光儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)系統(tǒng)建模與低壓耐受能力的研究

張景明，李巖松，杜儒劍，劉君

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市 102206)

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光儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)系統(tǒng)建模與低壓耐受能力的研究

張景明，李巖松，杜儒劍，劉君

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京市 102206)

為了解決光伏系統(tǒng)隨機(jī)性強(qiáng)，且故障情況下低壓耐受能力差、直流母線(xiàn)過(guò)電壓、光伏發(fā)電效率低等問(wèn)題，將儲(chǔ)能技術(shù)引入光伏系統(tǒng)，形成了光儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)系統(tǒng)。對(duì)光儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了建模，提出了基于改進(jìn)的最大功率跟蹤技術(shù)和有功無(wú)功解耦控制的光伏并網(wǎng)模型，并對(duì)傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池三階動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。在Pscad/Emtdc平臺(tái)中建立光儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)系統(tǒng)的仿真模型，驗(yàn)證了該模型的正確性，在此基礎(chǔ)上分析了不同儲(chǔ)能容量配置對(duì)光伏并網(wǎng)低壓耐受能力的影響。仿真結(jié)果表明，采用合理的儲(chǔ)能配置能夠有效提高光伏系統(tǒng)的低壓耐受能力。

光伏系統(tǒng)；儲(chǔ)能；光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)；低壓耐受能力

0 引 言

隨著光伏發(fā)電的快速發(fā)展，并網(wǎng)光伏系統(tǒng)受到越來(lái)越多的重視與利用[1-3]。由于太陽(yáng)能具有的隨機(jī)性與波動(dòng)性較大且不可控，光伏系統(tǒng)的功率波動(dòng)較大。當(dāng)電網(wǎng)側(cè)發(fā)生故障引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致光伏電站效率下降甚至不能持續(xù)并網(wǎng)運(yùn)行，即光伏電站不具備較強(qiáng)的低壓耐受能力[4]。因此，引入儲(chǔ)能技術(shù)，研究光儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)系統(tǒng)模型，通過(guò)儲(chǔ)能配置改善光伏系統(tǒng)低電壓耐受能力差的問(wèn)題已經(jīng)成為近年來(lái)電力系統(tǒng)新能源領(lǐng)域的重要課題。

目前光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模和研究成果，主要集中在光伏電站運(yùn)行特性和最大功率跟蹤方法(maximum power point tracking，MPPT)等方面[5-8]。儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)的研究也取得了一定的進(jìn)展，對(duì)幾種蓄電池的建模大多采用詳細(xì)模型，考慮了電池內(nèi)部特性[9-11]。利用儲(chǔ)能系統(tǒng)平滑功率波動(dòng)可以提高發(fā)電功率輸出的穩(wěn)定性，針對(duì)可再生能源(大型風(fēng)電場(chǎng)和光伏電站)的隨機(jī)性，為減小風(fēng)電場(chǎng)或光伏電站功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的不利影響、減小功率分鐘級(jí)的波動(dòng)量，蓄電池儲(chǔ)能電站大多應(yīng)用于平抑隨機(jī)輸出功率波動(dòng)的研究[12-15]。

目前，國(guó)內(nèi)外的光伏-儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的研究主要針對(duì)于解決功率波動(dòng)的問(wèn)題，而對(duì)光伏電站并網(wǎng)的低壓耐受能力的研究相對(duì)較少。因此，開(kāi)展儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于光伏電站并網(wǎng)的研究，建立光儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)的模型并針對(duì)光伏并網(wǎng)存在的問(wèn)題設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膮f(xié)調(diào)控制策略是十分必要的。

本文對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)建模，提出新的MPPT方法和有功無(wú)功解耦的并網(wǎng)控制方法；簡(jiǎn)化傳統(tǒng)的鉛酸電池的三階動(dòng)態(tài)模型；針對(duì)交流母線(xiàn)故障時(shí)光伏電站的低壓耐受能力差的問(wèn)題提出儲(chǔ)能協(xié)調(diào)運(yùn)行策略并進(jìn)行仿真分析。

1 光伏并網(wǎng)模型

1.1 光伏電池原理

基于單二極管模型的光伏電池的等效電路如圖1所示。

圖1 基于單二極管模型光伏電池等效電路

考慮到串聯(lián)電阻Rs很小而并聯(lián)電阻Rsh很大，光伏電池輸入輸出特性為

(1)

