光伏微電網(wǎng)電儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略探討

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摘要：光伏能源因具有無(wú)污染和綠色清潔等優(yōu)點(diǎn)，受到了國(guó)家的重視。光伏電站是利用光伏能源的一種極為重要的方式。有太陽(yáng)就可以建立光伏電站，既可以減少因輸電距離較長(zhǎng)而損耗線路的現(xiàn)象，又可以當(dāng)作集中式發(fā)電的補(bǔ)充，但是光伏電源微電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行在很大程度上影響電網(wǎng)的繼電保護(hù)和電儲(chǔ)能的系統(tǒng)控制。光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)后，在一定程度上改變了系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的電儲(chǔ)能系統(tǒng)無(wú)法滿足系統(tǒng)控制要求。因此，從光伏微電網(wǎng)中電儲(chǔ)能系統(tǒng)分析入手，探討光伏微電網(wǎng)中電儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略，希望進(jìn)一步提升光伏微電網(wǎng)中電儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制能力。

關(guān)鍵詞：光伏微電網(wǎng)；電儲(chǔ)能系統(tǒng)；控制策略

引言

電能是清潔能源的一種，在我國(guó)人民生活和生產(chǎn)中具有不可替代的作用。從前，我國(guó)電力方面的能量主是以河流、煤炭為動(dòng)力源進(jìn)行水力和火力發(fā)電。然而，煤炭資源日益減少，水資源無(wú)法有效控制，人們?cè)陔娏Ψ矫娴男枨笕找嬖鲩L(zhǎng)，所以光能發(fā)電成為相關(guān)研究者的主要研究方向[1]。生物質(zhì)能、太陽(yáng)能光伏以及風(fēng)力發(fā)電是我國(guó)現(xiàn)階段3種較為清潔的發(fā)電方式。近年來(lái)，光伏發(fā)電發(fā)展極其迅速，得到了極其廣泛的應(yīng)用。光伏發(fā)電是一種新能源發(fā)電技術(shù)，以中小規(guī)模為主進(jìn)行建設(shè)，構(gòu)成一個(gè)微網(wǎng)系統(tǒng)接入我國(guó)電網(wǎng)系統(tǒng)。

1光伏微電網(wǎng)中發(fā)電系統(tǒng)分析

1.1光伏微電網(wǎng)中發(fā)電系統(tǒng)

現(xiàn)階段，借助并網(wǎng)控制逆變器連接當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)，是光伏電源的主流應(yīng)用方式。這一供電方式可以借助電網(wǎng)再分配系統(tǒng)發(fā)的電能，而分析發(fā)電系統(tǒng)可以更好地控制儲(chǔ)能系統(tǒng)。因此，立足于光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成和使用目的不同，可以分為以下幾類（如圖1所示）。

1.1.1有逆流型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)電能充足的情況下，這一系統(tǒng)可以在大電網(wǎng)進(jìn)行反饋。有逆流是指光伏電站向電網(wǎng)反饋的電流方向恰好相反于大電網(wǎng)[2]。在光伏電站供給不足時(shí)，由電網(wǎng)補(bǔ)充負(fù)載所需電量，使負(fù)載能夠正常運(yùn)行。

1.1.2無(wú)逆流光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和有逆流型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)類似，當(dāng)電流供應(yīng)不足的時(shí)候，主要依靠電網(wǎng)的補(bǔ)充，但這一系統(tǒng)不會(huì)把電輸給電網(wǎng)，控制難度不大。

