基于PR控制三相光伏并網(wǎng)的混合儲能控制研究

周子恒，崔景順

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002;2.國網(wǎng)四川省電力公司遂寧供電公司，四川 遂寧 629001)

1 引言

經(jīng)過長時(shí)間的發(fā)展，光伏發(fā)電已經(jīng)從以前的孤網(wǎng)系統(tǒng)開啟了向并網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展的時(shí)代。在并網(wǎng)的控制策略中，比例諧振控制(PR控制［1］)與比例積分控制(PI控制［2］)相比，穩(wěn)態(tài)性能更佳，故前者更傾向于用來在逆變過程中進(jìn)行并網(wǎng)電流的控制。光伏電池的輸出功率不僅與其自身的結(jié)構(gòu)聯(lián)系密切，還與光照強(qiáng)度和負(fù)荷等外部環(huán)境的影響有關(guān)，在此背景下，人們對最大功率跟蹤控制［3］進(jìn)行了廣泛研究。但光照條件和負(fù)載的改變?nèi)詴构夥娬静⒕W(wǎng)點(diǎn)的輸出功率產(chǎn)生波動，故蓄電池、超級電容和飛輪常被用作并網(wǎng)點(diǎn)功率平抑［4］的儲能元件，成為完善微網(wǎng)功能的途徑，混合儲能［5－6］也成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

本文研究了基于PR控制三相光伏并網(wǎng)條件下的混合儲能控制方式，介紹了PR控制的控制方式以及蓄電池和超級電容這兩個(gè)元件的控制策略。鉛酸電池能量密度較大，能夠擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)長期的儲能設(shè)備，而超級電容功率密度較大，可作為短期儲能設(shè)備來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的即時(shí)變化功率。考慮到以上兩點(diǎn)，本文使用了一種混合儲能系統(tǒng)，將蓄電池和超級電容兩種元件結(jié)合起來。該方法將可平抑較短時(shí)間大功率波動和較長時(shí)間小功率波動的控制方法結(jié)合起來作為蓄電池的控制策略，將可使直流母線電壓穩(wěn)定的方法作為超級電容的控制策略。本文最后利用Matlab/Simulink仿真軟件，獲得了能為系統(tǒng)提供有功的各能量單元的功率波形，驗(yàn)證了本方法有效。

2 三相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

圖1顯示了本文模型的基本架構(gòu)。該框架可以完成最大功率跟蹤、并網(wǎng)逆變和功率控制等基本目標(biāo)。MPPT的運(yùn)用可以讓光伏電池保持一直在最大功率點(diǎn)工作;使用Boost電路的目的是把輸入光伏陣列的低電壓提升的更高，并將所得的較高電壓提供給三相逆變器;三相逆變器用于實(shí)現(xiàn)逆變，并將光伏電源和大電網(wǎng)相連;而直流側(cè)的兩個(gè)雙向DC－DC變換電路與蓄電池及超級電容共同組成的兩組儲能設(shè)施則為平抑并網(wǎng)點(diǎn)有功做出貢獻(xiàn)。Boost電路和兩個(gè)雙向DC－DC變換電路共同向逆變器輸入的是 的直流電壓，而與LC濾波器相連的是交流大電網(wǎng)。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 光伏電池模型

光伏電池是光伏電站能量的核心來源。圖2所示光伏電池等效電路中串聯(lián)的電阻Rs是為了消除電池電極表面層橫向電流的影響。光照強(qiáng)度S、電池面積和溫度T三者共同影響光生電流Iph的大小。Rsh是分路電阻。I0為PN結(jié)的正向電流。單個(gè)光伏電池功率太小，對電網(wǎng)影響甚微，而將一定數(shù)量的光伏電池進(jìn)行串聯(lián)及并聯(lián)，形成光伏陣列，可以增大功率的輸出，故在真實(shí)的光伏電站中光伏電池常以光伏陣列的形式存在。

圖2 單體光伏電池的等效電路

簡化以上電路表示的光伏電池，本文系統(tǒng)使用的電池模型為:

式中，S和T代表光伏電池的光照強(qiáng)度和溫度，Sref和Tref則代表它們的參考值，根據(jù)本文所用電池的屬性，兩者取1000W/m2和25℃。a是電流變化溫度系數(shù)(A/℃);b是電壓變化溫度系數(shù)(V/℃);Rs為光伏陣列的串聯(lián)電阻(Ω);V是光伏電池工作時(shí)的電壓(V)，I是光伏電池工作時(shí)的電流(A);Im為該電池工作在最大功率點(diǎn)的電流(A)，Vm為該電池工作在最大功率點(diǎn)的電壓(V);Isc是短路電流(A)，Voc是開路電壓(V)。

