張小安，趙建光，孟憲珍，張創(chuàng)昌，王樓坤

（國網(wǎng)新疆電力有限公司和田供電公司，新疆和田 848000）

儲能系統(tǒng)能夠靈活地控制電力功率輸出，克服電力間歇性、隨機(jī)性，從而減輕電力在高峰用電時期的需求，提高電網(wǎng)設(shè)備利用率和使用效率。該系統(tǒng)還可應(yīng)用于電力系統(tǒng)突發(fā)故障，改善電力品質(zhì)，滿足經(jīng)濟(jì)、社會發(fā)展對優(yōu)質(zhì)、安全可靠供電需求。因此，研究應(yīng)用提高光伏并網(wǎng)特性的儲能群集控制系統(tǒng)，對于提高并網(wǎng)效率有著重要作用。

文獻(xiàn)[1]提出了基于三相四線制最優(yōu)潮流的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用三相四線制節(jié)點導(dǎo)納矩陣構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，綜合考慮網(wǎng)絡(luò)線損，建立光伏逆變器功率的三相四線多時段協(xié)同控制模型。通過復(fù)數(shù)變量拆分求解模型，獲取全局最優(yōu)解；文獻(xiàn)[2]提出了基于分布式儲能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)分析分布式儲能參與系統(tǒng)調(diào)頻特性，獲取包含分布式儲能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)頻率控制方程。建立光伏發(fā)電控制策略，求解方程，即可獲取最優(yōu)控制方案。雖然上述研究取得一定進(jìn)展，但是這兩種系統(tǒng)控制功能簡單，缺乏對光伏并網(wǎng)負(fù)荷的調(diào)度，導(dǎo)致控制效果不理想。因此，為了滿足光伏并網(wǎng)需求，設(shè)計了負(fù)荷預(yù)測算法下光伏并網(wǎng)儲能集群控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)采用Linux 進(jìn)行編譯，具有較高的通用性。該系統(tǒng)還保留了兩個以太網(wǎng)通信接口，可以通過開關(guān)將其擴(kuò)展為多個端口，提高系統(tǒng)擴(kuò)展性[3]。以此為基礎(chǔ)，建立智能監(jiān)測與保護(hù)監(jiān)測系統(tǒng)，并形成集群控制平臺。同時它還配備了兩個RS485 通信接口，能夠很好地與其他器件進(jìn)行可靠通信，為新功能的開發(fā)創(chuàng)造了良好條件[4]。圖1 顯示了該系統(tǒng)整體架構(gòu)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)對PC 機(jī)、終端數(shù)據(jù)的實時采集，并進(jìn)行實時控制。同時接收上傳數(shù)據(jù)，設(shè)計一個以智能終端為核心的控制中心，充分考慮現(xiàn)場需求條件，為實際工程提供應(yīng)用條件。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)充放電控制器

為了確保儲能電池安全性，提高電池的使用壽命，提出了一種雙級充電模式，即從恒流充電到額定電壓，然后轉(zhuǎn)換成恒壓充電。剩余的能量通過能量儲存變換器對其進(jìn)行整流和吸收，并對電池進(jìn)行充電[5-6]。根據(jù)電池組電壓范圍來決定恒定電流或恒壓充電方式，外環(huán)用于控制蓄電池端子電壓，內(nèi)環(huán)用于對蓄電池進(jìn)行充電，并根據(jù)各開關(guān)管的占空比進(jìn)行充放電[7]。在負(fù)荷不均衡情況下，分布式光伏電站的協(xié)調(diào)控制要求對不均衡的電流成分進(jìn)行動態(tài)補償，同時還應(yīng)考慮到光伏發(fā)電和負(fù)荷變化，從而實現(xiàn)對充電和放電的控制[8-9]。該系統(tǒng)具備了在夜間并網(wǎng)充電、夜間放電的特點。同時該控制器始終處于主動濾波狀態(tài)，以補償無功、諧波及不均衡電流成分。

2.2 儲能集群控制電路

若將儲能裝置加到光伏系統(tǒng)中，對輸出功率進(jìn)行濾波處理，即平抑波動，這將極大地提高光伏系統(tǒng)的并網(wǎng)效率[10]。通過下列差分方程式來完成全部過濾處理：

