希望·阿不都瓦依提 晁 勤 王 筱

?

基于V2控制方法雙Boost-Buck單一逆變器的風光儲分布并網(wǎng)/孤島離網(wǎng)控制模式

希望·阿不都瓦依提1晁 勤1王 筱2

（1. 新疆大學電氣工程學院 烏魯木齊 830047 2. 國網(wǎng)新疆電力公司 烏魯木齊 830063）

目前邊緣農(nóng)牧區(qū)采用風光互補發(fā)電，由于通過各自逆變器運行，存在成本高、能耗高等問題。提出采用雙Boost-Buck單一逆變器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)風光儲聯(lián)合發(fā)電共用直流母線方案，達到降低投資成本和運行能耗的效果。首先設計了基于V2控制雙Boost-Buck變換器風光儲聯(lián)合發(fā)電的拓撲結(jié)構(gòu)和電路，實現(xiàn)了輸入電壓在較寬范圍內(nèi)波動時輸出電壓仍然能夠恒值控制的目標，同時采用電壓斜坡補償方法抑制了Boost-Buck電路自激振蕩問題。接著基于蓄電池，制定了儲能平抑風光波動、九宮分區(qū)跟隨負荷、模糊充放電等控制策略，達到了風光儲發(fā)電與逆變器無縫對接。其次基于風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，進行了減小棄風光電量效益評估。最后基于風光儲分布并網(wǎng)和孤島離網(wǎng)控制模式，研發(fā)了軟硬件裝置，進行了仿真驗證和試驗測試。結(jié)果表明：逆變器輸出電流具有良好的靜、動態(tài)性能，同時實現(xiàn)了較好的經(jīng)濟性、有效性、穩(wěn)定性和可靠性。

風光儲聯(lián)合發(fā)電 V2控制雙Boost-Buck變換器 電壓斜坡補償方法 分布式并網(wǎng)抑制波動控制 孤島式離網(wǎng)跟隨負荷控制

0 引言

在邊緣農(nóng)牧區(qū)，由于沒有工業(yè)用電負荷，若采用架設遠距離輸電線由主網(wǎng)供電方法，將存在投資太高卻供電量很小的負效益缺陷。隨著分布式電源及微網(wǎng)的發(fā)展，因地制宜地開發(fā)利用太陽能、風能等可再生能源發(fā)電[1-6]，配置一定量儲能裝置[7-9]的分布式并網(wǎng)或微網(wǎng)孤島運行，已成為解決間歇波動電源對電網(wǎng)沖擊和偏遠地區(qū)供電困難及能源短缺問題的重要途徑。

然而供邊緣地區(qū)農(nóng)牧民用電需求，其經(jīng)濟性將是主要的因素，其中的逆變器起著關(guān)鍵的接口作用?，F(xiàn)有技術(shù)中，這三種電源使用各自的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)進行并網(wǎng)供電或離網(wǎng)供荷，成本較大。再者逆變器的直流側(cè)必須提供穩(wěn)定的電壓。由此文獻[10]研究了幾種能源互補發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中各自獨立使用的逆變器直流側(cè)采用Buck變換器穩(wěn)壓方法。但是由于Buck變換器只能降壓，當風電或光電波動造成輸出不一致時，只能選擇最低電壓作為控制標準，大大降低能源轉(zhuǎn)化效率。文獻[11-13]研究了基于V2控制的、V2C控制的、V2-OCC控制的Buck變換器提高響應性和穩(wěn)定性問題，解決了單一電壓控制時滯問題，但由于未涉及風光電應用，未研究風光聯(lián)合發(fā)電控制策略。文獻[14,15]研究了復合型級聯(lián)雙Buck五電平逆變器，提高了系統(tǒng)的可靠性和變換效率，但控制策略變得較為復雜。文獻[16]提出采用一個Buck/Boost變換器，利用了Boost電路的升壓特性和Buck電路的降壓特性，實現(xiàn)了直流母線的恒壓控制，但只適用于單一能源轉(zhuǎn)換。

文獻[17,18]從提高經(jīng)濟性、技術(shù)性的角度研究了采用多種可再生能源的互補方式或采用儲能的配置方式。文獻[19,20]針對風光互補發(fā)電采用分布式并網(wǎng)和孤島獨立就地供電或遠程供電模式進行了控制和優(yōu)化設計方面的研究及對比分析。文獻[21,22]提出風光儲聯(lián)合并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)模型及控制策略，實現(xiàn)了風光互補既有效發(fā)電也抑制功率波動的功效。文獻[23-25]提出風光儲微網(wǎng)獨立供電系統(tǒng)電源優(yōu)化配置及控制策略，但未考慮風光電與負荷不匹配，導致棄風光電量增大問題。

