謝勝男，馬平，蘇適，嚴(yán)玉廷，楊洋

(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；3.云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217)

對微網(wǎng)中光伏系統(tǒng)在離網(wǎng)運行下的控制研究

謝勝男1，3，馬平1，蘇適2，嚴(yán)玉廷2，楊洋2

(1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071003；2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217；3.云南電網(wǎng)公司研究生工作站，昆明 650217)

在離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性以及隨機性，常常會配備一定容量的混合儲能裝置，這是整個系統(tǒng)不可或缺的組成部分。本文在分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)以及混合儲能裝置的工作特性的基礎(chǔ)上，制定了系統(tǒng)控制策略，大建立系統(tǒng)仿真試驗?zāi)Ｐ?，并在該模型上進(jìn)行了帶不可變負(fù)載擾動及帶可變負(fù)載擾動下系統(tǒng)動態(tài)試驗，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)的系統(tǒng)配置及控制策略的可行性。

混合儲能裝置；光伏發(fā)電系統(tǒng)；離網(wǎng)運行

0 前言

分布式能源例如太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐能發(fā)電等被大力推廣應(yīng)用。其中太陽能光伏發(fā)電作為一種取之不盡用之不竭且無污染、無噪聲的蘊含巨大能量的可再生能源，受到越來越廣泛的關(guān)注，在微網(wǎng)中的應(yīng)用也較多。由于太陽能光伏發(fā)電的隨機性以及不穩(wěn)定性，需要配備儲能系統(tǒng)以在光伏系統(tǒng)出力不足的情況下補充微電網(wǎng)中的功率以滿足負(fù)荷的需求。因此設(shè)計合理的能量控制策略，合理的調(diào)配各微源之間的輸出功率是很有必要的。本文的主要研究內(nèi)容是對微電網(wǎng)離網(wǎng)模式下的光伏發(fā)電系統(tǒng)及混合儲能裝置的能量管理策略進(jìn)行研究。

1 微電網(wǎng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 光伏發(fā)電的原理及特性

太陽能是一種輻射能，因此必須借助轉(zhuǎn)換部件才能轉(zhuǎn)換成電能。太陽能電池板就是一種直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的部件?？紤]到實際太陽能電池的電阻等因素，通常采用的太陽能電池的電流-電壓特性方程是：

其中I為P-N結(jié)的電流；I0為反向飽和電流；V為外加電壓；q是電子電荷；K是玻爾茲曼常數(shù)；T是絕對溫度。由上式可以得出太陽能電池的電流電壓特性曲線和功率與電壓的特性曲線：

為了達(dá)到光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，通常需要在系統(tǒng)中增加儲能裝置。文中涉及的儲能裝置為蓄電池組和超級電容器組成的混合儲能裝置。在蓄電池中常用的一些參數(shù)有以下幾個：

圖1 太陽能電池板的電流電壓和功率電壓特性曲線

1)蓄電池的容量。通常是指處于完全充電狀態(tài)下的蓄電池，按照一定的放電條件，放電到所規(guī)定的電壓，能夠釋放出的能量。

2)蓄電池的荷電狀態(tài)。荷電狀態(tài)反映了蓄電池的剩余容量：

其中CN、Cd、CR分別為蓄電池的額定容量、蓄電池已釋放的容量、蓄電池的剩余容量。

3)蓄電池的放電深度。蓄電池的放電深度是指蓄電池已放出的容量與額定容量的比值，表達(dá)式為

考慮到放電深度對蓄電池壽命的影響，一般放電深度選在0.6～0.7之間。

超級電容器是一種新型的儲能裝置，具有充電時間短、使用壽命長、溫度特性好、節(jié)約能源和綠色環(huán)保等特點。超級電容器在分離出的電荷中存儲能量，用于存儲電荷的面積越大、分離出的電荷越密集，其電容量越大。超級電容器的容量可以利用下面的公式來計算：

