周楊，葉泰然，李天慧，呂瀟，李楓，馬剛

(南京師范大學(xué)，江蘇 南京 210023)

隨著我國用電量急劇增加，傳統(tǒng)的集中供電方式導(dǎo)致的化石能源短缺和環(huán)境污染問題愈發(fā)嚴(yán)重[1-2]。同時，分布式能源(distributed generation，DG)以其“小容量、短距離、無污染、易安裝、低成本”的優(yōu)勢得到了迅速發(fā)展，正逐步取代部分傳統(tǒng)供電方式[3]。然而，隨著戶用光伏注入配電網(wǎng)的有功功率增加，配電網(wǎng)功率波動問題更加嚴(yán)重[4-6]，影響用電設(shè)備的使用壽命和配電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行；因此，在戶用光伏并網(wǎng)中，有效地抑制功率波動非常重要。

利用儲能系統(tǒng)來抑制DG功率波動是當(dāng)前研究的熱點[7-12]。文獻(xiàn)[13]提出一種電池儲能型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，采用內(nèi)環(huán)控制儲能電池電流、外環(huán)控制電網(wǎng)正常功率和電網(wǎng)故障時電壓的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了并網(wǎng)功率平抑功能。文獻(xiàn)[14]提出在光伏發(fā)電系統(tǒng)引入飛輪儲能系統(tǒng)，在考慮飛輪儲能允許范圍的前提下，采用電流內(nèi)環(huán)和速度外環(huán)雙閉環(huán)控制方式充能，采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的控制方式放能，實現(xiàn)功率的穩(wěn)定輸出。文獻(xiàn)[15]提出了光儲協(xié)同平抑并網(wǎng)功率波動的方法，通過光伏運行工作點的動態(tài)控制來平抑大幅度的功率波動，利用儲能的快速響應(yīng)特點來平抑幅度小、變化快的功率波動。此外，背靠背式電力彈簧(back to back electric spring，B2B-ES)作為一種新穎的電力電子設(shè)備，被用來抑制由于DG接入而引起的總線電壓波動。目前已有一些關(guān)于B2B-ES的研究成果，但是其潛力尚未得到充分挖掘[16-17]。B2B-ES電壓控制的研究主要集中在無功控制方面，對于B2B-ES的有功功率控制能力缺乏深入的研究。

以上對配電網(wǎng)功率波動平抑方法的研究中，雖然已有大量的方法是通過添加儲能系統(tǒng)來實現(xiàn)功率波動平抑方法，但當(dāng)線路功率波動偏差大于現(xiàn)有功率儲備時，基于儲能系統(tǒng)的方法將會失效；因此，基于B2B-ES有功控制特性，本文提出一種新的功率波動平抑方法。

本文首先分析含戶用光伏的配電網(wǎng)功率波動機(jī)理，建立了B2B-ES的有功控制模型；然后在此基礎(chǔ)上，提出了并網(wǎng)功率波動抑制的新方法；最后，通過仿真實驗驗證該方法對戶用光伏并網(wǎng)功率波動抑制的有效性。

1 功率波動機(jī)理和基于B2B-ES的功率控制模型

1.1 功率波動影響機(jī)理

需求側(cè)功率波動機(jī)理的分析是研究抑制光伏并網(wǎng)功率波動問題的基礎(chǔ)。需求側(cè)功率包括本地負(fù)載功率和光伏的輸出功率。因可再生能源具有間歇性的特征，光伏的輸出功率是不固定的。需求側(cè)功率

PDEM=PLoad-(PPV,ref+ΔPPV(t)).

(1)

式中：PLoad為光伏本地負(fù)載功率；PPV,ref為光伏輸出功率參考值；ΔPPV(t)為光伏功率隨時間t變化的波動量。

根據(jù)式(1)可知，需求側(cè)功率PDEM波動是由ΔPPV(t)造成的。為了消除這種波動對交換功率的影響，可以對本地負(fù)載功率補償相同的波動，從而平衡由光伏引起的波動量。據(jù)此，式(1)可以修改為

PDEM=(PLoad+ΔPPV(t))-(PPV,ref+ΔPPV(t)).

