提高光伏微网电压稳定性的储能设备控制策略研究

安裔铭，冯星淇，张明理

（1.龙源电力股份有限公司，北京 100037；2.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015）

专论

提高光伏微网电压稳定性的储能设备控制策略研究

安裔铭1，冯星淇1，张明理2

（1.龙源电力股份有限公司，北京 100037；2.国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁 沈阳 110015）

储能设备及其控制策略对于保证微网电压稳定具有重要意义。针对提高光伏电源并网状态下的微网电压稳定水平与抗扰动能力，对光伏电源并网储能装置的功率协调控制策略进行研究。首先以蓄电池作为主要储能单元，通过检测光伏电池与负荷功率差确定充放电控制器Buck－Boost工作模式，使储能装置能够同时平抑光照强度与负荷变化造成的功率波动，稳定DC母线电压水平。其次，对系统能量进行协调控制管理，使光伏电池和储能装置协同工作，蓄电池与超级电容器协调出力，进一步快速维持直流母线电压稳定。通过LZ电压稳定检测指标及PSCAD平台仿真，计算储能装置停运与投运状态下的电压稳定水平，验证储能系统在双向变换器协调控制下能够有效维持交流端母线电压稳定性，达到设计目的。

微网；电压稳定；光伏发电；储能设备；协调控制

微网技术可增强电网抵御自然灾害的能力，提高电力系统的可靠性和安全性，对于电网乃至国家安全都有非常重大的现实意义。微网电压稳定是微网实现可靠供电的重要前提，然而，由于微网中的光伏发电系统受光照等外界环境的影响，电压稳定裕度不能保证稳定在良好的水平，同时微网本身的低惯性特点进一步导致微网本身在重负荷运行下的耐扰动能力很低，易发生电压事故［1－2］。

如何抵御光照强度降低等因素导致的微网电压稳定问题一直是微网研究的重要方面。多数文献采用宏观调度方案，当监测电压稳定性接近极限时，采用强制切除部分负荷的方式来保证对关键负荷点位置的供能［3－4］。微网应实现全面可靠供电，单纯的负荷切除调度方案无法使所有负荷的供电可靠性得到保证。

国内外对此进行了许多研究，其中较新的解决措施为合理使用储能装置来调节功率平衡。文献［5］提出提高微网过负载能力有效方法是追加储能装置。文献［6］提出将储能装置加装在微源并网节点是防御光伏、风机等微源功率波动渗透微网系统的措施之一。文献［7］提出，在储能装置研究中，如何设置储能与光伏电源之间的协调功率控制策略是研究的热点问题。良好的储能单元控制策略能够有效平抑光源带来的功率波动，并使微网交流侧功率输出能够实时匹配负荷变化所需，整体提高微网的电压稳定水平，增强微网重载荷运行、受功率扰动时的电压稳定性，进而加强其供电可靠性。

本文针对提高光伏电源并网状态下的微网电压稳定水平与抗扰动能力，对光伏电源并网储能装置的功率协调控制策略进行研究。

1 储能装置及其控制策略设计

1.1 系统结构

系统包括能量源光伏电池阵列，能量缓冲的储能系统。通过MPPT对Boost升压变换器的控制实现光伏阵列的最大功率输出，同时利用Boost升压变换器可调整光伏阵列较低电压升到直流母线所需的电压，并保持稳定，实现光伏阵列的最大功率跟踪［8－9］。系统结构如图1所示。

图1 系统结构

储能系统经过DC／DC双向变换器跟光伏组件在系统直流侧并联。该拓扑结构可实现储能系统与光伏系统共享同1套DC／DC逆变器，可改善系统响应速度，充分使用储能装置容量控制成本。双向DC／DC变换器保持两端电压不变而改变电流方向实现电能的双向流动，削峰填谷，平抑光伏功率波动及直流母线功率波动。

1.2 储能装置协调控制策略

通过储能系统与光伏阵列之间能量流动协调管理，保持DC母线的功率与电压稳定，提高能源利用率。良好的储能系统能量流管理策略便于平衡发电系统的能量流，有利于系统稳定运行及更好地平抑光伏功率波动［10］。

复合储能选择超级电容和蓄电池作为储能器件，通过协调控制光伏阵列、储能装置和负载三者之间的能量流达到功率平衡，最终把直流母线的电压波动保持在1个系统可以接受的相对稳定状态。

在系统中，当光伏电池产生的功率大于负载需求时，储能系统超级电容和蓄电池充电储能；小于负载需求时，超级电容和蓄电池放电。通过合理分配能量流有效控制2台变换器合理控制光伏电池、负载、储能系统三者之间的能量关系得到某种程度的匹配，就可实现系统能量的协调控制，保持系统稳定运行。

a.双向变换器的充放电控制策略

系统能可靠运行的前提是确保光伏电池与储能系统之间相互协调工作，能够调节直流系统的能量流向。为了使功率输出能够跟踪交流端负荷需求，根据光照强度产生的功率与负荷功率的差值ΔP以及蓄电池的荷电状态SOC来判断控制双向变换器中电流的方向及能量流动的方向，并使双向充放电变换器在Buck充电、Boost放电和关机3种模式间切换。使储能系统协调运行，从而稳定直流系统电压。蓄电池SOC可以通过检测其端电压来确定。双向变换器工作模式如表1所示。