其中Uwork、Umin、It分別表示電路中的正常工作電壓、器件工作的最小的電壓和負(fù)載電流。由于超級電容器在大負(fù)載突然接入的時候具有快速放電來填補功率，避免母線電壓的劇烈變化的作用，因此本文中在選擇蓄電池作為儲能元件的同時還用了超級電容器作為補充。

1.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類

光伏發(fā)電是將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種發(fā)電形式，太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心器件。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為離網(wǎng)運行以及并網(wǎng)運行兩種方式，文中的仿真是在獨立運行的前提下進(jìn)行的，光伏系統(tǒng)的供電可靠性受到氣象環(huán)境以及負(fù)載情況的影響，供電可靠性較差，所以配備了儲能裝置。因為光伏發(fā)電系統(tǒng)和常用的儲能裝置都是直流的，所以采用直流母線系統(tǒng)。

光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在離網(wǎng)模式下，主要由太陽能電池組、控制器、直流變換器、離網(wǎng)逆變器和混合儲能系統(tǒng)構(gòu)成。離網(wǎng)運行時，光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合儲能系統(tǒng)構(gòu)成了一個相對獨立的發(fā)電系統(tǒng)。太陽能電池板將接收的太陽能轉(zhuǎn)化成電能并輸送直流變換器，變換到合適的直流電壓，再通過離網(wǎng)逆變器進(jìn)行逆變，變成帶動負(fù)載所需要的交流電。并且通過控制器對混合儲能系統(tǒng)進(jìn)行充放電。

目前，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)和光伏電站兩大類。文中的撰寫是以微電網(wǎng)中光伏發(fā)電系統(tǒng)為背景的，所以可以看做戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)。在微電網(wǎng)并網(wǎng)運行時穩(wěn)定小區(qū)域的供電性能良好較容易，但是當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障，微電網(wǎng)離網(wǎng)運行時能否有較好的供電質(zhì)量、滿足區(qū)域內(nèi)負(fù)載的用電需求是一個值得思考的問題，所以本文研究的光伏發(fā)電系統(tǒng)是在離網(wǎng)運行的前提下的。

1.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)運行時的模型圖

文中設(shè)計的光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)時主要由光伏陣列、直流變換器、蓄電池組充放電電路、超級電容充放電電路、逆變器及控制器等組成。光伏陣列接收太陽能的輻射，轉(zhuǎn)換成電能輸給DC/DC直流變換器，直流變換器將電壓進(jìn)行升高或者降低，同時利用最大功率跟蹤算法，達(dá)到對光伏陣列吸收到的太陽能功率的最大化利用，提升資源利用效率；然后將電能輸送給混合儲能裝置或者各類負(fù)載。

1.4 能量管理控制策略

1)在天氣條件好的時候，盡可能使用太陽能電池轉(zhuǎn)換的電來供給負(fù)載使用，同時在混合儲能的能量不足時給混合儲能裝置進(jìn)行充電；

2)天氣情況不好，不足夠使太陽能電池板發(fā)出足夠的電來供給負(fù)載的時候需要蓄電池補充放電以滿足負(fù)載的需要，但是應(yīng)當(dāng)控制蓄電池的放電深度避免蓄電池的損壞；

3)當(dāng)在正常運行的時候突然介入大負(fù)載的情況下，應(yīng)當(dāng)使超級電容盡快放電，防止母線電壓跌落，同時避免電壓的波動過大，影響供電質(zhì)量。

文中研究的是光伏發(fā)電系統(tǒng)，只有光伏、蓄電池組、超級電容器三種微電源組成的獨立運行發(fā)電系統(tǒng)，所以主要從經(jīng)濟性和電能質(zhì)量兩個方面進(jìn)行能量管理。

對于小區(qū)域內(nèi)的微電網(wǎng)來說，損耗小是經(jīng)濟性的重要體現(xiàn)之一，因此在本文中將網(wǎng)損最小作為能量管理經(jīng)濟性的目標(biāo)。網(wǎng)損最小化就是通過控制微電網(wǎng)的潮流使系統(tǒng)內(nèi)的有功、無功損耗最小化，