(2)

由式(2)可知，在降低家庭儲能的同時，可平抑光伏引起的需求側(cè)功率波動，并且功耗與光伏輸出功率正相關(guān)；因此，新的控制思路可以實現(xiàn)需求跟隨發(fā)電的供電模式。

1.2 B2B-ES的有功控制模型

根據(jù)上述分析，同樣變化規(guī)律的ΔPPV(t)只能補償?shù)娇勺兊呢?fù)載上，因此需要對負(fù)荷進(jìn)行分類。在實際家庭負(fù)荷中，部分負(fù)載的工作電壓可承受一定程度的偏移，如家用熱水器、照明系統(tǒng)、風(fēng)扇、烤箱、洗碗機(jī)和干燥機(jī)等小型電動機(jī)負(fù)載。這類負(fù)載定義為非關(guān)鍵負(fù)載(non-critical load，NCL)，否則為關(guān)鍵負(fù)載(critical load，CL)。

圖1是NCL串聯(lián)B2B-ES構(gòu)成的智能負(fù)載(smart load，SL)。其中，UDC為B2B-ES的直流中間級電壓，C為直流中間級電容，Lf與Cf分別為濾波電感與濾波電容，ZNCL為NCL的阻抗，UES為B2B-ES的輸出電壓，UNCL為NCL的兩端電壓，USL為B2B-ES與NCL的整體兩端電壓，ISL為B2B-ES的輸出電流。

圖1 SL基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of SL basic structure

由圖1可知，ES的有功功率PES、NCL的有功功率PNCL、SL的總有功功率PSL的關(guān)系為

PES+PNCL=PSL.

(3)

ES的無功功率QES、NCL的無功功率QNCL、SL的總無功功率QSL的關(guān)系為

QES+QNCL=QSL.

(4)

對于式(3)，在不考慮變流器損耗的情況下，變流器A從電網(wǎng)中吸收(或注入電網(wǎng))的有功功率始終等于變流器B發(fā)出(或吸收)的有功功率，因此PES始終為零，式(1)可等效為

PNCL=PSL.

(5)

以有功控制為SL的控制目標(biāo)時，其輸出電壓超前支路電流ISL的相位差θ控制為0°/180°即可，如圖2所示。其中：虛線為SL不受控時正常的相量關(guān)系，實線為有功受控后的相量關(guān)系；φ為NCL的阻抗角；US為供電電壓。

綜合圖1與圖2可知，改變UES的值可使UNCL、ISL的值發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對PNCL(即PSL)的控制。由圖2可知，SL不受控時吸收的有功功率

(6)

圖2 SL的有功控制相量圖Fig.2 Phasor diagram of SL active control

SL受控時吸收的有功功率

PSL=PNCL=|UNCL|×|ISL|×cosφ.

(7)

根據(jù)式(6)、(7)，SL的有功控制模型為

(8)

式中：ΔP為SL的有功控制量，ΔP>0表示SL的有功消耗量增大，ΔP<0表示SL的有功消耗量減小。

若實時控制指令為ΔPorder(t)，則根據(jù)式(6)可得

(9)

結(jié)合式(9)與圖2可知，為實現(xiàn)控制指令ΔPorder(t)，可根據(jù)ΔPorder(t)的值動態(tài)改變UES的幅值。

1.3 控制回路設(shè)計

根據(jù)上述分析可知，通過調(diào)節(jié)UES的幅值與相位，可使PSL動態(tài)可控。

為了使SL達(dá)到平滑并網(wǎng)功率波動的可靠性要求，并適用于對應(yīng)的戶用光伏裝機(jī)容量，需要對B2B-ES的控制模塊進(jìn)行設(shè)計。B2B-VSC包含整流和逆變電路，需要分別設(shè)計其控制模塊。B2B-ES的整流電路以單位功率因數(shù)為目標(biāo)設(shè)計控制模塊[18-19]。而對于B2B-ES的逆變級，為了滿足以上控制要求，結(jié)合經(jīng)典的ES控制回路[20]，對原有的控制回路作出改進(jìn)。重新設(shè)計的控制模型如圖3所示。在控制模型中：PSL與ISL分別為測得的SL實時輸出功率、電流；k為設(shè)定的PI控制器后置增益；Abs為取絕對值函數(shù)；sign為符號函數(shù)；鎖相環(huán)輸出IES的實時相位值。

圖3 基于電壓幅值、相位的SL有功功率控制模型Fig.3 Model of SL active power control based on voltage amplitude and phase

首先，在NCL可運行前提下，基于當(dāng)前非關(guān)鍵負(fù)荷量和光伏輸出功率，根據(jù)其可承受的偏移電壓量，計算出可調(diào)功率Porder(t)；然后，將Porder(t)送入UES幅值控制回路與UES相位控制回路。其中，Porder(t)是利用粒子群優(yōu)化算法求出來的，求解流程如圖4所示，其目標(biāo)函數(shù)

minf=|PDEM(t)-PDEM,ref|.

