肖朝霞　樊世軍　楊慶新

(天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實驗室　天津　300387)

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基于分層控制策略的光伏-蓄電池系統(tǒng)動態(tài)提高并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)

肖朝霞樊世軍楊慶新

(天津工業(yè)大學(xué)電工電能新技術(shù)天津市重點(diǎn)實驗室天津300387)

摘要提出了一種利用多功能光伏-蓄電池組合發(fā)電系統(tǒng)提高并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)的新方案，可降低光伏發(fā)電的成本、減少無功補(bǔ)償設(shè)備的投資、增加用戶經(jīng)濟(jì)效益以及提高電網(wǎng)供電能力。在綜合考慮并網(wǎng)逆變器的額定容量、光照條件及負(fù)荷功率瞬時變化等實際情況下，分析系統(tǒng)多種運(yùn)行模式，提出一種分層控制策略，實現(xiàn)了運(yùn)行狀態(tài)的無縫轉(zhuǎn)換，保證在逆變器額定容量下輸出有功的同時提供無功補(bǔ)償以動態(tài)提高并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)。當(dāng)電網(wǎng)需求逆變器輸出無功較多導(dǎo)致有功輸出受限而光伏仍有更多有功輸出時，將光伏剩余出力儲存至蓄電池以盡可能減少棄光，提高光伏利用率。在低光照或夜間時，蓄電池放電維持直流母線電壓，使逆變器可繼續(xù)發(fā)出無功功率，同時實現(xiàn)光伏軟關(guān)閉。建立了多功能光伏-蓄電池發(fā)電仿真系統(tǒng)，仿真結(jié)果驗證了所提方案的可靠性。

關(guān)鍵詞：多功能光伏-蓄電池功率因數(shù)無功補(bǔ)償分層控制模式切換

0引言

多功能光伏-蓄電池系統(tǒng)是指光伏發(fā)電系統(tǒng)正常發(fā)電的同時根據(jù)不同運(yùn)行工況下電網(wǎng)和用戶的需求提供UPS、削峰填谷、諧波抑制、無功補(bǔ)償、電網(wǎng)電壓及頻率支持等功能[1，2]。多功能光伏-蓄電池發(fā)電系統(tǒng)的提出在有效減少光伏發(fā)電成本的同時提高了對電網(wǎng)的友好性和安全性，即實現(xiàn)逆變器功能多元化、智能化[3]。在我國當(dāng)前電費(fèi)考核體系下，大功率光伏電站并網(wǎng)可能會導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)降低而收到不菲罰單，根據(jù)入網(wǎng)要求通常需要額外增加無功補(bǔ)償設(shè)備[4]。同時大功率光伏發(fā)電入網(wǎng)功率常因引起并網(wǎng)點(diǎn)電壓升高而限電，從而導(dǎo)致部分棄光[5，6]，并且考慮到光伏并網(wǎng)逆變器本身具備發(fā)出無功功率的能力且大部分時間都處于未完全利用狀態(tài)，因此可充分利用并網(wǎng)逆變器的剩余容量，在正常發(fā)出有功功率的同時根據(jù)電網(wǎng)需求發(fā)出無功功率。同時逆變器響應(yīng)迅速，可實現(xiàn)無功功率的動態(tài)補(bǔ)償。該措施可有效提高并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)功率因數(shù)運(yùn)行，減少電網(wǎng)無功設(shè)備的投資，提高電網(wǎng)末端供電能力；在大型光伏、風(fēng)光互補(bǔ)電站中可使一臺或幾臺逆變器具有無功補(bǔ)償功能，實現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)動態(tài)調(diào)節(jié)。

