光儲(chǔ)一體機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制策略研究

楊金東

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，昆明 650000）

隨著“雙碳”政策的不斷推行，分布式光伏等新能源由于其環(huán)境友好性，被大規(guī)模接入電網(wǎng)［1-2］.但分布式光伏大規(guī)模接入配電網(wǎng)后，其出力不可控性、隨機(jī)性等，給電網(wǎng)用電帶來(lái)的安全問題［3-4］.光儲(chǔ)一體機(jī)成為提高并網(wǎng)點(diǎn)電壓穩(wěn)定性的重要選擇［5-7］.

目前已有論文對(duì)光儲(chǔ)一體機(jī)的拓?fù)浼翱刂撇哌M(jìn)行研究［8-10］.在拓?fù)浞矫?，文獻(xiàn)［11-12］提出了一種兩電平光儲(chǔ)一體機(jī)，該電路所用開關(guān)器件少，控制容易，但是現(xiàn)在光伏容量逐漸增加，兩電平電路已經(jīng)很難滿足要求.文獻(xiàn)［13］從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與工作原理詳細(xì)闡述了五電平光儲(chǔ)一體機(jī)特性，該光儲(chǔ)一體機(jī)可以適用于大功率場(chǎng)合，但是該拓?fù)渌栝_關(guān)器件相對(duì)較多，維護(hù)和控制起來(lái)相對(duì)困難.在控制策略方面，文獻(xiàn)［14］提出了基于魯棒模型預(yù)測(cè)控制的運(yùn)行策略.文獻(xiàn)［15］構(gòu)建了含分布式光儲(chǔ)配電網(wǎng)時(shí)變最優(yōu)潮流追蹤模型，以及含分布式電源的配電網(wǎng)在線潮流優(yōu)化算法.文獻(xiàn)［16］基于光伏出力不確定性，提出一種日前運(yùn)行策略，以運(yùn)行成本最低為目標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)削峰填谷.上述控制策略通過控制儲(chǔ)能參與系統(tǒng)有功調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性有很大提升，但實(shí)現(xiàn)過程相對(duì)繁瑣.

由上述研究可知：傳統(tǒng)的DC/AC控制策略雖然能實(shí)現(xiàn)分布式電源的并網(wǎng)，但距離參與配電網(wǎng)的主動(dòng)運(yùn)行管理尚有較大差異，這主要是由于這些傳統(tǒng)的變流器控制策略缺乏一種與配電網(wǎng)融合的有效組織機(jī)制.另外，分布式電源并網(wǎng)變流器其開關(guān)特性、控制耦合及其輸出阻抗差異引起的特殊電能質(zhì)量問題如諧波、諧振、環(huán)流等干擾上傳至電網(wǎng)，影響電網(wǎng)正常運(yùn)行將成為常態(tài)，且分布式電源變流器存在慣性小、無(wú)法自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)阻抗、異構(gòu)互聯(lián)環(huán)境下的集群多源性擾動(dòng)關(guān)聯(lián)耦合嚴(yán)重、阻抗特性不固定問題，導(dǎo)致配網(wǎng)全局協(xié)調(diào)控制困難，易產(chǎn)生諧振；因此如何讓分布式電源友好地并網(wǎng)，降低對(duì)電網(wǎng)安全運(yùn)行的負(fù)面影響，是智能配電網(wǎng)亟需解決的重大問題.

針對(duì)上述問題，本文提出一種光儲(chǔ)一體機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制策略，該策略主要通過控制光伏組件按需要向儲(chǔ)能蓄電池進(jìn)行充電，并通過DC/AC變換器輸出滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的交流電能與電網(wǎng)進(jìn)行能量交換.旨在有效平滑光伏發(fā)電波動(dòng)和降低光伏發(fā)電對(duì)配電網(wǎng)沖擊的同時(shí)，提高負(fù)荷用電可靠性.其次提出了光儲(chǔ)一體機(jī)的有功功率自調(diào)節(jié)方法，解決了線路末端因電壓過高導(dǎo)致變流器頻繁脫網(wǎng)的問題.

1 光儲(chǔ)一體機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制策略

1.1 光儲(chǔ)一體機(jī)典型工作模式

光儲(chǔ)一體機(jī)根據(jù)光伏、儲(chǔ)能、負(fù)荷、電網(wǎng)的工作狀態(tài)，對(duì)各功能單元的進(jìn)行能量管理，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的最大化利用，以及對(duì)蓄電池的充放電管理，在保證負(fù)荷穩(wěn)定供電的前提下，根據(jù)并網(wǎng)點(diǎn)電壓狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整光儲(chǔ)一體機(jī)工作狀態(tài)，使系統(tǒng)始終工作在在最優(yōu)狀態(tài).為實(shí)現(xiàn)以上控制目標(biāo)，設(shè)定7種工作模式.