因此本文提出一種降低成本、減少棄風光電量、提高效率且控制簡單的風光儲共用直流母線聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)方案，即：充分利用Boost-Buck變換器既能降壓也能升壓的優(yōu)勢、電流和電壓雙環(huán)V2控制既能穩(wěn)壓又能提高響應速度的優(yōu)勢，在逆變器直流側(cè)設計基于V2控制的雙Boost-Buck變換器（DC-DC）電路，同時設計風光儲聯(lián)合發(fā)電共用一個逆變器（DC-AC）的拓撲結(jié)構(gòu)，制定了偏差調(diào)節(jié)方案和恒壓控制策略，實現(xiàn)降低成本、提高轉(zhuǎn)換效率、適用于風光兩個能源同時轉(zhuǎn)換且快速控制的效果；在逆變器直流側(cè)加裝蓄電池組，制定跟蹤負荷的九宮分區(qū)控制判據(jù)和充放電模糊控制策略，實現(xiàn)對分布式并網(wǎng)進行平抑波動控制、孤島式離網(wǎng)進行跟隨負荷控制、減小棄風光電量的目標。研發(fā)了軟硬件裝置，經(jīng)過模擬試驗和仿真驗證，表明在滿足經(jīng)濟性的同時，可以穩(wěn)定、可靠地運行。

1 雙Boost-Buck單一逆變器的風光儲聯(lián)合發(fā)電方案制定

風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)共用單一逆變器拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。風光儲聯(lián)合發(fā)電共用直流母線，在并網(wǎng)或逆變器直流側(cè)設計兩個V2控制的Boost-Buck變換器（DC-DC）通過大功率二極管與直流母線并聯(lián)，分別對風能發(fā)電經(jīng)AC-DC整流變換后的輸出、光伏發(fā)電輸出進行控制。同時加裝并聯(lián)于直流母線的蓄電池組及雙向DC-DC變換器，進行平抑風光電出力波動和提高跟隨負荷特性及減小棄風光電量控制。通過共用的逆變器，實現(xiàn)分布式并網(wǎng)供電和孤島式離網(wǎng)供荷兩種運行方式下的切換。

圖1 風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

基于這種拓撲結(jié)構(gòu)的風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有成本低、適合邊緣區(qū)域；平抑波動性好、適合并網(wǎng)運行；直流母線電壓穩(wěn)定、控制策略簡單優(yōu)越性。

2 風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)軟硬件框架

風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體軟硬件框架如圖2所示，系統(tǒng)由強電功率流動回路、弱電采樣顯示控制回路、控制程序模塊三大部分組成。其中的強電功率流動回路中設計的泄荷電路，用于調(diào)整風光輸出偏差不要過大。其中的弱電采樣顯示控制回路，采用STC12C2052D單片機和五大控制程序模塊對蓄電池、V2控制雙Boost-Buck變換器、負荷輸出的電壓和電流采樣，對蓄電池的雙向DC-DC變換器進行平抑波動、跟隨負荷、模糊充放電控制，對V2控制的雙Boost-Buck變換器進行恒壓控制，對風電泄荷電路進行偏差控制。

圖2 風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體軟硬件框架

3 基于風光互補的V2控制雙Boost-Buck變換器電路設計

3.1 V2控制方法的Boost-Buck電路原理

Boost和Buck電路單獨使用時，各自只有單一的升壓或降壓功能。采用Boost-Buck電路增加一個K和A1、A3模塊，既實現(xiàn)了升降壓效果也達到了Boost-Buck電路輸出雙環(huán)反饋（內(nèi)環(huán)K-A1、外環(huán)K-A3-A2-A1）恒壓控制的目的，如圖3所示。內(nèi)環(huán)控制可以提高Boost-Buck電路的瞬態(tài)響應速度；外環(huán)控制可以提高Boost-Buck電路的控制準確度，使輸出電壓基本保持恒定。實際應用時增加輸入、輸出濾波器減小電流的脈動。

圖3 V2控制方法的Boost-Buck變換器及各點電壓波形

V2控制方法是用圖3的Boost-Buck變換器輸出濾波電容器的電壓替代峰值電流控制中的電感電流，作為比較器A1的峰值電壓檢測輸入，由單片機輸出的、通過斜波補償電路補償后的PWM信號接入JK觸發(fā)器，作為調(diào)制IGBT功率管導通角占空比的信號，從而改變電感電流和輸出電壓的大小。

3.2 V2控制雙Boost-Buck電路設計

基于Boost-Buck電路輸出電壓可以高于或低于輸入電壓，且其輸入電流和輸出電流都可以實現(xiàn)連續(xù)的優(yōu)勢，根據(jù)圖1的拓撲結(jié)構(gòu)方案，采用對稱的兩個Boost-Buck電路，增加加法模塊、運算放大器模塊、比較器模塊及JK觸發(fā)器模塊，設計了如圖4a所示的V2控制雙Boost-Buck變換器電路，將風電和光電輸出電壓經(jīng)A3疊加后反饋送入A2和A1及JK觸發(fā)器，通過單片機恒壓控制模塊輸出的PWM信號調(diào)制，反饋到Boost-Buck電路IGBT管V的控制極，達到每塊Boost-Buck電路輸出電壓雙環(huán)反饋（內(nèi)環(huán)K-A1-JK、外環(huán)K-A3-A2-A1-JK）的目的，分別實現(xiàn)風電和光電經(jīng)雙Boost-Buck輸出的電壓A與B恒壓且相同。

