陳任峰，黃少偉，陳來(lái)軍，趙豐富，傅冬生，王 斌

(1.清華大學(xué)電機(jī)系，電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084;2.宣城供電公司，安徽宣城242000)

1 引言

隨著全球能源危機(jī)愈演愈烈，人們對(duì)可再生能源利用的需求日益迫切。其中，太陽(yáng)能作為一種重要的可再生能源，因其清潔、低碳等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為世界各國(guó)推廣應(yīng)用的對(duì)象。光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的重要形式，隨著成本下降而在世界范圍內(nèi)掀起了應(yīng)用高潮。近年來(lái)，我國(guó)也相繼出臺(tái)了一系列政策，支持光伏發(fā)電的推廣［1，2］。

然而，光伏發(fā)電的大量接入引起的諧波、閃變等電能質(zhì)量問(wèn)題會(huì)對(duì)配電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成一定影響［3-7］。同時(shí)，光伏發(fā)電本身具有間歇性、隨機(jī)性的特點(diǎn)，使配電網(wǎng)無(wú)法對(duì)其進(jìn)行快速、有效的調(diào)控。這些問(wèn)題在一定程度上制約了光伏發(fā)電的推廣應(yīng)用。

21世紀(jì)初，學(xué)者提出微電網(wǎng)的概念［8-10］，希望通過(guò)光伏微電網(wǎng)的形式使光伏發(fā)電更加友好地接入配電網(wǎng)，并且能夠參與配電網(wǎng)協(xié)同調(diào)度，成為配電網(wǎng)的“好市民”。目前，對(duì)光伏微電網(wǎng)調(diào)度方面的研究多集中在優(yōu)化策略和算法的設(shè)計(jì)［11-14］，而提升光伏微電網(wǎng)自身可調(diào)度性的研究較為少見(jiàn)，尤其是對(duì)光伏微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間公共聯(lián)接點(diǎn)(Point of Common Coupling，PCC)的功率控制，更鮮有提及。作為一類特殊的獨(dú)立電力系統(tǒng)，光伏微電網(wǎng)可調(diào)度性及可控性的優(yōu)劣，不僅決定了微電網(wǎng)與配網(wǎng)協(xié)同調(diào)度能否順利完成，更決定了光伏微電網(wǎng)離網(wǎng)運(yùn)行時(shí)能否穩(wěn)定運(yùn)行［15］。因此，對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的意義。

光伏微電網(wǎng)可調(diào)度性主要由它與配電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率的調(diào)節(jié)能力來(lái)體現(xiàn)，可通過(guò)光伏微電網(wǎng)PCC點(diǎn)功率跟蹤控制實(shí)現(xiàn)。本文首先設(shè)計(jì)了一種工程實(shí)用性較高的PCC點(diǎn)功率跟蹤控制策略，并在此基礎(chǔ)上對(duì)其中的外環(huán)和內(nèi)環(huán)控制器進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)。之后，通過(guò)仿真分析和系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)本文所設(shè)計(jì)的策略進(jìn)行了性能測(cè)試。

2 傳統(tǒng)PCC點(diǎn)功率跟蹤控制策略

如圖1所示，光伏微電網(wǎng)功率主要由四部分組成，分別是光伏微電網(wǎng)中PCC點(diǎn)功率(PPCC)，光伏發(fā)電功率(PPV)，儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率(PESS)以及負(fù)載消耗功率(PLoad)。

圖1中，各功率的平衡關(guān)系可描述為:

其中，光伏發(fā)電功率和負(fù)載消耗功率在微電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)隨時(shí)波動(dòng)，可控性差。因此，要保證PCC點(diǎn)功率維持在給定水平，即讓PPCC的值滿足調(diào)度需求，可通過(guò)控制儲(chǔ)能設(shè)備的功率輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖1 光伏微電網(wǎng)功率流示意圖Fig.1 Power flow diagram of PV microgrid

光伏微電網(wǎng)運(yùn)行中，PPV和PLoad可通過(guò)實(shí)際采樣計(jì)算獲取，且PCC點(diǎn)功率設(shè)定值為已知參數(shù)，由此可獲得儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出功率的參考值PESS-ref:

式中，PPCC_set表示PCC點(diǎn)功率設(shè)定值;PPV-m和PLoad-m分別表示光伏發(fā)電和負(fù)載的實(shí)測(cè)功率。