2.3 最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)

MPPT通過控制端電壓等參量，提高光伏電池的效率，以達(dá)到最大程度利用光能的目的，始終使之自動地工作在最大功率點(diǎn)。一般使用的MPPT方法有擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、恒定電壓法及各種改良方法和智能算法。本文使用的是擾動觀察法。它的大致方法是使光伏模塊在某參考電壓處進(jìn)行采樣，計(jì)算當(dāng)前的輸出功率，接著對光伏模塊的電壓施以一正方向擾動并再次計(jì)算輸出功率，如果比前一次大，則表明下一次應(yīng)保持先前的擾動方向，即繼續(xù)使參考電壓增大;而如果比前一次小，則表明下一次應(yīng)改變擾動方向，即讓參考電壓減小。該方法就是通過這樣不停地?cái)_動直到使系統(tǒng)輸出最大功率。本方法所需參數(shù)少，結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，圖3表示了其詳細(xì)步驟。

圖3 擾動觀察法步驟圖

2.4 光伏并網(wǎng)的控制策略

本文用于三相光伏并網(wǎng)的PR控制策略見圖4。在并網(wǎng)的控制過程中，本文并未采用Simulink中3橋臂的Universal Bridge這個(gè)模塊，而選擇6個(gè)兩兩配對的開關(guān)管來實(shí)現(xiàn)逆變功能，在此情況下，并網(wǎng)過程需要對三相分別控制，各相的控制方法相同，只是相角不同。光伏模塊在并網(wǎng)過程中，有兩個(gè)環(huán)起重要作用，即直流電壓環(huán)和并網(wǎng)電流環(huán)。直流電壓外環(huán)在PI環(huán)節(jié)的作用下能夠維持直流母線的電壓穩(wěn)定，還可控制并網(wǎng)電流環(huán)的電流參考值。A相參考電流信號Iref的相角θ由PLL檢測的電網(wǎng)A相電壓相位角給定，其他各相在此基礎(chǔ)上加上或減去120°得到。電流內(nèi)環(huán)中，各相的實(shí)際電流ia，ib和ic與iref作差后的差值經(jīng)PR控制器［1，7］和PWM發(fā)生器后得到3個(gè)PWM波以及它們求逆后得到的3個(gè)新PWM波共同驅(qū)動6個(gè)兩兩配對的開關(guān)管，從而使得光伏模塊能夠成功并網(wǎng)。

圖4 三相光伏并網(wǎng)控制策略的框圖

圖5 PR控制器的Matlab仿真模型

3 混合儲能單元的控制策略

3.1 蓄電池的控制策略

對于持續(xù)時(shí)間很短且幅度很大的功率波動，為了讓并網(wǎng)輸出功率保持平整，本文對DC－DC變換電路采用雙環(huán)控制算法［10］。在此算法中，功率環(huán)充當(dāng)外環(huán)，電流環(huán)充當(dāng)內(nèi)環(huán)。設(shè)光伏模塊功率值為PPV，將其通過低通濾波電路，濾掉高頻量。濾波后所得的功率參考值用P*PV表示，蓄電池功率的參考值P*Bat則由以上兩者作差得到。將蓄電池的實(shí)際功率PBat與其參考值P*相減得到的誤差信號輸入功率外環(huán)的PI環(huán)節(jié)，再Bat將該P(yáng)I環(huán)節(jié)的輸出量通過限幅環(huán)節(jié)，達(dá)到限制蓄電池工作電流的要求，同時(shí)獲取電感的電流參考值I*L。接下來將電感的實(shí)際電流IL與其參考值I*L相減得到的誤差信號輸入電流內(nèi)環(huán)的PI環(huán)節(jié)，再通過PWM調(diào)制成PWM波，驅(qū)動雙向DC－DC變換電路的開關(guān)。

