摘 要:本文針對光儲微網(wǎng)中光伏單元和儲能單元功率分配效率不高的問題,提出了一種功率協(xié)調(diào)控制策略。首先,根據(jù)光儲微網(wǎng)中儲能單元容量特性、電池荷電狀態(tài)(State of Charge,SOC)合理性限制以及最大功率限制,采用光伏控制器、儲能控制器和并網(wǎng)逆變器控制器,使光儲微網(wǎng)在4種設(shè)定的模式下工作。其次,在MATLAB/Simulink中驗證此種策略,證明了本文所提策略的有效性,當(dāng)天氣變化造成光伏波動時,系統(tǒng)能高效輸出功率,顯著提高了能量利用效率。
關(guān)鍵詞:光儲微網(wǎng);直流母線電壓;頻率;功率;協(xié)調(diào)控制
中圖分類號:TM 76" " " " " " " 文獻標(biāo)志碼:A
隨著雙碳目標(biāo)推進,光伏產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。但是光伏陣列受天氣影響較大,光儲微網(wǎng)中同時存在光伏整列和儲能電池,能有效彌補光伏陣列缺陷。
在光儲微網(wǎng)中,當(dāng)光伏波動時,儲能需要及時輸出功率平抑波動,這就需要對光伏和儲能的功率輸出進行準(zhǔn)確分配。文獻[1]以典型光儲微網(wǎng)結(jié)構(gòu)狀態(tài)為場景,建立多目標(biāo)優(yōu)化模型,提出了一種遺傳算法的優(yōu)化求解策略;文獻[2]圍繞光儲微網(wǎng)功率優(yōu)化和靈活運行,提出了采用光伏系統(tǒng)組件級功率優(yōu)化器和儲能部分變換器控制儲能和直流母線電壓的協(xié)調(diào)控制策略;文獻[3]在獨立型光儲微電網(wǎng)中,以最大化輸出光伏功率為目標(biāo),得到了光伏和儲能的容量優(yōu)化配置;文獻[4]在光伏扶貧電站中,證明了以LPSP和EXC比作為技術(shù)指標(biāo)的配置策略的有效性;文獻[5]根據(jù)儲能快速配置方法和雙元互補的儲能拓撲結(jié)構(gòu),提出了一種基于光伏電站實際的經(jīng)濟收益最大模型。
以上文獻均將儲能系統(tǒng)作為補充來優(yōu)化配置光伏系統(tǒng),光儲一體化已成為廣泛共識。但是,光伏單元和儲能單元間的合理配置方式還需要進行研究。
1 光儲微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
光儲微網(wǎng)由光伏電源、儲能設(shè)備、本地負荷以及監(jiān)控保護設(shè)備等組成,光儲微網(wǎng)接入大電網(wǎng)后,本地負荷由光伏、儲能和大電網(wǎng)共同供電,可靠性較高。當(dāng)光儲微網(wǎng)處于孤島模式時,本地負荷由光儲微網(wǎng)直接供電,穩(wěn)定性較差。本文主要研究處于并網(wǎng)模式下的光儲微網(wǎng)。為抑制光伏波動對光儲微網(wǎng)輸出功率和頻率的影響,將直流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為交流系統(tǒng)的逆變器采用虛擬同步機控制策略。光伏單元的輸出直流電壓通常只有幾伏,無法滿足需要,需要采用DC/DC電路進行升壓(本文將直流母線電壓設(shè)定為700 V),儲能電池充、放電根據(jù)光伏單元情況輸入或者輸出有功功率,常采用IGBT等電子器件進行通斷,使用Buck-Boost電路升、降壓。在控制策略上,根據(jù)光照強度和儲能電池初始SOC的情況,采用不同控制方案控制光伏單元和儲能電池按照設(shè)定的方式進行功率輸出。
2 光儲微網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略
2.1 光儲微網(wǎng)各單元間的工作模式