從控制角度來(lái)看，在獲取PPCC_ref后，需對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)采用有功無(wú)功控制(PQ控制)，使其輸出的功率PESS跟蹤參考功率PPCC_set，從而使PCC點(diǎn)功率達(dá)到設(shè)定值。但需要指出的是，在實(shí)際工程應(yīng)用中，尚存在如下原因?qū)е聜鹘y(tǒng)控制策略難以實(shí)現(xiàn):

(1)傳統(tǒng)控制策略中，需監(jiān)測(cè)較多的電氣量，尤其是可變功率流，如PPV-m、PLoad-m，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)困難;

(2)用于儲(chǔ)能系統(tǒng)功率輸出參考值計(jì)算的其他量測(cè)值如PPV-m、PLoad-m，均需要分別傳輸至儲(chǔ)能控制器的計(jì)算模塊。一般而言，工程實(shí)際中常采用485通信方式，其存在較大時(shí)延，不具備快速的數(shù)據(jù)傳輸和通信能力。因此，儲(chǔ)能控制器將難以實(shí)時(shí)計(jì)算出參考功率，導(dǎo)致實(shí)時(shí)跟蹤和補(bǔ)償功率困難。

3 改進(jìn)PCC點(diǎn)功率雙閉環(huán)跟蹤控制

針對(duì)傳統(tǒng)控制策略在實(shí)際應(yīng)用中存在的困難，本文提出一種改進(jìn)的PCC點(diǎn)功率跟蹤控制策略，用以實(shí)時(shí)跟蹤光伏微電網(wǎng)PCC點(diǎn)功率設(shè)定值。圖2給出了雙閉環(huán)跟蹤控制的框圖。

該控制策略主要包含外環(huán)控制和內(nèi)環(huán)控制兩部分。其中，外環(huán)控制器用于計(jì)算儲(chǔ)能系統(tǒng)所需功率輸出參考值的控制信號(hào);內(nèi)環(huán)控制器用于產(chǎn)生PWM調(diào)制所需的控制信號(hào)?？刂破鞯木唧w設(shè)計(jì)分述如下。

圖2 改進(jìn)PCC點(diǎn)功率跟蹤雙閉環(huán)控制框圖Fig.2 Improved double closed loops control strategy for PCC power flow control

3.1 外環(huán)控制設(shè)計(jì)

外環(huán)控制器主要實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)，并產(chǎn)生內(nèi)環(huán)控制所需參考信號(hào)。其控制框圖如圖3所示。

圖3 外環(huán)控制器Fig.3 Out-loop controller

圖3中，vd_PCC和id_PCC，vq_PCC和 iq_PCC分別為 PCC點(diǎn)三相電壓和三相電流經(jīng)過(guò)dq變換得到的d軸和q軸分量。

若在dq變換中選取d軸與電壓矢量同方向，則q軸電壓分量為零。此時(shí)，基于瞬時(shí)功率理論，即可求出PCC點(diǎn)的功率值PPCC_m和QPCC_m。然后，與給定參考信號(hào)PPCC_set和QPCC_set進(jìn)行比較，經(jīng)由PI對(duì)誤差調(diào)節(jié)后，產(chǎn)生作用于內(nèi)環(huán)的控制信號(hào)idref和iqref。一般地，為提高控制性能，常令QPCC_set=0。外環(huán)控制通過(guò)對(duì)PCC點(diǎn)功率監(jiān)測(cè)值和設(shè)定值的計(jì)算和分析，確定了儲(chǔ)能設(shè)備功率補(bǔ)償?shù)姆较蚝痛笮　?/p>

3.2 內(nèi)環(huán)控制設(shè)計(jì)

內(nèi)環(huán)控制器主要進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，用于提高PCS輸出的電能質(zhì)量和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。其控制框圖如圖4所示。

圖4中，ed和id，eq和iq分別為儲(chǔ)能系統(tǒng)能量變換器(Power Converter System，PCS)出口處三相電壓和三相電流經(jīng)dq變換獲得的d軸和q軸分量。L為系統(tǒng)等效電感;ω=2πf為系統(tǒng)角頻率。