利用光伏并網(wǎng)逆變器實現(xiàn)無功補(bǔ)償功能，根據(jù)不同控制目標(biāo)可分為對并網(wǎng)點(diǎn)電壓控制和功率因數(shù)控制。文獻(xiàn)[1]提出了一種多功能光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過利用光伏逆變器提供多種功能以減少光伏發(fā)電成本，其中一種功能是通過控制無功功率增加光伏滲透率。文獻(xiàn)[2]提出了一種利用恒功率因數(shù)控制器調(diào)節(jié)光伏逆變器輸出的無功功率，以保證并網(wǎng)點(diǎn)的平均功率因數(shù)滿足要求。文獻(xiàn)[3]實現(xiàn)了微網(wǎng)逆變器功能多元化，主要實現(xiàn)了功率的雙向流動、諧波電流抑制以及無功補(bǔ)償，并使并網(wǎng)點(diǎn)為單位功率因數(shù)供電。文獻(xiàn)[5]為提高分布式發(fā)電滲透率和有效抑制因光照變化和負(fù)荷變化等因素導(dǎo)致的并網(wǎng)點(diǎn)電壓頻繁波動，采用兩臺不同功能的逆變器并聯(lián)，結(jié)合無功補(bǔ)償裝置實現(xiàn)不同運(yùn)行模式的切換，發(fā)揮逆變器動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)奶匦?，同時大大提高了無功補(bǔ)償容量。文獻(xiàn)[7]考慮到低壓配電網(wǎng)X/R值較小，提出一種P-Q-V下垂控制策略實現(xiàn)光伏逆變器對并網(wǎng)點(diǎn)電壓的調(diào)節(jié)。文獻(xiàn)[8]提出了利用多功能光伏逆變器實現(xiàn)為負(fù)荷供電，同時向電網(wǎng)注入無功功率實現(xiàn)低電壓穿越。文獻(xiàn)[9，10]考慮了逆變器的額定容量，當(dāng)逆變器視在功率大于額定容量時采用降低有功增發(fā)無功的方法來保證并網(wǎng)點(diǎn)電壓在正常范圍內(nèi)。上述基于光伏逆變器實現(xiàn)無功就地補(bǔ)償?shù)难芯看蠖噌槍Σ⒕W(wǎng)點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)，對于一般工業(yè)用戶的入網(wǎng)點(diǎn)電壓由電力系統(tǒng)決定且低壓配電網(wǎng)X/R較小，利用逆變器無功補(bǔ)償調(diào)節(jié)電壓的能力非常有限。文獻(xiàn)[11]指出工業(yè)負(fù)荷及風(fēng)光互補(bǔ)微網(wǎng)功率的注入會導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)降低，同時風(fēng)力發(fā)電機(jī)會吸收大量無功，因此提出利用光伏逆變器輸出無功功率實現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)調(diào)節(jié)，但未充分考慮到光伏逆變器的容量及防止逆變器輸出功率越限。文獻(xiàn)[12，13]針對47節(jié)點(diǎn)、123節(jié)點(diǎn)及101節(jié)點(diǎn)微網(wǎng)，分別考慮微網(wǎng)中光伏功率注入節(jié)點(diǎn)變化及注入有功實時變化，提出了在逆變器容量內(nèi)的一種動態(tài)無功控制策略。文獻(xiàn)[14，15]通過檢測負(fù)荷無功及諧波電流情況，提出利用光伏逆變器實現(xiàn)無功補(bǔ)償及有源電力濾波的功能，但文中亦未考慮逆變器容量的限制，當(dāng)檢測的無功電流及諧波較大時可能會影響有功輸出，無法實現(xiàn)無功定量控制，且補(bǔ)償范圍有限。

本文從光伏-蓄電池發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性角度出發(fā)，同時考慮并網(wǎng)逆變器的額定容量、光照變化及負(fù)荷運(yùn)行等實際情況，提出一種分層、多模式切換控制策略，實現(xiàn)并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)的動態(tài)提高，滿足電網(wǎng)要求，同時最大化光伏輸出功率。當(dāng)逆變器有功輸出受限時，將光伏剩余發(fā)電量盡可能存儲至蓄電池以減少棄光。低光照時由蓄電池維持直流電壓使系統(tǒng)無故障狀態(tài)下24 h不間斷運(yùn)行，同時實現(xiàn)光伏電池軟關(guān)閉，避免了并網(wǎng)系統(tǒng)因晝夜交替而頻繁開啟和關(guān)斷。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

