基于PSCAD的光儲(chǔ)聯(lián)合微網(wǎng)控制仿真研究

蘇娟寧，吳羅長(zhǎng)，南海鵬

（西安理工大學(xué)，陜西西安　710048）

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基于PSCAD的光儲(chǔ)聯(lián)合微網(wǎng)控制仿真研究

蘇娟寧，吳羅長(zhǎng)，南海鵬

（西安理工大學(xué)，陜西西安710048）

摘要：光儲(chǔ)聯(lián)合微網(wǎng)的控制技術(shù)研究對(duì)提高微網(wǎng)可靠運(yùn)行具有十分重要的意義。針對(duì)光儲(chǔ)聯(lián)合微網(wǎng)的能量控制問(wèn)題，利用PSCAD平臺(tái)建立了基于主從控制的光儲(chǔ)聯(lián)合微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型。對(duì)光伏微電源，聯(lián)網(wǎng)/孤島模式下均采用了PQ控制方法；對(duì)儲(chǔ)能微電源，聯(lián)網(wǎng)模式采用同樣的控制方法，而孤島模式則采用了V/F控制方法。結(jié)果表明，采用該控制方法，聯(lián)網(wǎng)時(shí)能夠保證光儲(chǔ)微網(wǎng)的能量可控及雙向流動(dòng)；孤島時(shí)儲(chǔ)能微電源能夠?yàn)楣鈨?chǔ)微網(wǎng)提供穩(wěn)定的參考電壓和頻率，并調(diào)節(jié)與平抑光伏及負(fù)荷的功率波動(dòng)。實(shí)現(xiàn)了光儲(chǔ)聯(lián)合微網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)/孤島模式運(yùn)行下的能量可控性及良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性。

關(guān)鍵詞：光儲(chǔ)微網(wǎng)；聯(lián)網(wǎng)/孤島模式；V/F控制；PQ控制

為了協(xié)調(diào)分布式發(fā)電與電網(wǎng)間的矛盾，學(xué)者們提出微網(wǎng)[1-2]概念。光儲(chǔ)微網(wǎng)是由光伏微電源、儲(chǔ)能微電源和負(fù)荷組成的微型電力網(wǎng)。將獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)以微網(wǎng)結(jié)構(gòu)形式接入電網(wǎng)，能夠解決獨(dú)立光伏發(fā)電的分散性及其功率間歇性問(wèn)題，且能夠提高供電可靠性，充分利用太陽(yáng)能源。

目前，光儲(chǔ)微網(wǎng)在聯(lián)網(wǎng)/孤島運(yùn)行模式下保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行是現(xiàn)階段的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容[3]。其中，文獻(xiàn)[4-5]研究了包含儲(chǔ)能蓄電池的風(fēng)能與光伏混合微網(wǎng)模型，微網(wǎng)采用下垂控制策略在并網(wǎng)和孤島兩種模式中的運(yùn)行特性，但文中的下垂控制是有差調(diào)節(jié)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。文獻(xiàn)[6]研究了包含單級(jí)式光伏發(fā)電、微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)的混合微網(wǎng)模型，微型燃?xì)廨啓C(jī)在并網(wǎng)/孤島模式下分別采用PQ和基于下垂特性的V/F控制方法，驗(yàn)證了控制方式的可行性。而本文結(jié)合光伏微電源與蓄電池微電源及負(fù)荷形成光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)。光伏微電源聯(lián)網(wǎng)/孤島模式下均采用了PQ控制方法；儲(chǔ)能微電源聯(lián)網(wǎng)/孤島模式分別采用PQ控制和V/F控制方法，實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)時(shí)光儲(chǔ)微網(wǎng)的能量可控及雙向流動(dòng)；儲(chǔ)能微電源孤島時(shí)能夠?yàn)楣鈨?chǔ)微網(wǎng)提供穩(wěn)定的參考電壓和頻率，并調(diào)節(jié)與平抑系統(tǒng)功率波動(dòng)。

1　光儲(chǔ)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)

本文采用光儲(chǔ)微網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含光伏微電源、蓄電池微電源、負(fù)荷及交流型配電網(wǎng)等部分。其中蓄電池微電源作為主電源，光伏微電源作為從電源。光儲(chǔ)微網(wǎng)運(yùn)行控制策略由中央控制器實(shí)現(xiàn)。