內(nèi)環(huán)控制器將取得的三相瞬時(shí)電流iabc經(jīng)Park變換后變換為dq軸分量id和iq，與外環(huán)控制器輸出的“參考信號(hào)”idref和iqref比較，并對(duì)誤差進(jìn)行PI控制，通過(guò)電壓前饋補(bǔ)償和交叉耦合補(bǔ)償，輸出電壓控制信號(hào)vd與vq。內(nèi)環(huán)控制器很好地實(shí)現(xiàn)了有功功率和無(wú)功功率的解耦控制。

圖4 內(nèi)環(huán)控制器Fig.4 Inner-loop controller

4 仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文所提方法的正確性和有效性，分別進(jìn)行了仿真分析和安徽宣城光伏微電網(wǎng)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)。

首先，采用商業(yè)仿真軟件EMTDC/PSCAD搭建仿真平臺(tái)。仿真時(shí)長(zhǎng)為0.5s，仿真步長(zhǎng)為3μs。仿真中的主要參數(shù)如表1所示。

表1 仿真中的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of simulation

進(jìn)一步在安徽省宣城市某光伏微電網(wǎng)示范基地，對(duì)所提方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。宣城光伏微網(wǎng)含有公網(wǎng)電源、光伏、儲(chǔ)能、負(fù)荷四個(gè)組成部分，其中儲(chǔ)能雙向變流器、微網(wǎng)集中控制器等關(guān)鍵設(shè)備均為項(xiàng)目課題組自行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，PCC點(diǎn)功率跟蹤控制算法采用本文所提出的雙閉環(huán)控制策略。微網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D5所示。

從圖5中可知，宣城光伏微網(wǎng)的電氣單元主要包括:

(1)容量為100kWp光伏發(fā)電單元。共由裝機(jī)容量為5.25kWp的四樓露臺(tái)BIPV光伏采光頂單元、裝機(jī)容量為34.32kWp的五樓屋頂BAPV光伏頂棚單元和裝機(jī)容量60.84kWp的BIPV光伏車棚單元三個(gè)光伏發(fā)電子單元組成，分別通過(guò)一個(gè)5kW的單相逆變器、三個(gè)30kW的三相逆變器和24個(gè)200W的微型逆變器接入380V交流母線。

圖5 宣城光伏微電網(wǎng)拓?fù)銯ig.5 Topology of Xuancheng PV microgrid

(2)鋰電池-超級(jí)電容組成的混合儲(chǔ)能單元。鋰電池儲(chǔ)能單元容量配置為50kWh，主要由三個(gè)部分組成:①162個(gè)3V鋰電池單體模組串聯(lián)組成518V儲(chǔ)能單元;②鋰電池管理系統(tǒng)單元(BMS);③容量100kW的雙向功率變換器。超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由四個(gè)部分組成:13個(gè)50.4V/166F超級(jí)電容模組串聯(lián)組成650V/12.8F儲(chǔ)能單元，超級(jí)電容管理系統(tǒng)單元，超級(jí)電容充電機(jī)單元，雙向功率變換器。

(3)總功率為65kW的四組負(fù)載單元。分別為二層、三層、四層的照明和空調(diào)負(fù)載各20kW，以及一層熱水爐5kW。各負(fù)載支路均能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制。

(4)容量為100A的電能質(zhì)量綜合治理單元。根據(jù)本系統(tǒng)的容量，光伏系統(tǒng)專用電能質(zhì)量綜合治理裝置對(duì)電源和負(fù)荷同時(shí)進(jìn)行無(wú)功、諧波和三相不平衡等電能質(zhì)量綜合治理。

(5)交直流配電單元(含PCC點(diǎn)開(kāi)關(guān))，由直流配電單元和交流配電單元組成，同時(shí)微電網(wǎng)通過(guò)PCC點(diǎn)開(kāi)關(guān)與配網(wǎng)相聯(lián)。

針對(duì)以上所述的仿真平臺(tái)和宣城光伏微電網(wǎng)實(shí)際系統(tǒng)，根據(jù)PCC點(diǎn)功率跟蹤控制的需求，對(duì)有功功率控制進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)，并分別設(shè)置零功率模式、恒功率模式以及曲線功率模式等三種運(yùn)行工況進(jìn)行有效性驗(yàn)證。

4.1 零功率模式

零功率模式即控制聯(lián)絡(luò)線功率為零，即光伏微電網(wǎng)與配電網(wǎng)之間沒(méi)有功率交互。PCC點(diǎn)零功率模式運(yùn)行是微電網(wǎng)主動(dòng)離網(wǎng)的前提。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