V2控制雙Boost-Buck電路及各點電壓波形如圖4所示。從圖4b可以看出，隨著風電W和光電PV波動，電壓s1和s2不同，在同一控制電壓c作用下，通過調(diào)整p1和p2不同的占空比，獲得風電A和光電B恒壓且輸出相同。

（a）變換器電路

（b）各點電壓波形

圖4 V2控制雙Boost-Buck變換器電路及各點電壓波形

Fig.4 V2controlled double Boost-Buck converters and waveforms

3.3 基于電壓斜坡補償?shù)拇沃C波振蕩抑制方法

研究表明：當采用V2控制的Boost-Buck變換器工作于電感電流連續(xù)導電模式（Continuous Conduction Mode, CCM）且占空比大于0.5時，存在次諧波振蕩問題。采用斜坡補償技術(shù)，在圖4a中比較器A1的同相輸入端增加一個斜坡補償信號，也就是說，在如圖5所示的控制電壓c上疊加一斜率為c的斜坡補償信號，可消除次諧波振蕩問題。

圖5 斜坡補償法抑制次諧波振蕩方法

圖5中的紋波電壓上升、下降的斜率12為

式中，i為Boost-Buck變換器的輸入電壓；為Boost-Buck變換器輸出端電壓；為衰減系數(shù)。

當采用斜坡補償法抑制振蕩的V2控制Boost- Buck變換器穩(wěn)態(tài)工作時，有

式中，s為內(nèi)環(huán)檢測電壓，；s為開關(guān)周期；為功率管導通占空比。

當輸入發(fā)生變化時，對式（1）和式（2）中的相關(guān)變量取小信號擾動，忽略二階小信號變量，則分別得到直流穩(wěn)態(tài)和交流小信號的特性表達式為

（4）

（5）

因此，采用斜坡補償法抑制振蕩的V2控制Boost- Buck變換器的為

加入斜坡補償電壓后，當滿足式（8）時，式（9）成立，Boost-Buck變換器控制系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

（9）

依據(jù)電感電流伏秒平衡原理得

可知

（11）

即引入斜坡補償電壓的斜率滿足條件式（11）時，就能夠消除工作于CCM方式下V2控制Boost-Buck變換器在＞0.5時的次諧波振蕩現(xiàn)象，保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作，作為逆變器的理想直流電源。

4 風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體控制模式及控制策略

圖6為風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體控制模式，由風光互補發(fā)電三種控制模式、風光儲聯(lián)合發(fā)電兩種控制模式、單片機五種控制策略構(gòu)成。

圖6 風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)整體控制模式

通過設計的V2控制雙Boost-Buck變換器，對風光互補發(fā)電系統(tǒng)采用風或光恒壓控制的獨立發(fā)電或風光偏差+恒壓控制的互補發(fā)電三種風光互補發(fā)電控制模式；通過加裝的蓄電池和雙向DC-DC變換器，對風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用平抑波動+模糊控制的分布式并網(wǎng)供電和跟隨負荷+模糊控制的孤島式離網(wǎng)供荷兩種風光儲聯(lián)合發(fā)電控制模式。

4.1 風光互補發(fā)電控制模式及控制策略

在風光互補系統(tǒng)中，一般光伏發(fā)電日是晝發(fā)夜停，而風力發(fā)電日是隨機間歇，兩者發(fā)電量具有差異，造成輸入側(cè)電壓隨風速和光照變化也有差異，因此風光互補發(fā)電工作模式包括風力發(fā)電恒壓控制、光伏發(fā)電恒壓控制、風光互補發(fā)電偏差及恒壓控制三種控制模式。

4.1.1 恒壓控制的風光獨立發(fā)電控制策略

風力發(fā)電控制模式和光伏發(fā)電控制模式屬于單一電源恒壓控制模式，可分為兩種情況：

（1）無光輻射時間段。風速足夠，采用風力發(fā)電的V2控制單一Boost-Buck變換器控制模式；圖4a上半部分電路工作，輸出波形如圖4b上半部分。

（2）無風速時間段。光輻射足夠，采用光伏發(fā)電的V2控制單一Boost-Buck變換器控制模式；圖4a下半部分電路工作，輸出波形如圖4b下半部分。

當風電或光電波動時，s1或s2也將波動，單片機恒壓控制模塊輸出PWM信號，p1或p2的占空比被調(diào)整，保證A或B趨近期望值。

4.1.2 偏差控制+恒壓控制的風光互補發(fā)電控制策略

風光互補發(fā)電控制模式屬于雙電源偏差控制及恒壓控制模式，具體為：既有光輻射又有風速時間段，當風速、光輻射足夠，但風、光發(fā)電兩者輸出電壓差異超過Boost-Buck變換器允許范圍時，采用單片機偏差控制模塊輸出PWM信號使風電泄荷電路工作，調(diào)整兩者輸出電壓差異到允許值后，啟動風-光聯(lián)合發(fā)電的V2控制雙Boost-Buck變換器同時工作。Boost-Buck恒壓電路外反饋環(huán)的輸入電壓取自每個Boost-Buck電路的輸出，經(jīng)過同相加法器后獲得兩路輸出電壓的均值，即。外反饋環(huán)采用均值輸入，可以避免或減小兩路Boost-Buck變換器間的環(huán)流及相互影響，提高輸出電壓的穩(wěn)定性，由圖4a、圖4b可知：兩塊Boost-Buck變換器同時工作，雖然s1和s2波動不同，但隨著單片機恒壓控制模塊控制p1和p2調(diào)節(jié)不同的占空比，最終保證A和B都趨近于同一期望值，獲得A≈B。

