光伏微电网PCC点功率跟踪双闭环控制策略及应用实例

陈任峰，黄少伟，陈来军，赵丰富，傅冬生，王 斌

(1.清华大学电机系，电力系统国家重点实验室，北京100084;2.宣城供电公司，安徽宣城242000)

1 引言

随着全球能源危机愈演愈烈，人们对可再生能源利用的需求日益迫切。其中，太阳能作为一种重要的可再生能源，因其清洁、低碳等优点，逐渐成为世界各国推广应用的对象。光伏发电作为太阳能利用的重要形式，随着成本下降而在世界范围内掀起了应用高潮。近年来，我国也相继出台了一系列政策，支持光伏发电的推广［1，2］。

然而，光伏发电的大量接入引起的谐波、闪变等电能质量问题会对配电网的安全运行造成一定影响［3-7］。同时，光伏发电本身具有间歇性、随机性的特点，使配电网无法对其进行快速、有效的调控。这些问题在一定程度上制约了光伏发电的推广应用。

21世纪初，学者提出微电网的概念［8-10］，希望通过光伏微电网的形式使光伏发电更加友好地接入配电网，并且能够参与配电网协同调度，成为配电网的“好市民”。目前，对光伏微电网调度方面的研究多集中在优化策略和算法的设计［11-14］，而提升光伏微电网自身可调度性的研究较为少见，尤其是对光伏微电网与配电网之间公共联接点(Point of Common Coupling，PCC)的功率控制，更鲜有提及。作为一类特殊的独立电力系统，光伏微电网可调度性及可控性的优劣，不仅决定了微电网与配网协同调度能否顺利完成，更决定了光伏微电网离网运行时能否稳定运行［15］。因此，对其进行研究具有重要的意义。

光伏微电网可调度性主要由它与配电网联络线功率的调节能力来体现，可通过光伏微电网PCC点功率跟踪控制实现。本文首先设计了一种工程实用性较高的PCC点功率跟踪控制策略，并在此基础上对其中的外环和内环控制器进行了具体设计。之后，通过仿真分析和系统运行实验，对本文所设计的策略进行了性能测试。

2 传统PCC点功率跟踪控制策略

如图1所示，光伏微电网功率主要由四部分组成，分别是光伏微电网中PCC点功率(PPCC)，光伏发电功率(PPV)，储能系统输出功率(PESS)以及负载消耗功率(PLoad)。

图1中，各功率的平衡关系可描述为:

其中，光伏发电功率和负载消耗功率在微电网运行过程中会随时波动，可控性差。因此，要保证PCC点功率维持在给定水平，即让PPCC的值满足调度需求，可通过控制储能设备的功率输出来实现。

图1 光伏微电网功率流示意图Fig.1 Power flow diagram of PV microgrid

光伏微电网运行中，PPV和PLoad可通过实际采样计算获取，且PCC点功率设定值为已知参数，由此可获得储能系统输出功率的参考值PESS-ref:

式中，PPCC_set表示PCC点功率设定值;PPV-m和PLoad-m分别表示光伏发电和负载的实测功率。

从控制角度来看，在获取PPCC_ref后，需对储能系统采用有功无功控制(PQ控制)，使其输出的功率PESS跟踪参考功率PPCC_set，从而使PCC点功率达到设定值。但需要指出的是，在实际工程应用中，尚存在如下原因导致传统控制策略难以实现:

(1)传统控制策略中，需监测较多的电气量，尤其是可变功率流，如PPV-m、PLoad-m，实时监测困难;

(2)用于储能系统功率输出参考值计算的其他量测值如PPV-m、PLoad-m，均需要分别传输至储能控制器的计算模块。一般而言，工程实际中常采用485通信方式，其存在较大时延，不具备快速的数据传输和通信能力。因此，储能控制器将难以实时计算出参考功率，导致实时跟踪和补偿功率困难。

