光储一体机并网点电压控制策略研究

杨金东

（云南电网有限责任公司 电力科学研究院，昆明 650000）

随着“双碳”政策的不断推行，分布式光伏等新能源由于其环境友好性，被大规模接入电网［1-2］.但分布式光伏大规模接入配电网后，其出力不可控性、随机性等，给电网用电带来的安全问题［3-4］.光储一体机成为提高并网点电压稳定性的重要选择［5-7］.

目前已有论文对光储一体机的拓扑及控制策进行研究［8-10］.在拓扑方面，文献［11-12］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［13］从拓扑结构与工作原理详细阐述了五电平光储一体机特性，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［14］提出了基于鲁棒模型预测控制的运行策略.文献［15］构建了含分布式光储配电网时变最优潮流追踪模型，以及含分布式电源的配电网在线潮流优化算法.文献［16］基于光伏出力不确定性，提出一种日前运行策略，以运行成本最低为目标来实现削峰填谷.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.

由上述研究可知：传统的DC/AC控制策略虽然能实现分布式电源的并网，但距离参与配电网的主动运行管理尚有较大差异，这主要是由于这些传统的变流器控制策略缺乏一种与配电网融合的有效组织机制.另外，分布式电源并网变流器其开关特性、控制耦合及其输出阻抗差异引起的特殊电能质量问题如谐波、谐振、环流等干扰上传至电网，影响电网正常运行将成为常态，且分布式电源变流器存在惯性小、无法自适应网络阻抗、异构互联环境下的集群多源性扰动关联耦合严重、阻抗特性不固定问题，导致配网全局协调控制困难，易产生谐振；因此如何让分布式电源友好地并网，降低对电网安全运行的负面影响，是智能配电网亟需解决的重大问题.

针对上述问题，本文提出一种光储一体机并网点电压控制策略，该策略主要通过控制光伏组件按需要向储能蓄电池进行充电，并通过DC/AC变换器输出满足标准要求的交流电能与电网进行能量交换.旨在有效平滑光伏发电波动和降低光伏发电对配电网冲击的同时，提高负荷用电可靠性.其次提出了光储一体机的有功功率自调节方法，解决了线路末端因电压过高导致变流器频繁脱网的问题.

1 光储一体机并网点电压控制策略

1.1 光储一体机典型工作模式

光储一体机根据光伏、储能、负荷、电网的工作状态，对各功能单元的进行能量管理，实现太阳能的最大化利用，以及对蓄电池的充放电管理，在保证负荷稳定供电的前提下，根据并网点电压状态实时调整光储一体机工作状态，使系统始终工作在在最优状态.为实现以上控制目标，设定7种工作模式.

（1）工作模式1：当光伏电池发出的能量大于负荷需要时，多余的能量注入电网，向电网卖电获取收益.

（2）工作模式2：当光伏电池发出的能量大于负荷需要时，多余的能量向电池充电，避免负载出现电压过高现象.

（3）工作模式3：当光伏电池发出的电能不能满足负荷需要时，光伏电池与电网一起向负荷供电.

（4）工作模式4：当光伏电池发出的电能不能满足负荷需要，并且电网故障不能向电网提供能量时，光伏电池与电池一起向负荷供电.

（5）工作模式5：当光伏电池不能提供电能时，电网向负荷提供能量.

（6）工作模式6：当光伏电池不能向负载提供能量时，同时电网出现故障，电池独立向负载供电.

（7）工作模式7：停机.

1.2 光储一体机并网点电压控制策略

为判断光储一体机在不同工况下相应的工作模式，需要对光伏电池电压UPV、光伏电池电流IPV、并网点电压UG、电池荷电状态SOC、负荷功率PG进行采样.UPV、IPV用来计算光伏电池阵列输出功率PPV，并实现最大功率点跟踪.SOC用于判断蓄电池的工作状态，来判断蓄电池是否允许充放电.并网点电压用于判断电网电压是否出现越限及故障，设定N为1时电网故障，N为0时电网未出现故障.

光储一体机能量管理方案如图1所示.

图1 光伏储能一体机并网点电压制策略流程图Fig.1 Flow chart of grid connection voltage suppression strategy of photovoltaic energy storage all-in-one machine

当光伏电池不能提供能量时，如果电网未发生故障，一体机工作在工作模式5，反之则判断电池SOC状态是否高于最小限值SOCmin，一体机工作在工作模式6，否则工作在工作模式6.当光伏电池可以提供电能并且发出的电能大于负载需要，此时如果电网未发生故障，则向电网注入能量，一体机工作在工作模式1，当电网发生故障时，如果电池SOC小于最大限值时SOCmax，一体机工作在工作模式2，否则工作在工作模式6.当光伏电池可以发出能量，但提供的能量不能满足负荷需要时，如果电网未发生故障，则一体机工作在工作模式3，如果电网出现故障，并且SOC高于最小限值SOCmin时，一体机工作在工作模式4，否则工作在工作模式7.

1.3 光储一体机有功电压控制技术

为解决光伏发电引起的并网点电压高压与低压越限问题，本节提出一种基于下垂控制的光储一体机新型有功电压控制技术，如图2所示，当光储一体机并网点电压为220 V时，光伏电池发出的电能通过光储一体机逆变单元全部注入电网，蓄电池充电功率为零.当并网点电压高于220 V时，光储一体机按照设定的下垂规律降低注入配电网的功率，抑制并网点电压的升高，同时向蓄电池充电.当并网点电压大于设定的最大电压Umax时，光储一体机停止向配电网注入能量，最大限度抑制并网点电压的抬升，光伏电池发出的电能全部向电池充电.并网点电压低于220 V时，光伏电池发出的电能通过光储一体机全部注入电网，同时，蓄电池向电网注入有功，支撑电压至正常水平.