（1）工作模式1：當(dāng)光伏電池發(fā)出的能量大于負(fù)荷需要時(shí)，多余的能量注入電網(wǎng)，向電網(wǎng)賣電獲取收益.

（2）工作模式2：當(dāng)光伏電池發(fā)出的能量大于負(fù)荷需要時(shí)，多余的能量向電池充電，避免負(fù)載出現(xiàn)電壓過高現(xiàn)象.

（3）工作模式3：當(dāng)光伏電池發(fā)出的電能不能滿足負(fù)荷需要時(shí)，光伏電池與電網(wǎng)一起向負(fù)荷供電.

（4）工作模式4：當(dāng)光伏電池發(fā)出的電能不能滿足負(fù)荷需要，并且電網(wǎng)故障不能向電網(wǎng)提供能量時(shí)，光伏電池與電池一起向負(fù)荷供電.

（5）工作模式5：當(dāng)光伏電池不能提供電能時(shí)，電網(wǎng)向負(fù)荷提供能量.

（6）工作模式6：當(dāng)光伏電池不能向負(fù)載提供能量時(shí)，同時(shí)電網(wǎng)出現(xiàn)故障，電池獨(dú)立向負(fù)載供電.

（7）工作模式7：停機(jī).

1.2 光儲(chǔ)一體機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制策略

為判斷光儲(chǔ)一體機(jī)在不同工況下相應(yīng)的工作模式，需要對(duì)光伏電池電壓UPV、光伏電池電流IPV、并網(wǎng)點(diǎn)電壓UG、電池荷電狀態(tài)SOC、負(fù)荷功率PG進(jìn)行采樣.UPV、IPV用來(lái)計(jì)算光伏電池陣列輸出功率PPV，并實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤.SOC用于判斷蓄電池的工作狀態(tài)，來(lái)判斷蓄電池是否允許充放電.并網(wǎng)點(diǎn)電壓用于判斷電網(wǎng)電壓是否出現(xiàn)越限及故障，設(shè)定N為1時(shí)電網(wǎng)故障，N為0時(shí)電網(wǎng)未出現(xiàn)故障.

光儲(chǔ)一體機(jī)能量管理方案如圖1所示.

圖1 光伏儲(chǔ)能一體機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓制策略流程圖Fig.1 Flow chart of grid connection voltage suppression strategy of photovoltaic energy storage all-in-one machine

當(dāng)光伏電池不能提供能量時(shí)，如果電網(wǎng)未發(fā)生故障，一體機(jī)工作在工作模式5，反之則判斷電池SOC狀態(tài)是否高于最小限值SOCmin，一體機(jī)工作在工作模式6，否則工作在工作模式6.當(dāng)光伏電池可以提供電能并且發(fā)出的電能大于負(fù)載需要，此時(shí)如果電網(wǎng)未發(fā)生故障，則向電網(wǎng)注入能量，一體機(jī)工作在工作模式1，當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，如果電池SOC小于最大限值時(shí)SOCmax，一體機(jī)工作在工作模式2，否則工作在工作模式6.當(dāng)光伏電池可以發(fā)出能量，但提供的能量不能滿足負(fù)荷需要時(shí)，如果電網(wǎng)未發(fā)生故障，則一體機(jī)工作在工作模式3，如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障，并且SOC高于最小限值SOCmin時(shí)，一體機(jī)工作在工作模式4，否則工作在工作模式7.

1.3 光儲(chǔ)一體機(jī)有功電壓控制技術(shù)

為解決光伏發(fā)電引起的并網(wǎng)點(diǎn)電壓高壓與低壓越限問題，本節(jié)提出一種基于下垂控制的光儲(chǔ)一體機(jī)新型有功電壓控制技術(shù)，如圖2所示，當(dāng)光儲(chǔ)一體機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓為220 V時(shí)，光伏電池發(fā)出的電能通過光儲(chǔ)一體機(jī)逆變單元全部注入電網(wǎng)，蓄電池充電功率為零.當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓高于220 V時(shí)，光儲(chǔ)一體機(jī)按照設(shè)定的下垂規(guī)律降低注入配電網(wǎng)的功率，抑制并網(wǎng)點(diǎn)電壓的升高，同時(shí)向蓄電池充電.當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓大于設(shè)定的最大電壓Umax時(shí)，光儲(chǔ)一體機(jī)停止向配電網(wǎng)注入能量，最大限度抑制并網(wǎng)點(diǎn)電壓的抬升，光伏電池發(fā)出的電能全部向電池充電.并網(wǎng)點(diǎn)電壓低于220 V時(shí)，光伏電池發(fā)出的電能通過光儲(chǔ)一體機(jī)全部注入電網(wǎng)，同時(shí)，蓄電池向電網(wǎng)注入有功，支撐電壓至正常水平.

