康家玉， 張曉飛， 劉甲琛， 王素娥

（1.陜西科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.國網(wǎng)陜西省西安市長安區(qū)供電公司，陜西西安 710021）

0 引言

與兩級式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)相比，準(zhǔn)Z 源逆變器的開關(guān)管數(shù)量少， 橋臂直通而無需死區(qū)時間，系統(tǒng)效率和可靠性更高[1]，[2]。

由于光伏輸出功率的間歇性和隨機(jī)性強(qiáng)，通常會加入儲能單元用于平滑輸出功率， 并提高系統(tǒng)能量調(diào)度的靈活性[3]。 文獻(xiàn)[4]提出在準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)電容C2 兩端并聯(lián)蓄電池儲能單元，形成儲能型準(zhǔn)Z 源光伏并網(wǎng)系統(tǒng)， 增強(qiáng)了系統(tǒng)的自我調(diào)節(jié)能力。 文獻(xiàn)[5]基于儲能型準(zhǔn)Z 源系統(tǒng)提出相應(yīng)的電池控制策略， 但這種系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)變化復(fù)雜，能量協(xié)調(diào)控制難度大，導(dǎo)致控制器設(shè)計難度增大[6]。 文獻(xiàn)[7]提出基于有限集模型預(yù)測的控制策略， 利用延遲補(bǔ)償算法提高了系統(tǒng)的響應(yīng)時間， 但其算法復(fù)雜且沒有考慮并網(wǎng)狀態(tài)控制。 文獻(xiàn)[8]提出了適合多模式運(yùn)行的能量管理控制策略， 實現(xiàn)了各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行和穩(wěn)定，但也只考慮了獨立運(yùn)行狀態(tài)，沒有考慮并網(wǎng)狀態(tài)能量管理。 文獻(xiàn)[9]采用復(fù)合粒子群算法進(jìn)行多目標(biāo)能量管理， 并結(jié)合預(yù)測控制進(jìn)行能量調(diào)度，但是其數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，分析計算較為繁瑣。 文獻(xiàn)[10]利用粒子群算法修正下垂控制參數(shù)，提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能，但沒有考慮系統(tǒng)中有儲能部分的情況。文獻(xiàn)[11]提出一種儲能型準(zhǔn)Z 源綜合控制方法， 將系統(tǒng)分為白天和夜間兩種工作狀態(tài)，可以維持系統(tǒng)正常運(yùn)行，但對于系統(tǒng)工作狀態(tài)的劃分過于簡略， 控制方式不完善。文獻(xiàn)[12]提出了基于虛擬同步發(fā)電機(jī)的儲能型準(zhǔn)Z 源系統(tǒng)控制方式，分析了系統(tǒng)工作模式，但對于工作模式的劃分只有4 種， 且沒有考慮系統(tǒng)中負(fù)載情況。

本文對準(zhǔn)Z 源光伏并網(wǎng)系統(tǒng)能量管理方式進(jìn)行研究，將系統(tǒng)工作模式分為兩大類6 種，基于這些工作模式設(shè)計適用于儲能型準(zhǔn)Z 源光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的能量管理方式，實現(xiàn)光伏電池模塊、蓄電池模塊、并網(wǎng)功率、交流負(fù)載4 個功率源協(xié)調(diào)穩(wěn)定工作，保證系統(tǒng)在各個工作模式下，工作穩(wěn)定且工作模式間切換均可按照設(shè)計的流程進(jìn)行， 切換過程順利。在此基礎(chǔ)上，采用帶慣性權(quán)重的粒子群算法（Particle Swarm Optimization，PSO）對系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度， 使儲能型準(zhǔn)Z 源光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 為儲能型準(zhǔn) Z 源逆變系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，包括準(zhǔn)Z 源網(wǎng)絡(luò)、三相逆變橋、蓄電池、光伏電池等。

圖1 儲能型準(zhǔn)Z 源逆變器電路拓?fù)鋱DFig.1 Circuit diagram of energy storage quasi-z source inverter

儲能型準(zhǔn)Z 源逆變器具有直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)兩種工作方式，其等效電路如圖2 所示[13]。

圖2 儲能型準(zhǔn)Z 源逆變器等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit of energy storage quasi-Z source inverter system

系統(tǒng)工作在非直通狀態(tài)時輸入二極管VD 正向?qū)?，可得非直通狀態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)方程為[14]

式中：iin為非直通狀態(tài)流入逆變器等效電流。

系統(tǒng)工作在直通狀態(tài)時二極管VD 承受反壓截止，可得直通狀態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)方程為

