袁建華　徐澤暉　李波　代春燕

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院　湖北　宜昌　443002）

光伏微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化控制

袁建華徐澤暉李波代春燕

（三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院湖北宜昌443002）

光伏微電網(wǎng)內(nèi)較多電力電子裝置和敏感負(fù)荷的存在導(dǎo)致電能質(zhì)量下降；光伏電源逆變器按最大功率設(shè)定其容量，卻由于光伏發(fā)電出力波動性其容量不能充分利用，其迫切需要提高供電可靠性和解決建設(shè)成本高等問題。本文提出一種基于分布式光伏逆變器的微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化控制策略，一方面實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)光伏電源的最大功率發(fā)電，另一方面利用逆變器剩余容量來提高光伏微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。通過微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下對光伏電源實施最大功率追蹤，孤島模式下基于光伏電源出力特性曲線，對工作于非最大功率點(diǎn)的光伏電源實施最大功率預(yù)估，最后通過求取光伏逆變器實時最大有功、無功容量來解耦建立逆變器群的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)及其對應(yīng)的控制方法。最后仿照IEEE標(biāo)準(zhǔn)建立6節(jié)點(diǎn)光伏微電網(wǎng)并對其多目標(biāo)優(yōu)化控制方法進(jìn)行了計算驗證。

分布式；光伏發(fā)電；逆變器復(fù)用；微電網(wǎng)；多目標(biāo)優(yōu)化

1　引言

新能源中太陽能和風(fēng)能等總量豐富且可再生，滿足能源持續(xù)發(fā)展和減少環(huán)境污染要求而備受世界關(guān)注[1～2]，我國也把新能源作為新興產(chǎn)業(yè)之首，并支持分布式光伏發(fā)電[3～4]。微電網(wǎng)把類型和數(shù)量眾多的分布式電源聯(lián)合起來形成供能系統(tǒng)，減緩了分布式電源的不利影響，充分發(fā)揮其優(yōu)勢。光伏微電網(wǎng)由于太陽能光伏發(fā)電安裝靈活，同建筑物相結(jié)合，適合在公共電網(wǎng)覆蓋良好的中心城鎮(zhèn)廣泛應(yīng)用。光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)時可為公共電網(wǎng)提供補(bǔ)充，提高包含微電網(wǎng)和公共電網(wǎng)在內(nèi)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益[5～9]。光伏微電網(wǎng)大多建設(shè)在廠房和單位樓宇屋頂。這些場所一般為公共配電網(wǎng)末梢，存在著許多無功功率頻繁變化的設(shè)備和敏感負(fù)荷；同時微電網(wǎng)內(nèi)存在的大量電力電子裝置也會產(chǎn)生較多諧波，微電網(wǎng)并網(wǎng)和孤島運(yùn)行時電壓穩(wěn)定是薄弱環(huán)節(jié)。

微電網(wǎng)內(nèi)光伏逆變器隨電源分布式配置，容量較小，傳統(tǒng)使用時不承擔(dān)無功調(diào)節(jié)功能，其額定容量依光照等環(huán)境因素最優(yōu)下的光伏電源最大出力來設(shè)置。當(dāng)環(huán)境因素變差或依控制需要，光伏電源出力變小后，逆變器具有相對較多的剩余容量。雖然單個光伏逆變器剩余容量有限，但微電網(wǎng)具有一定規(guī)模后，眾多光伏逆變器總剩余容量就很可觀。

基于此，本文通過研究建立微電網(wǎng)光伏逆變器群最大有功、無功容量的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，提出一種光伏微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化控制：并網(wǎng)模式下，多目標(biāo)優(yōu)化控制微電網(wǎng)內(nèi)光伏發(fā)電總功率最大，以及基于逆變器群的剩余容量來提供無功支撐和改善電能質(zhì)量，優(yōu)化微電網(wǎng)內(nèi)和公共連接點(diǎn)電壓水平；離網(wǎng)模式下，多目標(biāo)優(yōu)化控制微電網(wǎng)內(nèi)儲能裝置獲取功率最大，以及逆變器群提供無功功率和改善電能質(zhì)量，優(yōu)化微電網(wǎng)內(nèi)電壓水平。

