刘迎澍;王翠敏
【摘 要】为了有效抑制光伏输出的随机性、间歇性对大电网所产生的不利影响,提高光伏并网的友好性,深入研究了光伏-储能微电网系统在并网运行模式下的协调控制框架及相应的控制策略.通过对光伏-储能微电网系统中的功率变换器的恒功率控制和直流母线电压无静差跟踪控制策略进行协调、整合,在确保光伏-储能微电网系统向大电网提供所需的有功和无功功率的同时,有效维持了微电网系统的稳定运行.通过Matlab/Simulink平台开展了仿真研究,仿真结果验证了各控制策略的有效性.%For an effective suppression of negative effects caused by the random and intermit nature of photovoltaic (PV)generations on the grid and to make the PV systems more grid-friendly,coordinated control frameworks and the corresponding control strategies for micro-grid system with PV and energy storage units in grid connected operation are studied. Constant power control and DC bus zero-error tracking control strategies are incorporated,so that the control strategies can ensure that the micro-grid system can supply specified active and reactive powers to the grid,and main-tain a stable o peration of the micro-grid system. A simulation is carried out on the Matlab/Simulink platform,and simu-lation results show the validity of each coordinated control strategy.
【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》
【年(卷),期】2018(030)001
【总页数】6页(P127-132)
【关键词】光伏并网友好性;光储微电网;并网模式;协调控制策略
【作 者】刘迎澍;王翠敏
【作者单位】天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 300072;天津大学电气自动化与信息工程学院,天津 300072
【正文语种】中 文
【中图分类】TM743
近年来，光伏发电发展迅速。但由于光伏输出的间歇性、随机性等特点，大规模光伏并网运行时对大电网的稳定性、电能质量、电网保护等方面产生了不利影响[1-3]。因此，需要将光伏发电系统与储能单元结合起来，通过协调、整合光储微电网系统中的功率变换器控制方法，使基于光伏-储能的微电网（以下简称光储微电网）根据要求向大电网提供所需的有功、无功功率，能够使光伏发电作为一个经典发电机参与电网管理，可以使光伏发电系统更加友好地接入大电网，另外，也可有效提高配电网的灵活性[4]。
目前比较成熟的功率变换器协调控制策略中，光伏逆变器采用最大功率跟踪MPPT（maximum power point tracking）控制，以充分有效地利用光伏发电，常用的MPPT控制算法有扰动观测法[5]、增量电导法[6]、模糊逻辑控制法[7]等。储能单元用来补偿系统功率的波动，文献[8-10]介绍了储能功率变换器控制，储能一般采用充放电互补的蓄电池和超级电容器混合储能，其中，超级电容器负责瞬态能量交换，而蓄电池负责能量较高、但过程相对较长的充放电。PWM整流器控制在微电网系统并网运行模式下通常采用恒功率控制，其变形方式包括简化的恒功率控制、恒直流电压恒无功功率控制和逆变器输出电压控制等[11]。
本文深入研究了协调、整合光储微电网系统各功率变换器的控制方法，以实现以下功能：①维持微电网系统运行过程中的实时功率平衡；②根据配电管理系统的要求，向配电网提供指定的有功功率Pg_ref和无功功率 Qg_ref。
1 光储微电网系统整体架构
本文所研究的光储微电网系统如图1所示，由交流母线、直流母线、光伏电池阵列、超级电容器和蓄电池混合储能单元、直流负载、交流负载、功率变换器以及大电网等构成。
图1 光储微电网系统结构Fig.1 Structure of microgrid system with photovoltaic and energy storage
所研究的光储微电网系统中包括以下功率变换器：①用于连接光伏阵列和直流母线的功率变换器为DC/DC Boost变换器，在提升光伏阵列输出电压的同时，对光伏阵列进行最大功率跟踪；②连接直流母线和交流母线的DC/AC变换器为电压型PWM 功率变换器 VSC（voltage source converter）；③储能单元采用充放电互补的蓄电池和超级电容器，超级电容器、蓄电池单元分别通过双向DC/DC变换器（本文中选取双向半桥拓扑结构的Buck-Boost变换器）连接到直流母线上。