而對于持續(xù)時(shí)間稍長且幅度較小的功率波動，采用電流單環(huán)控制。此時(shí)雙向DC－DC變換電路可以控制流經(jīng)電感電流的大小以及方向，實(shí)現(xiàn)固定功率值功率的雙向流動，同時(shí)變換電路也起到使并網(wǎng)點(diǎn)有功功率保持穩(wěn)定的作用。其中Pd=Pset－PPV是蓄電池的功率參考值，將其除以蓄電池端電壓值得到電感電流參考值i*L。將i*L與實(shí)際獲得的電感電流iL相減得到的誤差通過PI環(huán)節(jié)，再通過PWM調(diào)制成PWM波，驅(qū)動雙向DC－DC變換電路的開關(guān)。

本文將后者作為前者的補(bǔ)充，以并網(wǎng)點(diǎn)功率Pinverter與光伏模塊輸出功率PPV之差的絕對值|d|作為兩種方法的選擇信號，當(dāng)|d|≥dref時(shí)，選擇上面提到的第一種方法即雙環(huán)控制法，當(dāng)|d|＜dref時(shí)，選擇上面提到的第二種方法即單環(huán)控制法。采取以上策略的蓄電池控制框圖見圖6。

圖6 蓄電池的控制框圖

3.2 超級電容的控制策略

在前面提到的光伏并網(wǎng)控制策略中，PR法已經(jīng)有了一個(gè)直流電壓的穩(wěn)定控制環(huán)節(jié)且大部分的功率平抑功能已經(jīng)由蓄電池完成，但在光伏電站并網(wǎng)發(fā)電的瞬間，存在光伏模塊還未到達(dá)最大功率輸出的階段，需要較大容量的功率來補(bǔ)足缺額，這一缺額除了由大電網(wǎng)提供外，還可加入其他的儲能元件來共同完成，由于蓄電池的功率密度不及超級電容，故選用超級電容。

超級電容利用雙閉環(huán)控制策略［11］進(jìn)行控制，在兩環(huán)的共同作用下，本策略能維持直流母線電壓Udc和給定的電壓參考值Udc－ref相等。本策略將直流母線電壓控制環(huán)作為外環(huán)，超級電容工作電流控制環(huán)作為內(nèi)環(huán)，兩環(huán)的結(jié)構(gòu)見圖7中的控制框圖。直流母線電壓Udc與電壓參考值Udc－ref相減得到的差值經(jīng)PI環(huán)節(jié)輸出超級電容的電流參考值I*L3，該值再與實(shí)際電流I'L相減得到的差值經(jīng)PI環(huán)節(jié)得到PWM載波。最后將此PWM載波和調(diào)制波進(jìn)行比較，獲得上下橋臂的PWM脈沖信號。

圖7 超級電容的控制框圖

4 算例仿真

為了驗(yàn)證作者的蓄電池－超級電容儲能單元與采用PR控制的光伏并網(wǎng)模型能夠有效配合，同時(shí)又可平抑光伏并網(wǎng)點(diǎn)有功功率的波動，本文在Matlab/Simulink環(huán)境下對基于混合儲能的光伏并網(wǎng)微網(wǎng)的能量單元及主要元件進(jìn)行了建模。

基于圖4的架構(gòu)，作者搭建了小型光伏及蓄電池－超級電容混合儲能模型。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下:本文選用尚德(SUNTECH)公司的 STP175S－24Ac光伏模塊［12］構(gòu)成410的光伏陣列。在標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度 Sref=1000W/m2和標(biāo)準(zhǔn)溫度Tref=25℃的情況下，短路電流Isc=5.2A，開路電壓Voc=44.2V。工作在最大工作點(diǎn)時(shí)，Im=4.95A，Vm=35.2V。直流母線的參考電壓是900V，蓄電池容量是500Ah，超級電容容量是600F。仿真步長1×10－6s，仿真時(shí)間為1s。本算例指定的時(shí)間段內(nèi)，在標(biāo)準(zhǔn)溫度下，初始光照強(qiáng)度為1000W/m2，在0.2s時(shí)突然下降到 700W/m2，0.201s恢復(fù)到1000W/m2，在 0.3s 時(shí)突然上升到 1300W/m2，0.301s恢復(fù)到 1000W/m2，在 0.45s下降到 900W/m2，在0.55s恢復(fù)到1000W/m2，在0.65s上升到1100W/m2，在0.75s恢復(fù)到1000W/m2。本文所建系統(tǒng)的初始負(fù)荷為14kW+3kVar，在 0.85s切去800W，在0.95s恢復(fù)到初始負(fù)荷。光照、負(fù)荷變化如圖8所示。