2　傳統(tǒng)分布式光伏逆變器控制

分布式光伏逆變器前端的光伏電源初始產(chǎn)生電壓較低的不穩(wěn)定直流電。不穩(wěn)定的直流電需經(jīng)一級直流升壓電路把電壓升到符合逆變要求的較高電壓值并保持穩(wěn)定，然后再經(jīng)逆變器逆變成交流電后接入微電網(wǎng)母線。常用兩級三相光伏逆變器電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，前級Boost電路除了承擔(dān)把光伏電源輸出的電壓較低直流電升高到符合后級逆變電路要求的直流電壓外，還在最大功率追蹤（MPPT）控制器的控制下追蹤輸出光伏電源的最大功率。分布式光伏逆變器額定容量較小，傳統(tǒng)控制時不承擔(dān)無功補(bǔ)償功能，即逆變電路則把前級Boost電路傳遞過來的光伏發(fā)電直流電逆變成與公共電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電輸入電網(wǎng)。

圖1　兩級三相光伏逆變器電路

3　多目標(biāo)優(yōu)化下光伏逆變器控制策略

由圖1可知，光伏逆變器后級逆變電路結(jié)構(gòu)和靜止無功發(fā)生器（SVG）相比沒有本質(zhì)差別，即光伏逆變器不僅可以把光伏電源發(fā)出的直流有功功率逆變后送入電網(wǎng)，也可以依據(jù)電網(wǎng)的需求發(fā)出一定容量的無功功率。雖然單個分布式光伏逆變器剩余容量有限，但微電網(wǎng)具有一定規(guī)模后，眾多光伏逆變器總剩余容量就很可觀。這些剩余容量可以用來對微電網(wǎng)實施無功支撐，提高系統(tǒng)電壓水平。

3.1并網(wǎng)模式下光伏電源及逆變器控制方法

光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)模式下，通過公共連接點(diǎn)與公共電網(wǎng)相聯(lián)，微電網(wǎng)母線上交流電壓由公共電網(wǎng)來維持穩(wěn)定。為更好利用微電網(wǎng)內(nèi)光伏發(fā)電，光伏逆變器對各分布式光伏電源實施MPPT[10]控制。

光伏逆變器可采用PQ控制，即控制逆變器輸出指定的有功和無功功率。逆變器輸出的有功功率為前級Boost電路實施MPPT控制下，追蹤得到的光伏電源最大功率；逆變器輸出的無功功率則為系統(tǒng)最優(yōu)電壓水平下要求輸出的，以及在實時剩余容量范圍內(nèi)的指定數(shù)值的無功功率?？梢娫谖㈦娋W(wǎng)并網(wǎng)模式下，主要以光伏發(fā)電最大化為控制目標(biāo)，同時兼顧微電網(wǎng)電壓水平最優(yōu)。

3.2離網(wǎng)模式下光伏電源及逆變器控制方法

離網(wǎng)模式下微電網(wǎng)與公共電網(wǎng)斷開，此時微電網(wǎng)交流母線上并聯(lián)有分布式光伏逆變器和儲能裝置用雙向逆變器。其額定容量差異性明顯，在采用集中儲能的微電網(wǎng)中，儲能裝置端雙向逆變器容量要比分布式光伏逆變器容量大得多。離網(wǎng)模式下要維持微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定，可采用主從控制。設(shè)定儲能裝置端雙向逆變器為主逆變器，微電網(wǎng)交流母線電壓主要由其決定，其它分布式光伏逆變器均為從逆變器，仍然采用PQ控制，但此時指定的PQ參考值產(chǎn)生機(jī)制不同。