由于Boost-Buck變換器的升、降壓幅度很大，所以風、光發(fā)電兩者輸出電壓差異可以很寬，只會造成小幅度的棄風。

4.2 風光儲聯(lián)合發(fā)電控制模式及控制策略

風光儲聯(lián)合發(fā)電控制模式包括風光儲分布式并網(wǎng)波動及模糊控制、風光儲孤島式離網(wǎng)負荷及模糊控制兩種控制模式。

4.2.1 平抑波動的風光儲分布式并網(wǎng)供電控制策略

風光儲分布式并網(wǎng)控制模式是風光儲聯(lián)合發(fā)電在分布式并網(wǎng)供電運行方式下，按照風光電輸出功率波動是否超過國家標準情況，控制雙向DC-DC變換器開關(guān)管導通方向，控制儲能充電或放電啟停時刻，達到儲能平抑風光電功率波動量且減小電網(wǎng)沖擊的目的。

根據(jù)國家標準《風電場接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定》，正常運行情況下的風電場有功功率變化限值的推薦值是從時間角度（1min & 10min）來定義的，詳見表1。因此，采用風光電10min波動限值mb作為平抑風光電功率波動目標值。

表1 有功功率變化最大限值

Tab.1 The maximum limit of active power change (單位：MW)

按一定的采樣周期通過A-D轉(zhuǎn)換器，對風光互補發(fā)電有功功率進行采樣，控制雙向DC-DC變換器電路中開關(guān)管導通方向，當相鄰兩點采樣差值為正且絕對值大于國家標準時，啟動儲能存儲剩余能量；當兩點采樣差值為負且絕對值大于國家標準時，啟動儲能釋放存儲能量；其有功功率波形如圖7所示。此過程可以描述為：當時，儲能充電；當時，儲能放電。其中，為儲能系統(tǒng)時刻充放電功率值，、為風光電功率第點、第1點實時采樣值，mb為風光電功率10min波動限值。

圖7 儲能平抑風光電波動的充放電控制策略的有功功率

4.2.2 跟隨負荷的風光儲孤島式離網(wǎng)供荷控制策略

風光儲孤島式離網(wǎng)控制模式是風光儲聯(lián)合發(fā)電在孤島式離網(wǎng)直接供負荷運行方式下，按照風光發(fā)電功率與負荷需求功率是否匹配，控制雙向DC-DC變換器電路中開關(guān)管導通方向，控制儲能充電或放電啟停時刻，達到儲能提高風光電與負荷的跟隨度且減小棄風光電量目的。

按一定的采樣周期通過A-D轉(zhuǎn)換器分別對風光互補發(fā)電有功和負荷需求有功采樣，當風光互補發(fā)電量wg與負荷需求L差值為正且絕對值大于設定閾值時，啟動儲能存儲剩余能量；當風光互補發(fā)電量wg與負荷需求L差值為負且絕對值大于設定閾值時，啟動儲能釋放存儲能量。

對于風光儲孤島離網(wǎng)運行系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的風光儲電功率與負荷需求功率每時刻應跟隨匹配。因此將風光聯(lián)合出力按裝機容量三等份劃分為高峰、中腰、低谷三個區(qū)域；同樣將負荷按最大負荷三等份也劃分為高荷、中荷、低荷三個區(qū)域，依據(jù)下述原則制定基于跟蹤負荷波動的風光儲九宮分區(qū)控制策略，見表2。

表2 跟蹤負荷波動的風光儲系統(tǒng)九宮分區(qū)控制策略表

Tab.2 The table of nine zoning wind-solar-storage system of load fluctuation tracking control strategy

（1）當風光電出力和負荷水平分別同時處于低谷低荷區(qū)、中腰中荷區(qū)和高峰高荷區(qū)時，認為風光聯(lián)合出力處于自然跟蹤負荷波動（正調(diào)峰）狀態(tài)，此時設定儲能系統(tǒng)出力為0。

（2）當風光電出力水平在低谷區(qū)，而負荷水平處于高荷區(qū)時或當風光電出力水平在高峰區(qū)，而負荷水平處于低荷區(qū)時，認為風光電出力處于無法跟蹤負荷波動（反調(diào)峰）狀態(tài)，設定儲能系統(tǒng)出力為：當時，低谷高荷儲能放電；當時，高峰低荷儲能充電。其中，為系統(tǒng)在時刻的總負荷；F為設定閾值，其設定量考慮儲能不要頻繁充放，按儲能容量的10%確定。

