基于PR控制三相光伏并网的混合储能控制研究

周子恒，崔景顺

(1.三峡大学电气与新能源学院，湖北 宜昌 443002;2.国网四川省电力公司遂宁供电公司，四川 遂宁 629001)

1 引言

经过长时间的发展，光伏发电已经从以前的孤网系统开启了向并网系统发展的时代。在并网的控制策略中，比例谐振控制(PR控制［1］)与比例积分控制(PI控制［2］)相比，稳态性能更佳，故前者更倾向于用来在逆变过程中进行并网电流的控制。光伏电池的输出功率不仅与其自身的结构联系密切，还与光照强度和负荷等外部环境的影响有关，在此背景下，人们对最大功率跟踪控制［3］进行了广泛研究。但光照条件和负载的改变仍会使光伏电站并网点的输出功率产生波动，故蓄电池、超级电容和飞轮常被用作并网点功率平抑［4］的储能元件，成为完善微网功能的途径，混合储能［5－6］也成为了当前的研究热点。

本文研究了基于PR控制三相光伏并网条件下的混合储能控制方式，介绍了PR控制的控制方式以及蓄电池和超级电容这两个元件的控制策略。铅酸电池能量密度较大，能够担当系统长期的储能设备，而超级电容功率密度较大，可作为短期储能设备来调节系统的即时变化功率。考虑到以上两点，本文使用了一种混合储能系统，将蓄电池和超级电容两种元件结合起来。该方法将可平抑较短时间大功率波动和较长时间小功率波动的控制方法结合起来作为蓄电池的控制策略，将可使直流母线电压稳定的方法作为超级电容的控制策略。本文最后利用Matlab/Simulink仿真软件，获得了能为系统提供有功的各能量单元的功率波形，验证了本方法有效。

2 三相光伏并网发电系统

2.1 整体结构

图1显示了本文模型的基本架构。该框架可以完成最大功率跟踪、并网逆变和功率控制等基本目标。MPPT的运用可以让光伏电池保持一直在最大功率点工作;使用Boost电路的目的是把输入光伏阵列的低电压提升的更高，并将所得的较高电压提供给三相逆变器;三相逆变器用于实现逆变，并将光伏电源和大电网相连;而直流侧的两个双向DC－DC变换电路与蓄电池及超级电容共同组成的两组储能设施则为平抑并网点有功做出贡献。Boost电路和两个双向DC－DC变换电路共同向逆变器输入的是 的直流电压，而与LC滤波器相连的是交流大电网。

图1 系统结构示意图

2.2 光伏电池模型

光伏电池是光伏电站能量的核心来源。图2所示光伏电池等效电路中串联的电阻Rs是为了消除电池电极表面层横向电流的影响。光照强度S、电池面积和温度T三者共同影响光生电流Iph的大小。Rsh是分路电阻。I0为PN结的正向电流。单个光伏电池功率太小，对电网影响甚微，而将一定数量的光伏电池进行串联及并联，形成光伏阵列，可以增大功率的输出，故在真实的光伏电站中光伏电池常以光伏阵列的形式存在。

图2 单体光伏电池的等效电路

简化以上电路表示的光伏电池，本文系统使用的电池模型为:

式中，S和T代表光伏电池的光照强度和温度，Sref和Tref则代表它们的参考值，根据本文所用电池的属性，两者取1000W/m2和25℃。a是电流变化温度系数(A/℃);b是电压变化温度系数(V/℃);Rs为光伏阵列的串联电阻(Ω);V是光伏电池工作时的电压(V)，I是光伏电池工作时的电流(A);Im为该电池工作在最大功率点的电流(A)，Vm为该电池工作在最大功率点的电压(V);Isc是短路电流(A)，Voc是开路电压(V)。

2.3 最大功率点跟踪(MPPT)

MPPT通过控制端电压等参量，提高光伏电池的效率，以达到最大程度利用光能的目的，始终使之自动地工作在最大功率点。一般使用的MPPT方法有扰动观察法、电导增量法、恒定电压法及各种改良方法和智能算法。本文使用的是扰动观察法。它的大致方法是使光伏模块在某参考电压处进行采样，计算当前的输出功率，接着对光伏模块的电压施以一正方向扰动并再次计算输出功率，如果比前一次大，则表明下一次应保持先前的扰动方向，即继续使参考电压增大;而如果比前一次小，则表明下一次应改变扰动方向，即让参考电压减小。该方法就是通过这样不停地扰动直到使系统输出最大功率。本方法所需参数少，结构简单，易于实现，图3表示了其详细步骤。

