基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法*

曾正，郭宝甫，孙芊，荆骁睿

（1.重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室，重庆400044；2.许继集团有限公司，河南许昌461000；3.国网河南省电力公司电力科学研究院，郑州450052）

0 引 言

我国幅员辽阔，电力资源和电力负荷沿东西走廊呈逆向分布，高压远距离在很长一个时期内无法避免［1-3］。然而，研究结果表明新能源的大规模远距离传输暴露出诸多弊端，譬如风、光集中电站的稳定运行问题、输电走廊的限制问题等［4-6］。因此，在负荷较重的东部地区发展分布式发电技术具有重要的前景。随着对可再生能源的需求日益加大，以及对分布式新能源的政策激励，分布式发电系统的渗透率急剧增加［7-9］。其中，光伏（Photo Voltaic，PV）作为一种清洁能源，由于其便于安装维护，易于与住宅、厂房等建筑物集成，因此在分布式发电系统中吸引了广泛的研究兴趣和工程示范［10-11］。

分布式光伏系统靠近负荷末端，电网相对较弱，供电品质受到了极大的考验。一方面，光伏输出功率具有随机性和波动性［12-13］，容易引起电网电压的波动［14］。因此，需要引入光伏输出功率平稳化的电气设备和控制方法。另一方面，分布式光伏系统附近存在大量的非线性负荷，产生的谐波与逆变器相结合，容易引发谐波谐振［15-17］。因此，需要采取一些就近的电能质量控制方案，提升光伏发电系统的电能质量。

针对分布式光伏发电系统电能质量的提升，已有一些文献进行了研究。在光伏输出的平稳化控制方面，普遍采用储能（Energy Storage，ES）装置与光伏电池相互配合。利用储能的充放电过程抵消光伏的波动性输出，从而稳定光伏系统并网点处的输出功率特性［18-19］。这些光、储联合的发电系统大致分为两类［20］：储能接入光伏的交流母线、储能接入光伏系统的直流母线。其中，光伏和储能通过直流母线耦合的方案，以其光储一体化的结构、减少了储能逆变器，得到了更多的重视，尤其是在分布式光伏发电系统中具有更多的应用价值。在这类光储一体化的分布式发电系统中，为了提升光伏输出的平稳效果、提升电网的可调度能力，往往采用混合储能的方式，充分利用电池储能能量密度大、超级电容功率密度大和响应速度快的优势［21-22］。在光储发电系统与本地电能质量的治理方面，现有示范工程中大多安装各类有源和无源的电能质量治理装置［23］。然而，研究表明光伏发电系统往往难于运行在满功率发电状态，其并网逆变器存在大量的剩余功率容量。若能利用逆变器的电路拓扑使其对本地电能质量加以治理，将能在很大程度上避免重复安装各类其他的电能质量治理装置。这类集新能源并网发电和电能质量治理于一体的装置称作多功能并网逆变器［24-25］，近来吸引了大量的关注。

文章针对光储一体化的发电装置，以其系统的供电品质提升为核心，在直流侧，研究光伏、混合储能的联合控制方案，平抑光储的输出功率波动，提升光储联合发电系统的可调度性；在交流侧，研究光储一体化系统对本地负荷电能质量的补偿方法，采用了一种基于自适应滤波的电能质量检测方法提升其鲁棒性。为提升分布式光储联合发电系统的高渗透率提供一套有效的解决方案。

1 光储联合发电系统的框架

以一典型辐射形配电网为例，光储联合发电系统的整体框架如图1所示。分布式光伏系统以光伏建筑一体化（Building Integrated Photo Voltaic，BIPV）的形式接入配电网。由于光伏发电系统是一种不可控的电源，在使得传统无源配电网有源化的同时，也给配电网的运行控制带来了不少挑战。在不加治理的情况下，容易导致配网电压的翘尾、过压、谐波谐振等。因此，为了使光伏发电系统对电网更加友好，引入储能装置构成光储联合发电系统是一个不错的选择。这样不但可以增强系统输出的平稳性，而且还能提升光伏发电系统的可调度能力。