（3）當風光電出力水平和負荷水平分別處于低谷中荷區(qū)和中腰高荷區(qū)且風光電在+1時刻的出力大于等于時刻的出力，或者當風光電出力水平和負荷水平分別處于中腰低荷區(qū)和高峰中荷區(qū)且風電在+1時刻的出力小于等于時刻的出力時，認為風光電出力處于能夠跟蹤負荷波動，此時設定儲能系統(tǒng)出力為0；反之，認為風光電出力處于不能夠跟蹤負荷波動，并定義為平調(diào)峰狀態(tài)。此時設定儲能系統(tǒng)出力描述如下：當且低谷中荷/中腰高荷儲能放電時，；當且中腰低荷/高峰中荷儲能充電時，。

4.2.3 儲能充放電模糊控制策略

模糊控制結(jié)構(gòu)包括模糊化接口、模糊推理機、解模糊接口三個功能模塊，如圖8所示。

圖8 模糊控制結(jié)構(gòu)框圖

根據(jù)經(jīng)驗蓄電池充放電時，電壓的上升下降趨勢基本相同。但當蓄電池電壓接近飽和時，電壓的變化率較大，而電流太小充電過慢，受溫度影響又不能過大。因此按一定的采樣周期通過A-D轉(zhuǎn)換器分別對蓄電池充放電電壓、電流采樣，將蓄電池理想電壓最大值與實際測量值的差值，相鄰兩個檢測電壓差值的變化率作為輸入，充電電流變化量作為輸出，構(gòu)成一個雙輸入、單輸出結(jié)構(gòu)具有PD控制規(guī)律的模糊控制器，其隸屬函數(shù)采用三角形法，根據(jù)模糊原理建立電壓差、電壓差變化率控制充電電流變化量的模糊控制規(guī)則查詢庫，供單片機分析計算后輸出PWM信號以控制雙向DC-DC變換器電路中開關(guān)管導通角的占空比值，控制蓄電池充放電量和時長，以達到避免蓄電池充放電流過大、速度過慢、過充及過放損壞的目的。

4.3 風光儲聯(lián)合發(fā)電效益評估

加裝儲能系統(tǒng)前后風光電棄風光量的變化量?AW計算式為

式中，1、2分別為加裝儲能系統(tǒng)前后棄風光電量的次數(shù)。

5 仿真及試驗

按照前述原理與構(gòu)思，新疆大學研發(fā)了風光儲聯(lián)合發(fā)電的V2控制雙Boost-Buck變換控制器硬件模塊和恒壓控制、波動控制、負荷控制、模糊控制和偏差控制軟件模塊?；贛atlab和新疆大學數(shù)字風光電與物理儲能聯(lián)合模擬仿真平臺對研發(fā)的控制器進行了模擬仿真和試驗測試。實物硬件與風光儲聯(lián)網(wǎng)試驗測試平臺如圖9所示。

圖9 研發(fā)實物硬件與風光儲聯(lián)網(wǎng)試驗測試

5.1 雙Boost-Buck恒壓電路輸出仿真

基于Matlab依照圖4（Boost-Buck變換器）建立了系統(tǒng)仿真模型。雙Boost-Buck變換器的相關(guān)參數(shù)=1mH,=1mF,L=2W。某實際風光互補系統(tǒng)（風機2.5MW，光電3.5MW）2014年秋季某日風光發(fā)電量采樣如圖10所示，依據(jù)風速和光照設定風電和光電的輸入電壓，仿真得到輸出電壓波形如圖11所示。由圖11可知，當風電輸入電壓為5 400V時，占空比為0.1；當光電輸入電壓為150V時，占空比為0.8，Boost-Buck變換電路輸出側(cè)電壓均約為600V，即為逆變電路的直流側(cè)電壓。當占空比在0.1～0.8之間變化時，逆變電路的輸入側(cè)電壓在583～662V之間波動，同樣方式在新疆大學數(shù)字風光電與物理儲能聯(lián)合模擬仿真平臺上進行了模擬，其仿真與實測波形如圖12所示。

圖10 風光電輸出功率

（a）風電輸入5 400V（D=0.1）（b）光電輸入150V（D=0.8）

（a）仿真波形

（b）實測波形

圖12在0.1～0.8之間變化時輸出電壓隨時間變化的波形

Fig.12 Waveforms of output voltage change with time whenis 0.1～0.8

由于Boost-Buck變換器的升、降壓特性，風電互補差異電壓即輸入側(cè)電壓在10%～90%范圍內(nèi)變化時，輸出側(cè)電壓可以穩(wěn)定在同一個電壓值600V左右。仿真結(jié)果表明：V2控制雙Boost-Buck變換器 可行。

5.2 風光儲聯(lián)合發(fā)電控制模式及控制策略測試

5.2.1 風光互補發(fā)電控制模式測試

（1）在0∶00～7∶00、20∶00～24∶00無光輻射時間段以及風光發(fā)電差異電壓大于允許范圍時間段7∶00～8∶00、19∶00～20∶00采用風力發(fā)電的V2控制單一Boost-Buck變換器控制模式，測試結(jié)果電壓合格且符合要求。

