对微网中光伏系统在离网运行下的控制研究

谢胜男，马平，苏适，严玉廷，杨洋

(1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.云南电网公司电力研究院，昆明 650217；3.云南电网公司研究生工作站，昆明 650217)

对微网中光伏系统在离网运行下的控制研究

谢胜男1，3，马平1，苏适2，严玉廷2，杨洋2

(1.华北电力大学，河北 保定 071003；2.云南电网公司电力研究院，昆明 650217；3.云南电网公司研究生工作站，昆明 650217)

在离网型光伏发电系统中，由于光伏发电的不稳定性以及随机性，常常会配备一定容量的混合储能装置，这是整个系统不可或缺的组成部分。本文在分析了光伏发电系统以及混合储能装置的工作特性的基础上，制定了系统控制策略，大建立系统仿真试验模型，并在该模型上进行了带不可变负载扰动及带可变负载扰动下系统动态试验，仿真结果表明该系统的系统配置及控制策略的可行性。

混合储能装置；光伏发电系统；离网运行

0 前言

分布式能源例如太阳能光伏发电、风力发电、潮汐能发电等被大力推广应用。其中太阳能光伏发电作为一种取之不尽用之不竭且无污染、无噪声的蕴含巨大能量的可再生能源，受到越来越广泛的关注，在微网中的应用也较多。由于太阳能光伏发电的随机性以及不稳定性，需要配备储能系统以在光伏系统出力不足的情况下补充微电网中的功率以满足负荷的需求。因此设计合理的能量控制策略，合理的调配各微源之间的输出功率是很有必要的。本文的主要研究内容是对微电网离网模式下的光伏发电系统及混合储能装置的能量管理策略进行研究。

1 微电网中的光伏发电系统

1.1 光伏发电的原理及特性

太阳能是一种辐射能，因此必须借助转换部件才能转换成电能。太阳能电池板就是一种直接将太阳能转换成电能的部件。考虑到实际太阳能电池的电阻等因素，通常采用的太阳能电池的电流-电压特性方程是：

其中I为P-N结的电流；I0为反向饱和电流；V为外加电压；q是电子电荷；K是玻尔兹曼常数；T是绝对温度。由上式可以得出太阳能电池的电流电压特性曲线和功率与电压的特性曲线：

为了达到光伏发电系统的安全稳定运行，通常需要在系统中增加储能装置。文中涉及的储能装置为蓄电池组和超级电容器组成的混合储能装置。在蓄电池中常用的一些参数有以下几个：

图1 太阳能电池板的电流电压和功率电压特性曲线

1)蓄电池的容量。通常是指处于完全充电状态下的蓄电池，按照一定的放电条件，放电到所规定的电压，能够释放出的能量。

2)蓄电池的荷电状态。荷电状态反映了蓄电池的剩余容量：

其中CN、Cd、CR分别为蓄电池的额定容量、蓄电池已释放的容量、蓄电池的剩余容量。

3)蓄电池的放电深度。蓄电池的放电深度是指蓄电池已放出的容量与额定容量的比值，表达式为

考虑到放电深度对蓄电池寿命的影响，一般放电深度选在0.6～0.7之间。

超级电容器是一种新型的储能装置，具有充电时间短、使用寿命长、温度特性好、节约能源和绿色环保等特点。超级电容器在分离出的电荷中存储能量，用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集，其电容量越大。超级电容器的容量可以利用下面的公式来计算：

其中Uwork、Umin、It分别表示电路中的正常工作电压、器件工作的最小的电压和负载电流。由于超级电容器在大负载突然接入的时候具有快速放电来填补功率，避免母线电压的剧烈变化的作用，因此本文中在选择蓄电池作为储能元件的同时还用了超级电容器作为补充。

1.2 光伏发电系统的分类

光伏发电是将太阳能直接转换成电能的一种发电形式，太阳能电池是光伏发电系统的核心器件。光伏发电系统可以分为离网运行以及并网运行两种方式，文中的仿真是在独立运行的前提下进行的，光伏系统的供电可靠性受到气象环境以及负载情况的影响，供电可靠性较差，所以配备了储能装置。因为光伏发电系统和常用的储能装置都是直流的，所以采用直流母线系统。

光伏发电系统工作在离网模式下，主要由太阳能电池组、控制器、直流变换器、离网逆变器和混合储能系统构成。离网运行时，光伏发电系统和混合储能系统构成了一个相对独立的发电系统。太阳能电池板将接收的太阳能转化成电能并输送直流变换器，变换到合适的直流电压，再通过离网逆变器进行逆变，变成带动负载所需要的交流电。并且通过控制器对混合储能系统进行充放电。