多功能光伏-蓄電池發(fā)電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一次回路和控制系統(tǒng)。一次回路由光伏電池組、蓄電池組、逆變器、雙向DC-DC變換器、濾波電路、子網(wǎng)負(fù)荷及配電網(wǎng)等組成。光伏電池經(jīng)二極管與蓄電池組通過雙向DC-DC連接在直流母線上，逆變后的交流輸出經(jīng)濾波器為子網(wǎng)負(fù)荷供電，并通過升壓變壓器接入配電網(wǎng)。其中連接在蓄電池組的雙向DC-DC實現(xiàn)蓄電池充放電和保證直流母線工作電壓在要求值；并網(wǎng)逆變器根據(jù)電網(wǎng)及負(fù)荷情況輸出要求的有功和無功功率，并實現(xiàn)光伏最大功率跟蹤。子網(wǎng)負(fù)荷由光伏-蓄電池系統(tǒng)及電網(wǎng)共同供電。

控制系統(tǒng)包括上層中心控制器和底層控制器。上層中心控制器實現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行模式的選擇及切換、底層控制器選擇、控制器參考值計算和蓄電池充放電管理。底層控制器包括逆變器控制器和蓄電池充放電控制器。逆變器有功功率控制有最大功率跟蹤控制與恒功率控制兩種方法。逆變器無功功率控制采用恒功率控制。本文的控制目標(biāo)是保證并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)不低于0.85，將光伏有功盡可能送至電網(wǎng)。

圖1　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1　The structure of multi-functional PV-battery generation system

2上層中心控制器

2.1系統(tǒng)運(yùn)行工況分析及參數(shù)計算

從電網(wǎng)側(cè)看，并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)由負(fù)荷功率及光伏輸出功率決定，并網(wǎng)逆變器有功出力會進(jìn)一步降低并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)。逆變器額定容量限制光伏-蓄電池發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功及無功功率，逆變器輸出的視在功率與有功和無功功率關(guān)系如圖2所示。本文綜合考慮負(fù)荷功率實時波動、光照變化及逆變器額定容量，以并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)(λ)不低于0.85為判據(jù)，分析系統(tǒng)可能的運(yùn)行狀態(tài)，并制定控制邏輯。

圖2　逆變器輸出有功和無功功率關(guān)系特性Fig.2　Relations of inverter active and reactive power

光伏-蓄電池系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)分析流程圖如圖3所示。由圖3可知，通過電壓電流采樣計算出并網(wǎng)點(diǎn)電網(wǎng)供電功率PG和QG、負(fù)荷功率PL和QL、光伏電池可輸出最大功率Pmpp以及蓄電池端口電壓Ubat。針對不同運(yùn)行工況，選擇不同控制器，并根據(jù)規(guī)定的并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)計算出電網(wǎng)需要逆變器輸出的期望無功功率ΔQ、逆變器輸出有功和無功功率參考值Pref和Qref。

1)當(dāng)光伏電池輸出功率充足時(設(shè)定光伏最大功率大于光伏電池額定峰值的10%，為10 kW)。

(1)當(dāng)λ≥0.85即ΔQ≤0，逆變器運(yùn)行在單位功率因數(shù)狀態(tài)，且光伏電池運(yùn)行在最大功率點(diǎn)。

Qref=ΔQ=QL-PGtan(arccos0.85)

(1)

(2)

圖3　系統(tǒng)運(yùn)行工況分析流程圖Fig.3　Flow chart of system operation modes analyzing

解式(2)得逆變器輸出有功功率參考值為

Pref=

(3)

式中，k=tan(arcos 0.85)。逆變器輸出無功功率參考值如式(1)所示。此時檢測蓄電池是否需要充電，若是，則將光伏發(fā)電量剩余部分盡可能充至蓄電池。

