理論與實踐:可調(diào)電能質量的光伏系統(tǒng)雙層控制策略
作者：鄭曉敏
近年來分布式光伏的裝機容量迅速上升，分布式光伏電源對配電網(wǎng)電能質量的影響日益增大。高光伏滲透率的配電網(wǎng)輕載時容易發(fā)生潮流逆流，導致配電網(wǎng)過電壓[1]，過云等引起的光伏出力劇烈波動可能導致電壓驟降、閃變甚至系統(tǒng)穩(wěn)定問題[2]，[3]。面對上述光伏接人引起的電壓問題，傳統(tǒng)調(diào)壓方式如有載調(diào)壓變壓器、電容器等由于響應速度問題將失效，分布式光伏系統(tǒng)自身的有功無功調(diào)節(jié)能力成為可能的解決方案[4]，[5]。為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定和電能質量，增強分布式電源對電網(wǎng)的友好性，德國更新了分布式發(fā)電低壓并網(wǎng)標準VDE-AR-N4015,明確提出了分布式電源有功管理.功管理、電壓支撐等方面的要求。
作為分部式發(fā)電.智能配電網(wǎng)的支撐技術，分布式儲貨技術在系統(tǒng)調(diào)壓，調(diào)頻、平滑分布式電源出力波動、增強分布式電源可調(diào)度性等方面具有廣闊的應用前景[6]。文獻[8]，[9]采用儲能系統(tǒng)平枊分布式電源出力波動性，平滑和優(yōu)化分布式電源的有功出力。 文獻．應用超級電容器儲能系統(tǒng)解決雙饋風力發(fā)電機和光伏系統(tǒng)的低電壓穿越問題。本文應用超級電容調(diào)節(jié)分部式光伏系統(tǒng)的功率，從而使分布式光伏電源可以像傳統(tǒng)電源一樣參與電網(wǎng)出力調(diào)節(jié)，實現(xiàn)VDE-AR-N4015標準規(guī)定的各項功能要求。
目前關于配備儲能裝置的分布式光伏系統(tǒng)控制方法的研究成果中，儲能裝置和逆變器的控制相互獨立，利用逆變器直流電壓外環(huán)穩(wěn)定直流母線電壓。當電網(wǎng)故障后逆變器輸出電能與光伏電源供給的電能失衡，直流側電壓失穩(wěn)，逆變器和儲能裝置均無法正常工作。本文所提光伏系統(tǒng)控制策略采用雙層控制結構，包括中心控制層和本地控制層。中心控制層監(jiān)測電網(wǎng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)的狀態(tài)，決定相應的控制策略；本地控制層中超級電容器控制直流母線電壓，當電網(wǎng)側故障時，通過超級電容器的充放電過程控制仍然能夠保證直流電壓穩(wěn)定。逆變器采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制，根據(jù)中心控制層的指令，逆變器功率外環(huán)響應于電網(wǎng)調(diào)度指令、并網(wǎng)點電壓的變化或配電網(wǎng)頻率的偏移，保證光伏系統(tǒng)出力的可控性。超級電容器采用直流電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)控制，在電流內(nèi)環(huán)控制中設計了功率前饋環(huán)節(jié)．與逆變器的功率外環(huán)相互配合，使得超級電容器和逆變器的控制直接關聯(lián)，以提高系統(tǒng)動態(tài)響應速度、縮短PI調(diào)節(jié)到達穩(wěn)定的時間，同時實現(xiàn)超級電容器自身能量狀態(tài)的調(diào)整。
1分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結構與模型
具有儲能裝置的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)典型結構如圖1所示。
選擇雙向DC/DC變換器作為超級電容器與逆變器間的接口電路，雙向DC/DC變換器的低壓側接入超級電容器，高壓側與并網(wǎng)逆變器的直流側并聯(lián)。L為濾波電感，r為電感損耗、線路阻抗的等效電阻。
1.1逆變器數(shù)學模型
在基于電網(wǎng)電壓定向的dq坐標系中，dq軸電流受到電網(wǎng)電壓和電流耦合交叉項的影響，利用狀態(tài)反饋進行解耦控制，可得：
式中：
分別為電流環(huán)的比例系數(shù)和積分系數(shù)，
為電流dq分量參考值。
在電網(wǎng)電壓定向的同步旋轉坐標系中有ed=
（電網(wǎng)電壓幅值）、
=0．根據(jù)瞬時功率理論，可得功率方程（dq變換采用等功率變換）：