光儲微網(wǎng)的直流電源通常包括光伏發(fā)電單元、儲能單元,將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓的電力電子器件為并網(wǎng)逆變器。光伏發(fā)電單元是主要能量輸出,可為本地負荷提供能量,將多余的能量輸送至大電網(wǎng)。儲能單元是能量補充和慣性功率提供者,根據(jù)負荷功率和光伏功率之差進行充、放電,當(dāng)光照較強時對自身充電,當(dāng)光照較弱時對外放電,同時根據(jù)光伏波動提供慣性功率。采用虛擬同步機控制的并網(wǎng)逆變器單元在控制過程中模擬了一次調(diào)頻特性,能根據(jù)系統(tǒng)波動情況自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率,保持系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定,但是并網(wǎng)逆變器無法直接提供功率,所調(diào)節(jié)的調(diào)頻功率需要由儲能單元提供。由以上分析可知,光伏單元、儲能單元以及并網(wǎng)逆變器間需要協(xié)調(diào)控制,才能滿足負荷和系統(tǒng)穩(wěn)定性的需要。
假設(shè)光伏單元最大輸出功率為Pmax,儲能電池功率為Pb,本地負荷功率為Pr。在光儲微網(wǎng)中,根據(jù)光伏陣列特性,對應(yīng)某一光照強度的光伏單元有最大功率限制,控制方式分為降功率控制和最大功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)。對于儲能電池,鑒于經(jīng)濟性限制,容量應(yīng)盡可能小,儲能充放電倍率不能過大,SOC需要運行在合理區(qū)間。并網(wǎng)逆變器采用虛擬同步機控制,以增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。根據(jù)光伏發(fā)電單元、儲能單元的不同控制方式,將本文所提光儲微網(wǎng)劃分為4種運行模式,在不同運行模式下,光伏發(fā)電單元、儲能單元和并網(wǎng)逆變器輸出不同功率,具體工作模式見表1。
工作模式I:Pmax≥Pr,SOC≥80。在這種模式下,光照強度超過設(shè)定強度,光伏單元受光照后的最大功率超出了負荷需要功率,儲能電池容量充足,不需要過度充電,以免損傷電池。在此情況下,光伏單元應(yīng)棄光,功率輸出只滿足負荷需要,采用降功率控制策略。同時,由于光照強度處于時刻變化中,因此會引起并網(wǎng)逆變器輸出變化,儲能單元提供慣性功率平抑波動。在實際應(yīng)用中,部分地區(qū)光照時間較多區(qū)域需要考慮此種情況。
工作模式II:Pmaxgt;Pr、SOClt;80和Pmaxlt;Pr、SOC≥30。在這種模式下,光伏發(fā)電單元采取MPPT控制方式,儲能電池SOC處于健康狀態(tài)的正常范圍,主要作用是隨光照強度變化充、放電。當(dāng)光伏輸出功率高于本地負荷需要功率時且儲能電池處于正常范圍內(nèi)時,光伏除了為負荷供電外,還需要為儲能電池充電;當(dāng)光伏輸出功率小于本地負荷需要功率時,儲能電池需要輸出有功功率,以補充功率間的差額。此為光儲微網(wǎng)的主要工作模式,大部分情況處于此種模式下。
工作模式III:20≤SOClt;30。在這種模式下,儲能電池SOC較低,如果繼續(xù)輸出較大功率供給負荷,就會損傷電池,因此此種模式下的儲能電池不用于為本地負荷供能,主要用于平抑光照強度變化引起的波動,可提高穩(wěn)定性。此種模式下,光伏單元采用MPPT控制方式輸出全部功率,其余不足的功率由大電網(wǎng)補充。
工作模式IV:SOClt;20。在這種模式下,光伏采用MPPT控制方式,將輸出功率最大化,儲能電池電量已經(jīng)很低,不能繼續(xù)放電,電池只能在充電狀態(tài)下工作,負荷所需功率全部由大電網(wǎng)提供。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾時,儲能也可以提供慣性功率(通常較?。?。
無論光儲微網(wǎng)處于何種模式,均可以按照模式I、模式II、模式III和模式IV并根據(jù)功率和SOC所在區(qū)間在控制器控制下自動順序切換。
2.2 光儲微網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略