（2）在風光發(fā)電差異電壓小于允許范圍7∶00～19∶00時間段，采用風-光聯(lián)合發(fā)電的V2控制雙Boost-Buck變換器控制模式，測試結(jié)果電壓合格，符合要求。

5.2.2 風光儲聯(lián)合發(fā)電控制模式測試

測試平臺蓄電池儲能裝置最大功率為20kW，可按風光容量比例模擬放大仿真。當置信系數(shù)分別為95%、97%時對應的儲能最大功率分別為0.519MW和0.730 8MW，占風電與光電總裝機容量的8.65%、12.18%。

采用儲能平抑風光波動和跟蹤負荷的控制策略，對加裝儲能后跟隨負荷的效果采用正調(diào)峰、平調(diào)峰和反調(diào)峰出現(xiàn)頻次的變化來統(tǒng)計，棄風光電量效果按評估式（12）計算，其結(jié)果如圖13所示。

（a）跟隨負荷效果

（b）平抑波動效果

（c）抑制反調(diào)峰效果

表3給出了加裝儲能前后風光電功率波動、跟隨負荷、經(jīng)濟指標的變化情況及效果。由此可知，在平抑風光電波動、提高跟隨負荷特性，減少風光電棄量、提高資源利用率、提高風光電經(jīng)濟效益方面，效果較好。

表3 儲能系統(tǒng)效果評估結(jié)果

Tab.3 The evaluation results of energy storage system

5.2.3 模糊控制測試

試驗分別采用模糊控制充電模式和三段式充電模式對由12V/9A?h蓄電池串并聯(lián)構(gòu)成的蓄電池組做充電比較，兩種模式下的充電電流動態(tài)變化曲線如圖14所示。

圖14 兩種模式充電電流動態(tài)變化曲線

（1）三段式充電模式下充電時間將近17h，模糊控制模式下充電時間將近15.5h，充電時間縮短了。

（2）考慮安全問題，蓄電池最大充電電流為4A，三段式充電模式下最大電流為3A，而模糊控制充電模式下，最大充電電流可接近3.5A，表明模糊控制模式下，具有自動識別最大充電電流之能力。

5.3 逆變器輸出試驗測試

新疆大學風光儲試驗平臺模擬試驗中逆變器輸出電壓波形與實際現(xiàn)場風光并網(wǎng)母線電壓錄波對比，如圖15所示，結(jié)果表明：逆變器輸出三相電壓對稱，初始階段具有一定的波動和諧波，這是由于風電或光電波動引起，經(jīng)過V2控制雙Boost-Buck變換器調(diào)節(jié)控制，0.005s后平滑。

（a）模擬測試波形

（b）現(xiàn)場風光并網(wǎng)母線電壓錄波

圖15 逆變器輸出電壓波形

Fig.15 Voltage waveforms of inverter

6 結(jié)論

本文介紹了一種風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)及方法。系統(tǒng)由強電功率流動回路、弱電采樣顯示控制回路、控制軟件程序模塊三大部分組成；運行方式由風光互補發(fā)電三種運行方式、風光儲聯(lián)合發(fā)電兩種運行方式?？刂颇Ｊ綖轱L光儲聯(lián)合發(fā)電共用直流母線和逆變器，通過設計的V2控制雙Boost-Buck變換器，對風光互補發(fā)電系統(tǒng)，采用風或光恒壓控制的獨立發(fā)電或風光偏差+恒壓控制的互補發(fā)電三種風光互補發(fā)電控制模式；通過加裝的蓄電池和雙向DC-DC變換器，對風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)采用平抑波動+模糊控制的分布式并網(wǎng)供電或跟隨負荷+模糊控制的孤島式離網(wǎng)供荷兩種風光儲聯(lián)合發(fā)電控制模式，實現(xiàn)了風光儲聯(lián)合發(fā)電。仿真分析和試驗結(jié)果證明：風光互補發(fā)電可以平滑單能源隨機性、間歇性造成的電能波動，加之儲能平抑波動的控制作用，減小了對電網(wǎng)的沖擊，很適合分布式并網(wǎng)運行；設計雙Boost-Buck變換電路恒壓控制，得到較為理想的直流母線電壓，為逆變器輸出高品質(zhì)的交流電提供保障；風光儲聯(lián)合發(fā)電僅使用一個逆變器，可簡化控制策略、降低成本和運行能耗；同時基于儲能跟隨負荷的控制作用，也可減小棄風光電量，很適合邊緣農(nóng)牧區(qū)域?；谝陨蟽?yōu)勢，凸顯了系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性、可靠性、經(jīng)濟性。

參考文獻：

[1] Nehrir M H, Wang C, Strunz K, et al. A review of hybrid renewable/alternative energy systems for electric powergeneration[J]. Sustainable Energy, 2011, 2(4): 392-403.

[2] 劉楊華, 吳政球, 涂有慶, 等. 分布式發(fā)電及其并網(wǎng)技術(shù)綜述[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2008, 32(15): 71-75.

Liu Yanghua, Wu Zhengqiu, Tu Youqing, et al. A survey on distributed generation and its networking technology[J]. Power System Techonology, 2008, 32(15): 71-75.