图1 配网中分布式光伏系统Fig.1 Distributed PV in distribution network

图2给出了几种光储联合发电系统的电路拓扑。其中，在图2（a）所示的系统中，储能单元分别采用逆变器接入光伏发电系统的交流母线，将光伏的波动输出功率在交流侧平抑。光伏和储能发电系统相互独立，相互解耦，两套控制相对独立，系统可靠性高，便于调度和管理。这种方案，多用于光伏发电系统中的集中式储能。图2（b）所示的系统中，储能单元通过DC／DC变换器接入光伏发电系统的直流母线。光伏和储能在直流母线处耦合，公用一套逆变器，便于将光伏输出的波动性抑制在直流侧。这种光储一体的方案，便于就地平抑光伏的输出，十分适合于分布式光伏发电系统应用。同时，由于储能单元配备在光伏电池的输出端，使得光伏和储能形成了一个可调度的综合单元，改善了光伏的输出特性，使得其输出特性更适合电网运行。

图2 光储联合发电系统的构架Fig.2 Configuration of PV-ES system

在分布式光储联合发电系统中，储能的输出特性对于系统的性能具有重要的影响。现有储能媒介在功率密度、能量密度和响应时间等指标上都存在较大的差异，还无法找到一种功率和能量密度皆高，且响应时间非常快的储能单元。因此，在光储联合发电系统中可以采用电池和超级电容混合的方式。利用电池能量密度高的优势，提供稳态的功率和能量；利用超级电容功率密度高、响应速度快的优势，提供暂态过程中的功率和能量缺额。

2 光储联合发电系统的控制方法

光储联合发电系统的控制可以分为两个层次，即功率调度层和本地控制层。在功率调度层主要响应上级调度的指令，确定光储联合发电系统中电池、超级电容的输出功率指令。在本地控制层，主要为各个DC／DC、DC／AC变换器的控制，控制光伏电池Boost完成MPPT功能，控制储能双向DC／DC变换器完成功率的吸收和释放功能，控制逆变器完成光储单元的能量转换，以及本地负荷电能质量的治理。

2.1 功率调度控制

调度控制主要响应电网侧的调度指令，为光储联合发电系统中电池和超级电容分配输出功率指令。其控制框图如图3所示。

式中Pref为电网传递给光储联合发电系统的功率调度指令；Ppv为光伏的输出功率；Pscref和Pbatref为超级电容和电池的输出功率指令。其中，传递函数Gb（s）为带宽选择器，根据超级电容和电池所能响应的工作带宽，分别为其分配不同频段的功率指令信号。通常，Gb（s）可选为低通滤波器，即：

式中ωc为电池变流器的工作带宽，可根据电池的响应时间、双向DC／DC变换器的控制带宽决定。

图3 功率调度控制的原理图Fig.3 Schematic diagram of power dispatching control

2.2 本地功率控制

本地功率控制主要实现各变流器对指令信号的跟踪。其中，光伏电池的MPPT控制电路如图4所示，光伏电池经过 Boost电路接入直流母线Udc处。光伏的输出电压和电流分别为UPV和IPV，经过MPPT控制算法后，得到最佳的输出电压，通过控制Boost电路将其电压UPV控制为给定值，以获得光伏的最大功率输出。

图4 光伏电池的最大功率跟踪控制Fig.4 MPPT control of PV arrays

储能系统的接口电路和控制策略如图5所示。以超级电容为例，由功率调度控制获得的指令功率Pscref与超级电容器组的端电压相除得到其输出指令电流，通过控制其输出电流is跟踪指令值来控制超级电容的输出功率。双向Buck-Boost电路用于平衡超级电容器组的端电压和直流母线电压Udc之间的应力差，并实现能量的双向流动［26］。对于电池储能系统，情况类似。

图5 储能双向DC／DC变换器拓扑及其控制Fig.5 Topology and control for bi-directional DC／DC converter.

光储联合发电系统中并网逆变器的控制策略如图6所示。并网逆变器的实际有功指令用于平衡直流母线Udc为其额定值Udcref，通过直流母线电压的PI控制器得到。并网电流跟踪控制在同步旋转坐标系下完成，其中 Clarke变换T3s／2s为：

Park变换为：

式中θ为电网电压相位，由锁相环（Phase-locked loop，PLL）得到。

图6 并网逆变器的控制策略Fig.6 Control strategy of the grid-connected inverter

以a相为例，基于自适应滤波算法的谐波检测方法原理如图7所示［27］，其他相的情况类似。利用自适应噪声对消的方法将检测出的谐波信息反馈回调整网络，不断修正滤波系数。使得从负荷电流iLa中检测出的基波电流iba以二次型最优指标最优为目的逐渐逼近参考电压信号ua，即其数学模型可以表示为：