1.2雙向DC/DC數(shù)學模型
雙向DC/DC變換器選用雙向Buck/Boost變換器，結構如圖2所示。
由圖2可知，Buck模式時，高壓側等效為直流電源，能量由直流母線流入超級電容器：
Boost模式時，高壓側等效為電阻負載．能量由超級電容器流入直流母線。利用狀態(tài)空間平均法推導出Buck/Boost變換器的交流小信號模型，得到輸出方程如下：
式中：Udc為逆變器直流側電壓；以為超級電容器端電壓；Lc為Buck/Boost變換器的電感；Cc為超級電容器等效電容；Res為超級電容器等效串聯(lián)電阻；Cde為直流母線電容；R為Boost模式時直流側等效負載；D為開關器件S1的占空比，S1與S2采用互補控制。
2光伏系統(tǒng)的雙層控制
2.1第一層中心控制
中心控制層監(jiān)測電網(wǎng)調(diào)度指令、電網(wǎng)運行狀態(tài)和光伏發(fā)電系統(tǒng)運行狀態(tài)，決定光伏系統(tǒng)的工作模式：執(zhí)行電網(wǎng)調(diào)度指令、調(diào)節(jié)電網(wǎng)電能質量以及調(diào)整超級電容器的荷電狀態(tài)。
2.1.1調(diào)度
執(zhí)行電網(wǎng)調(diào)度指令模式時，逆變器輸出功率參考Pref,Qref值由調(diào)度指令設定。由于光伏陣列自：輸出功率具有波動性、間歇性等特點，調(diào)度指令與光伏電池輸出的最大功率Pmppt之間必然存在不匹配功率，這部分差額功率由超級電容器儲能裝要調(diào)節(jié)
2.1.1調(diào)頻
根據(jù)德國分布式電源低壓并網(wǎng)標準VDE-AR-4015.電網(wǎng)頻率在50.2～51.5 HZ時，分部式
電源的有功出力按每0.1 Hz 4%PM下降(其中PM為過50.2 Hz時的瞬時輸出功率)。電網(wǎng)頻率在47.5～51.5 Hz時，不允許分布式電源脫網(wǎng)，但考慮分布式電源出力定量增加的可能性，該標準未具唪規(guī)定低頻情況下分布式電源的行為規(guī)范。本文所提控制策略可以實現(xiàn)分布式電源出力的定量增托，不妨設電網(wǎng)頻率低于49.8 Hz時分布式電源的；有功出力按每0.1 Hz 4%PmPm加（其中Pm為過49.8 Hz時的瞬時輸出功率）。
2.1.3調(diào)壓
德國研究人員提出了光伏并網(wǎng)逆變器恒無功功率控制、恒功率因數(shù)控制、基于光伏電源有功功率輸出的
(P)控制、基于并網(wǎng)點電壓的Q(U)控制等多種標準化方案，這些方案各有其優(yōu)缺點，目前關于分布式光伏電源參與電網(wǎng)調(diào)壓方案還沒有統(tǒng)一的標準。本文綜合以上方案的優(yōu)點，考慮正常工作情況下光伏并網(wǎng)逆變器運行功率因數(shù)限制提出以下方案。
設逆變器正常運行功率因數(shù)范圍為（-C，C），當電網(wǎng)電壓小范圍波動時（電壓偏差小于10%），根據(jù)并網(wǎng)點電壓幅值調(diào)節(jié)逆變器的功率因數(shù)進行無功電壓控制，由下垂特性得：
當電網(wǎng)電壓偏差大于10%時，削減有功功率為逆變器無功輸出提供容量，防止逆變器過流。不妨設分布式電源有功出力按每1%UN5%P下降，其中R為電壓偏差大于10%額定電壓時的瞬時輸出功率。限制有功功率的同時逆變器以最大可用容量進行無功電壓控制。
2 .1.4調(diào)整超級電容器荷電狀態(tài)
光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運行要求超級電容器的端電壓處于一定的運行范圍，為保證系統(tǒng)可持續(xù)性運行，光伏系統(tǒng)必須能夠對超級電容器的荷電狀態(tài)進行調(diào)整二超級電容器儲能狀態(tài)與其端電壓滿足：
當超級電容器的端電壓超過了正常工作范圍，需要對其進行充放電控制。端電壓過低時，對其進行充電控制可提升端電壓：端電壓過高時，對其進行放電控制可降低端電壓。
2.2第二層本地控制
分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的本地控制結構如圖3所示。進行電網(wǎng)側控制時（調(diào)壓、調(diào)頻、調(diào)度），控制系統(tǒng)首先滿足并網(wǎng)逆變器的功率需求Pref，Qref，光伏陣列輸出的最大功率Pmppt，與逆變器并網(wǎng)功率參考值Pref之間的功率差額由超級電容器調(diào)節(jié)。進行電容器組自身能量調(diào)整時，控制系統(tǒng)首先滿足超級電容器的充（放）電功率需求Pc，光伏陣列輸出的最大功率Pmppt，州在滿足超級電容器充（放）電功率Pe后的剩余能量通過并網(wǎng)逆變器送入電網(wǎng)。