(10)

式中：PDEM(t)為光伏母線側(cè)(需求)功率實際值；PDEM,ref為光伏母線側(cè)(需求)功率參考值。

圖4 基于粒子群優(yōu)化算法的指令求解流程Fig.4 Flow chart of instruction solving based on PSO algorithm

由于SL是利用電壓在一定范圍內(nèi)可偏移的負(fù)荷作為NCL，則其調(diào)節(jié)量也存在著容許范圍。根據(jù)SL容許功率值，設(shè)定ΔPorder(t)約束條件為

ΔPES,min≤ΔPorder(t)≤ΔPES,max.

(11)

式中ΔPES,min、ΔPES,max分別為SL有功功率調(diào)節(jié)能力的下限和上限。

根據(jù)光伏出力情況，基于SL的光伏并網(wǎng)功率波動抑制策略如圖5所示。其中：①模式1，當(dāng)戶用光伏處于出力低谷時，即PDEM低于PDEMref，通過控制ΔPorder(t)使SL處于180°工作模式，以減小PSL(t)，保證需求側(cè)功率穩(wěn)定在可允許的范圍內(nèi)；②模式2，當(dāng)戶用光伏處于出力高峰時，即PDEM高于PDEMref，通過控制ΔPorder(t)使SL處于0°工作模式，以增大PSL(t)，保持需求側(cè)功率穩(wěn)定在可允許的范圍內(nèi)。

圖5 基于SL的光伏并網(wǎng)功率波動抑制策略Fig.5 SL-based photovoltaic grid-connected power fluctuation suppression strategy

2 仿真驗證

2.1 仿真模型

為了驗證本文所述的低壓有源配電網(wǎng)功率波動平抑策略的有效性，本文在MATLAB/Simulnk中建立系統(tǒng)模型。在系統(tǒng)中，光伏電池工作在最大功率點且逆變器以單位功率因數(shù)運行，其發(fā)出的交流電先給家庭負(fù)荷供電，然后并入低壓配電網(wǎng)。注入低壓配電網(wǎng)的有功功率具有間歇性和不穩(wěn)定性，會引起低壓有源配電網(wǎng)功率波動，對本地CL運行帶來不利的影響。為對有功功率進(jìn)行控制，考慮到成本問題，本文所提到的B2B-ES串接多個家庭NCL形成SL，然后再與多個家庭CL并聯(lián)，最后接入本地配電網(wǎng)。通過連續(xù)可控的功率交換，能夠?qū)崿F(xiàn)平抑戶用光伏并網(wǎng)功率波動。與戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合后的系統(tǒng)仿真模型如圖6所示，其中ZCL為CL的阻抗，SL模型的具體參數(shù)見表1。

圖6 戶用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)Fig.6 Household photovoltaic grid-connected system

上述系統(tǒng)模型中，饋線電壓等級為400 V，系統(tǒng)頻率為50 Hz，相對于低壓配電網(wǎng)的上一級電網(wǎng)，其可以視為無窮大電源，即其輸出可等效為恒定電壓源。戶用光伏系統(tǒng)通過并網(wǎng)點注入/吸收有功功率。傳輸線路的阻抗由集中式阻抗Z1、Z2、Z3等效實現(xiàn)，其中，實部均為0.1 Ω，虛部均為0.03 Ω。典型時間段戶用光伏電源出力波動曲線如圖7所示，含戶用光伏的需求側(cè)功率PDEM波動曲線如圖8所示。

表1 SL 模型參數(shù)設(shè)置Tab.1 SL model parameter settings

圖7 戶用光伏電源出力波動曲線Fig.7 Fluctuation of household photovoltaic power output

圖8 含戶用光伏的需求側(cè)功率PDEM波動曲線Fig.8 Demand-side power PDEM fluctuation with household photovoltaics

