)为光储一体机后级DC/AC变换器的三电平电压、最终输出电压/电流波形、最终输出电压。

(a) 三电平波形

图7(a)中,系统输出为三电平电压。图7(b)中,0～0.33 s为储能未参与时段;0.33～0.6 s时,光伏输出功率不足,储能进行有功支撑。可以看出储能能够及时提供有功使得系统输出保持稳定。

实验中光伏部分采用光伏模拟器模拟光伏输出特性,控制器采用DSP28335与CPLD进行配合实现三电平光储一体机控制。由于光伏模拟器输出功率限制最大为3 kW且本文重点为验证提出的控制算法,所以实验部分以2 kW为光伏和逆变器最大功率进行实验验证。

通过控制光伏模拟器输出功率,进行控制策略验证。图8为实验过程中负载突变,输出频率波动,储能电池进行调节过程实验波形。

(a) 电感电流/逆变器输出波形

图8(a)中,通道CH1为双向DC/DC变换器电感电流iL波形,以充电方向为正,通道CH2为逆变器输出A相电压Ua。刚开始时双向DC/DC变换器处于充电状态,此时不进行有功支撑,之后通过控制光伏模拟器输出功率使其低于逆变器额定功率,此时,双向DC/DC变换器变为放电状态,电感电流变为负值。a1、a2、a3分别为储能调节过程中输出电压正峰值,可以看出经过约半个工频正弦周期,逆变器输出恢复稳态。从图8(b)可以看出,在储能投入后,存在瞬时的波动,之后很快恢复正常工作时的电压和电流。从图8所示结果可以得到,本文提出控制策略能够有效地稳定逆变器功率。

4 结 语

本文提出了一种通过电网频率微分、偏差控制方法的三电平光储一体机,主要是通过采集逆变器并网频率,与50 Hz基频做差进行上述控制,进而控制光储一体机中的储能部分进行电网频率支撑。结果表明,该方法可很好地控制光储一体机对电网频率进行支撑,且具有原理简单、易于数字化实现的特点,为未来大容量光储系统参与电网频率支撑中调频响应时间、储能有功支撑等相关研究奠定了基础。