(4)當(dāng)λ<0.85且ΔQ≥S時，電網(wǎng)無功需求較大，此時逆變器(依據(jù)電網(wǎng)需求和用戶經(jīng)濟(jì)效益)輸出無功功率最大值為逆變器額定容量，逆變器輸出有功功率為0，即Qref=S。同時檢測蓄電池是否需要充電，若是，則將光伏可發(fā)出電量盡可能充至蓄電池。

2)在光伏電池光照不足或夜間時(輸出最大功率低于10 kW，即最大光照時光伏輸出最大功率的10%)，由蓄電池為逆變系統(tǒng)供電，保證直流母線端電壓在工作范圍內(nèi)，使逆變器可繼續(xù)發(fā)出電網(wǎng)需求的無功功率。

(1)若蓄電池電壓小于其最小電壓時，即Ubat

(2)當(dāng)λ≥0.85且ΔQ<0，逆變器輸出有功和無功功率均為0。

(3)當(dāng)λ<0.85，且逆變器輸出視在功率未達(dá)到其額定容量即0<ΔQ

(4)當(dāng)λ<0.85，且逆變器輸出視在功率超過其額定容量即ΔQ≥S時，逆變器無功功率給定值Qref=S。

2.2系統(tǒng)運(yùn)行模式切換

基于上述分析，系統(tǒng)運(yùn)行模式的選擇和切換如圖4所示。圖4中，當(dāng)光伏出力大于10 kW時，逆變器由光伏電池供電，包含4種運(yùn)行模式：

1)逆變器運(yùn)行在單位功率因數(shù)，實現(xiàn)光伏最大功率跟蹤即MPPT模式。

2)逆變器輸出有功和無功功率，當(dāng)Pmpp

3)當(dāng)Pmpp>Pmax時，逆變器運(yùn)行在PQ模式，此時Pref=Pmax、Qref=ΔQ，蓄電池充電。

4)逆變器以額定功率S運(yùn)行，只發(fā)出無功功率，同時蓄電池為充電狀態(tài)。

當(dāng)光伏出力小于10 kW時，蓄電池放電將直流母線電壓升高至600 V，逆變器包含3種運(yùn)行模式：

5)逆變器輸出有功和無功功率均為0。

6)逆變器在容量范圍內(nèi)輸出指定無功功率。

7)逆變器輸出到達(dá)容量上限，輸出額定容量無功功率。

在模式3)和4)中，蓄電池的充電模式有兩種：①當(dāng)蓄電池端電壓小于蓄電池最大電壓的95%時，以恒定電流充電即恒流充電模式；②當(dāng)蓄電池端電壓大于蓄電池最大電壓的95%時，以恒定電壓充電即恒壓充電模式。

圖4　系統(tǒng)運(yùn)行模式切換Fig.4　Switching diagram of system operation modes

3底層控制器設(shè)計

3.1最大功率跟蹤控制

本文并網(wǎng)逆變器為單級式光伏逆變器[16]。由于光伏電池直接并聯(lián)在直流母線上，直流母線電壓即為光伏電池工作電壓。不同光照條件下光伏電池的功率-電壓輸出特性曲線如圖5所示，光伏電池工作的穩(wěn)定區(qū)域為最大功率點(diǎn)的右側(cè)[17]。光伏電池輸出端直流電壓大小決定光伏輸出的有功功率，因此要控制光伏陣列工作在最大功率狀態(tài)，可以通過控制其直流母線電壓來實現(xiàn)，同理通過控制直流母線電壓可以實現(xiàn)光伏的軟關(guān)閉。

圖5　不同光照條件下光伏電池功率-電壓輸出特性Fig.5　Power-voltage output characteristics with different solar radiation

根據(jù)瞬時功率理論[18]，在同步dq坐標(biāo)系中，瞬時有功功率p和無功功率q分別為

(4)