2 VSC控制方法
2.1 Boost变换器的最大功率跟踪控制方法
Boost变换器最大功率点跟踪的目的是根据光伏阵列的伏安特性，利用控制策略保证其工作在最大功率输出状态，以最大限度地利用太阳能，本文采用增量电导法[6]实现最大功率跟踪。
2.2 VSC功率变换器控制方法
VSC拓扑结构采用三相半桥，如图2中的虚框内所示。VSC通过LCL滤波器连接到大电网，用来抑制微电网侧的谐波分量，其中C为直流母线的电容。
VSC采用双环控制，内环采用直接电流矢量控制，即直接利用d轴电流id_ref和q轴电流iq_ref矢量控制VSC有功功率和无功功率。本文VSC外环控制采用简化恒功率控制和恒直流母线电压恒无功功率控制[11]。
简化的恒功率控制模式为
图2 VSC功率变换器Fig.2 VSC power converter
式中：vd为VSC交流侧电压Vdq的d轴分量；PVSC和QVSC分别为VSC的有功和无功功率指令值。
恒直流母线电压恒无功功率控制中直流母线无静差跟踪控制产生d轴电流id_ref，q轴电流iq_ref仍由式（2）产生，图3为直流母线电压无静差跟踪控制框图。图3中vdc为直流母线电压实际测量值，vdc_ref为直流母线电压设定值。
图3 直流母线电压无静差跟踪控制框图Fig.3 DC bus voltage control diagram with zero-error tracking
2.3 Buck-Boost变换器的控制方法
Buck-Boost变换器电路如图4所示，当储能充电时，Buck-Boost变换器以Buck模式工作；当储能放电时，变换器以Boost模式工作。
图4 Buck-Boost变换器电路Fig.4 Circuit of Buck-Boost converter
Buck-Boost变换器也采用双环控制，即电压外环和电流内环。
2.3.1 内环控制
内环控制采用恒定电流控制，以快速跟踪储能所需充放电功率。电流内环控制系统控制储能充放电电流，即电感电流。在电感L回路中，基于基尔霍夫电压定律，有
式中：L为储能电感；is为储能充放电电流；vs为储能端电压；vm为斩波器调制电压。式（3）表达了储能端电压和电流的关系。通过式（3）可得到斩波器调制电压参考值为
式中：Kp、Ki分别为比例系数和积分系数；is_ref为储能充放电电流参考值。
Buck-Boost变换器的平均调制函数为
式中，vdc为直流母线电压。
综上所述，储能单元的恒定电流内环控制框图如图5所示。
图5 储能单元电流内环控制Fig.5 Current inner loop control of energy storage unit
2.3.2 基于协调控制策略的外环控制
协调控制策略的目的是维持光储微电网系统运行过程中的实时功率平衡，并根据配电管理系统的要求，向配电网提供指定的有功功率Pg_ref、无功功率Qg_ref，本文所研究的光储微网系统实时功率平衡可由直流母线电压表示，所以本文采用直流母线电压幅值波动性来表示系统实时功率平衡的波动性。
本文研究了两个协调控制框架并基于这两个协调控制框架给出了Buck-Boost变换器外环控制方法：①VSC跟踪有功功率指令，通过Buck-Boost变换器维持直流母线电压稳定；②VSC维持直流母线电压稳定，通过Buck-Boost变换器跟踪有功功率指令。
协调控制框架1中，配电管理系统发出的有功、无功功率指令Pg_ref、Qg_ref分别给VSC（式（1）、式（2）中的控制信号输入端PVSC、QVSC），VSC外环采用简化的恒有功、无功功率控制使光储微电网产生给定的有功、无功功率 Pg_ref、Qg_ref，光伏Boost变换器采用最大功率跟踪控制，所以由储能单元维持直流母线电压稳定。储能单元Buck-Boost变换器外环可分别采用系统功率平衡控制、直流母线电压无静差跟踪控制以维持直流母线电压稳定，本文称前者为协调控制策略A，即VSC采用简化恒功率控制、储能单元采
用系统功率平衡控制；称后者为协调控制策略B，也就是VSC采用简化恒功率控制、储能单元采用直流母线电压无静差跟踪控制。
1）协调控制策略A
在协调控制策略A下，储能单元Buck-Boost变换器外环采用系统功率平衡控制，根据系统能量平衡，储能充放电总功率参考值为
式中：Ppv为光伏阵列经MPPT后输出功率；Pdc_load为直流母线上的直流负载。
直流母线处的电容C作为缓冲VSC交流侧和直流侧能量交换的装置，它具有稳定VSC直流侧电压、抑制直流侧谐波电压等作用，忽略逆变器、滤波器等损耗，VSC馈送给大电网的有功功率为
式中，idc为VSC直流侧流入的电流，如图2中所示。结合式（6）和式（7），给出混合储能单元在协调控制策略A下外环控制框图如图6所示。
图6 协调控制策略A下储能单元外环控制Fig.6 Outer loop control of energy storage unit under coordinated control strategy A
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