穩(wěn)態(tài)時，準(zhǔn)Z 源電感在開關(guān)周期Ts內(nèi)應(yīng)滿足伏秒特性，即：

式中：T為狀態(tài)變量x 在一個開關(guān)周期內(nèi)的平均值；T1為非直通狀態(tài)運(yùn)行時間；T0為直通狀態(tài)運(yùn)行時間；D 為直通占空比，且D=T0/Ts。

由式（3）可得系統(tǒng)狀態(tài)變量 Uc1，Uc2，iL1，iL2的穩(wěn)態(tài)解分別為

由式（4），（5）可得直流電壓 uin為

由式（6）可知，通過控制直通占空比D 即可實現(xiàn)準(zhǔn)Z 源逆變器的MPPT 控制。

本文采用六等分直通零矢量插入法將直通占空比插入SVPWM 中， 實現(xiàn)MPPT 與逆變器的單級控制[15]。

2 系統(tǒng)控制策略

為保證系統(tǒng)中的交流負(fù)載能夠正常工作，并在特定情況下使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本得到優(yōu)化， 本文提出了具有能量管理的儲能型準(zhǔn)Z 源光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制框圖，如圖3 所示。

控制策略主要包括光伏電池的MPPT 控制、功率控制和并網(wǎng)電流控制。 其中MPPT 控制保持光伏系統(tǒng)始終運(yùn)行在最大功率點即可。 后級并網(wǎng)逆變采用雙環(huán)控制。外環(huán)為功率環(huán)，即本文設(shè)計的帶有經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度的新型能量管理方式， 能量管理方式輸出當(dāng)前計算得到的并網(wǎng)功率， 并判斷系統(tǒng)所處工作狀態(tài)，經(jīng)過解耦計算，輸出下級控制的輸入量。 內(nèi)環(huán)根據(jù)系統(tǒng)此時是否并網(wǎng)而采用不同的控制方式[16]～[20]。

圖3 具有能量管理的儲能型準(zhǔn)Z 源光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)控制框圖Fig.3 Control block diagram of quasi-Z-source photovoltaic grid-connected inverter system with energy managemen

2.1 系統(tǒng)工作模式劃分

外界光照的變化會導(dǎo)致光伏系統(tǒng)輸出功率改變，造成系統(tǒng)中能量流動方式的改變。 根據(jù)系統(tǒng)的能量流動方式，即系統(tǒng)內(nèi)4 個功率單元的實時功率相對大小，可將本系統(tǒng)的工作模式劃分為兩大類共6 種工作模式， 如圖4 所示。 圖中：Ppv為光伏陣列輸出功率；PB為蓄電池單元實時功率；PG為并網(wǎng)功率；Pload為負(fù)載功率。工作模式1～3 為并網(wǎng)工作狀態(tài)，工作模式4～6 為離網(wǎng)工作狀態(tài)，PG=0。

圖4 儲能型準(zhǔn)Z 源逆變系統(tǒng)工作模式示意圖Fig.4 Schematic diagram of working mode of quasi-Z-source energy storage Inverters

2.2 能量管理方式

通過蓄電池電流電壓測量單元獲得蓄電池實時功率PB和SOC 值， 同時通過其他測量單元獲得其他功率源的實時功率Ppv，Pload； 經(jīng)過計算，結(jié)合并網(wǎng)功率需求PG確定此時需要逆變系統(tǒng)提供的功率值Pref和Qref；最后將Pref和Qref經(jīng)過解耦計算得到內(nèi)環(huán)控制輸入值iref或uref， 結(jié)合并離網(wǎng)狀態(tài)不同的控制方法實現(xiàn)控制過程。

控制系統(tǒng)通過能量管理方式處理之后輸出信號控制K1，K2，K33 個接觸器實現(xiàn)并離網(wǎng)狀態(tài)和負(fù)載供電電源的切換。K1，K2閉合，K3斷開為并網(wǎng)狀態(tài)， 逆變輸出為負(fù)載供電；K2閉合，K1，K3斷開為離網(wǎng)狀態(tài)， 逆變輸出為負(fù)載供電；K3閉合，K1，K2斷開也是離網(wǎng)狀態(tài)，電網(wǎng)為負(fù)載供電。能量管理單元控制算法流程如圖5 所示。 為保證儲能電池正常穩(wěn)定工作，設(shè)定儲能電池充放電荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）上、下限為 90%，20%。