式中：IPV、ES分別為光伏電池的輸出電流、輸出電壓；C1、C2是計(jì)算系數(shù)，其計(jì)算式為

(2)

式中：Im、ISC、Vm、VOC是光伏電池的參數(shù)，Im和Vm分別為光伏電池的最大功率點(diǎn)電流和電壓；ISC和VOC是光伏電池的短路電流和開(kāi)路電壓。

1.2 MPPT控制

實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制的常用方法包括恒定電壓法、電導(dǎo)增量法、模糊控制法、最優(yōu)梯度法、間歇掃描法、爬山法等。本文利用恒電壓法響應(yīng)快與爬山法定位精確的優(yōu)點(diǎn)，提出將二者相結(jié)合的方法，當(dāng)工作點(diǎn)偏離最大工作點(diǎn)較大時(shí)采用恒電壓法快速定位，而在最大工作點(diǎn)附近則應(yīng)用爬山法進(jìn)行細(xì)微調(diào)節(jié)，使工作點(diǎn)逐漸接近最大功率點(diǎn)。具體控制流程如圖2所示，其中Ut、It、Pt分別為t時(shí)刻的電壓、電流與有功功率，Um、Uref是恒電壓法輸出電壓和MPPT控制輸出參考電壓，dU、ΔU分別是電壓偏差閾值與擾動(dòng)電壓。

圖2 MPPT方法流程圖

1.3 并網(wǎng)控制

光伏并網(wǎng)電路如圖3中所示，逆變器輸出的三相交流電壓、電流分別為Ucabc、Iabc；電網(wǎng)電壓為Usabc，并假設(shè)電網(wǎng)電壓為三相平穩(wěn)的純正弦波；由于實(shí)際的功率開(kāi)關(guān)由理想開(kāi)關(guān)與損耗電阻串聯(lián)構(gòu)成，將功率開(kāi)關(guān)損耗電阻同交流濾波電阻合并，用R表示等效電阻；交流濾波電感用L表示；直流側(cè)的電壓電流為Udc、Idc。

圖3 光伏并網(wǎng)拓?fù)?/p>

根據(jù)電路，時(shí)變微分方程為

(3)

為了實(shí)現(xiàn)有功功率與無(wú)功功率的解耦控制，對(duì)微分方程應(yīng)用派克變換，派克變換公式為

(4)

式中θ=ωt+θ0，θ0表示零時(shí)刻的d軸與α軸的角度。

若d軸以電網(wǎng)電壓Us定位(即Usq為0)，且假設(shè)d軸與α軸的角度θ0為0。則dq0坐標(biāo)下的有功功率與無(wú)功功率表達(dá)式為

(5)

(6)

式中：id與iq分別是逆變器輸出交流電流的d、q軸分量，d、q軸相互耦合。采用狀態(tài)反饋法進(jìn)行解耦，并加入電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)前饋補(bǔ)償，即可實(shí)現(xiàn)d、q軸電流的解耦控制。經(jīng)處理后，id就是電流有功分量，iq就是電流無(wú)功分量。光伏并網(wǎng)的逆變器控制結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中的直流電壓參考值Udcref與直流電壓Udc的差值經(jīng)PI控制器后作為有功電流分量的參考值id*；而無(wú)功電流部分的控制模型將無(wú)功電流參考值設(shè)為0，即不發(fā)出無(wú)功功率。

圖4 光伏并網(wǎng)的逆變器控制結(jié)構(gòu)示意圖

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)模型

2.1 電池儲(chǔ)能簡(jiǎn)化模型

三階動(dòng)態(tài)模型多用于長(zhǎng)期應(yīng)用的研究，考慮因素多，建模過(guò)程復(fù)雜，給應(yīng)用帶來(lái)不便，本文針對(duì)交流側(cè)故障情況下的光儲(chǔ)控制模型進(jìn)行研究，對(duì)原有模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到適用的電磁暫態(tài)模型。