光儲(chǔ)微網(wǎng)由公共連接點(diǎn)（point of commonCoupling，PCC）的閉合與斷開(kāi)控制聯(lián)網(wǎng)與孤島2種運(yùn)行狀態(tài)。聯(lián)網(wǎng)時(shí)，光儲(chǔ)微網(wǎng)的電壓和頻率由電網(wǎng)支撐，各微電源的控制方法均采用PQ控制方法。根據(jù)中央控制器指令，光伏微電源以最大功率輸出，保證最大化利用太陽(yáng)能源。負(fù)荷所需能量?jī)?yōu)先由光伏和蓄電池微電源提供，不足的部分由電網(wǎng)提供；若光儲(chǔ)微網(wǎng)提供能量大于負(fù)荷所需能量時(shí)，可將多余的能量反送給電網(wǎng)。

圖1　光儲(chǔ)微網(wǎng)基本結(jié)構(gòu)Fig. 1 Basic structure of the PV-ES micro-grid

孤島時(shí)，蓄電池微電源為光儲(chǔ)微網(wǎng)提供穩(wěn)定的參考電壓和頻率，且調(diào)節(jié)和平抑光伏微電源及負(fù)荷的功率波動(dòng)。當(dāng)光伏微電源所發(fā)功率大于負(fù)荷所需時(shí)，且蓄電池還可接收能量，則將多余功率輸送給蓄電池微電源，進(jìn)行充電儲(chǔ)能；當(dāng)光伏微電源所發(fā)功率大于負(fù)荷所需時(shí)，而蓄電池容量已達(dá)飽和狀態(tài)，則可適當(dāng)增加負(fù)荷；當(dāng)光伏微電源所發(fā)功率小于負(fù)荷所需，而蓄電池尚未達(dá)過(guò)放電狀態(tài)，則將由蓄電池微電源維持負(fù)荷正常運(yùn)行，若不足以供負(fù)荷需求，則切除部分負(fù)荷。

2　光伏電池模型

由光伏電池等值電路[6]，得數(shù)學(xué)方程為

式中：Iph為光生電流；Id為暗電流；Cj為結(jié)電容（可忽略）；Rsh為旁路電阻；Rs為串聯(lián)電阻；I0為反向飽和電流；n為二極管因子；q為電子電荷；k為波爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

文中采用PSCAD軟件中的模擬光伏電池模塊。該模塊考慮了太陽(yáng)能光照強(qiáng)度、溫度、串并聯(lián)個(gè)數(shù)等相關(guān)參數(shù)，通過(guò)改變其參數(shù)可進(jìn)行不同狀態(tài)下的仿真研究[7]。

3　光儲(chǔ)微網(wǎng)控制模型

3.1光伏微電源控制電路模型

李業(yè)平建構(gòu)的分析問(wèn)題的3個(gè)層面分別是，數(shù)學(xué)特征、文字特征和達(dá)到要求．從文字特征層面將數(shù)學(xué)例題分為“只有數(shù)字和文字的形式（PM）”以及“有圖表解釋或故事背景（IC）”兩類(lèi)[16]．根據(jù)這兩種分類(lèi)對(duì)兩版教科書(shū)有理數(shù)例題的文字特征進(jìn)行對(duì)比分析，繪制如圖8所示的柱狀圖．

光伏微電源選用兩級(jí)式控制結(jié)構(gòu)，前級(jí)為DCDC控制部分，主要包括光伏陣列、基于電導(dǎo)增量法[8]的MPPT控制部分；后級(jí)為DC-AC控制部分，經(jīng)過(guò)LC濾波等接入電網(wǎng)。圖2為光伏微電源控制結(jié)構(gòu)。

圖2　光伏微電源控制結(jié)構(gòu)Fig. 2 Control structure of the PV micro power

采集逆變器輸出電壓Uabc和電流iabc，用鎖相環(huán)SPLL跟蹤電網(wǎng)頻率，為abc/dq0變換提供參考角頻率w；光伏系統(tǒng)通過(guò)MPPT控制提供最大參考功率Ppv.ref，參考無(wú)功Qpv.ref可直接設(shè)定或由Qpv.ref=Ppv.max×tanθ得到；由功率控制模塊得參考idref和iqref，與實(shí)際id和iq比較，差值經(jīng)PI調(diào)節(jié)器、dq0/abc變換及電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)玫秸{(diào)制信號(hào)Uref，最后經(jīng)過(guò)SPWM調(diào)制控制逆變器gt1～gt6開(kāi)關(guān)器件。

