基于蓄电池储能的光伏并网发电功率平抑控制研究

21ic智能电网：本文针对光伏发电因光照强度与温度变化而导致的发电功率波动问题，提出一种储能型光伏并网发电系统，以抑制并网功率的波动。

以光伏发电最大功率跟踪和并网逆变控制为基础，引入蓄电池储能系统，实现对发电功率削峰填谷、平抑的功能。光伏发电系统采用两级功率变换结构，以最小化逆变器容量，解耦最大功率控制与逆变并网控制。在逆变器直流母线上并接双向DC/DC变换器，对储能电池充放电予以管理。

在功率平抑控制中，储能系统采用双环控制，内环控制储能电池电流，外环则分两种情况：1)电网正常时为功率外环;2)电网故障时为电压外环。系统不仅具有最大功率跟踪和并网发电功能，还具有并网功率平抑功能。当电网因故障而断开时，系统将光伏发电能量储入蓄电池，提高了发电效率，确保了直流母线电压稳定。对整个系统建立仿真模型和实验样机，仿真和实验结果验证了所提出的控制方法可行、有效。

0 引言

光伏发电无污染、无噪音、运行成本低，是理想的可持续能源，发展前景好。据预测，到2050年太阳能在能源结构中的比例将达到13.5%，是未来化石能源的主要替代能源之一[1-2]。

经过多年的发展，光伏发电正逐渐从过去的小规模离网系统，向大规模并网发电方向发展。基于最大功率跟踪控制[3-5](Maximum Power Point Tracking， MPPT)和各种并网逆变控制[6-8]的光伏并网发电技术得到了广泛研究。但是，由于光照和温度变化无常，光伏发电站输出的功率并不稳定，导致电压波动[9]。当前，光伏发电站在电力系统中所占比例很小，功率波动对电网影响不大。可是随着兆瓦级光伏电站的建设，其规模将不断增大，当发电功率达到一定比例时，功率波动会给电网运行带来危害[10]。另外，当电网故障断开时，光伏阵列将停止发电，降低了系统效率。

本文研究基于蓄电池储能的光伏并网发电功率平抑控制，以解决上述问题。提出了控制方法，并通过仿真和实验验证了其可行性和有效性。

1 储能型光伏并网发电系统

为实现最大功率跟踪、并网逆变和功率平抑等功能，采用图1所示的系统结构。Boost变换器主要用于实现最大功率跟踪，同时把光伏阵列较低的电压升到较高的电压，供三相逆变桥使用;三相逆变桥用于实现并网逆变;由双向DC/DC变换器和蓄电池构成的储能系统用于实现并网功率平抑控制，以及电网故障时存储光伏阵列发出的能量。

2 光伏并网发电

2.1 最大功率跟踪

光伏电池具有很强的非线性特征[11]，其I-V特性和P-V特性如图2所示。当光照和温度一定时，光伏电池输出电压随负载变化，而且在某一电压值时输出功率最大，此工作点即为最大功率点，而且最大功率点随光照和温度的变化而变化。因此，在光伏发电系统中，常采用最大功率跟踪控制，随着光照和温度变化实时调整光伏阵列的工作电压，使其尽可能工作在最大功率点。

本文采用扰动观察法[3]实现最大功率跟踪控制，流程图如图3。通过给光伏阵列工作点电压施加扰动ΔU，同时记录扰动后的输出功率，如果输出功率增加，则保持原方向继续扰动，否则反方向扰动，最终使光伏阵列工作在最大功率点附近。

2.2 并网逆变

光伏并网发电时，期望输出电流波形正弦度高、谐波小、功率因素为1，实现这一目标的关键是逆变器的控制方法。在逆变器中，电压源型逆变器最普遍。光伏发电系统和电网相当于两个电源并联，如果对电压源型逆变器采用输出电压控制，则容易导致环流;如果采用输出电流控制，则可以有效控制输出电流，在逆变器输出电流与电网电压同步时，实现功率因数为1，而且控制方法简单。图4给出了DC/AC控制的流程图，采用SVPWM和双环控制结构[8，12-13]，外环控制直流母线电压，内环控制逆变器输出电流。

3 储能系统

储能系统主要由一个双向DC/DC变换器和蓄电池组成。双向DC/DC变换器并联在逆变器直流母线上，根据光伏阵列发出的功率和电网反馈回来的信息，控制蓄电池的能量流动。双向DC/DC变换器采用半桥结构，如图5所示，其中开关管G1和G2互补工作[14]。当光伏阵列发出功率大于给定的并网功率时，蓄电池充电，此时双向DC/DC变换器工作在Buck电路模式。当光伏阵列发出功率小于给定的并网功率时，蓄电池放电，此时双向DC/DC变换器工作在Boost电路模式。