圖2 基于下垂控制的有功電壓控制原理圖Fig.2 Principle diagram of active voltage control based on sagging control

下面介紹基于下垂控制的有功電壓控制技術(shù)具體實(shí)現(xiàn)方法，如式（1）與式（2）所示，當(dāng)電網(wǎng)電壓UG處于220≤UG≤Umax區(qū)間時(shí)，為抑制并網(wǎng)點(diǎn)電壓抬升，蓄電池充電功率Pbat按式（1）設(shè)定的下垂特性向蓄電池充電，同時(shí)向配電網(wǎng)注入功率PG.當(dāng)UG＞Umax時(shí)，光伏電池發(fā)出的全部功率PMPPT通過光儲(chǔ)一體機(jī)向蓄電池充電，并網(wǎng)功率PG下降至零.

當(dāng)電網(wǎng)電壓UG處于Umin≤UG≤220時(shí)，為抬升并網(wǎng)點(diǎn)電壓，光儲(chǔ)一體機(jī)控制蓄電池放電，蓄電池功率Pbat變?yōu)樨?fù)值，與光伏電池一起向電網(wǎng)放電.當(dāng)UG＞Umin時(shí)，光儲(chǔ)一體控制控制蓄電池以最大功率放電，最大限度為配電網(wǎng)提供有功支撐.

2 仿真分析

起始時(shí)刻，光伏發(fā)出的能量大于負(fù)載所需能量，光儲(chǔ)一體機(jī)工作在工作模式1，向負(fù)荷供電的同時(shí)，向電網(wǎng)注入能量，如圖3（a）所示.當(dāng)光伏電池輸出的能量不能滿足負(fù)荷需要時(shí)，光儲(chǔ)一體機(jī)由工作模式1轉(zhuǎn)入工作模式3，光伏電池與電網(wǎng)同時(shí)向負(fù)荷供電，如圖3（b）所示.

圖3 光儲(chǔ)一體機(jī)工作模式1轉(zhuǎn)工作模式3仿真波形Fig.3 Simulation waveform of optical storage all-in-one machine operating mode 1 to operating mode 3

起始時(shí)刻，光伏發(fā)出的能量大于負(fù)載所需能量，光儲(chǔ)一體機(jī)工作在工作模式2，向負(fù)荷供電的同時(shí)，向蓄電池充電，如圖4（a）所示.當(dāng)光伏電池輸出的能量不能滿足負(fù)荷需要時(shí)，光儲(chǔ)一體機(jī)由工作模式2轉(zhuǎn)入工作模式4，光伏電池與蓄電池同時(shí)向負(fù)荷供電，如圖4（b）所示.

圖4 光儲(chǔ)一體機(jī)工作模式2轉(zhuǎn)工作模式4仿真波形Fig.4 Simulation waveform of optical storage all-in-one machine operating mode 2 to operating mode 4

起始時(shí)刻，假設(shè)電網(wǎng)故障，同時(shí)光伏電池不能提供能量，光儲(chǔ)一體機(jī)工作在工作模式6，負(fù)荷所需能量全部由蓄電池提供，如圖5（a）所示.當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)，光儲(chǔ)一體機(jī)由工作模式6轉(zhuǎn)入工作模式5，電網(wǎng)提供負(fù)荷所需的全部能量，如圖5（b）所示.

圖5 光儲(chǔ)一體機(jī)工作模式6轉(zhuǎn)工作模式5仿真波形Fig.5 Simulation waveform of optical storage all-in-one machine operating mode 6 to operating mode 5

對(duì)所提光伏儲(chǔ)能一體機(jī)能量管理方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖6所示.起始時(shí)刻，光伏發(fā)出的能量小于負(fù)載所需能量，光儲(chǔ)一體機(jī)工作在工作模式3，光伏電池與電網(wǎng)同時(shí)向負(fù)荷供電.當(dāng)光伏電池輸出的能量大于負(fù)荷需要時(shí)，光儲(chǔ)一體機(jī)由工作模式3轉(zhuǎn)入工作模式1，向負(fù)荷供電的同時(shí)向電網(wǎng)注入能量.