圖8 光照條件變化和系統(tǒng)負(fù)荷變化

圖9所示為在以上光照和負(fù)荷變化條件下的光伏模塊、大電網(wǎng)、蓄電池和超級電容四大有功來源方的有功功率變化。由圖9可得，光伏模塊在0.2s和0.3s處開始出現(xiàn)的兩個(gè)幅值變化大、持續(xù)極短的功率波動由大電網(wǎng)、蓄電池和超級電容三者共同平抑，此三者的有功功率在這兩段時(shí)間內(nèi)均有波動。光伏模塊在0.45s和0.65s開始出現(xiàn)的兩個(gè)幅值變化小、持續(xù)稍長的兩個(gè)波動主要由蓄電池平抑。系統(tǒng)負(fù)荷在0.85s出現(xiàn)的波動，主要由大電網(wǎng)平抑。

圖10所示為在三相光伏并網(wǎng)PR控制策略和超級電容的電壓穩(wěn)定環(huán)節(jié)作用下，直流母線電壓的變化情況。由圖10可知，直流母線電壓穩(wěn)定在上下，達(dá)到了預(yù)期效果。

圖9 各部分所提供有功的變化

圖11所示為光伏并網(wǎng)點(diǎn)的輸出有功功率，此處的有功功率維持在6kW左右?？梢?，算例中設(shè)置的各種功率波動并未影響光伏并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率，可見本文設(shè)置的蓄電池－超級電容混合儲能控制與本文采用的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)PR控制配合良好，起到了平抑功率的作用。

圖10 直流母線電壓

圖11 光伏并網(wǎng)點(diǎn)有功功率

5 結(jié)論

本文對三相光伏并網(wǎng)點(diǎn)輸出有功功率波動的問題進(jìn)行了研究，設(shè)置了一種基于蓄電池一超級電容的混合儲能控制方法，在PR控制三相光伏并網(wǎng)的基礎(chǔ)上利用雙向DC－DC變換電路實(shí)現(xiàn)了對三相光伏并網(wǎng)點(diǎn)有功功率的平抑。仿真結(jié)果表明:

(1)本文的蓄電池一超級電容控制方法和光伏三相并網(wǎng)的PR控制配合良好。

(2)本文應(yīng)用于混合儲能元件的控制方法，能有效地實(shí)施充放電。

(3)在本文設(shè)定的光照和系統(tǒng)負(fù)荷變化的情況下，三相光伏并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率在該蓄電池一超級電容系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下能保證較平穩(wěn)的輸出。

綜上所述，本文設(shè)計(jì)的混合儲能控制方法能平抑光伏并網(wǎng)點(diǎn)的有功功率，對光伏發(fā)電有一定的意義。

［1］孟建輝，石新春，付超，等.基于PR控制的光伏并網(wǎng)電流優(yōu)化控制［J］.電力自動化設(shè)備，2014，31(2):42－47.

［2］王成山，肖朝霞，王守相.微網(wǎng)綜合控制與分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32(7):98－103.

［3］楊永恒，周克亮.光伏電池建模及MPPT控制策略［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26(S1):229－234.

［4］邱培春，葛寶明，畢大強(qiáng).基于蓄電池儲能的光伏并網(wǎng)發(fā)電功率平抑控制研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(3):29－33.

［5］張冰冰，邱曉燕，劉念，等.基于混合儲能的光伏波動功率平抑方法研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(19):103－109.

［6］李騰飛，秦亞斌，肖春，等.孤網(wǎng)運(yùn)行微電網(wǎng)中混合儲能管理與控制策略研究［J］.水電能源科學(xué)，2014，32(6):180－184.

［7］楊勇，趙春江.分布式發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器比例諧振控制［J］.電力自動化設(shè)備，2011，31(11):51－55.

［8］ZMOOD D N，HOLMES D G，BODE G H.Frequency-domain analysis of three-phase linear current regulators［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2001，37(2):601－610.

［9］ZMOOD D N，HOLMES D G.Stationary frame current regulation of PWM inverters with zero steady－ state error［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18(3):814－822.

［10］張興科.光伏并網(wǎng)發(fā)電功率波動與對策［J］.電網(wǎng)與清潔能源，2011，27(6):55－60.

［11］田慧雯，李咸善，陳鐵，等.基于混合儲能的光伏微網(wǎng)孤網(wǎng)運(yùn)行的綜合控制策略［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014，42(19):122－128.

［12］王鋒，張淼，張矛盾.基于S函數(shù)的實(shí)用光伏模塊Matlab仿真［J］.廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，25(4):69－72.