基于分層控制的光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量提升方法*

曾正，郭寶甫，孫芊，荊驍睿

（1.重慶大學(xué)輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044；2.許繼集團(tuán)有限公司，河南許昌461000；3.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院，鄭州450052）

0 引 言

我國(guó)幅員遼闊，電力資源和電力負(fù)荷沿東西走廊呈逆向分布，高壓遠(yuǎn)距離在很長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)無(wú)法避免［1-3］。然而，研究結(jié)果表明新能源的大規(guī)模遠(yuǎn)距離傳輸暴露出諸多弊端，譬如風(fēng)、光集中電站的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題、輸電走廊的限制問(wèn)題等［4-6］。因此，在負(fù)荷較重的東部地區(qū)發(fā)展分布式發(fā)電技術(shù)具有重要的前景。隨著對(duì)可再生能源的需求日益加大，以及對(duì)分布式新能源的政策激勵(lì)，分布式發(fā)電系統(tǒng)的滲透率急劇增加［7-9］。其中，光伏（Photo Voltaic，PV）作為一種清潔能源，由于其便于安裝維護(hù)，易于與住宅、廠房等建筑物集成，因此在分布式發(fā)電系統(tǒng)中吸引了廣泛的研究興趣和工程示范［10-11］。

分布式光伏系統(tǒng)靠近負(fù)荷末端，電網(wǎng)相對(duì)較弱，供電品質(zhì)受到了極大的考驗(yàn)。一方面，光伏輸出功率具有隨機(jī)性和波動(dòng)性［12-13］，容易引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)［14］。因此，需要引入光伏輸出功率平穩(wěn)化的電氣設(shè)備和控制方法。另一方面，分布式光伏系統(tǒng)附近存在大量的非線性負(fù)荷，產(chǎn)生的諧波與逆變器相結(jié)合，容易引發(fā)諧波諧振［15-17］。因此，需要采取一些就近的電能質(zhì)量控制方案，提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

針對(duì)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)電能質(zhì)量的提升，已有一些文獻(xiàn)進(jìn)行了研究。在光伏輸出的平穩(wěn)化控制方面，普遍采用儲(chǔ)能（Energy Storage，ES）裝置與光伏電池相互配合。利用儲(chǔ)能的充放電過(guò)程抵消光伏的波動(dòng)性輸出，從而穩(wěn)定光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)處的輸出功率特性［18-19］。這些光、儲(chǔ)聯(lián)合的發(fā)電系統(tǒng)大致分為兩類［20］：儲(chǔ)能接入光伏的交流母線、儲(chǔ)能接入光伏系統(tǒng)的直流母線。其中，光伏和儲(chǔ)能通過(guò)直流母線耦合的方案，以其光儲(chǔ)一體化的結(jié)構(gòu)、減少了儲(chǔ)能逆變器，得到了更多的重視，尤其是在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中具有更多的應(yīng)用價(jià)值。在這類光儲(chǔ)一體化的分布式發(fā)電系統(tǒng)中，為了提升光伏輸出的平穩(wěn)效果、提升電網(wǎng)的可調(diào)度能力，往往采用混合儲(chǔ)能的方式，充分利用電池儲(chǔ)能能量密度大、超級(jí)電容功率密度大和響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)［21-22］。在光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)與本地電能質(zhì)量的治理方面，現(xiàn)有示范工程中大多安裝各類有源和無(wú)源的電能質(zhì)量治理裝置［23］。然而，研究表明光伏發(fā)電系統(tǒng)往往難于運(yùn)行在滿功率發(fā)電狀態(tài)，其并網(wǎng)逆變器存在大量的剩余功率容量。若能利用逆變器的電路拓?fù)涫蛊鋵?duì)本地電能質(zhì)量加以治理，將能在很大程度上避免重復(fù)安裝各類其他的電能質(zhì)量治理裝置。這類集新能源并網(wǎng)發(fā)電和電能質(zhì)量治理于一體的裝置稱作多功能并網(wǎng)逆變器［24-25］，近來(lái)吸引了大量的關(guān)注。

文章針對(duì)光儲(chǔ)一體化的發(fā)電裝置，以其系統(tǒng)的供電品質(zhì)提升為核心，在直流側(cè)，研究光伏、混合儲(chǔ)能的聯(lián)合控制方案，平抑光儲(chǔ)的輸出功率波動(dòng)，提升光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可調(diào)度性；在交流側(cè)，研究光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)對(duì)本地負(fù)荷電能質(zhì)量的補(bǔ)償方法，采用了一種基于自適應(yīng)濾波的電能質(zhì)量檢測(cè)方法提升其魯棒性。為提升分布式光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的高滲透率提供一套有效的解決方案。