图3 扰动观察法步骤图

2.4 光伏并网的控制策略

本文用于三相光伏并网的PR控制策略见图4。在并网的控制过程中，本文并未采用Simulink中3桥臂的Universal Bridge这个模块，而选择6个两两配对的开关管来实现逆变功能，在此情况下，并网过程需要对三相分别控制，各相的控制方法相同，只是相角不同。光伏模块在并网过程中，有两个环起重要作用，即直流电压环和并网电流环。直流电压外环在PI环节的作用下能够维持直流母线的电压稳定，还可控制并网电流环的电流参考值。A相参考电流信号Iref的相角θ由PLL检测的电网A相电压相位角给定，其他各相在此基础上加上或减去120°得到。电流内环中，各相的实际电流ia，ib和ic与iref作差后的差值经PR控制器［1，7］和PWM发生器后得到3个PWM波以及它们求逆后得到的3个新PWM波共同驱动6个两两配对的开关管，从而使得光伏模块能够成功并网。

图4 三相光伏并网控制策略的框图

图5 PR控制器的Matlab仿真模型

3 混合储能单元的控制策略

3.1 蓄电池的控制策略

对于持续时间很短且幅度很大的功率波动，为了让并网输出功率保持平整，本文对DC－DC变换电路采用双环控制算法［10］。在此算法中，功率环充当外环，电流环充当内环。设光伏模块功率值为PPV，将其通过低通滤波电路，滤掉高频量。滤波后所得的功率参考值用P*PV表示，蓄电池功率的参考值P*Bat则由以上两者作差得到。将蓄电池的实际功率PBat与其参考值P*相减得到的误差信号输入功率外环的PI环节，再Bat将该PI环节的输出量通过限幅环节，达到限制蓄电池工作电流的要求，同时获取电感的电流参考值I*L。接下来将电感的实际电流IL与其参考值I*L相减得到的误差信号输入电流内环的PI环节，再通过PWM调制成PWM波，驱动双向DC－DC变换电路的开关。

而对于持续时间稍长且幅度较小的功率波动，采用电流单环控制。此时双向DC－DC变换电路可以控制流经电感电流的大小以及方向，实现固定功率值功率的双向流动，同时变换电路也起到使并网点有功功率保持稳定的作用。其中Pd=Pset－PPV是蓄电池的功率参考值，将其除以蓄电池端电压值得到电感电流参考值i*L。将i*L与实际获得的电感电流iL相减得到的误差通过PI环节，再通过PWM调制成PWM波，驱动双向DC－DC变换电路的开关。

本文将后者作为前者的补充，以并网点功率Pinverter与光伏模块输出功率PPV之差的绝对值|d|作为两种方法的选择信号，当|d|≥dref时，选择上面提到的第一种方法即双环控制法，当|d|＜dref时，选择上面提到的第二种方法即单环控制法。采取以上策略的蓄电池控制框图见图6。

图6 蓄电池的控制框图

3.2 超级电容的控制策略

在前面提到的光伏并网控制策略中，PR法已经有了一个直流电压的稳定控制环节且大部分的功率平抑功能已经由蓄电池完成，但在光伏电站并网发电的瞬间，存在光伏模块还未到达最大功率输出的阶段，需要较大容量的功率来补足缺额，这一缺额除了由大电网提供外，还可加入其他的储能元件来共同完成，由于蓄电池的功率密度不及超级电容，故选用超级电容。

超级电容利用双闭环控制策略［11］进行控制，在两环的共同作用下，本策略能维持直流母线电压Udc和给定的电压参考值Udc－ref相等。本策略将直流母线电压控制环作为外环，超级电容工作电流控制环作为内环，两环的结构见图7中的控制框图。直流母线电压Udc与电压参考值Udc－ref相减得到的差值经PI环节输出超级电容的电流参考值I*L3，该值再与实际电流I'L相减得到的差值经PI环节得到PWM载波。最后将此PWM载波和调制波进行比较，获得上下桥臂的PWM脉冲信号。

图7 超级电容的控制框图

4 算例仿真

为了验证作者的蓄电池－超级电容储能单元与采用PR控制的光伏并网模型能够有效配合，同时又可平抑光伏并网点有功功率的波动，本文在Matlab/Simulink环境下对基于混合储能的光伏并网微网的能量单元及主要元件进行了建模。