采用電網(wǎng)電壓定向矢量控制[18]，電壓定向矢量控制(VOC)是指逆變器輸出交流電流且同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系與電網(wǎng)電壓矢量E同步旋轉(zhuǎn)，并使同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系d軸與電網(wǎng)電壓矢量E同向，即eq=0，如圖6所示，可得有功和無功功率與電壓ed、eq和電流id、iq的關(guān)系如式(5)所示。

圖6　基于電網(wǎng)電壓定向矢量Fig.6　Oriented vector based on the grid voltage

(5)

直流母線側(cè)輸入的有功功率瞬時值為P=idcudc，則idcudc=P=3edid/2，由于一定光照強(qiáng)度下光伏電池輸出電流idc近似恒定，并網(wǎng)運(yùn)行時逆變器輸出電壓ed基本恒定，所以直流母線電壓udc與逆變器輸出電流id呈線性關(guān)系，因此并網(wǎng)逆變器輸出有功功率P與id呈正比，直流母線電壓udc的控制可通過控制逆變器輸出的有功功率P即電流id實現(xiàn)。

最大功率跟蹤控制器結(jié)構(gòu)如圖7所示。該控制器由直流電壓外環(huán)和交流同步電流內(nèi)環(huán)組成，通過調(diào)節(jié)直流母線電壓實現(xiàn)光伏電池最大功率輸出。

圖7　最大功率跟蹤控制器Fig.7　Maximum power point tracking controller

3.2恒功率控制

圖8　恒功率控制器Fig.8　Constant power controller

實現(xiàn)有功和無功功率解耦控制后，有功功率控制環(huán)分為最大功率跟蹤控制和恒有功功率控制，兩種有功功率控制器的切換由上層中心控制器調(diào)度，其切換不影響逆變器無功功率的輸出。為實現(xiàn)控制器間平滑切換，各底層控制器間的切換選擇在電流內(nèi)環(huán)，電流內(nèi)環(huán)響應(yīng)速度較快，可實現(xiàn)工作模式無縫切換，并在各底層控制器間切換后保護(hù)不同控制器外環(huán)輸出現(xiàn)場參數(shù)，避免切換過程對各控制器的影響。

3.3蓄電池充放電控制

蓄電池及其充放電裝置作用：①當(dāng)逆變器輸出有功受限時盡可能將剩余光伏有功充至蓄電池；②在低光照或夜間，通過蓄電池放電維持直流母線電壓升至不低于600 V，保證逆變器直流側(cè)正常工作電壓實現(xiàn)逆變器不間斷運(yùn)行，使光伏軟關(guān)閉。

蓄電池模型的容量為800 Ah，額定電壓為384 V，蓄電池的額定充電電流為20 A，最小放電電壓為額定電壓的20%。DC-DC變換器包含降壓斬波Buck充電電路和升壓斬波Boost放電電路。

蓄電池的基本充電模式有兩種：在端口電壓低于蓄電池最大電壓的95%時，采用恒流充電；在端口電壓高于蓄電池最大電壓的95%時，采用恒壓充電。其充電控制器如圖9所示，圖中Ddutycyde為升降壓模塊控制開關(guān)的占空比。

圖9　蓄電池充電控制Fig.9　Battery charge control

蓄電池放電時，通過Boost升壓電路及其控制電路將直流母線電壓穩(wěn)定在600 V，如圖10所示。

圖10　蓄電池放電控制Fig.10　Battery discharge control

4仿真分析

在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下，基于上述拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略、蓄電池充放電模式、流程分析和模式切換方案，對圖1所示系統(tǒng)搭建了100 kV·A光伏蓄電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。

4.1仿真條件

仿真系統(tǒng)中采用的逆變器功率等級為100 kV·A，系統(tǒng)及所用控制器仿真參數(shù)見表1。

表1　系統(tǒng)及控制器參數(shù)

通過設(shè)置負(fù)荷及光照強(qiáng)度變化典型數(shù)據(jù)，對所提出問題及解決方案進(jìn)行驗證。光照強(qiáng)度變化曲線如圖11所示，在0～4 s光照逐漸增強(qiáng)，4～6 s光照為0，6～10 s光照恢復(fù)并逐漸降低至0。負(fù)荷功率變化曲線如圖12所示。