1 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的框架

以一典型輻射形配電網(wǎng)為例，光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。分布式光伏系統(tǒng)以光伏建筑一體化（Building Integrated Photo Voltaic，BIPV）的形式接入配電網(wǎng)。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種不可控的電源，在使得傳統(tǒng)無(wú)源配電網(wǎng)有源化的同時(shí)，也給配電網(wǎng)的運(yùn)行控制帶來(lái)了不少挑戰(zhàn)。在不加治理的情況下，容易導(dǎo)致配網(wǎng)電壓的翹尾、過(guò)壓、諧波諧振等。因此，為了使光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)更加友好，引入儲(chǔ)能裝置構(gòu)成光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。這樣不但可以增強(qiáng)系統(tǒng)輸出的平穩(wěn)性，而且還能提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的可調(diào)度能力。

圖1 配網(wǎng)中分布式光伏系統(tǒng)Fig.1 Distributed PV in distribution network

圖2給出了幾種光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的電路拓?fù)?。其中，在圖2（a）所示的系統(tǒng)中，儲(chǔ)能單元分別采用逆變器接入光伏發(fā)電系統(tǒng)的交流母線，將光伏的波動(dòng)輸出功率在交流側(cè)平抑。光伏和儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)相互獨(dú)立，相互解耦，兩套控制相對(duì)獨(dú)立，系統(tǒng)可靠性高，便于調(diào)度和管理。這種方案，多用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的集中式儲(chǔ)能。圖2（b）所示的系統(tǒng)中，儲(chǔ)能單元通過(guò)DC／DC變換器接入光伏發(fā)電系統(tǒng)的直流母線。光伏和儲(chǔ)能在直流母線處耦合，公用一套逆變器，便于將光伏輸出的波動(dòng)性抑制在直流側(cè)。這種光儲(chǔ)一體的方案，便于就地平抑光伏的輸出，十分適合于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用。同時(shí)，由于儲(chǔ)能單元配備在光伏電池的輸出端，使得光伏和儲(chǔ)能形成了一個(gè)可調(diào)度的綜合單元，改善了光伏的輸出特性，使得其輸出特性更適合電網(wǎng)運(yùn)行。

圖2 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)架Fig.2 Configuration of PV-ES system

在分布式光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能的輸出特性對(duì)于系統(tǒng)的性能具有重要的影響?，F(xiàn)有儲(chǔ)能媒介在功率密度、能量密度和響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)上都存在較大的差異，還無(wú)法找到一種功率和能量密度皆高，且響應(yīng)時(shí)間非常快的儲(chǔ)能單元。因此，在光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中可以采用電池和超級(jí)電容混合的方式。利用電池能量密度高的優(yōu)勢(shì)，提供穩(wěn)態(tài)的功率和能量；利用超級(jí)電容功率密度高、響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)，提供暫態(tài)過(guò)程中的功率和能量缺額。

2 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的控制方法

光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的控制可以分為兩個(gè)層次，即功率調(diào)度層和本地控制層。在功率調(diào)度層主要響應(yīng)上級(jí)調(diào)度的指令，確定光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中電池、超級(jí)電容的輸出功率指令。在本地控制層，主要為各個(gè)DC／DC、DC／AC變換器的控制，控制光伏電池Boost完成MPPT功能，控制儲(chǔ)能雙向DC／DC變換器完成功率的吸收和釋放功能，控制逆變器完成光儲(chǔ)單元的能量轉(zhuǎn)換，以及本地負(fù)荷電能質(zhì)量的治理。

2.1 功率調(diào)度控制

調(diào)度控制主要響應(yīng)電網(wǎng)側(cè)的調(diào)度指令，為光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中電池和超級(jí)電容分配輸出功率指令。其控制框圖如圖3所示。

式中Pref為電網(wǎng)傳遞給光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的功率調(diào)度指令；Ppv為光伏的輸出功率；Pscref和Pbatref為超級(jí)電容和電池的輸出功率指令。其中，傳遞函數(shù)Gb（s）為帶寬選擇器，根據(jù)超級(jí)電容和電池所能響應(yīng)的工作帶寬，分別為其分配不同頻段的功率指令信號(hào)。通常，Gb（s）可選為低通濾波器，即：