3.2 PQ控制原理

聯(lián)網(wǎng)/孤島模式下，光伏逆變器均采用PQ控制，控制原理如圖3所示。外環(huán)為功率控制，內(nèi)環(huán)為電流控制，并通過(guò)選用前饋解耦控制引入電流狀態(tài)反饋，其控制方程如下：

圖3　光伏逆變器PQ控制原理Fig. 3 Principle of the PV inverter PQ control

其饋線電壓Uk（k=a、b、c）在dq坐標(biāo)系下如下：

將電流狀態(tài)反饋方程代入饋線電壓方程如下：

從而實(shí)現(xiàn)電流環(huán)解耦，d、q軸分別獨(dú)立控制。

3.3儲(chǔ)能微電源控制電路模型

圖4　蓄電池微電源控制結(jié)構(gòu)Fig. 4 Battery micro power control structure

3.4 V/F控制原理

根據(jù)圖4基本電路原理得，選擇濾波電容電壓為狀態(tài)變量，在dq坐標(biāo)系下，則電壓外環(huán)的控制方程如下：

從而得其電流內(nèi)環(huán)的參考電流如下：

聯(lián)網(wǎng)時(shí)，蓄電池逆變器采用PQ控制，開(kāi)關(guān)K與1端連接；孤島時(shí)，蓄電池逆變器采用V/F控制，開(kāi)關(guān)K 與0端連接。兩種模式共用電流內(nèi)環(huán)。其控制原理圖如圖5所示。

圖5　蓄電池逆變器的PQ和V/F控制原理Fig. 5 PQ and V/F control principle of battery inverter

4　仿真結(jié)果及分析

在PSCAD平臺(tái)搭建光儲(chǔ)微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)控制模型。光伏微電源采用的光伏陣列由10塊光伏板串連，并由20組并連構(gòu)成；每一塊光伏板由108塊電池單元串連，由4組并連形成。光儲(chǔ)微網(wǎng)中，蓄電池逆變器最大輸出30 kW，光伏逆變器在標(biāo)況下最大輸出20 kW。

光伏微電源仿真參數(shù)：逆變器直流側(cè)電壓Udc= 560 V，光伏陣列輸出側(cè)電容C=5 000 μF，Buck電路電感L=0.001 H，逆變器直流側(cè)電容C=8 000 μF，LC濾波電感L=8 mH，電容C=20 μF，為了防止發(fā)生諧振，設(shè)置濾波電阻R=0.001 Ω。

蓄電池微電源仿真參數(shù)：逆變器直流側(cè)電壓Udc= 800 V，DC-DC電路電感L=0.001 H，電容C=6 500 μF，LC濾波電感L=1 mH，電容C=200 μF，為了防止發(fā)生諧振，設(shè)置濾波電阻R=0.001 Ω。電網(wǎng)電壓取380 V，頻率為50 Hz。

1）聯(lián)網(wǎng)模式運(yùn)行，0～3 s時(shí)，S=800 W/m2，T= 25℃；3～4 s時(shí)，溫度保持不變，光照強(qiáng)度由800 W/m2變?yōu)? 000 W/m2；4～5 s，光照強(qiáng)度保持1 000 W/m2，溫度由25℃變?yōu)?5℃；5～10 s，保持標(biāo)準(zhǔn)狀況S=1 000 W/m2，T=25℃，0～7 s，負(fù)荷PL=60 kW；7～10 s，負(fù)荷PL=45 kW，Qpv.ref=0 kvar。仿真運(yùn)行10 s結(jié)果如下：

分析圖6—8得：聯(lián)網(wǎng)模式下，由2～5 s知，隨著光照強(qiáng)度與溫度階躍變化，光伏逆變器控制模塊快速調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓穩(wěn)定輸出，且能夠及時(shí)跟蹤其輸出最大功率。根據(jù)中央控制器給定指令，蓄電池逆變器輸出功率30 kW，光伏逆變器以最大功率輸出20 kW。由5～7 s知，光儲(chǔ)微網(wǎng)提供能量50 kW，而負(fù)荷消耗60 kW，則由電網(wǎng)（PCC）為其提供能量10 kW；由7～10 s知，光儲(chǔ)微網(wǎng)提供能量50 kW，而負(fù)荷消耗45 kW，則剩余5 kW饋送給電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)了光儲(chǔ)微網(wǎng)的能量可控性及其與電網(wǎng)的功率交換即能量雙向流動(dòng)。