根據(jù)并網(wǎng)逆變器的數(shù)學模型，并網(wǎng)逆變器采用功率外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制。依據(jù)公式(2)將逆變器外環(huán)功率指令轉化為內(nèi)環(huán)電流參考值，再依據(jù)公式(1)進行逆變器電流內(nèi)環(huán)解耦控制。根據(jù)雙向DC/DC變換器數(shù)學模型，超級電容器采用直流電壓外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制。超級電容器電壓外環(huán)穩(wěn)定直流側電壓，不受電網(wǎng)側運行狀態(tài)的影響。在超級電容器電感電流內(nèi)環(huán)中設計了功率前饋環(huán)節(jié)，實際上前饋環(huán)節(jié)的設計實現(xiàn)了功率平衡的粗調(diào)功能，而雙環(huán)PI控制實現(xiàn)功率平衡的精細調(diào)節(jié)。功率前饋環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應速度，縮短到達穩(wěn)定的時間。超級電容器自身的充放電控制也是由電感電流內(nèi)環(huán)的前饋環(huán)節(jié)實現(xiàn)．此時直流電壓外環(huán)與電感電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制仍然能夠保證直流電壓“的穩(wěn)定：
3仿真分析
利用Matlab/Sinmlink搭建分布式光伏系統(tǒng)模型，并將其接人380V低壓配電網(wǎng)。參數(shù)如下：光 伏電池Tref=25 0C，Sref=1 000 W／m2，Uoc=370 V，Lsc=213 A，Rs=
，Um=350 V，Im=200 A。MPPT模塊采用電導增量算法。超級電容器Cc=5 F，Res=0.05
．超級電容器的工作電壓為200~400 V，雙向DC/DC變換器的電感Lc=2.5 mH，直流母線電容Cdc=3.3 mF，直流母線電壓Udc設為800 V，超級電容器電壓外環(huán)PI參數(shù)Kp=3，Ki=20，電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)K p=0.3，Ki=20，逆變器電流內(nèi)環(huán)PI參數(shù)Kp=10，Ki=20，逆變器出口濾波電感L=3 mH,功率器件選擇IGBT，開關頻率設為10 kHz。
3.1電網(wǎng)調(diào)度模式
仿真驗證調(diào)度模式下光伏系統(tǒng)執(zhí)行電網(wǎng)功率調(diào)度指令及穩(wěn)定直流母線電壓的能力，仿真結果如圖4所示。其中，Ppw為光伏陣列的輸出功率，Pg,Qg分別為光伏逆變器的并網(wǎng)有功功率和無功功率，Ie為超級電容器的充放電電流，SOC為超級電容器的荷電狀態(tài)，Ude為直流母線電壓。
由圖4可見．0.1—0.5 s光伏陣列輸出功率突然增加,0.2 s與0.4 s時刻無功和有功的調(diào)度指令分別發(fā)生變化，在超級電容器的協(xié)調(diào)作用下光伏并網(wǎng)功率能夠迅速跟蹤調(diào)度指令達到穩(wěn)定，并且此過程中直流母線電壓穩(wěn)定在800 V，電壓偏差小于1%.由圖(f)與圖(g)有、無功率前饋環(huán)節(jié)直流母線電壓對比可見，雙向DC/DC變換器電流內(nèi)環(huán)中力口人功率前饋環(huán)節(jié)明顯提高了響應速度，縮短了達到平衡所需的時間，有效減小了直流母線電壓的波動。
3.2電網(wǎng)調(diào)頻模式
仿真驗證電網(wǎng)發(fā)生頻率偏移時，光伏系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻能力及此過程中穩(wěn)定直流母線電壓的能力，本節(jié)只進行電網(wǎng)過頻的仿真，低頻情況與此類似，仿真結果如圖5所示。其中，Ppv為光伏陣列的輸出功率，f為電網(wǎng)頻率，Pg為光伏逆變器并網(wǎng)有功功率，Ic為超級電容器的充放電電流,SOC為超級電容器的荷電狀態(tài)，Udc為直流母線電壓。