式中ωc為電池變流器的工作帶寬，可根據(jù)電池的響應(yīng)時(shí)間、雙向DC／DC變換器的控制帶寬決定。

圖3 功率調(diào)度控制的原理圖Fig.3 Schematic diagram of power dispatching control

2.2 本地功率控制

本地功率控制主要實(shí)現(xiàn)各變流器對(duì)指令信號(hào)的跟蹤。其中，光伏電池的MPPT控制電路如圖4所示，光伏電池經(jīng)過(guò) Boost電路接入直流母線Udc處。光伏的輸出電壓和電流分別為UPV和IPV，經(jīng)過(guò)MPPT控制算法后，得到最佳的輸出電壓，通過(guò)控制Boost電路將其電壓UPV控制為給定值，以獲得光伏的最大功率輸出。

圖4 光伏電池的最大功率跟蹤控制Fig.4 MPPT control of PV arrays

儲(chǔ)能系統(tǒng)的接口電路和控制策略如圖5所示。以超級(jí)電容為例，由功率調(diào)度控制獲得的指令功率Pscref與超級(jí)電容器組的端電壓相除得到其輸出指令電流，通過(guò)控制其輸出電流is跟蹤指令值來(lái)控制超級(jí)電容的輸出功率。雙向Buck-Boost電路用于平衡超級(jí)電容器組的端電壓和直流母線電壓Udc之間的應(yīng)力差，并實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)［26］。對(duì)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，情況類似。

圖5 儲(chǔ)能雙向DC／DC變換器拓?fù)浼捌淇刂艶ig.5 Topology and control for bi-directional DC／DC converter.

光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器的控制策略如圖6所示。并網(wǎng)逆變器的實(shí)際有功指令用于平衡直流母線Udc為其額定值Udcref，通過(guò)直流母線電壓的PI控制器得到。并網(wǎng)電流跟蹤控制在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下完成，其中 Clarke變換T3s／2s為：

Park變換為：

式中θ為電網(wǎng)電壓相位，由鎖相環(huán)（Phase-locked loop，PLL）得到。

圖6 并網(wǎng)逆變器的控制策略Fig.6 Control strategy of the grid-connected inverter

以a相為例，基于自適應(yīng)濾波算法的諧波檢測(cè)方法原理如圖7所示［27］，其他相的情況類似。利用自適應(yīng)噪聲對(duì)消的方法將檢測(cè)出的諧波信息反饋回調(diào)整網(wǎng)絡(luò)，不斷修正濾波系數(shù)。使得從負(fù)荷電流iLa中檢測(cè)出的基波電流iba以二次型最優(yōu)指標(biāo)最優(yōu)為目的逐漸逼近參考電壓信號(hào)ua，即其數(shù)學(xué)模型可以表示為：

式中λ為濾波網(wǎng)絡(luò)的常系數(shù)，為待優(yōu)化變量。一般地，可以采用如圖7所示的結(jié)構(gòu)，其中ω1和ω2為濾波系數(shù)。采用最小二乘法修正濾波系數(shù)，其過(guò)程為：

式中μ為自適應(yīng)學(xué)習(xí)率，一般取為足夠小的常數(shù)，這里取 μ＝0.000 1。

圖7 自適應(yīng)諧波電流檢測(cè)算法的原理Fig.7 Principle of self-adaptive harmonicdetection algorithm

3 仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證所提光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)模型和控制策略的可行性和有效性，在PSCAD／EMTDC中建立了如圖2（b）所示的仿真模型，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。仿真過(guò)程中的擾動(dòng)設(shè)置為：電網(wǎng)調(diào)度功率為8 kW；0s開機(jī)，1 s時(shí)光照強(qiáng)度從 400W／m2階躍到 1 200W／m2，1.5 s時(shí)光伏電池的穩(wěn)定從25℃階躍到50℃，2 s時(shí)非線性不控整流負(fù)荷的電阻從200Ω階躍到100Ω。

圖8給出了光伏電池的輸出情況，不難發(fā)現(xiàn)，在光照強(qiáng)度增加后，光伏電池的輸出也相應(yīng)增加；但在溫度增加后，光伏電池的輸出有所減少。由于電網(wǎng)對(duì)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)度功率為8 kW，不足或過(guò)剩的穩(wěn)態(tài)功率由電池平衡，暫態(tài)功率的缺口有超級(jí)電容填補(bǔ)。從而實(shí)時(shí)響應(yīng)并滿足電網(wǎng)的調(diào)度需求，提升光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可調(diào)度性。