三階動(dòng)態(tài)模型的元件參數(shù)與荷電狀態(tài)(state of charge，SOC)、電解液溫度和充放電電流這3個(gè)變量有關(guān)，而電力系統(tǒng)中的電磁暫態(tài)過(guò)程的時(shí)間通常在幾十ms內(nèi)。蓄電池以10倍額定電流放電1 s時(shí)，SOC的變化值約為0.26%，近似認(rèn)為SOC在電磁暫態(tài)過(guò)程中保持其初值不變，進(jìn)而忽略其對(duì)電池參數(shù)的影響。同時(shí)，電池電解液溫度在實(shí)際工作中很難在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行精確測(cè)量，認(rèn)為電解液溫度在電磁暫態(tài)過(guò)程中保持恒定。并且短時(shí)內(nèi)放電時(shí)RC環(huán)節(jié)的作用不明顯，電池的模型結(jié)構(gòu)可以等效1個(gè)電壓源串聯(lián)1個(gè)內(nèi)阻，電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 蓄電池簡(jiǎn)化模型

圖中E0為電池模型開(kāi)路電壓，其值等于理想電壓源電壓，Vb為放電時(shí)電池模型的端電壓，R為等效內(nèi)阻，I為放電電流。等效內(nèi)阻為

(7)

保持SOC初值和電解液溫度不變，選擇不同的放電電流對(duì)電池模型進(jìn)行放電，放電電流范圍為(0.1～10)電池標(biāo)稱(chēng)容量，放電時(shí)長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。在不同放電電流下，等效內(nèi)阻的差值為最小內(nèi)阻值的1.5%。因此短時(shí)間內(nèi)放電時(shí)，認(rèn)為等效內(nèi)阻與放電電流無(wú)關(guān)。

保持充放電電流和電解液溫度不變，選擇不同的SOC初值(取值范圍0.05～0.95)對(duì)電池模型進(jìn)行充放電。圖6為不同SOC初值所對(duì)應(yīng)的等效內(nèi)阻，圖中PSOC為SOC數(shù)值。

正常情況下，電池的SOC值一般為0.2～0.8，由圖6可知在充放電兩種運(yùn)行狀態(tài)下的等效內(nèi)阻相同。采用多項(xiàng)式擬合得到內(nèi)阻計(jì)算公式。

簡(jiǎn)化模型中理想電壓源為

(9)

式中：Em0、KE均為常數(shù)，與電池規(guī)格有關(guān)；T為電解液初始溫度，一般設(shè)為環(huán)境溫度。

圖6 等效內(nèi)阻

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)配置

根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)原理及模型的結(jié)構(gòu)，主要考慮接入位置和功率容量的影響。考慮低電壓耐受能力是光伏電站的自身特性，相對(duì)于分散配置而言，集中配置的方式更加方便，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)雙向的DC/DC變換器接入光伏系統(tǒng)的直流母線(xiàn)。光儲(chǔ)系統(tǒng)及其控制模塊的拓?fù)鋱D如圖7所示。

圖7 光儲(chǔ)聯(lián)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

3 協(xié)調(diào)仿真

在詳細(xì)建模的基礎(chǔ)上，本文先對(duì)不加儲(chǔ)能的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的低壓耐受能力進(jìn)行仿真，討論儲(chǔ)能協(xié)調(diào)的配置方式，并進(jìn)一步驗(yàn)證模型的正確性和儲(chǔ)能協(xié)調(diào)提高光伏低壓耐受能力的有效性。

3.1 光伏發(fā)電并網(wǎng)仿真

本文算例采用單機(jī)-無(wú)窮大系統(tǒng)。系統(tǒng)容量基值1 MVA，光伏發(fā)電的輸出功率為1 MW，光伏并網(wǎng)經(jīng)變壓器接入三相交流系統(tǒng)。固定溫度25 ℃，光照在1 000 W/m2情況下，設(shè)置網(wǎng)絡(luò)故障，在交流并網(wǎng)母線(xiàn)發(fā)生三相短路接地故障，接地阻抗為0.001 Ω，并網(wǎng)點(diǎn)電壓下降70%，故障持續(xù)時(shí)間1 s。直流輸出功率、直流電容電壓和直流電流的變化情況如圖8所示。在不配置儲(chǔ)能的情況下，比較不同的MPPT方法對(duì)于光伏系統(tǒng)和直流母線(xiàn)的影響。