圖5 能量管理方式算法流程圖Fig.5 Flow chart of energy management algorithm

2.3 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度方式

本文在上述能量管理方式的基礎(chǔ)上提出一種以帶慣性權(quán)重的PSO 算法為基礎(chǔ)的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度方式。 帶慣性權(quán)重的PSO 算法適合處理非線性問題且尋優(yōu)速度較快， 適合解決本文能量管理策略的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化問題。 首先確定其優(yōu)化目標(biāo)為系統(tǒng)運(yùn)行成本y 最小，具體的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為

式中：PG+為從電網(wǎng)取電功率；PB+為蓄電池充電功率；PPV為光伏系統(tǒng)輸出功率；PB-為蓄電池放電功率；PG-為并網(wǎng)功率；t1～t4分別為從電網(wǎng)取電時間、蓄電池充電時間、光伏電池發(fā)電時間、蓄電池放電時間、 并網(wǎng)時間；a 為單位功率光伏電池發(fā)電盈利；b 為單位功率蓄電池放電盈利；c 為單位功率蓄電池充電成本；d 為單位功率從電網(wǎng)取電成本；e 為單位功率并網(wǎng)盈利，滿足：

系統(tǒng)中光伏系統(tǒng)始終運(yùn)行于MPPT 狀態(tài)，不設(shè)立約束條件， 其他約束條件包括蓄電池運(yùn)行約束、各功率源功率關(guān)系約束、各工作模式工作時間約束，即：

式中：PBmin，PBmax分別為蓄電池充放電最小、 最大功率。

由式（8），（9）可知，要使系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益提高就要盡可能減少從電網(wǎng)取電， 盡量使用蓄電池來調(diào)度系統(tǒng)能量。系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)為動態(tài)過程，采用帶慣性權(quán)重的PSO 算法進(jìn)行尋優(yōu)，其更新公式為

式中：i 為粒子數(shù)；j 為維數(shù)；t 為迭代次數(shù)；xij為粒子個體數(shù)；νij為粒子更新速度；c1，c2為加速因子；r1，r2為[0，1]區(qū)間內(nèi)隨機(jī)數(shù)；ω 為慣性權(quán)重系數(shù)，它能夠平衡全局優(yōu)化速度和局部優(yōu)化能力， 使得算法的全局尋優(yōu)能力更強(qiáng)[12]。 當(dāng) ω 在[0.9，1.2]范圍時，全局收斂速度很快，但在最小值附近收斂速度很慢，須對ω 進(jìn)行調(diào)整：

式中：ωmax，ωmin分別為最大、 最小慣性權(quán)重值；tmax為最大迭代次數(shù)；t 為當(dāng)前迭代次數(shù)。

采用慣性權(quán)重的PSO 算法尋優(yōu)流程如圖6所示。 優(yōu)化算法輸出最優(yōu)的并網(wǎng)功率參考值Pref和Qref作為下一級輸入。

圖6 帶慣性權(quán)重的PSO 算法尋優(yōu)流程圖Fig.6 Flow chart of PSO optimization algorithm with inertia weight

3 仿真及結(jié)果分析

為驗證本文控制方式的準(zhǔn)確性與可行性，在Matlab/Simulink 中搭建了系統(tǒng)模型。 設(shè)置仿真模型中光伏系統(tǒng)最大輸出功率為4.5 kW，準(zhǔn)Z 源逆變器額定功率為3 kW，最大功率為4 kW，負(fù)載額定功率為0.5 kW。

3.1 工作模式切換仿真分析

①設(shè)定仿真時間為1 s，光伏初始輸出功率為4.5 kW，0.3 s 時模擬外界環(huán)境變化使其輸出功率減小為3 kW，0.6 s 時輸出功率減小為0， 初始并網(wǎng)功率為3 kW。 仿真波形如圖7～9 所示。

圖7 Ppv，PG，PB 仿真波形圖Fig.7 Simulation waveform diagram of Ppv，PG，PB

圖8 并網(wǎng)電流波形仿真圖Fig.8 Simulation waveform diagram of grid-connected current

圖9 蓄電池SOC 值變化仿真波形圖Fig.9 Simulation waveform diagram of SOC value change of battery