1.1.3切換型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)這種并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以靈活運(yùn)行，可以有效應(yīng)對(duì)較為復(fù)雜的外部狀況。比如：天氣晴朗時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行處于逆流狀態(tài)；陰雨連綿時(shí)，切換器自動(dòng)切換到電網(wǎng)供電一側(cè)，由電網(wǎng)供電給負(fù)載。如果電網(wǎng)因?yàn)槟撤N原因?qū)е鹿╇姲l(fā)生中止，開(kāi)關(guān)切換能斷開(kāi)系統(tǒng)和電網(wǎng)保持運(yùn)行獨(dú)立。受這一系統(tǒng)各種特性的影響，為了在獨(dú)立運(yùn)行過(guò)程中滿足當(dāng)?shù)貙?shí)際情況對(duì)負(fù)荷正常運(yùn)行的要求，需要復(fù)雜性更強(qiáng)的控制系統(tǒng)。

1.1.4有儲(chǔ)能裝置的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)這種系統(tǒng)是把儲(chǔ)能裝置配備在以上幾種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，增強(qiáng)系統(tǒng)的自主性，在醫(yī)療站和緊急通信等場(chǎng)所具有特別的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)[3]。

1.2光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

通常，單電源的放射狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)電網(wǎng)中最為常見(jiàn)，在電網(wǎng)中引入光伏發(fā)電后，放射式的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)就發(fā)生了變化，即變成了一個(gè)有源網(wǎng)絡(luò)，其中分布有中小型電源。潮流的流向也被改變，即不再單向地從變電站母線向各負(fù)荷傳輸。電網(wǎng)的各種保護(hù)定值和機(jī)理也深受電網(wǎng)這一變化的影響。傳統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)計(jì)均是假設(shè)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都為放射狀鏈?zhǔn)?，而隨著電力系統(tǒng)中大量介入光伏發(fā)電設(shè)備，所以也在很大程度上改變了這一區(qū)域供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，使局部電網(wǎng)短路電流的分布發(fā)生了變化，由此也在一定程度上讓這一區(qū)域的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置的配置與動(dòng)作整定變得更加困難，從而讓繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置在動(dòng)作上的不正確。現(xiàn)階段，電力系統(tǒng)中光伏發(fā)電已有著非常廣泛的應(yīng)用，進(jìn)而也開(kāi)始深入探討其對(duì)電網(wǎng)保護(hù)配合的影響。

1.3光伏發(fā)電并網(wǎng)對(duì)自動(dòng)重合閘的影響

自動(dòng)重合閘屬于自動(dòng)裝置的一種，其是把由于故障跳開(kāi)后的斷路器根據(jù)需要自動(dòng)投入。自動(dòng)重合閘裝置應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，讓供電的可靠性得到了明顯提高，使停電損失大大減少，同時(shí)也讓電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平進(jìn)一步提高，使線路的送電容量增強(qiáng)。當(dāng)配電網(wǎng)接入光伏系統(tǒng)后，如果保護(hù)由于故障動(dòng)作而出現(xiàn)跳閘的情況，而光伏系統(tǒng)沒(méi)有從線路解列，由此便形成了一個(gè)電力孤島，其電力由光伏系統(tǒng)提供。雖然這些電力孤島可讓功率與電壓的運(yùn)行保持在額定值附近，但無(wú)疑也威脅到了自動(dòng)重合閘。

2光伏微電網(wǎng)中電儲(chǔ)能系統(tǒng)控制

2.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

結(jié)合微電網(wǎng)并網(wǎng)后電儲(chǔ)能系統(tǒng)變化，設(shè)計(jì)光伏微電網(wǎng)中電儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)，如圖2所示。該系統(tǒng)中不僅包含電網(wǎng)、發(fā)電系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)以及儲(chǔ)能變換器等電路控制系統(tǒng)，還包含儲(chǔ)能控制系統(tǒng)。其中，儲(chǔ)能系統(tǒng)由DSP控制器和繼電保護(hù)電路等組成?？刂破鞑扇∮?jì)算運(yùn)行性能較好的TMS320F28335控制芯片，雙極式變流結(jié)構(gòu)電路做儲(chǔ)能功能變換系統(tǒng)，雙芯片DSP控制四橋臂變流器和DC/DC變換器。此外，預(yù)充電模塊防止電流增加損壞開(kāi)關(guān)管。