逆變器群控制策略為主逆變器維持微電網(wǎng)母線電壓，各從逆變器采用下垂控制（P-f和Q-V），依據(jù)各逆變器前級光伏電源實時最大功率和與之對應(yīng)的剩余容量來分別確定下垂系數(shù)。

4　算例分析

本文通過在PSASP程序中建立一個IEEE7節(jié)點(diǎn)光伏微電網(wǎng)模型，并以此為例來說明基于逆變器群的多目標(biāo)優(yōu)化控制算法，如圖2所示。各支路阻抗和各節(jié)點(diǎn)功率均已以標(biāo)幺值標(biāo)示于圖中。節(jié)點(diǎn)1為配網(wǎng)變電站（公共電網(wǎng)）平衡節(jié)點(diǎn)，電壓保持為定值，即U1=1.06+j0，光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)時與其聯(lián)接，離網(wǎng)時與其斷開。節(jié)點(diǎn)2、3為分布式光伏電源，可當(dāng)作PQ節(jié)點(diǎn)，圖中所標(biāo)功率為其實時功率，依據(jù)有功和無功功率解耦計算，其有功功率和無功功率上限相加應(yīng)不超過1。節(jié)點(diǎn)4為光伏微電網(wǎng)中集中儲能裝置的接入節(jié)點(diǎn)，依據(jù)微電網(wǎng)并網(wǎng)或離網(wǎng)工作模式的改變，分別對其等效為PQ節(jié)點(diǎn)和平衡節(jié)點(diǎn)，并網(wǎng)時儲能裝置主要針對自身荷電狀態(tài)需求進(jìn)行充放電，離網(wǎng)時儲能裝置端逆變器需要維持微電網(wǎng)母線電壓穩(wěn)定，稱為一個平衡節(jié)點(diǎn)。模型中節(jié)點(diǎn)5、6為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，為簡單PQ節(jié)點(diǎn)。其基準(zhǔn)功率為100kW，計算精度為ε=10-5。

圖2　光伏微電網(wǎng)模型及其拓?fù)鋮?shù)

光伏微電網(wǎng)中分布式光伏逆變器采用傳統(tǒng)不承擔(dān)無功補(bǔ)償控制策略時，系統(tǒng)潮流計算如圖3所示。

圖4為對微電網(wǎng)逆變器群實施多目標(biāo)優(yōu)化控制策略后系統(tǒng)潮流分布，分布式光伏逆變器在承擔(dān)把光伏電源發(fā)出的直流功率轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣饔泄β什⑷胛㈦娋W(wǎng)外，還依據(jù)系統(tǒng)無功需求在自身剩余容量的基礎(chǔ)上實施無功支撐。

5　結(jié)論

本文針對光伏微電網(wǎng)中分布式光伏發(fā)電、電力電子變換、儲能和控制的固有特點(diǎn)，對光伏逆變器和無功補(bǔ)償?shù)耐匮a(bǔ)結(jié)構(gòu)和功能特性進(jìn)行比較分析。提出在微電網(wǎng)中原本僅承擔(dān)有功逆變而不承擔(dān)無功補(bǔ)償?shù)姆植际焦夥孀兤饕罁?jù)其實時剩余容量，在完成光伏發(fā)電最大并網(wǎng)發(fā)電的同時實時為系統(tǒng)提供無功支撐；基于網(wǎng)內(nèi)逆變器群的有功和無功的優(yōu)化控制實現(xiàn)了微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化，一方面實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)光伏電源的最大功率發(fā)電，另一方面提高了光伏微電網(wǎng)的電能質(zhì)量。多目標(biāo)優(yōu)化控制可為光伏微電網(wǎng)的低成本規(guī)?；_發(fā)利用提供理論支撐，也為提高未來傳統(tǒng)電網(wǎng)吸納、利用可再生能源電源的能力提供技術(shù)支持。

圖3　光伏微電網(wǎng)分布式逆變器傳統(tǒng)控制下潮流分布

圖4　光伏微電網(wǎng)多目標(biāo)優(yōu)化控制下潮流分布

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