圖11　光照輻射強(qiáng)度變化曲線Fig.11　Curve of solar radiation intensity

圖12　負(fù)荷有功和無功功率變化Fig.12　The changed active and reactive power of load

4.2仿真結(jié)果

考慮到逆變器的額定容量，根據(jù)式(1)和式(3)計算逆變器輸出有功和無功功率參考值，并保證并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)不低于0.85，10 s內(nèi)光伏-蓄電池發(fā)電系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下逆變器輸出有功和無功功率參考值、負(fù)荷功率、光伏電池組狀態(tài)、蓄電池充放電狀態(tài)和并網(wǎng)點(diǎn)的功率因數(shù)如表2所示。

表2　系統(tǒng)運(yùn)行參量及狀態(tài)

光伏-蓄電池發(fā)電系統(tǒng)在不同運(yùn)行模式下的仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13　并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)補(bǔ)償仿真結(jié)果Fig.13　Simulation results of PCC power factor compensation

由表2可知，系統(tǒng)在0～1 s內(nèi)并網(wǎng)點(diǎn)自然功率因數(shù)大于0.85，因此光伏逆變器的運(yùn)行狀態(tài)為MPPT模式，此時光伏-蓄電池發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行于模式Ⅰ。由圖13a可知，逆變器在0～1 s內(nèi)輸出的有功功率跟蹤光伏電池最大功率，且輸出的無功功率為0，即逆變器以單位功率因數(shù)運(yùn)行。由圖13e可知，直流母線電壓為光伏的最大功率點(diǎn)電壓。

在1～2 s內(nèi)，由表2可知，系統(tǒng)有功負(fù)荷減少導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)降低，并網(wǎng)點(diǎn)自然功率因數(shù)低于0.85，而此時電網(wǎng)需求的無功功率小于逆變器的剩余容量，因此光伏逆變器的運(yùn)行狀態(tài)仍為MPPT模式，并輸出電網(wǎng)需求的無功功率，此時系統(tǒng)運(yùn)行于模式Ⅱ。由圖13a可知，逆變器輸出的有功功率跟蹤光伏電池最大功率，無功功率跟蹤逆變器的無功參考值。由圖13b可知，補(bǔ)償后并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)等于0.85，滿足電網(wǎng)要求。由圖13e可知，直流母線電壓為光伏的最大功率點(diǎn)電壓。

在2～3 s內(nèi)，由表2可知，負(fù)荷有功和無功功率均增加，電網(wǎng)需求的無功功率較大，且并網(wǎng)逆變器輸出功率已達(dá)額定容量上限，此時需要限制有功輸出來滿足電網(wǎng)的無功需求，因此逆變器退出MPPT運(yùn)行并切換至恒定有功功率工作模式，有功及無功參考值如表2所示，同時蓄電池為充電狀態(tài)，將光伏剩余發(fā)電量盡可能充至蓄電池，系統(tǒng)運(yùn)行在模式Ⅲ。由圖13a可知，逆變器輸出的有功和無功功率能很好地跟蹤參考功率。由圖13b可知，補(bǔ)償后并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)等于0.85，滿足電網(wǎng)要求。由圖13e可知，直流母線電壓由逆變器輸出有功功率及蓄電池充電功率決定。由圖13f可知，在2～3 s內(nèi)蓄電池為充電狀態(tài)，端口電壓增大，充電電流為20 A。

在3～4 s內(nèi)，由表2可知，由于無功負(fù)荷很大，并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)很低，電網(wǎng)無功需求量已經(jīng)大于逆變器額定容量，此時根據(jù)電網(wǎng)需求可完全限制光伏有功輸出，使逆變器發(fā)出的無功功率等于其額定容量，盡可能提高并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)，系統(tǒng)運(yùn)行在模式Ⅳ。由圖13a可知，逆變器輸出的無功功率等于其額定容量。由圖13b可知，補(bǔ)償后功率因數(shù)仍略低于0.85。由圖13e可知，直流母線電壓由蓄電池充電功率決定。由圖13f可知，蓄電池仍為充電狀態(tài)。