由圖5可見,0.1—0.5 s光伏陣列輸出功率突增,0.1～0.3 s電網(wǎng)頻率從50 Hz升高到51 Hz。在電網(wǎng)頻率低于50.2 Hz時光伏系統(tǒng)并網(wǎng)功率即為光伏陣列的輸出功率，電網(wǎng)頻率持續(xù)升高時，光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)功率參考值在50.2 HZ瞬時輸出功率Pm�；A上按每0.1 Hz 4%速率減少，光伏陣列輸出功率高于此參考值時，則按參考功率并網(wǎng)．剰余功率由超級電容器Pm吸收；光伏陣列輸出功率低于此參考值時，則按光伏陣列輸出功率并網(wǎng)，- -伏系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)頻過程中，直流母線電壓基本穩(wěn)定在800V，電壓偏差小于0.625%。
3.3電網(wǎng)調(diào)壓模式
仿真驗證電網(wǎng)電壓波動時光伏系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)壓的能力及此過程中穩(wěn)定直流母線電壓的能力。本節(jié)進行電網(wǎng)低電壓情況仿真，過電壓情況與此類似，仿真結果如圖6所示。其中Ppv為光伏陣列的輸出功率，Us為電網(wǎng)電壓，Pg，Qg分別為光伏逆變器的并網(wǎng)有功功率和無功功率，
為逆變器的功率因數(shù)．Ic為超級電容器的充放電電流．SOC為超級電容器的荷電狀態(tài)，Ude為直流母線電壓。
由圖6可見,0.1—0.5 s光伏輸出功率突增． 0.1—0.3 s電網(wǎng)電壓跌落至0.8UN。在電網(wǎng)電壓低于0.98UN后逆變器開始向電網(wǎng)注入無功功率進行電壓支撐，電網(wǎng)電壓低于0.95 UN后逆變器以最低功率因數(shù)運行，當電網(wǎng)電壓低于0.9 UN后開始限制光伏并網(wǎng)有功功率，有功功率削減與電網(wǎng)電壓的跌落程度成正比，被削減的有功功率存人超級電容器中。光伏系統(tǒng)參與電網(wǎng)調(diào)壓過程中，直流母線電壓穩(wěn)定在800 V左右，電壓偏差小于1.25%。
3.4超級電容器充放電模式
防真驗證超級電容器電匱過低后的充電過程，放電過程與此類似．仿真結果如圖7昕示一其中Ppc；為光伏陣列的輸出功率，Lc為超級電容器的充放電電流．Uc為超級電容器的端電壓．Pg為光伏逆變器并網(wǎng)有功功率．Ude為直流母線電壓。
由圖7可見．0.1~0.5s時光伏陣列輸出功率突增,0.7—1.1 s光伏陣列的輸出功率突減一在此過程中對超級電容器進行恒功率P=60 kW-充電控制，恒功率充電過程中，超級電容器的端電壓逐漸上升，充電電流則逐漸減小。光伏陣列的輸出功率與超級電容器充電功率之間的差額功率由電網(wǎng)調(diào)節(jié)，如圖(d)所示。由圖(e)可見，充放電過程中仍然可以保證直流母線電壓穩(wěn)定在800 V左右，電壓偏差小于0.625%。
4結論
本文分析了分布式光伏電源接人配電網(wǎng)可能引起的電能質量問題，針對分布式電源低壓并網(wǎng)標準VDE-AR-N4015，設計了分布式光伏系統(tǒng)的雙層控制策略，使得分布式光伏電源能夠參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓、調(diào)度及調(diào)整自身儲能元件的荷電狀態(tài)。仿真表明，設計的雙層控制策略能夠使分布式光伏電源參與電網(wǎng)側電能質量控制，并保持直流母線電壓的穩(wěn)定。
5摘要：
分部式光伏電源滲透率上升會影響電能質量。為了充分發(fā)揮分布式光伏電源調(diào)節(jié)配電網(wǎng)電能質量的潛力．設計了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)雙層控制策略。該控制策略包含中心控制層和本地控制層，其中，中心控制層實時檢測電網(wǎng)和分布式電源的運行狀態(tài)，決定功率調(diào)整方案；本地控制層采用了超級電容器和逆變器相互配合的新方案，并在超級電容器的雙環(huán)控制結構中設計了功率前饋環(huán)節(jié)，提高了響應速度。仿真表明，設計方案能夠使分布式光伏電源參與電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)壓、調(diào)度及靈活方便地調(diào)整自身儲能元件能量狀態(tài)，并有效保證直流母線電壓穩(wěn)定