其中，N為系統(tǒng)支路數(shù)；Ri、Xi為支路i的電阻和電抗；Pi、Qi和Vi分別為支路i的有功、無功和電壓幅值。

電能質(zhì)量在一定程度上可以用電壓的偏差程度來衡量，因此把電壓偏差作為電能質(zhì)量的衡量標(biāo)準(zhǔn)。電壓偏差的目標(biāo)函數(shù)就是將各節(jié)點的電壓偏移總和最小化，其表達(dá)式為：

其中n為光伏發(fā)電系統(tǒng)中的節(jié)點數(shù)；Vi為節(jié)點i的電壓；ΔVi為節(jié)點i的電壓偏差量；δVi為節(jié)點i允許的最大電壓偏差量。

綜上所述，在光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運行時，不考慮各微電源的暫態(tài)特性，能量管理優(yōu)化的總目標(biāo)函數(shù)為：F=min(fΔSL，fΔV)

具體的控制策略實施方案如圖3所示：

圖3 發(fā)電系統(tǒng)的控制框圖

1.5 微電源連接

蓄電池組、超級電容器和光伏發(fā)電陣列三個微電源都是連接在直流母線上面的。

1)蓄電池組在其中主要起著維持母線電壓穩(wěn)定的作用，因此采用了電壓負(fù)反饋控制保證其輸出電壓值的穩(wěn)定。但是由于蓄電池組的放電深度以及充電程度對蓄電池組的使用壽命有很大的影響，因此在控制電路中設(shè)置了電壓監(jiān)測環(huán)節(jié)，隨時監(jiān)測蓄電池組的荷電狀態(tài)，合理的安排使用蓄電池組的充放電，延長蓄電池組的使用壽命；

2)由于要最大限度的利用太陽能光伏的能量來達(dá)到經(jīng)濟環(huán)保的目的，使光伏陣列經(jīng)過DC/ DC變換器之后的電流能夠跟蹤光伏陣列的輸出電流，使得輸出到直流母線上的電流始終保持最大，因此對于光伏發(fā)電陣列是通過電流反饋控制，以保證光伏發(fā)電陣列的輸出功率最大的；

3)超級電容器僅僅是在有大負(fù)載并且該大負(fù)載的接入會使直流母線的電壓大范圍的波動時起到平滑電壓幅值的作用的，所以要在超級電容器的控制電路中設(shè)置電壓監(jiān)測環(huán)節(jié)，隨時監(jiān)測直流母線的電壓值，在母線電壓發(fā)生大波動的時候及時監(jiān)測到并傳遞放電信號給超級電容器，使得超級電容器能夠較好的完成填補電壓缺失的作用。

2 對光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真試驗

圖4 帶固定負(fù)載與可變負(fù)載時的直流母線電壓曲線

通過上面a、b兩個圖可以看出，是否帶可變負(fù)載對直流母線上的電壓影響并不是很大，在初始階段會有一定的影響，但是經(jīng)過一段時間之后都能趨近700 V的附近。從此可以看出，當(dāng)負(fù)載發(fā)生較大的變動的時候，超級電容器會能夠快速放電，同蓄電池組一起盡力保持母線電壓的穩(wěn)定，但是由于超級電容器的放電時間極短，所以蓄電池同時也會放電，當(dāng)超級電容器的電能使用完了之后，蓄電池的放電也達(dá)到了可以維持母線電壓的水平，所以體現(xiàn)在電壓上可以看出在初始階段會有明顯的下降，然后再回升的過程。

圖5 帶固定負(fù)載和可變負(fù)載時的交流母線電壓曲線

上面a、b兩圖為帶固定負(fù)載與帶可變負(fù)載的交流母線上的電壓曲線圖。由圖中能夠明顯的看出，負(fù)載是否有較大變化對交流母線的電壓并沒有太大影響，交流母線上的電壓波形始終都能維持一個較好的狀態(tài)。由此可以看出經(jīng)過SVPWM來控制逆變器，可以很好地控制輸出的交流電壓使之符合文中的設(shè)計要求。