基于图4的架构，作者搭建了小型光伏及蓄电池－超级电容混合储能模型。实验参数如下:本文选用尚德(SUNTECH)公司的 STP175S－24Ac光伏模块［12］构成410的光伏阵列。在标准光照强度 Sref=1000W/m2和标准温度Tref=25℃的情况下，短路电流Isc=5.2A，开路电压Voc=44.2V。工作在最大工作点时，Im=4.95A，Vm=35.2V。直流母线的参考电压是900V，蓄电池容量是500Ah，超级电容容量是600F。仿真步长1×10－6s，仿真时间为1s。本算例指定的时间段内，在标准温度下，初始光照强度为1000W/m2，在0.2s时突然下降到 700W/m2，0.201s恢复到1000W/m2，在 0.3s 时突然上升到 1300W/m2，0.301s恢复到 1000W/m2，在 0.45s下降到 900W/m2，在0.55s恢复到1000W/m2，在0.65s上升到1100W/m2，在0.75s恢复到1000W/m2。本文所建系统的初始负荷为14kW+3kVar，在 0.85s切去800W，在0.95s恢复到初始负荷。光照、负荷变化如图8所示。

图8 光照条件变化和系统负荷变化

图9所示为在以上光照和负荷变化条件下的光伏模块、大电网、蓄电池和超级电容四大有功来源方的有功功率变化。由图9可得，光伏模块在0.2s和0.3s处开始出现的两个幅值变化大、持续极短的功率波动由大电网、蓄电池和超级电容三者共同平抑，此三者的有功功率在这两段时间内均有波动。光伏模块在0.45s和0.65s开始出现的两个幅值变化小、持续稍长的两个波动主要由蓄电池平抑。系统负荷在0.85s出现的波动，主要由大电网平抑。

图10所示为在三相光伏并网PR控制策略和超级电容的电压稳定环节作用下，直流母线电压的变化情况。由图10可知，直流母线电压稳定在上下，达到了预期效果。

图9 各部分所提供有功的变化

图11所示为光伏并网点的输出有功功率，此处的有功功率维持在6kW左右。可见，算例中设置的各种功率波动并未影响光伏并网点的有功功率，可见本文设置的蓄电池－超级电容混合储能控制与本文采用的光伏并网系统PR控制配合良好，起到了平抑功率的作用。

图10 直流母线电压

图11 光伏并网点有功功率

5 结论

本文对三相光伏并网点输出有功功率波动的问题进行了研究，设置了一种基于蓄电池一超级电容的混合储能控制方法，在PR控制三相光伏并网的基础上利用双向DC－DC变换电路实现了对三相光伏并网点有功功率的平抑。仿真结果表明:

(1)本文的蓄电池一超级电容控制方法和光伏三相并网的PR控制配合良好。

(2)本文应用于混合储能元件的控制方法，能有效地实施充放电。

(3)在本文设定的光照和系统负荷变化的情况下，三相光伏并网点的有功功率在该蓄电池一超级电容系统的调节下能保证较平稳的输出。

综上所述，本文设计的混合储能控制方法能平抑光伏并网点的有功功率，对光伏发电有一定的意义。

［1］孟建辉，石新春，付超，等.基于PR控制的光伏并网电流优化控制［J］.电力自动化设备，2014，31(2):42－47.

［2］王成山，肖朝霞，王守相.微网综合控制与分析［J］.电力系统自动化，2008，32(7):98－103.

［3］杨永恒，周克亮.光伏电池建模及MPPT控制策略［J］.电工技术学报，2011，26(S1):229－234.

［4］邱培春，葛宝明，毕大强.基于蓄电池储能的光伏并网发电功率平抑控制研究［J］.电力系统保护与控制，2011，39(3):29－33.

［5］张冰冰，邱晓燕，刘念，等.基于混合储能的光伏波动功率平抑方法研究［J］.电力系统保护与控制，2013，41(19):103－109.

［6］李腾飞，秦亚斌，肖春，等.孤网运行微电网中混合储能管理与控制策略研究［J］.水电能源科学，2014，32(6):180－184.

［7］杨勇，赵春江.分布式发电系统中并网逆变器比例谐振控制［J］.电力自动化设备，2011，31(11):51－55.

［8］ZMOOD D N，HOLMES D G，BODE G H.Frequency-domain analysis of three-phase linear current regulators［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2001，37(2):601－610.

［9］ZMOOD D N，HOLMES D G.Stationary frame current regulation of PWM inverters with zero steady－ state error［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18(3):814－822.

［10］张兴科.光伏并网发电功率波动与对策［J］.电网与清洁能源，2011，27(6):55－60.

［11］田慧雯，李咸善，陈铁，等.基于混合储能的光伏微网孤网运行的综合控制策略［J］.电力系统保护与控制，2014，42(19):122－128.

［12］王锋，张淼，张矛盾.基于S函数的实用光伏模块Matlab仿真［J］.广东工业大学学报，2008，25(4):69－72.