光伏微电网多目标优化控制

袁建华　徐泽晖　李波　代春燕

（三峡大学电气与新能源学院　湖北　宜昌　443002）

光伏微电网多目标优化控制

袁建华徐泽晖李波代春燕

（三峡大学电气与新能源学院湖北宜昌443002）

光伏微电网内较多电力电子装置和敏感负荷的存在导致电能质量下降；光伏电源逆变器按最大功率设定其容量，却由于光伏发电出力波动性其容量不能充分利用，其迫切需要提高供电可靠性和解决建设成本高等问题。本文提出一种基于分布式光伏逆变器的微电网多目标优化控制策略，一方面实现网内光伏电源的最大功率发电，另一方面利用逆变器剩余容量来提高光伏微电网的电能质量。通过微电网并网模式下对光伏电源实施最大功率追踪，孤岛模式下基于光伏电源出力特性曲线，对工作于非最大功率点的光伏电源实施最大功率预估，最后通过求取光伏逆变器实时最大有功、无功容量来解耦建立逆变器群的多目标优化函数及其对应的控制方法。最后仿照IEEE标准建立6节点光伏微电网并对其多目标优化控制方法进行了计算验证。

分布式；光伏发电；逆变器复用；微电网；多目标优化

1　引言

新能源中太阳能和风能等总量丰富且可再生，满足能源持续发展和减少环境污染要求而备受世界关注[1～2]，我国也把新能源作为新兴产业之首，并支持分布式光伏发电[3～4]。微电网把类型和数量众多的分布式电源联合起来形成供能系统，减缓了分布式电源的不利影响，充分发挥其优势。光伏微电网由于太阳能光伏发电安装灵活，同建筑物相结合，适合在公共电网覆盖良好的中心城镇广泛应用。光伏微电网并网时可为公共电网提供补充，提高包含微电网和公共电网在内电力系统的经济效益[5～9]。光伏微电网大多建设在厂房和单位楼宇屋顶。这些场所一般为公共配电网末梢，存在着许多无功功率频繁变化的设备和敏感负荷；同时微电网内存在的大量电力电子装置也会产生较多谐波，微电网并网和孤岛运行时电压稳定是薄弱环节。

微电网内光伏逆变器随电源分布式配置，容量较小，传统使用时不承担无功调节功能，其额定容量依光照等环境因素最优下的光伏电源最大出力来设置。当环境因素变差或依控制需要，光伏电源出力变小后，逆变器具有相对较多的剩余容量。虽然单个光伏逆变器剩余容量有限，但微电网具有一定规模后，众多光伏逆变器总剩余容量就很可观。

基于此，本文通过研究建立微电网光伏逆变器群最大有功、无功容量的多目标优化函数，提出一种光伏微电网多目标优化控制：并网模式下，多目标优化控制微电网内光伏发电总功率最大，以及基于逆变器群的剩余容量来提供无功支撑和改善电能质量，优化微电网内和公共连接点电压水平；离网模式下，多目标优化控制微电网内储能装置获取功率最大，以及逆变器群提供无功功率和改善电能质量，优化微电网内电压水平。

2　传统分布式光伏逆变器控制

分布式光伏逆变器前端的光伏电源初始产生电压较低的不稳定直流电。不稳定的直流电需经一级直流升压电路把电压升到符合逆变要求的较高电压值并保持稳定，然后再经逆变器逆变成交流电后接入微电网母线。常用两级三相光伏逆变器电路拓扑结构如图1所示。

由图1可知，前级Boost电路除了承担把光伏电源输出的电压较低直流电升高到符合后级逆变电路要求的直流电压外，还在最大功率追踪（MPPT）控制器的控制下追踪输出光伏电源的最大功率。分布式光伏逆变器额定容量较小，传统控制时不承担无功补偿功能，即逆变电路则把前级Boost电路传递过来的光伏发电直流电逆变成与公共电网电压同频同相的交流电输入电网。