2.2具體控制策略

2.2.1儲(chǔ)能功率變換器控制微電網(wǎng)中電儲(chǔ)能系統(tǒng)放電狀態(tài)與電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部各組成部件的運(yùn)行特性息息相關(guān)，必須定期檢測(cè)光伏單元發(fā)電情況和負(fù)載需求，明確儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電運(yùn)行策略。采用“雙極式四橋臂儲(chǔ)能功率變換器”控制電網(wǎng)、光伏系統(tǒng)以及電流負(fù)載等，驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池充放電控制策略的有效性。

2.2.2儲(chǔ)能功率變換系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)中的儲(chǔ)能功率變換系統(tǒng)在三相電網(wǎng)調(diào)整電壓和電流后持續(xù)為蓄電池充電，電壓的等級(jí)相對(duì)較高。根據(jù)光伏微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分析，儲(chǔ)能系統(tǒng)配置的儲(chǔ)能單元功率要求非常高，實(shí)際中可以擴(kuò)充電池組，其中DC/DC變換器參數(shù)可參考文獻(xiàn)[4]。

2.2.3DSP核心控制電路DSP核心控制電路主要對(duì)系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，設(shè)定系統(tǒng)控制闡述，發(fā)出相應(yīng)的控制指令，從而實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。DSP核心控制電路芯片對(duì)運(yùn)算速度、外設(shè)接口以及功能要求非常高，必須滿足變流器環(huán)節(jié)和DC/DC環(huán)節(jié)的控制要求。

3控制結(jié)果

系統(tǒng)對(duì)各控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，借助Matlab系統(tǒng)搭建系統(tǒng)仿真模型電路。驗(yàn)證結(jié)果顯示：指令電流、電壓以及鎖相環(huán)等相關(guān)因素都滿足基本控制要求，發(fā)電系統(tǒng)對(duì)該系統(tǒng)的影響相對(duì)較小。儲(chǔ)能功率變換系統(tǒng)可以有效控制電池充放電，還可以補(bǔ)償三相負(fù)載所造成的不平衡和諧波等問(wèn)題，系統(tǒng)整體運(yùn)行效果良好。這進(jìn)一步驗(yàn)證了儲(chǔ)能運(yùn)行實(shí)施方案的可行性，不僅可以改善電網(wǎng)運(yùn)行電能質(zhì)量，而且進(jìn)一步降低了應(yīng)用成本，對(duì)促進(jìn)微電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)和電網(wǎng)整體安全有一定的積極意義。

4結(jié)論

現(xiàn)階段，智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展越來(lái)越快，電網(wǎng)中正不斷接入光伏發(fā)電等再生能源和清潔能源。電網(wǎng)由單電源放射狀網(wǎng)絡(luò)向多電源供電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，必須重視由短路電流、電壓水平以及潮流分布等因素造成的影響。傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)動(dòng)作性能和動(dòng)作行為受到影響很大，必須探討光伏微電網(wǎng)中電儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略，才能滿足智能電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級(jí)需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]王晗雯，魯勝，周照宇.光伏-混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制及經(jīng)濟(jì)性分析[J].華電技術(shù)，2020，42（4）：31-36.

[2]鄭新昊，祝龍記.光伏直流微電網(wǎng)超級(jí)電容儲(chǔ)能控制策略研究[J].可再生能源，2020，38（4）：497-501.

[3]王小楊，羅多，孫韻琳，等.基于ABC-SVM和PSO-RF的光伏微電網(wǎng)日發(fā)電功率組合預(yù)測(cè)方法研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2020，41（3）：177-183.

[4]馬苗苗，邵黎陽(yáng)，劉向杰.分布式預(yù)測(cè)控制在微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用[J/OL].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）：1-8[2020-05-02].

作者：高飚 單位：新疆粵水電能源有限公司