如圖7所示，起始時(shí)刻，當(dāng)光伏電池輸出的能量不能滿足負(fù)荷需要時(shí)，光儲(chǔ)一體機(jī)工作在工作模式4，光伏電池與蓄電池同時(shí)向負(fù)載供電.當(dāng)光伏電池輸出的能量大于負(fù)載所需能量時(shí)，向負(fù)荷供電的同時(shí)，向蓄電池充電.光儲(chǔ)一體機(jī)由工作模式4轉(zhuǎn)入工作模式2.

圖7 光儲(chǔ)一體機(jī)工作模式4轉(zhuǎn)工作模式2仿真波形Fig.7 Simulation waveform of the optical storage all-in-one machine operating mode 4 to operating mode 2

如圖8所示，起始時(shí)刻，電網(wǎng)提供負(fù)荷所需的全部能量，工作在工作模式5.假設(shè)電網(wǎng)故障，同時(shí)光伏電池不能提供能量，光儲(chǔ)一體機(jī)工作在工作模式6，負(fù)荷所需能量全部由蓄電池提供.

圖8 光儲(chǔ)一體機(jī)工作模式5轉(zhuǎn)工作模式6仿真波形Fig.8 Simulation waveform of the optical storage all-in-one machine operating mode 5 to operating mode 6

對(duì)基于下垂特性的光儲(chǔ)一體機(jī)有功電壓控制方法進(jìn)行驗(yàn)證，光照條件較好時(shí)，設(shè)定光伏電池發(fā)出的能量全部注入配電網(wǎng)，受線路阻抗影響，并網(wǎng)點(diǎn)電壓大幅抬升至320 V左右，遠(yuǎn)高于允許的電壓抬升范圍，造成電壓越限.為抑制電壓抬升，光儲(chǔ)一體機(jī)根據(jù)光伏電池、蓄電池與電網(wǎng)的工作狀態(tài)，按照有功電壓調(diào)節(jié)策略，協(xié)調(diào)三者工作，對(duì)蓄電池按下垂特性充電，如圖9所示.

圖9 光伏儲(chǔ)能一體機(jī)有功電壓調(diào)節(jié)波形圖Fig.9 Power voltage adjustment waveform of the photovoltaic energy storage all-in-one machine

由圖9可知，當(dāng)光儲(chǔ)一體機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓為220 V時(shí)，光伏電池發(fā)出的電能通過光儲(chǔ)一體機(jī)逆變單元全部注入電網(wǎng)，蓄電池充電功率為零.當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓高于220 V時(shí)，光儲(chǔ)一體機(jī)按照設(shè)定的下垂規(guī)律降低注入配電網(wǎng)的功率，抑制并網(wǎng)點(diǎn)電壓的升高，同時(shí)向蓄電池充電.因此，可有效抑制并網(wǎng)點(diǎn)電壓波動(dòng).

3 結(jié)論

本文通過對(duì)光儲(chǔ)一體機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究，可得出如下結(jié)論：

（1）基于逆變調(diào)控一體機(jī)的并網(wǎng)點(diǎn)電壓自適應(yīng)控制策略和光儲(chǔ)一體機(jī)的有功功率自調(diào)節(jié)方法，當(dāng)光儲(chǔ)一體機(jī)并網(wǎng)點(diǎn)電壓為220 V時(shí)，光伏電池發(fā)出的電能通過光儲(chǔ)一體機(jī)逆變單元全部注入電網(wǎng)，蓄電池充電功率為零.當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓高于220 V時(shí)，光儲(chǔ)一體機(jī)按照設(shè)定的下垂規(guī)律降低注入配電網(wǎng)的功率，抑制并網(wǎng)點(diǎn)電壓的升高，同時(shí)向蓄電池充電.有效解決了線路末端因電壓過高導(dǎo)致變流器頻繁脫網(wǎng)的問題，滿足分布式電源接入多種電網(wǎng)工況需求，實(shí)現(xiàn)了分布式電源對(duì)電網(wǎng)的友好支撐.

（2）光儲(chǔ)一體機(jī)既可以工作在并網(wǎng)模式，與電網(wǎng)一起向負(fù)荷供電，又可以在電網(wǎng)發(fā)生故障或者設(shè)備主動(dòng)脫離電網(wǎng)時(shí)，快速切換至離網(wǎng)工作模式，保證負(fù)荷的連續(xù)供電.光儲(chǔ)一體機(jī)可廣泛應(yīng)用于離網(wǎng)光伏電站、工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院、政府等高好可靠性供電場(chǎng)合.