由圖7～9 可知，初始光伏輸出功率為4.5 kW時， 系統(tǒng)處于工作模式1， 蓄電池充電吸收功率0.5 kW，其SOC 上升。 0.3 s 光伏輸出功率減小為3 kW 后，系統(tǒng)處于工作模式3，蓄電池放電輸出功率0.5 kW， 其SOC 下降。 并網(wǎng)功率保持3 kW不變，并網(wǎng)電流穩(wěn)定。仿真實驗證明工作模式1 到工作模式3 的切換和設(shè)計要求一致， 系統(tǒng)工作穩(wěn)定。 光伏輸出功率為3 kW 時，系統(tǒng)處于工作模式3，蓄電池放電輸出功率0.5 kW，其SOC 下降；并網(wǎng)功率3 kW。 0.6 s 光伏輸出功率減小為零后，系統(tǒng)處于工作模式5，蓄電池放電輸出功率保持0.5 kW 不變，其SOC 繼續(xù)下降，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為離網(wǎng)模式，并網(wǎng)電流在0.5 s 后衰減為0。 仿真證明工作模式3 到工作模式5 的切換和設(shè)計要求一致， 系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

②設(shè)定仿真時間為1 s，光伏初始輸出功率為4.5 kW，初始并網(wǎng)功率為3 kW，蓄電池初始SOC接近設(shè)定值上限。 仿真波形如圖10～12 所示。

圖10 Ppv，PG，PB 仿真波形圖Fig.10 Simulation waveform diagram of Ppv，PG，PB

圖11 并網(wǎng)電流波形仿真圖Fig.11 Simulation waveform diagram of grid-connected current

圖12 蓄電池SOC 值變化仿真波形圖Fig.12 Simulation waveform diagram of SOC value change of battery

由圖10～12 可知， 初始光伏輸出功率為4.5 kW 時，系統(tǒng)處于工作模式1，此時蓄電池充電吸收功率 0.5 kW，SOC 上升。 在 0.52 s 時蓄電池SOC 上升至其上限90%，蓄電池停止充電，系統(tǒng)處于工作模式2。 并網(wǎng)功率由3 kW 變?yōu)? kW，并網(wǎng)電流隨之增大并很快穩(wěn)定。 仿真證明工作模式1 到工作模式2 切換和設(shè)計要求一致， 系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

③設(shè)定仿真時間為1 s， 光伏輸出功率為零，系統(tǒng)處于工作模式5。 仿真波形如圖12，14所示。

圖13 Ppv，PG，PB 仿真波形圖Fig.13 Simulation waveform diagram of Ppv，PG，PB

圖14 蓄電池SOC 值變化仿真波形圖Fig.14 Simulation waveform diagram of grid-connected current

由圖13，14 可知，系統(tǒng)處于工作模式5，由蓄電池單獨向負(fù)載供電， 放電輸出功率0.5 kW，其SOC 下降。 0.36 s 時蓄電池 SOC 下降至其下限20%，蓄電池停止放電，停止輸出功率，系統(tǒng)已無法滿足負(fù)載的功率需求，系統(tǒng)切換為工作模式6。仿真證明工作模式5 到工作模式6 切換和設(shè)計要求一致，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

3.2 經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度仿真分析

本文經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度方式針對Ppv

由圖15 可得，0.45 s 時蓄電池SOC 值達(dá)到放電下限，蓄電池不再放電。 由圖16 可得，0.45 s 時蓄電池SOC 值達(dá)到放電下限，蓄電池并沒有停止工作而是轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)，光伏系統(tǒng)向蓄電池充電，大電網(wǎng)向負(fù)載供電。

圖15 優(yōu)化前蓄電池SOC 值變化仿真波形圖Fig.15 Simulation waveform diagram of SOC value change of battery before optimization

圖16 優(yōu)化后蓄電池SOC 值變化仿真波形圖Fig.16 Simulation waveform diagram of SOC value change of battery after optimization

由式（7）和此時系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)在優(yōu)化算法的作用下可得此時系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本為

由式（7）和此時系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)在優(yōu)化算法的作用下可得此時系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本為

式（12）與式（13）相減可得優(yōu)化前后系統(tǒng)運(yùn)行成本差為

由式（14）可得優(yōu)化前成本大于優(yōu)化后成本，證明本文提出的經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度方式對于系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益的提升有一定的效果。

4 結(jié)論

本文研究了儲能型準(zhǔn)Z 源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理， 分析了其并網(wǎng)系統(tǒng)的6 種工作模式， 并提出一種以實時功率值為工作模式切換標(biāo)準(zhǔn)且?guī)в薪?jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度的新型能量管理方式。仿真結(jié)果表明，系統(tǒng)在實際運(yùn)行中各工作模式工作穩(wěn)定， 各工作模式間切換均可以按照設(shè)計的流程進(jìn)行，切換過程順利，經(jīng)過經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度后，提升了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益。證明了本文提出的能量管理方式和經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度方式的正確性和可行性。