[3] Blaa Bjerg F, Teodorescu R, Liserre M, et al. Overview of control and grid synchronization for distributed power generation systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2006, 53(5): 1398-1409.

[4] 魯志平, 王東. 一種新型光伏陣列模擬器的設計研究[J]. 電氣技術(shù), 2013, 14(6): 29-32.

Lu Zhiping, Wang Dong. The new design of the photo-voltaic array simulator[J]. Electrical Engin- eering, 2013, 14(6): 29-32.

[5] 沈梁, 毛西吟, 白熊. 未來智能電網(wǎng)的發(fā)展與應用[J]. 電氣技術(shù), 2013, 14(12): 1-4.

Shen Liang, Mao Xiyin, Bai Xiong. Development and application of future smart grid[J]. Electrical Engin- eering, 2013, 14(12): 1-4

[6] 李昂, 羅珊. 儲能裝置在風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中的應用[J]. 黑龍江電力, 2014(4): 149-151.

Li Ang, Luo Shan. Application of energy storage device in wind-PV-ES hybrid power system[J]. Heilongjiang Electric Power, 2014(4): 149-151.

[7] 夏天雷, 王林青, 江全元. 基于IEC 61970標準的風光儲建模方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2015, 39(19): 9-14.

Xia Tianlei, Wang Linqing, Jiang Quanyuan. IEC 61970 standard based modeling scheme of wind power, photovoltaic power, energy storage[J]. Auto- mation of Electric Power Systems, 2015, 39(19): 9-14.

[8] 胡永強, 劉晨亮, 趙書強, 等. 基于模糊相關(guān)機會規(guī)劃的儲能優(yōu)化控制[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2014, 38(6): 20-25.

Hu Yongqiang, Liu Chenliang, Zhao Shuqiang, et al. Optimal control of energy storage based on fuzzy correlated-chance programming[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(6): 20-25.

[9] 楊珺, 張建成, 周陽, 等. 針對獨立風光發(fā)電中混合儲能容量優(yōu)化配置研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2013, 41(4): 38-44.

Yang Jun, Zhang Jiancheng, Zhou Yang, et al. Research on capacity optimization of hybrid energy storage system in stand-alone wind/PV power generation system[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(4): 38-44.

[10] 劉暢, 張慶范, 高金波. 風-光-柴互補發(fā)電逆變系統(tǒng)的研究與設計[C]//第十七屆全國電源技術(shù)年會論文集, 2015: 360-362.

[11] 王鳳巖, 許建平, 許峻峰. V2控制Buck變換器分析[J]. 中國電機工程學報, 2005, 25(12): 68-72.

Wang Fengyan, Xu Jianping, Xu Junfeng. Model and analysis of V2controlled Buck converter[J]. Pro- ceedings of the CSEE, 2005, 25(12): 68-72.

[12] 周國華, 許建平, 米長寶, 等. V2C控制Buck變換器穩(wěn)定性分析[J]. 電工技術(shù)學報, 2011, 26(3): 88-95.

Zhou Guohua, Xu Jianping, Mi Changbao, et al. Stability analysis of V2C controlled Buck con- verter[J]. Transactions of China Electrotechnical Socirty, 2011, 26(3): 88-95.

[13] 羅全民, 周雒維, 盧偉國, 等. V2-OCC控制Buck變換器[J]. 電工技術(shù)學報, 2008, 23(12): 78-98.

Luo Quanmin, Zhou Luowei, Lu Weiguo, et al. V2-OCC controlled Buck converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(12): 78-98.

[14] 劉苗, 洪峰, 尹培培, 等. 復合型級聯(lián)雙Buck飛跨電容五電平逆變器[J]. 電工技術(shù)學報, 2015, 30(18): 35-41.

Liu Miao, Hong Feng, Yin Peipei, et al. A hybrid cascaded dual Buck flying-capacitor five-level inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Socirty, 2015, 30(18): 35-41.

[15] 方天治, 朱恒偉, 阮新波. 模塊化輸入串聯(lián)輸出串聯(lián)逆變器系統(tǒng)的控制策略[J]. 電工技術(shù)學報, 2015, 30(20): 85-92.

Fang Tianzhi, Zhu Hengwei, Ruan Xinbo. Control strategy for modular input-series-output-series inver- ters system[J]. Transactions of China Electro- technical Socirty, 2015, 30(20): 85-92.

[16] 楊曉光, 姜龍斌, 馮俊博, 等. 一種用于光伏逆變器的新型功率解耦電路[J]. 電工技術(shù)學報, 2015, 30(16): 42-48.

Yang Xiaoguang, Jiang Longbin, Feng Junbo, et al. A new power decoupling circuit for photovoltaic inverter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(16): 42-48.

[17] 楊琦, 張建華, 劉自發(fā), 等. 風光互補混合供電系統(tǒng)多目標優(yōu)化設計[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2009, 33(17): 86-90.

Yang Qi, Zhang Jianhua, Liu Zifa, et al. Multi- objective optimization of hybrid PV/Wind power supply system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2009, 33(17): 86-90.