表1 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of PV-ES system

圖8 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的輸出Fig.8 Power generation output of PV-ES system

光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)直流母線電壓如圖9所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，開機(jī)時(shí)光伏輸出為0，電池和超級(jí)電容急劇向母線充電，并通過(guò)逆變器向電網(wǎng)注入功率，在這個(gè)過(guò)程中直流母線電壓存在一個(gè)正向的超調(diào)。但是超調(diào)量不大，最大電壓偏差不超過(guò)50 V，可以滿足系統(tǒng)運(yùn)行要求。在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，1 s時(shí)，光伏輸出突然增加，過(guò)剩的功率轉(zhuǎn)移到儲(chǔ)能單元中，但是在動(dòng)態(tài)過(guò)程的瞬間，儲(chǔ)能還沒(méi)有來(lái)得及響應(yīng)，光伏電池的輸出功率給直流母線充電，使得直流母線出現(xiàn)了正的超調(diào)電壓，但在控制器的作用下，迅速恢復(fù)到了額定值。表明所設(shè)計(jì)的控制策略可以達(dá)到維持直流母線電壓的目的。

圖9 光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的直流母線電壓Fig.9 DC-link voltage of PV-ES system

光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)位于配電網(wǎng)末端，往往面臨各種復(fù)雜的負(fù)荷環(huán)境，若能充分利用光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的容量和電路拓?fù)?，可以有效提升電網(wǎng)的電能質(zhì)量。圖10（a）給出了在光儲(chǔ)聯(lián)合系統(tǒng)含有電能質(zhì)量補(bǔ)償功能時(shí)，有效補(bǔ)償本地負(fù)荷的諧波，從而改善電網(wǎng)電流的結(jié)果。電網(wǎng)電流總諧波畸變率（Total Harmonic Distortion，THD）被控制在5%以內(nèi)，可以達(dá)到電網(wǎng)的要求。相反，如圖10（b）所示，若光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)沒(méi)有電能質(zhì)量治理功能，電網(wǎng)電流嚴(yán)重畸變，其THD達(dá)到15%，難以滿足電網(wǎng)對(duì)諧波水平的要求。

圖10 有無(wú)補(bǔ)償時(shí)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的電網(wǎng)電流Fig.10 Grid-connected current of PV-ES system with and without power quality compensation

圖11給出了自適應(yīng)諧波電力電流檢測(cè)算法的實(shí)施效果，基于最小二乘迭代的自適應(yīng)算法能有效檢測(cè)出本地負(fù)荷電流中的基本分量和諧波分量，以確保光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電能質(zhì)量的有效補(bǔ)償。

圖11 自適應(yīng)諧波電力檢測(cè)算法的結(jié)果Fig.11 Results of self-adaptive harmonic detection algorithm

4 結(jié)束語(yǔ)

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)往往采用逆變器作為其并網(wǎng)接口，隨著其滲透率的不斷提高，對(duì)電網(wǎng)的影響也越來(lái)越大。其輸出功率的波動(dòng)性，會(huì)影響電網(wǎng)電壓偏離其合理運(yùn)行范圍。同時(shí)，光伏并網(wǎng)逆變器和本地負(fù)荷一起可能會(huì)形成復(fù)雜的諧波諧振網(wǎng)絡(luò)，影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為了降低分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響，文章提出光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的概念。在光伏并網(wǎng)逆變器的直流母線引入電池和超級(jí)電容的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，并輔以合理的控制策略，消除光伏輸出的波動(dòng)性，提升其可調(diào)度能力。在交流母線處，借鑒多功能并網(wǎng)逆變器的思路，利用光伏并網(wǎng)逆變器補(bǔ)償本地負(fù)荷中的諧波分量，提升電網(wǎng)電流的供電品質(zhì)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性?？梢缘玫饺缦陆Y(jié)論：

（1）所提分布式光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的框架和和分層協(xié)調(diào)控制算法行之有效，能有效平抑光伏輸出功率的波動(dòng)，并增強(qiáng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的可調(diào)度性；

（2）基于自適應(yīng)迭代的諧波電流檢測(cè)算法能有效檢測(cè)本地負(fù)荷的諧波分量，為分布式光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量就地補(bǔ)償提供保障；

（3）仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的正確性和有效性，為高滲透率光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行與控制提供了一條種新的方法，多個(gè)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制還有待進(jìn)一步的研究。