楊金東

（云南電網(wǎng)有限責任公司 電力科學研究院，昆明 650000）

隨著“雙碳”政策的不斷推行，分布式光伏等新能源由于其環(huán)境友好性，被大規(guī)模接入電網(wǎng)［1-2］.但分布式光伏大規(guī)模接入配電網(wǎng)后，其出力不可控性、隨機性等，給電網(wǎng)用電帶來的安全問題［3-4］.光儲一體機成為提高并網(wǎng)點電壓穩(wěn)定性的重要選擇［5-7］.

目前已有論文對光儲一體機的拓撲及控制策進行研究［8-10］.在拓撲方面，文獻［11-12］提出了一種兩電平光儲一體機，該電路所用開關器件少，控制容易，但是現(xiàn)在光伏容量逐漸增加，兩電平電路已經(jīng)很難滿足要求.文獻［13］從拓撲結構與工作原理詳細闡述了五電平光儲一體機特性，該光儲一體機可以適用于大功率場合，但是該拓撲所需開關器件相對較多，維護和控制起來相對困難.在控制策略方面，文獻［14］提出了基于魯棒模型預測控制的運行策略.文獻［15］構建了含分布式光儲配電網(wǎng)時變最優(yōu)潮流追蹤模型，以及含分布式電源的配電網(wǎng)在線潮流優(yōu)化算法.文獻［16］基于光伏出力不確定性，提出一種日前運行策略，以運行成本最低為目標來實現(xiàn)削峰填谷.上述控制策略通過控制儲能參與系統(tǒng)有功調節(jié)，對系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性有很大提升，但實現(xiàn)過程相對繁瑣.

由上述研究可知：傳統(tǒng)的DC/AC控制策略雖然能實現(xiàn)分布式電源的并網(wǎng)，但距離參與配電網(wǎng)的主動運行管理尚有較大差異，這主要是由于這些傳統(tǒng)的變流器控制策略缺乏一種與配電網(wǎng)融合的有效組織機制.另外，分布式電源并網(wǎng)變流器其開關特性、控制耦合及其輸出阻抗差異引起的特殊電能質量問題如諧波、諧振、環(huán)流等干擾上傳至電網(wǎng)，影響電網(wǎng)正常運行將成為常態(tài)，且分布式電源變流器存在慣性小、無法自適應網(wǎng)絡阻抗、異構互聯(lián)環(huán)境下的集群多源性擾動關聯(lián)耦合嚴重、阻抗特性不固定問題，導致配網(wǎng)全局協(xié)調控制困難，易產(chǎn)生諧振；因此如何讓分布式電源友好地并網(wǎng)，降低對電網(wǎng)安全運行的負面影響，是智能配電網(wǎng)亟需解決的重大問題.

針對上述問題，本文提出一種光儲一體機并網(wǎng)點電壓控制策略，該策略主要通過控制光伏組件按需要向儲能蓄電池進行充電，并通過DC/AC變換器輸出滿足標準要求的交流電能與電網(wǎng)進行能量交換.旨在有效平滑光伏發(fā)電波動和降低光伏發(fā)電對配電網(wǎng)沖擊的同時，提高負荷用電可靠性.其次提出了光儲一體機的有功功率自調節(jié)方法，解決了線路末端因電壓過高導致變流器頻繁脫網(wǎng)的問題.

1 光儲一體機并網(wǎng)點電壓控制策略

1.1 光儲一體機典型工作模式

光儲一體機根據(jù)光伏、儲能、負荷、電網(wǎng)的工作狀態(tài)，對各功能單元的進行能量管理，實現(xiàn)太陽能的最大化利用，以及對蓄電池的充放電管理，在保證負荷穩(wěn)定供電的前提下，根據(jù)并網(wǎng)點電壓狀態(tài)實時調整光儲一體機工作狀態(tài)，使系統(tǒng)始終工作在在最優(yōu)狀態(tài).為實現(xiàn)以上控制目標，設定7種工作模式.

（1）工作模式1：當光伏電池發(fā)出的能量大于負荷需要時，多余的能量注入電網(wǎng)，向電網(wǎng)賣電獲取收益.

（2）工作模式2：當光伏電池發(fā)出的能量大于負荷需要時，多余的能量向電池充電，避免負載出現(xiàn)電壓過高現(xiàn)象.

（3）工作模式3：當光伏電池發(fā)出的電能不能滿足負荷需要時，光伏電池與電網(wǎng)一起向負荷供電.

（4）工作模式4：當光伏電池發(fā)出的電能不能滿足負荷需要，并且電網(wǎng)故障不能向電網(wǎng)提供能量時，光伏電池與電池一起向負荷供電.

（5）工作模式5：當光伏電池不能提供電能時，電網(wǎng)向負荷提供能量.

（6）工作模式6：當光伏電池不能向負載提供能量時，同時電網(wǎng)出現(xiàn)故障，電池獨立向負載供電.