[18] 史君海, 朱新堅, 仲志丹. 風能一太陽能互補獨立發(fā)電系統(tǒng)設計優(yōu)化與分析[J]. 可再生能源, 2007, 25(4): 6-9.

Shi Junhai, Zhu Xinjian, Zhong Zhidan. Analysis and techno-economic optimization of the small PV-wind stand-alone power system[J]. Renewable Energy Resources, 2007, 25(4): 6-9.

[19] 陳汝昌, 陳飛, 張帆, 等. 新能源電網(wǎng)中微電源并網(wǎng)控制策略研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(12): 55-60.

Chen Ruchang, Chen Fei, Zhang Fan, et al. Control strategies for grid-connected microsource in new energy power systems[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(12): 55-60.

[20] 徐大明, 康龍云, 曹秉剛. 風光互補獨立供電系統(tǒng)的優(yōu)化設計[J]. 太陽能學報, 2006, 27(9): 919-922.

Xu Daming, Kang Longyun, Cao Binggang. Optimal design of stand alone hybrid wind/PV power systems[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2006, 27(9): 919-922.

[21] 梅生偉, 王瑩瑩, 劉鋒. 風-光-儲混合電力系統(tǒng)的博弈論規(guī)劃模型與分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2011, 35(20): 13-18.

Mei Shengwei, Wang Yingying, Liu Feng. A game theory based planning modeland analysis for hybrid power system with wind generators-photovoltaic panels-storage batteries[J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(20): 13-18.

[22] 張?zhí)N昕, 孫運全. 混合儲能在風光互補微網(wǎng)中的控制策略[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(21): 93-98.

Zhang YunXin, Sun Yunquan. Control strategy of a hybrid energy storage in wind-solar hybrid generation microgrid[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(21): 93-98.

[23] 劉夢璇, 郭力, 王成山, 等. 風光柴儲孤立微電網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行控制策略設計[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2012, 36(15): 19-24.

Liu Mengxuan, Guo Li, Wang Chengshan, et al. A coordinated operating control strategy for hybrid isolated microgrid including wind power, photo- voltaic system, diesel generator, and battery storage[J]. Automation of Electric Power Systems, 2012, 36(15): 19-24.

[24] 麻常輝, 潘志遠, 劉超, 等. 基于自適應下垂控制的風光儲微網(wǎng)調(diào)頻研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制, 2015, 43(23): 21-27.

Ma Changhui, Pan Zhiyuan, Liu Chao, et al. Frequency regulation research of wind-PV-ES hybrid micro-grid system based on adaptive droop control[J]. Power System Protection and Control, 2015, 43(23): 21-27.

[25] 朱蘭, 嚴正, 楊秀, 等. 風光儲微網(wǎng)系統(tǒng)蓄電池容量優(yōu)化配置方法研究[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2012, 36(12): 26-31.

Zhu Lan, Yan Zheng, Yang Xiu, et al. Optimal configuration of battery capacity in microgrid composed of wind power and photovoltaic generation with energy storage[J]. Power System Technology, 2012, 36(12): 26-31.

The Control Mode of Distribution Grid/Off-Grid of Wind-Solar-Storage with Double Boost-Buck Converter Single Inverter Based on V2Control Method

112

（1. School of Electrical Engineering Xinjiang University Urumqi 830047 China 2. State Grid Xinjiang Electric Power Company Urumqi 830063 China）

Wind and solar hybrid power generation is widely used in agricultural and pastoral areas. In current applications, each system uses independent inverters, which requires higher cost and energy consumption. In this paper, a common DC bus scheme with dual Boost-Buck based single inverter structure was proposed, to realize wind and solar hybrid power generation. The proposed scheme can reduce cost and energy consumption. Firstly, topological structure and circuit of wind-solar-storage cogeneration system were designed based on V2controlled double Boost-Buck converter. Hence the constant voltage value control can be achieved when the input voltage varies in a wide range. At the same time, voltage slope compensation method was used to suppress the self-excited oscillation of Boost-Buck circuit. Secondly, a series of control strategies were designed to improve storage stability, including stabilizing fluctuation of wind-solar, nine zoning following load, fuzzy charging and discharging. The seamless abutment between wind-solar-storage power and inverter was achieved. Thirdly, the benefit evaluation on the power consumption reduction of abandoned wind-solar was carried out. Finally, the software and hardware device were developed, according to the control modes of distribution grid and isolated island off-grid. The test and simulation were carried out. The output current of inverter shows good static and dynamic performance, stability and reliability, as well as better cost economy.

Wind and PV energy complemental generation, V2control dual Boost-Buck converter, voltage slope compensation method, distributed grid connected suppression control, following load control with isolated island

TP273.1

國家自然科學基金（51367016）和國家國際科技合作專項（172013DFG61520）資助項目。

2016-01-30 改稿日期 2016-06-29

希望·阿不都瓦依提 男，1967年生，副教授，博士研究生，研究方向為多種可再生能源互補發(fā)電。E-mail: xiwang_x@126.com（通信作者）

晁 勤 女，1959年生，教授，博士生導師，研究方向為潔凈能源并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)，電力系統(tǒng)繼電保護。E-mail: cqtdx@163.com