目前，离网型光伏发电系统主要有户用光伏发电系统和光伏电站两大类。文中的撰写是以微电网中光伏发电系统为背景的，所以可以看做户用光伏发电系统。在微电网并网运行时稳定小区域的供电性能良好较容易，但是当电网发生故障，微电网离网运行时能否有较好的供电质量、满足区域内负载的用电需求是一个值得思考的问题，所以本文研究的光伏发电系统是在离网运行的前提下的。

1.3 光伏发电系统

图2 光伏发电系统离网运行时的模型图

文中设计的光伏发电系统离网时主要由光伏阵列、直流变换器、蓄电池组充放电电路、超级电容充放电电路、逆变器及控制器等组成。光伏阵列接收太阳能的辐射，转换成电能输给DC/DC直流变换器，直流变换器将电压进行升高或者降低，同时利用最大功率跟踪算法，达到对光伏阵列吸收到的太阳能功率的最大化利用，提升资源利用效率；然后将电能输送给混合储能装置或者各类负载。

1.4 能量管理控制策略

1)在天气条件好的时候，尽可能使用太阳能电池转换的电来供给负载使用，同时在混合储能的能量不足时给混合储能装置进行充电；

2)天气情况不好，不足够使太阳能电池板发出足够的电来供给负载的时候需要蓄电池补充放电以满足负载的需要，但是应当控制蓄电池的放电深度避免蓄电池的损坏；

3)当在正常运行的时候突然介入大负载的情况下，应当使超级电容尽快放电，防止母线电压跌落，同时避免电压的波动过大，影响供电质量。

文中研究的是光伏发电系统，只有光伏、蓄电池组、超级电容器三种微电源组成的独立运行发电系统，所以主要从经济性和电能质量两个方面进行能量管理。

对于小区域内的微电网来说，损耗小是经济性的重要体现之一，因此在本文中将网损最小作为能量管理经济性的目标。网损最小化就是通过控制微电网的潮流使系统内的有功、无功损耗最小化，

其中，N为系统支路数；Ri、Xi为支路i的电阻和电抗；Pi、Qi和Vi分别为支路i的有功、无功和电压幅值。

电能质量在一定程度上可以用电压的偏差程度来衡量，因此把电压偏差作为电能质量的衡量标准。电压偏差的目标函数就是将各节点的电压偏移总和最小化，其表达式为：

其中n为光伏发电系统中的节点数；Vi为节点i的电压；ΔVi为节点i的电压偏差量；δVi为节点i允许的最大电压偏差量。

综上所述，在光伏发电系统正常运行时，不考虑各微电源的暂态特性，能量管理优化的总目标函数为：F=min(fΔSL，fΔV)

具体的控制策略实施方案如图3所示：

图3 发电系统的控制框图

1.5 微电源连接

蓄电池组、超级电容器和光伏发电阵列三个微电源都是连接在直流母线上面的。

1)蓄电池组在其中主要起着维持母线电压稳定的作用，因此采用了电压负反馈控制保证其输出电压值的稳定。但是由于蓄电池组的放电深度以及充电程度对蓄电池组的使用寿命有很大的影响，因此在控制电路中设置了电压监测环节，随时监测蓄电池组的荷电状态，合理的安排使用蓄电池组的充放电，延长蓄电池组的使用寿命；

2)由于要最大限度的利用太阳能光伏的能量来达到经济环保的目的，使光伏阵列经过DC/ DC变换器之后的电流能够跟踪光伏阵列的输出电流，使得输出到直流母线上的电流始终保持最大，因此对于光伏发电阵列是通过电流反馈控制，以保证光伏发电阵列的输出功率最大的；

3)超级电容器仅仅是在有大负载并且该大负载的接入会使直流母线的电压大范围的波动时起到平滑电压幅值的作用的，所以要在超级电容器的控制电路中设置电压监测环节，随时监测直流母线的电压值，在母线电压发生大波动的时候及时监测到并传递放电信号给超级电容器，使得超级电容器能够较好的完成填补电压缺失的作用。