圖6　光伏逆變器直流側(cè)電壓Fig. 6 PV inverter DC voltage

2）孤島模式運(yùn)行，光照強(qiáng)度和溫度分別保持1 000 W/m2和25℃；根據(jù)中央控制器給定指令，光伏陣列以最大功率輸出。0～4 s，負(fù)荷為PL=25 kW；4～6 s，負(fù)荷為PL=10 kW，Qpv.ref=0 kvar。仿真運(yùn)行6 s結(jié)果如下：

分析圖9—11得，孤島模式下，光伏逆變器輸出電流快速跟蹤蓄電池逆變器輸出電壓且同相位；根據(jù)中央控制器給定指令，光伏逆變器在標(biāo)準(zhǔn)狀況下以最大功率輸出20 kW，由2～4 s知，負(fù)荷消耗25 kW，則蓄電池微電源跟隨負(fù)荷變化輸出5 kW；由4～6 s知，負(fù)荷消耗10 kW，則光伏微電源將剩余10 kW能量饋送給蓄電池微電源。光儲(chǔ)微網(wǎng)的頻率波動(dòng)在±0.3 Hz內(nèi)，電壓波動(dòng)在其額定值的±5%內(nèi)，均滿(mǎn)足光儲(chǔ)微網(wǎng)運(yùn)行要求。

圖7　光伏、蓄電池逆變器及PCC點(diǎn)輸出功率Fig. 7 The output power of the inverter of PV and Battery and PCC

圖8　光伏逆變器側(cè)輸出電壓和電流Fig. 8 The output of voltage and current of the PV inverter

圖9　光伏與蓄電池逆變器輸出功率Fig. 9 The output power of the PV and battery inverter

圖10　光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)電壓Fig. 10 Voltage of the PV-ES micro-grid system

圖11　光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)頻率Fig. 11 Frequency of the PV-ES micro-grid system

5　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立基于主從控制的光儲(chǔ)微網(wǎng)系統(tǒng)模型，光伏微電源以最大功率輸出，保證最大化利用太陽(yáng)能源。聯(lián)網(wǎng)模式下，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)先由光儲(chǔ)微網(wǎng)提供能量，不足部分由電網(wǎng)提供；反之，若光儲(chǔ)微網(wǎng)提供能量大于負(fù)荷所需，則將多余的能量反送給電網(wǎng)。孤島模式下，實(shí)現(xiàn)了蓄電池微電源為光儲(chǔ)微網(wǎng)提供穩(wěn)定的參考電壓和頻率，且平抑功率波動(dòng)。因此，光儲(chǔ)微網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了在聯(lián)網(wǎng)/孤島模式運(yùn)行下的能量可控性及良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性，為微網(wǎng)的進(jìn)一步研究提供了依據(jù)。

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蘇娟寧（1989—），女，碩士研究生，主要從事電力系統(tǒng)的測(cè)量、控制與保護(hù)。

（編輯李沈）

Research on the Simulation of PV-ES Microgrid Based on PSCAD

SU Juanning，WU Luochang，NAN Haipeng
（Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

ABSTRACT：Researching control technology of the PV -Energy Storage micro-grid is of great significance to improve the reliable operation of the micro-grid. In order to address the energy control of the PV-ES micro-grid，in this paper，the model of the PV-ES combined generation system is established based on master-slave control by using PSCAD platform. In the PV micro power，the PQ control method is used in both the grid connection and isolation mode. In the battery micro power，the same control method is adopted in the connection mode but the V/F control method is used in the isolation mode. The results show that in the connection mode，the control methods can guarantee the control and two-way flow of energy. In the isolation mode，the battery system can provide stable reference voltage and frequency for the PV-ES micro-grid，and adjust and smooth the power fluctuation of the PV and load. In conclusion，the method proposed in this paper realizes the energy controllability and good dynamic regulation of the PVES micro-grid in the connection or isolation mode.

KEY WORDS：PV-ES micro-grid；connection or isolation mode；V/F control；PQ control

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-06-19。

文章編號(hào)：1674- 3814（2016）03- 0149- 05

中圖分類(lèi)號(hào)：TM72

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A