圖6 帶固定負(fù)載與可變負(fù)載時的系統(tǒng)輸出功率曲線

從兩個輸出的功率曲線圖可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)帶固定負(fù)載的時候是比較平和的趨于穩(wěn)定的，但是帶動可變負(fù)載的時候功率在開始的時候波動很大，這是因為負(fù)荷波動較大，需要超級電容器和蓄電池出力填補光伏發(fā)電量的不足。超級電容可以迅速放電以在蓄電池組放電量沒跟上的時候填補一些，隨著蓄電池放電量的增加，總的輸出電量會出現(xiàn)過量的情況，但是最終在控制環(huán)調(diào)節(jié)的作用下，輸出功率會逐步趨近于平衡。

3 結(jié)束語

1)討論了組成光伏發(fā)電系統(tǒng)的各個微電源的特點和輸出特性；

2)針對各種微電源的特性制定了以經(jīng)濟性和電能質(zhì)量為控制目標(biāo)的能量管理策略并通過仿真實驗驗證了控制策略的正確性；

3)根據(jù)制定的能量管理策略對由蓄電池、超級電容以及光伏發(fā)電陣列組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)用MATLAB進(jìn)行了仿真，并得出輸出特性曲線；

4)分析所得的曲線，從中驗證了所搭模型的可行性以及能量管理策略的正確性。通過對系統(tǒng)帶固定負(fù)載和可變負(fù)載兩種情況下的仿真，能夠看出負(fù)載的變化并沒有對系統(tǒng)的輸出電壓以及功率造成大的影響，幾乎沒有變化，這表明各個微源能在不同的條件下充分發(fā)揮自己的作用：超級電容器在遇到大負(fù)載的時候會快速放電，穩(wěn)定母線電壓；蓄電池起著穩(wěn)定直流母線電壓的作用；同時利用最大功率跟蹤，充分發(fā)揮光伏的作用，最大限度的利用太陽能。所得到的仿真結(jié)果符合預(yù)期的設(shè)計目標(biāo)。缺點在于對于超級電容器的特性并沒有得出很好地曲線來加以證明；整個系統(tǒng)沒有在實際的微電網(wǎng)中帶動實際的負(fù)載進(jìn)行驗證，缺少一些說服力。

在我國，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用還不充分，光伏系統(tǒng)尚未脫離試驗和示范階段，結(jié)構(gòu)的設(shè)計業(yè)還不夠完善、成熟。隨著時間的推移以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計以及新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開發(fā)和采用將成為人們研究的重點，為更好的利用太陽能，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的綠色經(jīng)濟提供實現(xiàn)途徑。

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馬平，女，教授，研究生導(dǎo)師，華北電力大學(xué)，主要從事過程控制、火電廠單元機組控制和優(yōu)化、計算機原理及應(yīng)用的教學(xué)科研工作。

蘇適，男，云南電網(wǎng)公司電力研究院，從事智能微網(wǎng)的設(shè)計、建設(shè)、并網(wǎng)、能量管理系統(tǒng)等方面的工作。

Research on Control Strategy of Photovoltaic System Off-grid Operation in Micro-gird

XIE Shengnan1，3，MA Ping1，SU Shi2，YAN Yuting2，YANG Yang2
(1.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；3.Graduate Workstation of Yunnan Power Grid，Kunming 650217，China)

In off-grid photovoltaic power generation system，due to the instability of photovoltaic power generation and randomness，often equipped with a certain capacity of hybrid energy storage device，which is an integral part of the whole system.Based on the analysis of the photovoltaic power generation system and the work characteristics of the hybrid energy storage device，on the basis of this paper introduces the simulation model used in the simulation theory，and combining with actual simulation model and simulation results，this paper expounds the feasibility of this method.Experimental results prove the theoretical analysis is established，the test method is feasible.

hybrid energy storage device；photovoltaic power generation system；off-grid run

TM76

B

1006-7345(2014)06-0063-05

2014-07-21

謝勝男 (1990)，女，碩士研究生，云南電網(wǎng)公司研究生工作站，研究方向為智能電網(wǎng)的控制及相關(guān)接口的通信方面 (email)524321061＠qq.com。