從圖6可看出，聯(lián)絡(luò)線功率實(shí)際值在0附近小幅波動(dòng)，滿足功率跟蹤需求。對(duì)于圖7，由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中示波器只能測(cè)量電壓電流值，故可通過(guò)電路理論，即P=2UI，計(jì)算出聯(lián)絡(luò)線功率(下同)。其大小也在零值附近。

圖6 零功率模式仿真結(jié)果Fig.6 Simulation result of zero power mode

圖7 零功率模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Field test result of zero power mode

4.2 恒功率模式

恒功率模式即控制聯(lián)絡(luò)線功率為某個(gè)恒定值，此時(shí)光伏微網(wǎng)可向大電網(wǎng)輸送或者吸收功率，是實(shí)現(xiàn)光伏微網(wǎng)與大電網(wǎng)之間能量交互的重要形式。設(shè)定聯(lián)絡(luò)線功率值為－10kW(負(fù)號(hào)表示電網(wǎng)吸收功率)，結(jié)果分別如圖8和圖9所示。

圖8 恒功率模式仿真結(jié)果(－10kW)Fig.8 Simulation result of constant power mode

圖9 恒功率模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果(－10kW)Fig.9 Field test result of constant power mode

從圖8和圖9中可以看出，聯(lián)絡(luò)線功率給定為－10kW時(shí)，PCC點(diǎn)實(shí)際功率都比較接近設(shè)定功率值，具有良好的跟蹤效果。

4.3 曲線功率模式

曲線功率模式主要是規(guī)定聯(lián)絡(luò)線功率設(shè)定值為一固定曲線，這種模式適合調(diào)度人員進(jìn)行計(jì)劃調(diào)度。

仿真與實(shí)驗(yàn)中均設(shè)置PCC點(diǎn)功率從10kW運(yùn)行一定時(shí)間后變?yōu)椋?0kW。結(jié)果如圖10和圖11所示。

圖10 曲線功率模式仿真結(jié)果Fig.10 Simulation result of power curve mode

圖11 曲線功率模式實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Field test result of power curve mode

從圖10和圖11可以看出，采用所提控制聯(lián)絡(luò)線功率的方法，可較好地跟蹤預(yù)先設(shè)定的功率曲線。在功率設(shè)定值發(fā)生突變時(shí)，仿真中過(guò)渡較快，但存在輕微沖擊;實(shí)驗(yàn)中過(guò)渡過(guò)程較慢，主要是和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有關(guān)，但響應(yīng)時(shí)間在40ms以內(nèi)，滿足功率跟蹤的需求。

綜上，仿真和實(shí)驗(yàn)表明本文所設(shè)計(jì)的光伏微電網(wǎng)PCC點(diǎn)功率跟蹤雙閉環(huán)控制策略能夠快速、準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)微電網(wǎng)與配電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)功率。

5 結(jié)論

PCC功率跟蹤控制對(duì)微電網(wǎng)的調(diào)度運(yùn)行至關(guān)重要。本文提出了一種改進(jìn)的雙閉環(huán)控制策略用于實(shí)現(xiàn)PCC點(diǎn)功率跟蹤，取得了較好的控制效果，主要體現(xiàn)在以下兩方面:

(1)所提控制策略減少了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)量，解決了傳統(tǒng)方法中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)困難的問(wèn)題。同時(shí)，監(jiān)測(cè)量和計(jì)算量的減少也改善了通信時(shí)延的問(wèn)題。

(2)所提方法能夠穩(wěn)定地跟蹤聯(lián)絡(luò)線功率設(shè)定值，在多種運(yùn)行工況下均能快速響應(yīng)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了本文所設(shè)計(jì)策略的有效性和實(shí)用性，為光伏微電網(wǎng)參與配電網(wǎng)的協(xié)同調(diào)度奠定了基礎(chǔ)，也能為其他微電網(wǎng)的可調(diào)度性提升提供了借鑒。

值得注意的是，所提控制策略主要針對(duì)三相電壓對(duì)稱情況。對(duì)于三相電壓不平衡以及故障條件下的聯(lián)絡(luò)線功率控制，將是今后的研究重點(diǎn)。

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