（7）工作模式7：停機.

1.2 光儲一體機并網(wǎng)點電壓控制策略

為判斷光儲一體機在不同工況下相應的工作模式，需要對光伏電池電壓UPV、光伏電池電流IPV、并網(wǎng)點電壓UG、電池荷電狀態(tài)SOC、負荷功率PG進行采樣.UPV、IPV用來計算光伏電池陣列輸出功率PPV，并實現(xiàn)最大功率點跟蹤.SOC用于判斷蓄電池的工作狀態(tài)，來判斷蓄電池是否允許充放電.并網(wǎng)點電壓用于判斷電網(wǎng)電壓是否出現(xiàn)越限及故障，設定N為1時電網(wǎng)故障，N為0時電網(wǎng)未出現(xiàn)故障.

光儲一體機能量管理方案如圖1所示.

圖1 光伏儲能一體機并網(wǎng)點電壓制策略流程圖Fig.1 Flow chart of grid connection voltage suppression strategy of photovoltaic energy storage all-in-one machine

當光伏電池不能提供能量時，如果電網(wǎng)未發(fā)生故障，一體機工作在工作模式5，反之則判斷電池SOC狀態(tài)是否高于最小限值SOCmin，一體機工作在工作模式6，否則工作在工作模式6.當光伏電池可以提供電能并且發(fā)出的電能大于負載需要，此時如果電網(wǎng)未發(fā)生故障，則向電網(wǎng)注入能量，一體機工作在工作模式1，當電網(wǎng)發(fā)生故障時，如果電池SOC小于最大限值時SOCmax，一體機工作在工作模式2，否則工作在工作模式6.當光伏電池可以發(fā)出能量，但提供的能量不能滿足負荷需要時，如果電網(wǎng)未發(fā)生故障，則一體機工作在工作模式3，如果電網(wǎng)出現(xiàn)故障，并且SOC高于最小限值SOCmin時，一體機工作在工作模式4，否則工作在工作模式7.

1.3 光儲一體機有功電壓控制技術

為解決光伏發(fā)電引起的并網(wǎng)點電壓高壓與低壓越限問題，本節(jié)提出一種基于下垂控制的光儲一體機新型有功電壓控制技術，如圖2所示，當光儲一體機并網(wǎng)點電壓為220 V時，光伏電池發(fā)出的電能通過光儲一體機逆變單元全部注入電網(wǎng)，蓄電池充電功率為零.當并網(wǎng)點電壓高于220 V時，光儲一體機按照設定的下垂規(guī)律降低注入配電網(wǎng)的功率，抑制并網(wǎng)點電壓的升高，同時向蓄電池充電.當并網(wǎng)點電壓大于設定的最大電壓Umax時，光儲一體機停止向配電網(wǎng)注入能量，最大限度抑制并網(wǎng)點電壓的抬升，光伏電池發(fā)出的電能全部向電池充電.并網(wǎng)點電壓低于220 V時，光伏電池發(fā)出的電能通過光儲一體機全部注入電網(wǎng)，同時，蓄電池向電網(wǎng)注入有功，支撐電壓至正常水平.

圖2 基于下垂控制的有功電壓控制原理圖Fig.2 Principle diagram of active voltage control based on sagging control

下面介紹基于下垂控制的有功電壓控制技術具體實現(xiàn)方法，如式（1）與式（2）所示，當電網(wǎng)電壓UG處于220≤UG≤Umax區(qū)間時，為抑制并網(wǎng)點電壓抬升，蓄電池充電功率Pbat按式（1）設定的下垂特性向蓄電池充電，同時向配電網(wǎng)注入功率PG.當UG＞Umax時，光伏電池發(fā)出的全部功率PMPPT通過光儲一體機向蓄電池充電，并網(wǎng)功率PG下降至零.

當電網(wǎng)電壓UG處于Umin≤UG≤220時，為抬升并網(wǎng)點電壓，光儲一體機控制蓄電池放電，蓄電池功率Pbat變?yōu)樨撝担c光伏電池一起向電網(wǎng)放電.當UG＞Umin時，光儲一體控制控制蓄電池以最大功率放電，最大限度為配電網(wǎng)提供有功支撐.

2 仿真分析

起始時刻，光伏發(fā)出的能量大于負載所需能量，光儲一體機工作在工作模式1，向負荷供電的同時，向電網(wǎng)注入能量，如圖3（a）所示.當光伏電池輸出的能量不能滿足負荷需要時，光儲一體機由工作模式1轉入工作模式3，光伏電池與電網(wǎng)同時向負荷供電，如圖3（b）所示.

圖3 光儲一體機工作模式1轉工作模式3仿真波形Fig.3 Simulation waveform of optical storage all-in-one machine operating mode 1 to operating mode 3

起始時刻，光伏發(fā)出的能量大于負載所需能量，光儲一體機工作在工作模式2，向負荷供電的同時，向蓄電池充電，如圖4（a）所示.當光伏電池輸出的能量不能滿足負荷需要時，光儲一體機由工作模式2轉入工作模式4，光伏電池與蓄電池同時向負荷供電，如圖4（b）所示.