式中，a表示過濾系數(shù)；t表示當(dāng)前采樣時間；ti表示由當(dāng)前時刻向前倒推采樣時間；x表示輸入因子。為了達(dá)到全部過濾處理的目的，必須將相應(yīng)的控制方案添加到系統(tǒng)中，在逆變器前面加裝蓄能設(shè)備，比如蓄電池或者超級電容，電路原理如圖2所示。

圖2 儲能集群控制電路原理

根據(jù)圖2 所示，該設(shè)計采用兩個PWM 波形，實現(xiàn)了上下兩個相位PWM 波形的控制，使儲能裝置能夠在高功率光電轉(zhuǎn)換過程中，將電能輸送到逆變器或吸收有功電能[11-12]。為了實現(xiàn)波形抑制，必須對輸出電壓、電流進(jìn)行采集，并對其進(jìn)行實時輸出。濾波后基準(zhǔn)電力通過式（1）濾波算法計算，從而獲得能量存儲設(shè)備所需功率[13]。同時控制能量，達(dá)到抑制波動的目的。

3 系統(tǒng)控制技術(shù)研究

光伏并網(wǎng)與太陽能發(fā)電站不同，其包括一個電源、一個存儲和一個負(fù)載，在光伏電池基礎(chǔ)上，還包括一個負(fù)載和一個能量存儲。與光電系統(tǒng)輸出功率相同，負(fù)載特性是隨機(jī)、間斷的，導(dǎo)致系統(tǒng)會產(chǎn)生較大波動，這對電力系統(tǒng)調(diào)度與控制是不利的。因此，需要預(yù)測負(fù)荷，為系統(tǒng)儲能集群控制提供參考。

3.1 光伏并網(wǎng)儲能負(fù)荷預(yù)測模型構(gòu)建

以光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度、日照類型等因素為主要影響因素，并將其與光伏陣列在同一工況下的歷史電力序列相結(jié)合，構(gòu)建光伏并網(wǎng)儲能負(fù)荷預(yù)測模型[14]。將光伏并網(wǎng)儲能日負(fù)荷對應(yīng)的變量作為模型輸入變量，建立的預(yù)測數(shù)學(xué)模型為：

式中，W(t-i)表示光伏并網(wǎng)實際功率；T(t)表示環(huán)境溫度；E(t)表示光照強(qiáng)度；ωi表示權(quán)值向量；μ表示預(yù)測偏差；f(·) 表示核函數(shù)；m表示訓(xùn)練樣本數(shù)。通過對光伏并網(wǎng)儲能負(fù)荷分析，為集群控制提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 集群控制

通過上述獲取的精準(zhǔn)負(fù)荷預(yù)測結(jié)果，設(shè)計了如下集群控制過程：

在初始化時，作為市政調(diào)度站可以定時向區(qū)域一級的變電所傳送相關(guān)參數(shù)，該變電所向各自管轄范圍內(nèi)不同發(fā)電廠傳輸參數(shù)，以達(dá)到統(tǒng)一調(diào)度與管理的目的[15]。

在閉環(huán)控制下，通過跟蹤系統(tǒng)角度調(diào)節(jié)后的變電站所獲得的發(fā)電量發(fā)現(xiàn)，該功率與系統(tǒng)電壓和電流有關(guān)，在整個控制過程中電壓與光伏電池電壓之間線性關(guān)系如下：

式中，Uo表示光伏電池電壓；λ1表示電壓跟蹤系數(shù)。基于同樣思路，根據(jù)短路電流比例系數(shù)法，在整個控制過程中電流與光伏電池電流之間線性關(guān)系如下：

式中，Io表示光伏電池短路電流；λ2表示電流比例系數(shù)。結(jié)合上述公式，得到的發(fā)電功率為：

當(dāng)發(fā)電功率與所分配實際發(fā)電功率偏差在±5%范圍內(nèi)時，如果發(fā)電功率超過實際發(fā)電功率，則調(diào)節(jié)太陽追蹤系統(tǒng)照射方向，調(diào)節(jié)角度取決于步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)的精度，即若步進(jìn)電機(jī)的最小調(diào)節(jié)角為1°，則調(diào)節(jié)太陽追蹤系統(tǒng)調(diào)節(jié)角也設(shè)為1°；當(dāng)發(fā)電功率小于發(fā)電場即時發(fā)電功率，則以朝向太陽光方向調(diào)整太陽追蹤系統(tǒng)角度[16]。使用傳統(tǒng)方法在儲能集群控制方法沒有預(yù)測負(fù)荷，導(dǎo)致控制過程容易受到諧波干擾。因此，提出了自適應(yīng)步長的負(fù)荷跟蹤方法，其工作原理可用如下公式表示：