由圖11可知，在4～6 s內(nèi)光照不足，光伏出力不足，其最大功率的10%即10 kW，此時逆變器由光伏電池供電模式切換至蓄電池供電模式。由圖13e所示蓄電池放電，通過控制DC-DC維持直流母線的工作電壓不低于600 V，保證了逆變器可繼續(xù)提供無功補(bǔ)償，提高并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)，并實現(xiàn)光伏系統(tǒng)軟關(guān)閉。在4～4.5 s內(nèi)，由表2可知，由于系統(tǒng)無功需求依然較大，致使并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)較低，逆變器輸出參考無功功率應(yīng)等于其額定容量，系統(tǒng)運(yùn)行在模式Ⅶ。由圖13a可知，逆變器輸出的無功功率等于其額定容量。

在4.5～5 s時，由表2可知，無功需求量小于逆變器額定容量，ΔQ=42 kvar，系統(tǒng)運(yùn)行在模式Ⅵ。由圖13a可知，逆變器輸出的無功功率跟蹤其參考功率。由圖13b可知，并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)經(jīng)無功補(bǔ)償后為0.85，滿足要求。

在5～5.5 s時，由表2可知，此時并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)大于0.85，不需要無功補(bǔ)償。由圖13a可知，逆變器輸出的無功等于零，系統(tǒng)運(yùn)行在模式Ⅴ。5.5～6 s與4.5～5 s運(yùn)行狀態(tài)相同。

在6～7 s內(nèi)，由圖11可知，光照增強(qiáng)，逆變器切換至光伏電池供電模式。由表2可知，此時負(fù)荷與2～3 s時相同，逆變器可輸出最大有功功率Pmax小于光伏電池最大功率Pmpp，逆變器工作在PQ控制模式下，同時蓄電池充電，系統(tǒng)運(yùn)行在模式Ⅲ。由圖13a可知，逆變器輸出功率能跟蹤其參考功率。由圖13b可知，補(bǔ)償后并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)等于0.85，滿足電網(wǎng)要求。由圖13e可知，直流母線電壓由逆變器輸出有功功率及蓄電池充電功率決定。由圖13f可知，蓄電池仍為充電狀態(tài)。

在7～9.35 s內(nèi)，由于無功負(fù)荷減少及光照減弱，此時逆變器可輸出最大有功功率Pmax大于光伏電池最大功率Pmpp，外環(huán)控制模式切換至MPPT控制模式，系統(tǒng)運(yùn)行在模式Ⅱ。由圖13a可知，輸出的有功功率跟蹤光伏電池最大功率。由圖13b可知，補(bǔ)償后并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)等于0.85，滿足電網(wǎng)要求。由圖13e可知，直流母線電壓為光伏最大功率點(diǎn)電壓。

在9.35～10 s，由于光照不足，光伏出力小于10 kW，且并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)大于0.85，逆變器輸出有功和無功功率均為0，系統(tǒng)運(yùn)行在模式Ⅴ。

由圖13b可知，并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)由負(fù)荷功率及光伏逆變器注入功率共同決定，當(dāng)逆變器只工作在光伏電池MPPT模式，將導(dǎo)致并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)進(jìn)一步降低，且低于負(fù)荷自然功率因數(shù)，采用本文無功補(bǔ)償策略后，并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)得到很好的提高。

光伏側(cè)直流母線正常工作電壓為400～800 V。由圖13e可知，直流母線電壓的波動范圍為500～700 V，均在正常范圍。同時由圖13d可知，負(fù)荷側(cè)所在的交流母線電壓在dq坐標(biāo)系下Uq=0。由于負(fù)荷功率變化及直流母線電壓變化，Ud會出現(xiàn)小的波動，波動在要求范圍內(nèi)，負(fù)荷點(diǎn)電壓滿足要求。電網(wǎng)輸出功率情況如圖13c所示，其輸出功率的大小由負(fù)荷功率及光伏逆變器輸出的有功和無功功率共同決定。