圖4 光儲一體機工作模式2轉工作模式4仿真波形Fig.4 Simulation waveform of optical storage all-in-one machine operating mode 2 to operating mode 4

起始時刻，假設電網(wǎng)故障，同時光伏電池不能提供能量，光儲一體機工作在工作模式6，負荷所需能量全部由蓄電池提供，如圖5（a）所示.當電網(wǎng)恢復時，光儲一體機由工作模式6轉入工作模式5，電網(wǎng)提供負荷所需的全部能量，如圖5（b）所示.

圖5 光儲一體機工作模式6轉工作模式5仿真波形Fig.5 Simulation waveform of optical storage all-in-one machine operating mode 6 to operating mode 5

對所提光伏儲能一體機能量管理方案進行實驗驗證，如圖6所示.起始時刻，光伏發(fā)出的能量小于負載所需能量，光儲一體機工作在工作模式3，光伏電池與電網(wǎng)同時向負荷供電.當光伏電池輸出的能量大于負荷需要時，光儲一體機由工作模式3轉入工作模式1，向負荷供電的同時向電網(wǎng)注入能量.

如圖7所示，起始時刻，當光伏電池輸出的能量不能滿足負荷需要時，光儲一體機工作在工作模式4，光伏電池與蓄電池同時向負載供電.當光伏電池輸出的能量大于負載所需能量時，向負荷供電的同時，向蓄電池充電.光儲一體機由工作模式4轉入工作模式2.

圖7 光儲一體機工作模式4轉工作模式2仿真波形Fig.7 Simulation waveform of the optical storage all-in-one machine operating mode 4 to operating mode 2

如圖8所示，起始時刻，電網(wǎng)提供負荷所需的全部能量，工作在工作模式5.假設電網(wǎng)故障，同時光伏電池不能提供能量，光儲一體機工作在工作模式6，負荷所需能量全部由蓄電池提供.

圖8 光儲一體機工作模式5轉工作模式6仿真波形Fig.8 Simulation waveform of the optical storage all-in-one machine operating mode 5 to operating mode 6

對基于下垂特性的光儲一體機有功電壓控制方法進行驗證，光照條件較好時，設定光伏電池發(fā)出的能量全部注入配電網(wǎng)，受線路阻抗影響，并網(wǎng)點電壓大幅抬升至320 V左右，遠高于允許的電壓抬升范圍，造成電壓越限.為抑制電壓抬升，光儲一體機根據(jù)光伏電池、蓄電池與電網(wǎng)的工作狀態(tài)，按照有功電壓調節(jié)策略，協(xié)調三者工作，對蓄電池按下垂特性充電，如圖9所示.

圖9 光伏儲能一體機有功電壓調節(jié)波形圖Fig.9 Power voltage adjustment waveform of the photovoltaic energy storage all-in-one machine

由圖9可知，當光儲一體機并網(wǎng)點電壓為220 V時，光伏電池發(fā)出的電能通過光儲一體機逆變單元全部注入電網(wǎng)，蓄電池充電功率為零.當并網(wǎng)點電壓高于220 V時，光儲一體機按照設定的下垂規(guī)律降低注入配電網(wǎng)的功率，抑制并網(wǎng)點電壓的升高，同時向蓄電池充電.因此，可有效抑制并網(wǎng)點電壓波動.

3 結論

本文通過對光儲一體機關鍵技術的研究，可得出如下結論：

（1）基于逆變調控一體機的并網(wǎng)點電壓自適應控制策略和光儲一體機的有功功率自調節(jié)方法，當光儲一體機并網(wǎng)點電壓為220 V時，光伏電池發(fā)出的電能通過光儲一體機逆變單元全部注入電網(wǎng)，蓄電池充電功率為零.當并網(wǎng)點電壓高于220 V時，光儲一體機按照設定的下垂規(guī)律降低注入配電網(wǎng)的功率，抑制并網(wǎng)點電壓的升高，同時向蓄電池充電.有效解決了線路末端因電壓過高導致變流器頻繁脫網(wǎng)的問題，滿足分布式電源接入多種電網(wǎng)工況需求，實現(xiàn)了分布式電源對電網(wǎng)的友好支撐.

（2）光儲一體機既可以工作在并網(wǎng)模式，與電網(wǎng)一起向負荷供電，又可以在電網(wǎng)發(fā)生故障或者設備主動脫離電網(wǎng)時，快速切換至離網(wǎng)工作模式，保證負荷的連續(xù)供電.光儲一體機可廣泛應用于離網(wǎng)光伏電站、工業(yè)園區(qū)、醫(yī)院、政府等高好可靠性供電場合.