2 对光伏发电系统的仿真试验

图4 带固定负载与可变负载时的直流母线电压曲线

通过上面a、b两个图可以看出，是否带可变负载对直流母线上的电压影响并不是很大，在初始阶段会有一定的影响，但是经过一段时间之后都能趋近700 V的附近。从此可以看出，当负载发生较大的变动的时候，超级电容器会能够快速放电，同蓄电池组一起尽力保持母线电压的稳定，但是由于超级电容器的放电时间极短，所以蓄电池同时也会放电，当超级电容器的电能使用完了之后，蓄电池的放电也达到了可以维持母线电压的水平，所以体现在电压上可以看出在初始阶段会有明显的下降，然后再回升的过程。

图5 带固定负载和可变负载时的交流母线电压曲线

上面a、b两图为带固定负载与带可变负载的交流母线上的电压曲线图。由图中能够明显的看出，负载是否有较大变化对交流母线的电压并没有太大影响，交流母线上的电压波形始终都能维持一个较好的状态。由此可以看出经过SVPWM来控制逆变器，可以很好地控制输出的交流电压使之符合文中的设计要求。

图6 带固定负载与可变负载时的系统输出功率曲线

从两个输出的功率曲线图可以看出，光伏发电系统带固定负载的时候是比较平和的趋于稳定的，但是带动可变负载的时候功率在开始的时候波动很大，这是因为负荷波动较大，需要超级电容器和蓄电池出力填补光伏发电量的不足。超级电容可以迅速放电以在蓄电池组放电量没跟上的时候填补一些，随着蓄电池放电量的增加，总的输出电量会出现过量的情况，但是最终在控制环调节的作用下，输出功率会逐步趋近于平衡。

3 结束语

1)讨论了组成光伏发电系统的各个微电源的特点和输出特性；

2)针对各种微电源的特性制定了以经济性和电能质量为控制目标的能量管理策略并通过仿真实验验证了控制策略的正确性；

3)根据制定的能量管理策略对由蓄电池、超级电容以及光伏发电阵列组成的光伏发电系统用MATLAB进行了仿真，并得出输出特性曲线；

4)分析所得的曲线，从中验证了所搭模型的可行性以及能量管理策略的正确性。通过对系统带固定负载和可变负载两种情况下的仿真，能够看出负载的变化并没有对系统的输出电压以及功率造成大的影响，几乎没有变化，这表明各个微源能在不同的条件下充分发挥自己的作用：超级电容器在遇到大负载的时候会快速放电，稳定母线电压；蓄电池起着稳定直流母线电压的作用；同时利用最大功率跟踪，充分发挥光伏的作用，最大限度的利用太阳能。所得到的仿真结果符合预期的设计目标。缺点在于对于超级电容器的特性并没有得出很好地曲线来加以证明；整个系统没有在实际的微电网中带动实际的负载进行验证，缺少一些说服力。

在我国，太阳能光伏发电系统的应用还不充分，光伏系统尚未脱离试验和示范阶段，结构的设计业还不够完善、成熟。随着时间的推移以及科学技术的不断发展，光伏发电系统的主电路结构的设计以及新型的拓扑结构的开发和采用将成为人们研究的重点，为更好的利用太阳能，实现可持续发展的绿色经济提供实现途径。

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马平，女，教授，研究生导师，华北电力大学，主要从事过程控制、火电厂单元机组控制和优化、计算机原理及应用的教学科研工作。

苏适，男，云南电网公司电力研究院，从事智能微网的设计、建设、并网、能量管理系统等方面的工作。

Research on Control Strategy of Photovoltaic System Off-grid Operation in Micro-gird

XIE Shengnan1，3，MA Ping1，SU Shi2，YAN Yuting2，YANG Yang2
(1.North China Electric Power University，Baoding，Hebei 071003，China；2.Yunnan Electric Power Research Institute，Kunming 650217，China；3.Graduate Workstation of Yunnan Power Grid，Kunming 650217，China)

In off-grid photovoltaic power generation system，due to the instability of photovoltaic power generation and randomness，often equipped with a certain capacity of hybrid energy storage device，which is an integral part of the whole system.Based on the analysis of the photovoltaic power generation system and the work characteristics of the hybrid energy storage device，on the basis of this paper introduces the simulation model used in the simulation theory，and combining with actual simulation model and simulation results，this paper expounds the feasibility of this method.Experimental results prove the theoretical analysis is established，the test method is feasible.

hybrid energy storage device；photovoltaic power generation system；off-grid run

TM76

B

1006-7345(2014)06-0063-05

2014-07-21

谢胜男 (1990)，女，硕士研究生，云南电网公司研究生工作站，研究方向为智能电网的控制及相关接口的通信方面 (email)524321061＠qq.com。