3 改进PCC点功率双闭环跟踪控制

针对传统控制策略在实际应用中存在的困难，本文提出一种改进的PCC点功率跟踪控制策略，用以实时跟踪光伏微电网PCC点功率设定值。图2给出了双闭环跟踪控制的框图。

该控制策略主要包含外环控制和内环控制两部分。其中，外环控制器用于计算储能系统所需功率输出参考值的控制信号;内环控制器用于产生PWM调制所需的控制信号。控制器的具体设计分述如下。

图2 改进PCC点功率跟踪双闭环控制框图Fig.2 Improved double closed loops control strategy for PCC power flow control

3.1 外环控制设计

外环控制器主要实现控制目标，并产生内环控制所需参考信号。其控制框图如图3所示。

图3 外环控制器Fig.3 Out-loop controller

图3中，vd_PCC和id_PCC，vq_PCC和 iq_PCC分别为 PCC点三相电压和三相电流经过dq变换得到的d轴和q轴分量。

若在dq变换中选取d轴与电压矢量同方向，则q轴电压分量为零。此时，基于瞬时功率理论，即可求出PCC点的功率值PPCC_m和QPCC_m。然后，与给定参考信号PPCC_set和QPCC_set进行比较，经由PI对误差调节后，产生作用于内环的控制信号idref和iqref。一般地，为提高控制性能，常令QPCC_set=0。外环控制通过对PCC点功率监测值和设定值的计算和分析，确定了储能设备功率补偿的方向和大小。

3.2 内环控制设计

内环控制器主要进行精细调节，用于提高PCS输出的电能质量和动态响应性能。其控制框图如图4所示。

图4中，ed和id，eq和iq分别为储能系统能量变换器(Power Converter System，PCS)出口处三相电压和三相电流经dq变换获得的d轴和q轴分量。L为系统等效电感;ω=2πf为系统角频率。

内环控制器将取得的三相瞬时电流iabc经Park变换后变换为dq轴分量id和iq，与外环控制器输出的“参考信号”idref和iqref比较，并对误差进行PI控制，通过电压前馈补偿和交叉耦合补偿，输出电压控制信号vd与vq。内环控制器很好地实现了有功功率和无功功率的解耦控制。

图4 内环控制器Fig.4 Inner-loop controller

4 仿真分析与实验验证

为验证本文所提方法的正确性和有效性，分别进行了仿真分析和安徽宣城光伏微电网实际系统运行实验。

首先，采用商业仿真软件EMTDC/PSCAD搭建仿真平台。仿真时长为0.5s，仿真步长为3μs。仿真中的主要参数如表1所示。

表1 仿真中的主要参数Tab.1 Main parameters of simulation

进一步在安徽省宣城市某光伏微电网示范基地，对所提方法进行了实验验证。宣城光伏微网含有公网电源、光伏、储能、负荷四个组成部分，其中储能双向变流器、微网集中控制器等关键设备均为项目课题组自行设计和实现，PCC点功率跟踪控制算法采用本文所提出的双闭环控制策略。微网系统拓扑如图5所示。

从图5中可知，宣城光伏微网的电气单元主要包括:

(1)容量为100kWp光伏发电单元。共由装机容量为5.25kWp的四楼露台BIPV光伏采光顶单元、装机容量为34.32kWp的五楼屋顶BAPV光伏顶棚单元和装机容量60.84kWp的BIPV光伏车棚单元三个光伏发电子单元组成，分别通过一个5kW的单相逆变器、三个30kW的三相逆变器和24个200W的微型逆变器接入380V交流母线。

图5 宣城光伏微电网拓扑Fig.5 Topology of Xuancheng PV microgrid

(2)锂电池-超级电容组成的混合储能单元。锂电池储能单元容量配置为50kWh，主要由三个部分组成:①162个3V锂电池单体模组串联组成518V储能单元;②锂电池管理系统单元(BMS);③容量100kW的双向功率变换器。超级电容储能系统主要由四个部分组成:13个50.4V/166F超级电容模组串联组成650V/12.8F储能单元，超级电容管理系统单元，超级电容充电机单元，双向功率变换器。