式中λ为滤波网络的常系数，为待优化变量。一般地，可以采用如图7所示的结构，其中ω1和ω2为滤波系数。采用最小二乘法修正滤波系数，其过程为：

式中μ为自适应学习率，一般取为足够小的常数，这里取 μ＝0.000 1。

图7 自适应谐波电流检测算法的原理Fig.7 Principle of self-adaptive harmonicdetection algorithm

3 仿真结果与分析

为了验证所提光储联合发电系统模型和控制策略的可行性和有效性，在PSCAD／EMTDC中建立了如图2（b）所示的仿真模型，系统参数如表1所示。仿真过程中的扰动设置为：电网调度功率为8 kW；0s开机，1 s时光照强度从 400W／m2阶跃到 1 200W／m2，1.5 s时光伏电池的稳定从25℃阶跃到50℃，2 s时非线性不控整流负荷的电阻从200Ω阶跃到100Ω。

图8给出了光伏电池的输出情况，不难发现，在光照强度增加后，光伏电池的输出也相应增加；但在温度增加后，光伏电池的输出有所减少。由于电网对光储联合发电系统的调度功率为8 kW，不足或过剩的稳态功率由电池平衡，暂态功率的缺口有超级电容填补。从而实时响应并满足电网的调度需求，提升光储联合发电系统的可调度性。

表1 光储联合发电系统参数Tab.1 Parameters of PV-ES system

图8 光储联合发电系统的输出Fig.8 Power generation output of PV-ES system

光储联合发电系统直流母线电压如图9所示，从中可以发现，开机时光伏输出为0，电池和超级电容急剧向母线充电，并通过逆变器向电网注入功率，在这个过程中直流母线电压存在一个正向的超调。但是超调量不大，最大电压偏差不超过50 V，可以满足系统运行要求。在动态过程中，1 s时，光伏输出突然增加，过剩的功率转移到储能单元中，但是在动态过程的瞬间，储能还没有来得及响应，光伏电池的输出功率给直流母线充电，使得直流母线出现了正的超调电压，但在控制器的作用下，迅速恢复到了额定值。表明所设计的控制策略可以达到维持直流母线电压的目的。

图9 光储联合发电系统的直流母线电压Fig.9 DC-link voltage of PV-ES system

光储联合发电系统位于配电网末端，往往面临各种复杂的负荷环境，若能充分利用光储联合发电系统的容量和电路拓扑，可以有效提升电网的电能质量。图10（a）给出了在光储联合系统含有电能质量补偿功能时，有效补偿本地负荷的谐波，从而改善电网电流的结果。电网电流总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）被控制在5%以内，可以达到电网的要求。相反，如图10（b）所示，若光储联合发电系统没有电能质量治理功能，电网电流严重畸变，其THD达到15%，难以满足电网对谐波水平的要求。

图10 有无补偿时光储联合发电系统的电网电流Fig.10 Grid-connected current of PV-ES system with and without power quality compensation

图11给出了自适应谐波电力电流检测算法的实施效果，基于最小二乘迭代的自适应算法能有效检测出本地负荷电流中的基本分量和谐波分量，以确保光储联合发电系统对电能质量的有效补偿。

图11 自适应谐波电力检测算法的结果Fig.11 Results of self-adaptive harmonic detection algorithm

4 结束语

分布式光伏发电系统往往采用逆变器作为其并网接口，随着其渗透率的不断提高，对电网的影响也越来越大。其输出功率的波动性，会影响电网电压偏离其合理运行范围。同时，光伏并网逆变器和本地负荷一起可能会形成复杂的谐波谐振网络，影响电网的安全稳定运行。为了降低分布式光伏发电系统对电网的影响，文章提出光储联合发电系统的概念。在光伏并网逆变器的直流母线引入电池和超级电容的混合储能系统，并辅以合理的控制策略，消除光伏输出的波动性，提升其可调度能力。在交流母线处，借鉴多功能并网逆变器的思路，利用光伏并网逆变器补偿本地负荷中的谐波分量，提升电网电流的供电品质。仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。可以得到如下结论：

（1）所提分布式光储联合发电系统的框架和和分层协调控制算法行之有效，能有效平抑光伏输出功率的波动，并增强光储联合发电系统的可调度性；

（2）基于自适应迭代的谐波电流检测算法能有效检测本地负荷的谐波分量，为分布式光储联合发电系统的电能质量就地补偿提供保障；

（3）仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性，为高渗透率光伏发电系统的运行与控制提供了一条种新的方法，多个光储联合发电系统的协调控制还有待进一步的研究。