图2 基于下垂控制的有功电压控制原理图Fig.2 Principle diagram of active voltage control based on sagging control

下面介绍基于下垂控制的有功电压控制技术具体实现方法，如式（1）与式（2）所示，当电网电压UG处于220≤UG≤Umax区间时，为抑制并网点电压抬升，蓄电池充电功率Pbat按式（1）设定的下垂特性向蓄电池充电，同时向配电网注入功率PG.当UG＞Umax时，光伏电池发出的全部功率PMPPT通过光储一体机向蓄电池充电，并网功率PG下降至零.

当电网电压UG处于Umin≤UG≤220时，为抬升并网点电压，光储一体机控制蓄电池放电，蓄电池功率Pbat变为负值，与光伏电池一起向电网放电.当UG＞Umin时，光储一体控制控制蓄电池以最大功率放电，最大限度为配电网提供有功支撑.

2 仿真分析

起始时刻，光伏发出的能量大于负载所需能量，光储一体机工作在工作模式1，向负荷供电的同时，向电网注入能量，如图3（a）所示.当光伏电池输出的能量不能满足负荷需要时，光储一体机由工作模式1转入工作模式3，光伏电池与电网同时向负荷供电，如图3（b）所示.

图3 光储一体机工作模式1转工作模式3仿真波形Fig.3 Simulation waveform of optical storage all-in-one machine operating mode 1 to operating mode 3

起始时刻，光伏发出的能量大于负载所需能量，光储一体机工作在工作模式2，向负荷供电的同时，向蓄电池充电，如图4（a）所示.当光伏电池输出的能量不能满足负荷需要时，光储一体机由工作模式2转入工作模式4，光伏电池与蓄电池同时向负荷供电，如图4（b）所示.

图4 光储一体机工作模式2转工作模式4仿真波形Fig.4 Simulation waveform of optical storage all-in-one machine operating mode 2 to operating mode 4

起始时刻，假设电网故障，同时光伏电池不能提供能量，光储一体机工作在工作模式6，负荷所需能量全部由蓄电池提供，如图5（a）所示.当电网恢复时，光储一体机由工作模式6转入工作模式5，电网提供负荷所需的全部能量，如图5（b）所示.

图5 光储一体机工作模式6转工作模式5仿真波形Fig.5 Simulation waveform of optical storage all-in-one machine operating mode 6 to operating mode 5

对所提光伏储能一体机能量管理方案进行实验验证，如图6所示.起始时刻，光伏发出的能量小于负载所需能量，光储一体机工作在工作模式3，光伏电池与电网同时向负荷供电.当光伏电池输出的能量大于负荷需要时，光储一体机由工作模式3转入工作模式1，向负荷供电的同时向电网注入能量.

如图7所示，起始时刻，当光伏电池输出的能量不能满足负荷需要时，光储一体机工作在工作模式4，光伏电池与蓄电池同时向负载供电.当光伏电池输出的能量大于负载所需能量时，向负荷供电的同时，向蓄电池充电.光储一体机由工作模式4转入工作模式2.

图7 光储一体机工作模式4转工作模式2仿真波形Fig.7 Simulation waveform of the optical storage all-in-one machine operating mode 4 to operating mode 2

如图8所示，起始时刻，电网提供负荷所需的全部能量，工作在工作模式5.假设电网故障，同时光伏电池不能提供能量，光储一体机工作在工作模式6，负荷所需能量全部由蓄电池提供.

图8 光储一体机工作模式5转工作模式6仿真波形Fig.8 Simulation waveform of the optical storage all-in-one machine operating mode 5 to operating mode 6

对基于下垂特性的光储一体机有功电压控制方法进行验证，光照条件较好时，设定光伏电池发出的能量全部注入配电网，受线路阻抗影响，并网点电压大幅抬升至320 V左右，远高于允许的电压抬升范围，造成电压越限.为抑制电压抬升，光储一体机根据光伏电池、蓄电池与电网的工作状态，按照有功电压调节策略，协调三者工作，对蓄电池按下垂特性充电，如图9所示.

图9 光伏储能一体机有功电压调节波形图Fig.9 Power voltage adjustment waveform of the photovoltaic energy storage all-in-one machine

由图9可知，当光储一体机并网点电压为220 V时，光伏电池发出的电能通过光储一体机逆变单元全部注入电网，蓄电池充电功率为零.当并网点电压高于220 V时，光储一体机按照设定的下垂规律降低注入配电网的功率，抑制并网点电压的升高，同时向蓄电池充电.因此，可有效抑制并网点电压波动.

3 结论

本文通过对光储一体机关键技术的研究，可得出如下结论：

（1）基于逆变调控一体机的并网点电压自适应控制策略和光储一体机的有功功率自调节方法，当光储一体机并网点电压为220 V时，光伏电池发出的电能通过光储一体机逆变单元全部注入电网，蓄电池充电功率为零.当并网点电压高于220 V时，光储一体机按照设定的下垂规律降低注入配电网的功率，抑制并网点电压的升高，同时向蓄电池充电.有效解决了线路末端因电压过高导致变流器频繁脱网的问题，满足分布式电源接入多种电网工况需求，实现了分布式电源对电网的友好支撑.

（2）光储一体机既可以工作在并网模式，与电网一起向负荷供电，又可以在电网发生故障或者设备主动脱离电网时，快速切换至离网工作模式，保证负荷的连续供电.光储一体机可广泛应用于离网光伏电站、工业园区、医院、政府等高好可靠性供电场合.