基于蓄電池儲能的光伏并網發電功率平抑控制研究

21ic智能電網：本文針對光伏發電因光照強度與溫度變化而導致的發電功率波動問題，提出一種儲能型光伏并網發電系統，以抑制并網功率的波動。

以光伏發電最大功率跟蹤和并網逆變控制為基礎，引入蓄電池儲能系統，實現對發電功率削峰填谷、平抑的功能。光伏發電系統采用兩級功率變換結構，以最小化逆變器容量，解耦最大功率控制與逆變并網控制。在逆變器直流母線上并接雙向DC/DC變換器，對儲能電池充放電予以管理。

在功率平抑控制中，儲能系統采用雙環控制，內環控制儲能電池電流，外環則分兩種情況：1)電網正常時為功率外環;2)電網故障時為電壓外環。系統不僅具有最大功率跟蹤和并網發電功能，還具有并網功率平抑功能。當電網因故障而斷開時，系統將光伏發電能量儲入蓄電池，提高了發電效率，確保了直流母線電壓穩定。對整個系統建立仿真模型和實驗樣機，仿真和實驗結果驗證了所提出的控制方法可行、有效。

0 引言

光伏發電無污染、無噪音、運行成本低，是理想的可持續能源，發展前景好。據預測，到2050年太陽能在能源結構中的比例將達到13.5%，是未來化石能源的主要替代能源之一[1-2]。

經過多年的發展，光伏發電正逐漸從過去的小規模離網系統，向大規模并網發電方向發展。基于最大功率跟蹤控制[3-5](Maximum Power Point Tracking， MPPT)和各種并網逆變控制[6-8]的光伏并網發電技術得到了廣泛研究。但是，由于光照和溫度變化無常，光伏發電站輸出的功率并不穩定，導致電壓波動[9]。當前，光伏發電站在電力系統中所占比例很小，功率波動對電網影響不大。可是隨著兆瓦級光伏電站的建設，其規模將不斷增大，當發電功率達到一定比例時，功率波動會給電網運行帶來危害[10]。另外，當電網故障斷開時，光伏陣列將停止發電，降低了系統效率。

本文研究基于蓄電池儲能的光伏并網發電功率平抑控制，以解決上述問題。提出了控制方法，并通過仿真和實驗驗證了其可行性和有效性。

1 儲能型光伏并網發電系統

為實現最大功率跟蹤、并網逆變和功率平抑等功能，采用圖1所示的系統結構。Boost變換器主要用于實現最大功率跟蹤，同時把光伏陣列較低的電壓升到較高的電壓，供三相逆變橋使用;三相逆變橋用于實現并網逆變;由雙向DC/DC變換器和蓄電池構成的儲能系統用于實現并網功率平抑控制，以及電網故障時存儲光伏陣列發出的能量。

2 光伏并網發電

2.1 最大功率跟蹤

光伏電池具有很強的非線性特征[11]，其I-V特性和P-V特性如圖2所示。當光照和溫度一定時，光伏電池輸出電壓隨負載變化，而且在某一電壓值時輸出功率最大，此工作點即為最大功率點，而且最大功率點隨光照和溫度的變化而變化。因此，在光伏發電系統中，常采用最大功率跟蹤控制，隨著光照和溫度變化實時調整光伏陣列的工作電壓，使其盡可能工作在最大功率點。

本文采用擾動觀察法[3]實現最大功率跟蹤控制，流程圖如圖3。通過給光伏陣列工作點電壓施加擾動ΔU，同時記錄擾動后的輸出功率，如果輸出功率增加，則保持原方向繼續擾動，否則反方向擾動，最終使光伏陣列工作在最大功率點附近。

2.2 并網逆變

光伏并網發電時，期望輸出電流波形正弦度高、諧波小、功率因素為1，實現這一目標的關鍵是逆變器的控制方法。在逆變器中，電壓源型逆變器最普遍。光伏發電系統和電網相當于兩個電源并聯，如果對電壓源型逆變器采用輸出電壓控制，則容易導致環流;如果采用輸出電流控制，則可以有效控制輸出電流，在逆變器輸出電流與電網電壓同步時，實現功率因數為1，而且控制方法簡單。圖4給出了DC/AC控制的流程圖，采用SVPWM和雙環控制結構[8，12-13]，外環控制直流母線電壓，內環控制逆變器輸出電流。

3 儲能系統

儲能系統主要由一個雙向DC/DC變換器和蓄電池組成。雙向DC/DC變換器并聯在逆變器直流母線上，根據光伏陣列發出的功率和電網反饋回來的信息，控制蓄電池的能量流動。雙向DC/DC變換器采用半橋結構，如圖5所示，其中開關管G1和G2互補工作[14]。當光伏陣列發出功率大于給定的并網功率時，蓄電池充電，此時雙向DC/DC變換器工作在Buck電路模式。當光伏陣列發出功率小于給定的并網功率時，蓄電池放電，此時雙向DC/DC變換器工作在Boost電路模式。

光伏陣列輸出的功率是波動的，而且變化率較大，大致可分為相對高頻的波動功率和相對低頻的波動功率兩部分。蓄電池隨著相對高頻的功率波動充電或者放電，通過削峰、填谷實現并網功率的平抑、減小其變化率[15]。在電網故障時，將電網斷開，把光伏陣列發出的功率都存儲到蓄電池，這樣光伏陣列仍能繼續發電，提高了系統發電效率，同時起到穩定直流母線電壓的作用，防止電壓過高而損壞設備。

儲能系統的控制流程圖如圖6所示。電網正常時，外環是功率控制環，光伏陣列發出的波動功率P經過低通濾波器濾波，濾除高頻量，減小變化率，其輸出值作為并網功率的給定值P*;將P*與逆變器并網的實際功率值Pg比較，誤差e1經過PI調節器，以調整電池的工作電流參考值I*。當電網由于故障斷開時，外環是直流母線電壓控制環，將直流母線實際電壓值U作為反饋信號，與給定電壓值Uref比較，誤差e2經過PI調節器，以調整電池的工作電流參考值I*。內環為電池工作電流控制環，使電池實際的工作電流值I跟蹤外環給定的電流參考值I*。在外環PI調節器之后采用限幅環節，以限制電池工作電流。此外，系統設計有電池過充、過放保護控制，以確保電池安全運行。