图1　两级三相光伏逆变器电路

3　多目标优化下光伏逆变器控制策略

由图1可知，光伏逆变器后级逆变电路结构和静止无功发生器（SVG）相比没有本质差别，即光伏逆变器不仅可以把光伏电源发出的直流有功功率逆变后送入电网，也可以依据电网的需求发出一定容量的无功功率。虽然单个分布式光伏逆变器剩余容量有限，但微电网具有一定规模后，众多光伏逆变器总剩余容量就很可观。这些剩余容量可以用来对微电网实施无功支撑，提高系统电压水平。

3.1并网模式下光伏电源及逆变器控制方法

光伏微电网并网模式下，通过公共连接点与公共电网相联，微电网母线上交流电压由公共电网来维持稳定。为更好利用微电网内光伏发电，光伏逆变器对各分布式光伏电源实施MPPT[10]控制。

光伏逆变器可采用PQ控制，即控制逆变器输出指定的有功和无功功率。逆变器输出的有功功率为前级Boost电路实施MPPT控制下，追踪得到的光伏电源最大功率；逆变器输出的无功功率则为系统最优电压水平下要求输出的，以及在实时剩余容量范围内的指定数值的无功功率。可见在微电网并网模式下，主要以光伏发电最大化为控制目标，同时兼顾微电网电压水平最优。

3.2离网模式下光伏电源及逆变器控制方法

离网模式下微电网与公共电网断开，此时微电网交流母线上并联有分布式光伏逆变器和储能装置用双向逆变器。其额定容量差异性明显，在采用集中储能的微电网中，储能装置端双向逆变器容量要比分布式光伏逆变器容量大得多。离网模式下要维持微电网电压稳定，可采用主从控制。设定储能装置端双向逆变器为主逆变器，微电网交流母线电压主要由其决定，其它分布式光伏逆变器均为从逆变器，仍然采用PQ控制，但此时指定的PQ参考值产生机制不同。

逆变器群控制策略为主逆变器维持微电网母线电压，各从逆变器采用下垂控制（P-f和Q-V），依据各逆变器前级光伏电源实时最大功率和与之对应的剩余容量来分别确定下垂系数。

4　算例分析

本文通过在PSASP程序中建立一个IEEE7节点光伏微电网模型，并以此为例来说明基于逆变器群的多目标优化控制算法，如图2所示。各支路阻抗和各节点功率均已以标幺值标示于图中。节点1为配网变电站（公共电网）平衡节点，电压保持为定值，即U1=1.06+j0，光伏微电网并网时与其联接，离网时与其断开。节点2、3为分布式光伏电源，可当作PQ节点，图中所标功率为其实时功率，依据有功和无功功率解耦计算，其有功功率和无功功率上限相加应不超过1。节点4为光伏微电网中集中储能装置的接入节点，依据微电网并网或离网工作模式的改变，分别对其等效为PQ节点和平衡节点，并网时储能装置主要针对自身荷电状态需求进行充放电，离网时储能装置端逆变器需要维持微电网母线电压稳定，称为一个平衡节点。模型中节点5、6为负荷节点，为简单PQ节点。其基准功率为100kW，计算精度为ε=10-5。

图2　光伏微电网模型及其拓扑参数

光伏微电网中分布式光伏逆变器采用传统不承担无功补偿控制策略时，系统潮流计算如图3所示。

图4为对微电网逆变器群实施多目标优化控制策略后系统潮流分布，分布式光伏逆变器在承担把光伏电源发出的直流功率转变为交流有功功率并入微电网外，还依据系统无功需求在自身剩余容量的基础上实施无功支撑。

5　结论

本文针对光伏微电网中分布式光伏发电、电力电子变换、储能和控制的固有特点，对光伏逆变器和无功补偿的拓补结构和功能特性进行比较分析。提出在微电网中原本仅承担有功逆变而不承担无功补偿的分布式光伏逆变器依据其实时剩余容量，在完成光伏发电最大并网发电的同时实时为系统提供无功支撑；基于网内逆变器群的有功和无功的优化控制实现了微电网多目标优化，一方面实现网内光伏电源的最大功率发电，另一方面提高了光伏微电网的电能质量。多目标优化控制可为光伏微电网的低成本规模化开发利用提供理论支撑，也为提高未来传统电网吸纳、利用可再生能源电源的能力提供技术支持。

图3　光伏微电网分布式逆变器传统控制下潮流分布

图4　光伏微电网多目标优化控制下潮流分布

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