5結(jié)論

從光伏-蓄電池發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行及用戶經(jīng)濟(jì)用電的角度，根據(jù)負(fù)荷運(yùn)行情況、光照條件及并網(wǎng)逆變器的額定容量，分析了系統(tǒng)的多種運(yùn)行狀態(tài)，提出一種分層控制策略。該方案實現(xiàn)了系統(tǒng)不同運(yùn)行模式和底層控制器無縫切換，保證了逆變器在額定容量下輸出有功的同時提供無功補(bǔ)償，動態(tài)提高并網(wǎng)點(diǎn)的功率因數(shù)，實現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)功率因數(shù)運(yùn)行。

該方案一方面減少了光伏電站的運(yùn)行成本和不必要的設(shè)備投資，同時避免了用戶因功率因數(shù)較低時額外增加電費(fèi)的情況，增加用戶經(jīng)濟(jì)效益；另一方面實現(xiàn)與電網(wǎng)友好交互，減少電網(wǎng)損耗，增強(qiáng)電網(wǎng)末端供電能力。當(dāng)逆變器有功輸出受額定容量限制，光伏仍有更多有功輸出時，采用光伏輸出剩余有功功率，盡可能存儲至蓄電池以減少棄光，提高光伏利用效率。

低光照或夜間時，利用蓄電池系統(tǒng)為并網(wǎng)逆變器供電，并網(wǎng)逆變器仍可發(fā)出電網(wǎng)需求的無功功率，保證并網(wǎng)點(diǎn)功率因數(shù)，實現(xiàn)了并網(wǎng)逆變器的不間斷運(yùn)行，降低了系統(tǒng)起停頻率，并實現(xiàn)光伏電池的軟關(guān)閉。

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E-mail：xiaozhaoxia@tjpu.edu.cn(通信作者)

樊世軍男，1988年生，碩士研究生，研究方向為分布式發(fā)電控制。

E-mail：fanshijun126@126.com

Dynamically Improving the Power Factor of PCC Using Photovoltaic-Battery Generation System Based on Hierarchical Control Strategy

XiaoZhaoxiaFanShijunYangQingxin

(Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic UniversityTianjin300387China)

AbstractA novel control strategy is proposed to improve the power factor at the point of common coupling (PCC) using the multi-functional photovoltaic (PV)-battery generation system, which can decrease the cost of PV generation, save the investment of excess equipment, and improve the economic efficiency of users and the power supply capacity of the main grid. By considering the rated capacity of the inverter, solar radiation intensity, and simultaneous fluctuations of load power, different operation modes of the PV-battery generation system are analyzed and a hierarchical control strategy is employed. The presented control strategy can achieve the seamless switch from one operation mode to another and guarantee that the PV-inverter can feed active power to the public grid meanwhile provide the reactive power compensation to dynamically improve the power factor of the PCC. A method that makes the remaining PV power save to the battery as much as possible is proposed to improve the utilization of PV and reduce the disposable light，when the grid needs the inverter to output more reactive power not active power but PV can output much aitive power. In low-light condition or at night, the battery discharges to maintain the DC bus voltage, ensuring that the inverter can continue to provide reactive power for the main grid, and the PV is closed automatically without any hardware breaker. A simulation model of the multi-functional PV-battery generation system is built and the results verify the correctness and effectiveness of the proposed control strategy.

Keywords：Multi-functional photovoltaic-battery, power factor, reactive power compensation, hierarchical control strategy, operation modes switch

作者簡介

中圖分類號：TM615

收稿日期2015-03-19改稿日期2015-06-12

國家自然科學(xué)基金(51107088)、天津市科技支撐計劃項目(15ZCZDGX00980)和天津市應(yīng)用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃重點(diǎn)項目(15JCZDJC32100)資助。