(3)总功率为65kW的四组负载单元。分别为二层、三层、四层的照明和空调负载各20kW，以及一层热水炉5kW。各负载支路均能实现远程监测和远程控制。

(4)容量为100A的电能质量综合治理单元。根据本系统的容量，光伏系统专用电能质量综合治理装置对电源和负荷同时进行无功、谐波和三相不平衡等电能质量综合治理。

(5)交直流配电单元(含PCC点开关)，由直流配电单元和交流配电单元组成，同时微电网通过PCC点开关与配网相联。

针对以上所述的仿真平台和宣城光伏微电网实际系统，根据PCC点功率跟踪控制的需求，对有功功率控制进行仿真与实验，并分别设置零功率模式、恒功率模式以及曲线功率模式等三种运行工况进行有效性验证。

4.1 零功率模式

零功率模式即控制联络线功率为零，即光伏微电网与配电网之间没有功率交互。PCC点零功率模式运行是微电网主动离网的前提。仿真与实验结果分别如图6和图7所示。

从图6可看出，联络线功率实际值在0附近小幅波动，满足功率跟踪需求。对于图7，由于实验过程中示波器只能测量电压电流值，故可通过电路理论，即P=2UI，计算出联络线功率(下同)。其大小也在零值附近。

图6 零功率模式仿真结果Fig.6 Simulation result of zero power mode

图7 零功率模式实验结果Fig.7 Field test result of zero power mode

4.2 恒功率模式

恒功率模式即控制联络线功率为某个恒定值，此时光伏微网可向大电网输送或者吸收功率，是实现光伏微网与大电网之间能量交互的重要形式。设定联络线功率值为－10kW(负号表示电网吸收功率)，结果分别如图8和图9所示。

图8 恒功率模式仿真结果(－10kW)Fig.8 Simulation result of constant power mode

图9 恒功率模式实验结果(－10kW)Fig.9 Field test result of constant power mode

从图8和图9中可以看出，联络线功率给定为－10kW时，PCC点实际功率都比较接近设定功率值，具有良好的跟踪效果。

4.3 曲线功率模式

曲线功率模式主要是规定联络线功率设定值为一固定曲线，这种模式适合调度人员进行计划调度。

仿真与实验中均设置PCC点功率从10kW运行一定时间后变为－10kW。结果如图10和图11所示。

图10 曲线功率模式仿真结果Fig.10 Simulation result of power curve mode

图11 曲线功率模式实验结果Fig.11 Field test result of power curve mode

从图10和图11可以看出，采用所提控制联络线功率的方法，可较好地跟踪预先设定的功率曲线。在功率设定值发生突变时，仿真中过渡较快，但存在轻微冲击;实验中过渡过程较慢，主要是和系统的动态响应有关，但响应时间在40ms以内，满足功率跟踪的需求。

综上，仿真和实验表明本文所设计的光伏微电网PCC点功率跟踪双闭环控制策略能够快速、准确地调节微电网与配电网的联络功率。

5 结论

PCC功率跟踪控制对微电网的调度运行至关重要。本文提出了一种改进的双闭环控制策略用于实现PCC点功率跟踪，取得了较好的控制效果，主要体现在以下两方面:

(1)所提控制策略减少了实时监测量，解决了传统方法中实时监测困难的问题。同时，监测量和计算量的减少也改善了通信时延的问题。

(2)所提方法能够稳定地跟踪联络线功率设定值，在多种运行工况下均能快速响应，具有较高的工程应用价值。

仿真和实验结果表明了本文所设计策略的有效性和实用性，为光伏微电网参与配电网的协同调度奠定了基础，也能为其他微电网的可调度性提升提供了借鉴。

值得注意的是，所提控制策略主要针对三相电压对称情况。对于三相电压不平衡以及故障条件下的联络线功率控制，将是今后的研究重点。

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