為實現(xiàn)上述4種模式,光儲微網(wǎng)中光伏單元、儲能電池單元和并網(wǎng)逆變器需要協(xié)調(diào)控制,系統(tǒng)主要包括3個子控制器,即光伏單元控制器、儲能單元控制器和并網(wǎng)逆變器控制器。光伏單元控制器根據(jù)光照強度和負荷功率采用MPPT控制或者限功率控制;儲能控制器根據(jù)光伏功率和負荷功率采用雙環(huán)控制,使儲能電池充、放電;并網(wǎng)逆變器控制器采用虛擬同步機控制策略輸出指定功率,并網(wǎng)逆變器中的功率參考值由逆變器功率控制器輸出。具體控制策略如圖1所示。
3 仿真試驗
為了驗證本文所提光儲微網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略的準(zhǔn)確性和先進性,在MATLAB/Simulik中建立光儲微網(wǎng)虛擬同步機控制模型并仿真。為簡化模型,本系統(tǒng)中只使用1個光伏單元和1個儲能單元,本地負荷功率保持不變,用以驗證光儲微網(wǎng)功率協(xié)調(diào)控制策略。在光儲微網(wǎng)中,負荷同時連接大電網(wǎng)和微網(wǎng),本文只考慮當(dāng)光照變化時,微網(wǎng)如何準(zhǔn)確、高效分配功率。仿真參數(shù)見表2。
仿真時間為2 s,仿真系統(tǒng)步長1×10-5。各工作模式仿真如下所示。
首先,在0 s時刻,設(shè)定光伏單元光照強度800 W/m2,溫度25 ℃,初始儲能SOC為86,本地負荷功率20 kW。在此種條件下,光伏單元最大有功功率為23 kW,超過了本地負荷功率,同時儲能SOC>80,系統(tǒng)工作在模式I。在1 s時刻,光照強度突然增加,為1 200 W/m2,如果按照MPPT進行控制,光伏輸出將繼續(xù)增加,系統(tǒng)無法消納多余光伏,需要采用降功率控制方式,仿真波形如圖2所示。
由圖2可知,在初始時刻,光伏單元需要一定啟動時間才能按照MPPT控制方式輸出最大功率,在此期間,負荷所需功率由儲能提供,整個過程會有小幅波動。在1 s時刻,當(dāng)光照增強時,光照強度由800 W/m2增至1 200 W/m2,光伏最大輸出功率由20 kW增至39 kW,光伏控制采用降功率控制方式,雖然有沖擊,但是穩(wěn)定后功率光伏輸出保持20 kW不變,說明降功率策略有效。在0.2 s~2 s,儲能僅用于平抑光伏波動,無須對外放電。
在0 s時刻,設(shè)定光伏單元光照強度800 W/m2,溫度為25 ℃,初始儲能SOC為60,本地負荷功率為30 kW。在此種條件下,光伏陣列最大輸出功率為23 kW,小于本地負荷功率且儲能SOC<80,對應(yīng)工作模式II。在1 s時刻,光照強度增加至1 200 W/m2,溫度保持不變,仿真波形如圖3所示。
由圖3可知,在初始時刻,由于光伏輸出功率小于負荷需要功率,負荷功率也需要由儲能單元提供,儲能電池輸出有功功率為7 kW,電池處于放電狀態(tài)中,SOC值持續(xù)下降。在1 s時刻,光照突增至1 200 W/m2,光伏采用MPPT控制方式,輸出功率增至39 kW。由于負荷功率恒定為30 kW,超過的9 kW有功功率由儲能電池充電吸收。經(jīng)過0.3 s的振蕩后,儲能電池進入充電狀態(tài),儲能慢慢充能,SOC持續(xù)增加,以備后續(xù)使用。
模式III和IV與上述類似,不再贅述。
4 結(jié)論
本文根據(jù)儲能單元容量特性和最大功率限制,提出了4種工作模式,并根據(jù)3個單元的控制方式提出了一種功率協(xié)調(diào)控制策略。進而在MATLAB/Simulink中驗證了所提策略的正確性和適用性。結(jié)果表明,在所提工作模式下,3種單元的控制策略按照設(shè)定的方式合理運行,光伏和儲能能在各種工況下準(zhǔn)確分配功率,采用的控制方式也能將光伏引起的波動抑制到最小,儲能能在設(shè)定的模式下健康運行,不受損壞,能量利用效率顯著提高。
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