式中，ΔW表示功率變化量；L(t)表示當(dāng)前時刻步長調(diào)整值。傳統(tǒng)檢測方法對環(huán)境因子影響不太敏感，在改變外界環(huán)境時，傳統(tǒng)檢測方法會認(rèn)為是系統(tǒng)輸出電壓和輸出電流的變化導(dǎo)致功率的改變。在此情形下，若調(diào)節(jié)階數(shù)，則該系統(tǒng)將運行于最大功率點之外，該問題可由方程式（6）來解決。當(dāng)L(t+1)較小時，表明該系統(tǒng)輸出功率大小只取決于輸出電壓和電流，而不會受到外部因素影響，所以在下一時間內(nèi)，工作周期調(diào)節(jié)值的變化不應(yīng)該太大；當(dāng)L(t+1)較大時，此時系統(tǒng)功率的變化是由于外部環(huán)境影響，所以應(yīng)該增大步長調(diào)節(jié)幅度，以增大干擾步長變化量，使得系統(tǒng)能夠迅速地跟蹤最大負(fù)荷點，調(diào)整系統(tǒng)控制靈敏度。

4 系統(tǒng)測試

4.1 實驗平臺建立

為了驗證負(fù)荷預(yù)測算法下光伏并網(wǎng)儲能集群控制系統(tǒng)的設(shè)計合理性，搭建實驗平臺。該平臺由多個智能終端構(gòu)成，其中一臺智能終端起到中央控制中心的目的，另外幾臺智能終端承擔(dān)通信上傳下達(dá)功能。蓄電池與光伏發(fā)電陣列通過控制器接入直流母線，直流母線通過雙向變流器與交流母線連接起來。

4.2 測試條件設(shè)置

設(shè)置三種條件，分別是：1）標(biāo)準(zhǔn)條件（光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，溫度為25 ℃，在0.01 s 時系統(tǒng)輸出最大功率）；2）溫度改變（光照強(qiáng)度為1 000 W/m2，溫度為5 ℃，在0.03 s 時系統(tǒng)輸出最大功率）；3）光照強(qiáng)度改變（溫度為5 ℃，在0.05 s 時系統(tǒng)輸出最大功率）。在這三種條件下，理想功率如圖3 所示。

由圖3可知，標(biāo)準(zhǔn)條件下功率最大值為19×104W，溫度改變條件下功率最大值為30×104W，光照強(qiáng)度改變條件下功率最大值為58×104W。

4.3 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

分別使用文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)、該文設(shè)計系統(tǒng)對比分析功率變化情況，如圖4 所示。

圖4 三種方法功率變化情況對比分析

由圖4（a）可知，使用該文系統(tǒng)功率變化幅度與圖3（a）所示一致，而使用文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)的功率變化幅度與圖3（a）所示不一致，其中文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)與實際功率最大值相差3×104W，文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)與實際功率最大值一致。由圖4（b）可知，使用文獻(xiàn)[1]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[2]系統(tǒng)的功率最大值分別為33×104W 和31×104W，其折線波動范圍與圖3（b）所示不一致。使用該文系統(tǒng)在60～70 s內(nèi)，功率與實際數(shù)據(jù)存在最大為1×104W 的誤差，其余均一致。由圖4（c）可知，三種系統(tǒng)的曲線變化均與圖3（c）所示一致，但只有使用該文系統(tǒng)與圖3（c）數(shù)據(jù)一致，其余兩種系統(tǒng)不一致。

5 結(jié)束語

集群式光伏并網(wǎng)能夠改善電力系統(tǒng)的可靠性，提高電力系統(tǒng)運行效率，而集中式逆變器并網(wǎng)將會造成系統(tǒng)共振，從而降低電力品質(zhì)。為此，針對光伏集群系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了負(fù)荷預(yù)測算法下光伏并網(wǎng)儲能集群控制系統(tǒng)。根據(jù)光伏電池輸出特性，采用自適應(yīng)步長組合方式實現(xiàn)了負(fù)荷跟蹤，搭建整體光伏電源模塊平臺，并進(jìn)行實驗驗證分析，證實系統(tǒng)性能優(yōu)于常規(guī)系統(tǒng)。