光伏阵列输出的功率是波动的，而且变化率较大，大致可分为相对高频的波动功率和相对低频的波动功率两部分。蓄电池随着相对高频的功率波动充电或者放电，通过削峰、填谷实现并网功率的平抑、减小其变化率[15]。在电网故障时，将电网断开，把光伏阵列发出的功率都存储到蓄电池，这样光伏阵列仍能继续发电，提高了系统发电效率，同时起到稳定直流母线电压的作用，防止电压过高而损坏设备。

储能系统的控制流程图如图6所示。电网正常时，外环是功率控制环，光伏阵列发出的波动功率P经过低通滤波器滤波，滤除高频量，减小变化率，其输出值作为并网功率的给定值P*;将P*与逆变器并网的实际功率值Pg比较，误差e1经过PI调节器，以调整电池的工作电流参考值I*。当电网由于故障断开时，外环是直流母线电压控制环，将直流母线实际电压值U作为反馈信号，与给定电压值Uref比较，误差e2经过PI调节器，以调整电池的工作电流参考值I*。内环为电池工作电流控制环，使电池实际的工作电流值I跟踪外环给定的电流参考值I*。在外环PI调节器之后采用限幅环节，以限制电池工作电流。此外，系统设计有电池过充、过放保护控制，以确保电池安全运行。

4 仿真分析

为了验证本文所提出的储能型光伏并网发电系统功能，开展了仿真研究。在标准光照和标准温度下，光伏阵列开路电压320 V，短路电流20.65 A，最大功率点电压290.4 V;电网相电压220 V，频率50 Hz ;直流母线参考电压600 V，储能电池是额定电压150 V、额定容量150 Ah铅酸蓄电池。

仿真时，光照情况如图7(a)中曲线S所示，在0.6 s时模拟受云朵的影响光照急剧下降，持续一段时间后恢复正常，在t=0.9 s的时候光照突然变强，持续一段时间后又恢复到正常值;温度如图7(a)中曲线T所示。图7(b)和7(c)分别是光伏阵列工作端电压和光伏阵列输出功率，可见MPPT控制使光伏阵列始终工作在最大功率点电压290 V附近，在不同光照和温度下，持续输出最大功率。图7(d)是逆变器输出的a相电流和电网a相电压，可以看出逆变器输出的电流波形正弦度好，几乎和电网电压同频同相，功率因数为1。

图8是储能系统的仿真结果，温度和光照情况同上，在t=1.5 s的时候电网因故障断开。图8(a)中，Ppv、Pg和Pb分别是光伏阵列输出的功率、并网功率和电池的工作功率。温度和光照的变化导致光伏阵列输出的功率波动较大，但在储能系统的作用下，并网功率变得平缓、变化率减小，实现了功率平抑控制。当电网故障断开时，光伏阵列仍能继续发电，提高了系统的发电效率。图8(b)为电池工作电流，正值表示放电，负值表示充电，随着光伏阵列发出功率的变化，电池能快速地改变工作电流，配合功率平抑控制对能量予以管理。图8(c)是直流母线电压，即使在电网故障切除时，直流母线电压也能控制在600 V左右。

5 实验分析

通过实验，重点验证储能系统的功率平抑控制功能。实验平台由双级式光伏并网逆变器和双向DC/DC变换器构成，储能单元由4个铅酸蓄电池串联组成，单只额定电压12 V、额定容量100 Ah。光伏电池由电压可调的直流电源模拟，通过调节直流电源的输出电压，模拟光伏阵列运行点的变化及输出功率的波动。

实验结果见图9，其中，图9(a)展示了直流电源模拟的光伏阵列功率、并网逆变器输出功率和电池工作功率，分别用符号Ppv、Pg和Pb表示;图9(b)是蓄电池的工作电流，正值表示充电，负值表示放电;图9(c)是逆变器输出的电流。可见，逆变器输送到电网的功率得到了有效的平抑，变化率得到了控制，随着光伏阵列输出功率的波动，双向DC/DC变换器能快速地调整蓄电池能量的流动。

6 结论

提出的储能型光伏并网发电系统，有效解决了光伏功率波动的问题。系统不仅实现了最大功率跟踪和并网发电，而且通过功率平抑控制，有效地稳定了并网功率。当电网故障断开时，光伏阵列仍然可以发电，将能量存储于电池，提高了系统效率。仿真和实验结果验证了本文所提系统的可行性和优良性能。

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