2.2 結(jié)果分析

分別通過2種情況對本文所提平抑功率波動方法有效性進(jìn)行驗證：①當(dāng)戶用光伏并網(wǎng)功率恒定值時(分別取光伏出力最大值點和最小值點)，驗證該方法對光伏恒功率的支持作用；②當(dāng)戶用光伏并網(wǎng)功率連續(xù)變化時，通過光伏出力波動曲線驗證該方法對戶用光伏并網(wǎng)功率連續(xù)變化的平抑作用。

a)驗證該方法對戶用光伏恒功率的支持作用。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)注入有功功率值在2.5 kW左右，得到開合B2B-ES變流器前、后需求側(cè)功率PDEM波形如圖9所示，SL有功功率PSL波形如圖10所示。由圖9可知：當(dāng)戶用光伏并網(wǎng)向耦合點注入功率增大時，4 s之前，需求側(cè)功率明顯抬高；4 s之后，ES開始起作用，降低了需求側(cè)功率。結(jié)合圖9、圖 10可知，通過控制SL增加消耗的有功功率PSL至1 kW左右，減少向電網(wǎng)輸送的功率，起到了對需求側(cè)功率PDEM波峰的抑制作用，使其始終保持在8 kW左右。

圖9 交換功率PDEM抑制圖Fig.9 PDEM suppression of switching power

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)向饋線注入的有功功率由2.5 kW左右減小到0 kW左右時，得到在加入B2B-ES變流器前、后需求側(cè)功率PDEM波形如圖11所示，SL功率PSL波形如圖12所示。在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)向饋線注入的功率減小時，加入B2B-ES前需求側(cè)功率PDEM明顯降低，結(jié)合圖11、12可知，通過控制SL減少消耗功率PSL到0.4 kW左右，增加向電網(wǎng)輸送的功率，起到了對需求側(cè)功率波谷的支撐作用，從而使需求側(cè)功率在短時間內(nèi)逐漸抬升至8 kW左右。

圖10 注入功率增大時的SL有功功率PSLFig.10 SL active power PSL as injection power increases

圖11 交換功率PDEM支撐圖Fig.11 PDEM supporting for switching power

圖12 注入功率減小時的SL有功功率PSLFig.12 SL active power PSL as injection power decreases

b)驗證該方法對戶用光伏功率連續(xù)變化的平抑作用。

將圖7所示的光伏出力波動接入到系統(tǒng)，得到如圖13、14所示的效果圖。通過控制SL的功率消耗，使需求側(cè)功率波動被完全抑制在8 kW左右，上下浮動不超過300 W，此時SL的功率調(diào)控范圍為1 ～3 kW，滿足SL的調(diào)控范圍。

綜上，在戶用光伏恒功率輸出，導(dǎo)致輸送到電網(wǎng)功率處于高峰或波谷時，通過增加或減少SL消耗功率，保證輸送到電網(wǎng)的功率穩(wěn)定；在光伏出力連續(xù)變化，導(dǎo)致輸送到電網(wǎng)功率處于連續(xù)變化時，通過控制SL消耗功率，保證輸送到電網(wǎng)的功率穩(wěn)定在一定波動范圍內(nèi)。

圖13 ES打開時的需求側(cè)功率PDEMFig.13 Demand-side power PDEM when ES is turned on

圖14 注入功率連續(xù)變化時的SL有功功率PSLFig.14 SL active power PSL as injection power in continuous changes

3 結(jié)束語

本文基于B2B-ES變流器，提出了一種新的功率波動平抑方法。首先，分析了現(xiàn)有功率波動抑制方法的優(yōu)缺點；其次，分析了SL有功功率控制模型，并設(shè)計了SL的控制回路。仿真驗證結(jié)果表明：在不棄光的前提下，采用本文所提出的光伏并網(wǎng)功率波動平抑方法，即通過控制SL的功率消耗來減小傳輸?shù)脚潆娋W(wǎng)的功率波動，可達(dá)到平抑并網(wǎng)功率波動的目的。

相較于已有的研究，本文所述方法的優(yōu)勢有：①本文所采用的策略通過調(diào)節(jié)負(fù)荷自身消耗功率來實現(xiàn)功率波動抑制，在合理的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，不需要儲能設(shè)備的參與，降低了經(jīng)濟(jì)成本；②對負(fù)荷的功率調(diào)節(jié)是連續(xù)平滑的，提高了用戶的用電舒適度。在后續(xù)研究中，一方面將會考慮選取實際的小型微電網(wǎng)作為仿真試點，另一方面將進(jìn)一步提高B2B-ES單元性能，以增大本文所提控制策略的有效調(diào)控范圍。