圖8 故障情形下光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出

由圖8可看出：故障發(fā)生后，并網(wǎng)點(diǎn)電壓降落，同時(shí)并網(wǎng)電流上升，光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出下降，導(dǎo)致直流電容電壓升高了30%以上，已經(jīng)嚴(yán)重超出了正常運(yùn)行范圍，同時(shí)光伏發(fā)電的效率也降低到不足40%。另外，比較圖8(a)、(b)可以看出，采用恒電壓法時(shí)，在故障發(fā)生和切除時(shí)刻光伏電池有功功率才會(huì)出現(xiàn)最大值，在故障前后的穩(wěn)態(tài)時(shí)刻有功輸出都低于最大值，而采用改進(jìn)MPPT方法則能夠有效地改善這一情況。

因此，在故障狀態(tài)下光伏電站不具備低壓耐受能力，必須通過(guò)儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)來(lái)解決這一問(wèn)題。

3.2 儲(chǔ)能配置仿真

在光伏系統(tǒng)并網(wǎng)仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的光儲(chǔ)聯(lián)合并網(wǎng)模型進(jìn)行仿真分析，對(duì)功率容量分別配置為光伏系統(tǒng)容量的30%和50%這2種情況仿真。另外，本文中的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)并不承擔(dān)無(wú)功調(diào)節(jié)的作用，主要分析儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置對(duì)于交流母線(xiàn)故障引起的直流母線(xiàn)電壓過(guò)高和光伏系統(tǒng)效率過(guò)低的問(wèn)題影響。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功占比都為100%。

當(dāng)功率容量達(dá)到50%時(shí)，才能明顯提高光伏電站的低壓耐受能力，直流輸出功率、直流電容電壓和直流電流的變化情況如圖9所示。

由圖9可看出，當(dāng)儲(chǔ)能配置功率容量為30%時(shí)，故障時(shí)的直流母線(xiàn)電壓最大值不超過(guò)正常值的120%，有了顯著的下降，同時(shí)光伏系統(tǒng)輸出功率也有了明顯提高；當(dāng)功率容量為50%時(shí)，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在故障情況下仍然能夠維持高效的運(yùn)行，直流電壓控制在正常值的110%以?xún)?nèi)且光伏發(fā)電效率能達(dá)到將近80%，光伏系統(tǒng)已經(jīng)有了較強(qiáng)的低壓耐受能力。

圖9 不同儲(chǔ)能容量配置的低壓耐受能力仿真結(jié)果

4 結(jié) 論

(1)建立光伏發(fā)電并網(wǎng)模型，提出了新的MPPT方法和有功無(wú)功解耦的逆變器控制策略。

(2)對(duì)鉛酸蓄電池的三階動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行建模分析，針對(duì)特定的時(shí)間尺度進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化。

(3)對(duì)配置儲(chǔ)能前后的光伏發(fā)電并網(wǎng)模型仿真分析，進(jìn)一步驗(yàn)證模型的正確性和儲(chǔ)能協(xié)調(diào)提高光伏低壓耐受能力的有效性。

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(編輯：蔣毅恒)

Modeling and Low Voltage Tolerance Ability Study of Solar-Battery Hybrid Generation System

ZHANG Jingming, LI Yansong, DU Rujian, LIU Jun

(School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

To solve the randomness of photovoltaic (PV) system and low voltage tolerance ability under fault, the over voltage of DC bus, the low efficiency of PV power generation and so on, this paper brought energy storage technology into PV system, and formed solar-battery hybrid system. Detailed modeling of solar-battery co-generation system was studied, and a PV grid model was constructed based on improved maximum power tracking technology and the decoupling control of active and reactive power. The third-order dynamic model of lead-acid batteries had been simplified. In PSCAD/EMTDC, the simulation model of solar-battery hybrid system was established and the simulation results verified the correctness of the model. Furthermore, the impact of energy storage capacity on the low voltage tolerance ability of PV grid was compared. The simulation results show that reasonable storage configurations can effectively improve the low voltage tolerance ability of PV system.

photovoltaic system; energy storage; solar-battery hybrid system; low voltage tolerance ability

E0=Em0-KE(273+T)(1-PSOC)

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51277066)。

TM 615

A

1000-7229(2015)04-0027-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.04.005

2014-09-19

2014-11-14

張景明(1990)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制；

李巖松(1970)，男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制；

杜儒劍(1989)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)分析與控制；

劉君(1970)，女，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楣鈱W(xué)電流互感器及電力系統(tǒng)分析運(yùn)行與控制。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China(NSFC)(51277066).