表1 双向变换器工作模式

协调控制策略主体可分为电压外环控制，电流内环控制与功率平抑控制3个环节。电压外环控制实现系统直流母线的恒压控制。直流母线Udc首先与基准电压Udc－ref作差比较，经过PI控制器误差放大，调节比例系数为0.2且积分系数为50，再与储能系统的电流控制信号相加得到电流内环的反馈信号。

在电压外环与电流内环反馈控制平抑功率波动过程中，产生的功率缺额或冗余由储能装置补充或吸收。电流的大小与方向是由双向变换器控制实现的，分为控制放电Boost模式和控制充电的Buck模式。

在Buck／Boost充放电控制环节，双向变换器通过控制2个开关管的通断实现Boost放电模式与Buck充电模式之间的切换，调整对应开关管的占空比D控制充电电流，与外环电压控制系统共同实现对系统直流母线的恒压控制。

以从储能侧经过直流串联电感L流向DC／DC母线方向为电流的参考方向。当光生电流因为光照强度变化而变化时，电感电流IL为状态变量。设Kpl和Kil为PI控制调节器的比例积分系数，则在Boost电路中存在如下方程。

当开关管导通时，得状态方程：

当开关管关断时，得状态方程：

合并以上2式的状态方程：

Boost模式的控制方程：

Boost模式电流内环的控制方程：

同理可得到Buck模式的控制方程：

Buck模式电流内环的系统控制方程：

在混合储能系统中，因超级电容器快速响应能力与蓄电池缓慢充放电的特性，用RC低通滤波器滤波完成储能系统的高低频率分配。在负荷或光照强度出现快速扰动时，超级电容器能够快速响应，实现能量阶跃突变。在负荷持续上升或光照强度持续降落时，蓄电池电流缓慢变化，长时间维持功率平衡，保持DC端电压水平，进而保证AC端供电电压不发生失稳。相比于无储能系统或无协调控制策略情况，储能系统协调控制策略的作用下母线电压能够稳定在原有水平，并能够承受更多的负荷增长，不发生电压崩溃事故。

2LZ电压稳定判别指标

根据戴维南等效原理，任意微电网中的某条支路都可以由1端节点等效为2节点系统，如图2所示。功率从i端流向j端，Pj＋jQj为所考虑支路的末端功率，末端节点的电压为Vj∠θ。

对于图2中的2节点系统，根据电流平衡关系，末端存在相量关系：

图2 2节点戴维南等值图

式中：是末端功率Pj＋jQj取共轭值；Yjj是末端点j自导纳；̇Ij是i端流向j端电流值。

一般电压稳定性理论中的电压稳定极限的定义为：当前单条支路传输功率极限的位置。当支路抵达电压稳定临界，存在如下关系：

根据式（9）构成当前支路电压稳定性判别指标：

即可得到当前支路的电压稳定指标计算式：

由指标的构造可知：节点电压稳定水平越高则LZij越小，反之LZij越大，当前节点达到电压崩溃临界时，指标值升到临界值2。所以从整个微网出发，LZij值最大的支路决定了整个微网的电压稳定水平。微网系统电压稳定LZ指标可以构建为

决定LZ值的节点为系统电压最薄弱节点，系统往往从最薄弱位置开始发生电压崩溃。根据实际值与临界值之间的差值可以构造微网系统电压稳定裕度指标。

3 仿真分析

如图1所示，系统直流母线设定为直流电压700 V，光伏列阵输出电压为150～350 V，列阵输出峰值功率为22 kW蓄电池组容量为300 Ah、560 V，能够以10 A均流放电30 h。超级电容器作为蓄电池的辅助单元，快速调节直流母线的功率平衡，其值为70 F。Boost变换器输入电压150～350 V，输出电压700 V，光伏电池直流母线通过DC／AC逆变装置连接外部交流网络，馈线末端用（24.5＋38.0j）Ω阻抗模拟功率17 kW，额定电压220 V的负荷。

系统参数如表2所示。

为了模拟实际微网运行中的负荷增长，控制光照强度恒定，负荷以0.1／s增长因子连续增加，同时采集负荷端交流电压与电流，实时追踪LZ指标变化，直至达到电压崩溃。监测LZ电压稳定指标值如图3所示。

表2 系统参数

图3 LZ指标有效性验证

由图3可以看到，LZ指标值曲线随负荷因子增长呈现持续增长状态，在电压稳定临界时接近临界值2，验证了LZ指标的有效性。

3.1 储能控制系统投运与停运下系统电压稳定水平对比分析

设置微网系统在储能设备全部投运，储能设备全部停运2种不同状态下运行。设置负荷节点投入不同负载功率，并记录2种状态下的LZ指标值如图4所示。

图4 不同负载功率下系统LZ指标对比

由图4中的LZ指标值变化可以看到，当负荷节点空载时，2种运行状态LZ值均在较低水平。当负荷投入最大载荷量的一半，无储能系统投运的运行状态LZ值相较有储能系统投运有显著提升，标示系统电压稳定水平的下降。当负荷投入最大载荷量时，无储能系统投运的运行状态LZ值接近电压稳定临界极限，有储能系统投运下的LZ值距电压稳定临界值依然有显著距离。

3.2 不同运行状态下储能控制系统投运与停运电压稳定水平对比分析

设置微网系统在储能设备全部投运，储能设备全部停运2种不同状态下运行。同时降低光照水平直至负荷节点的LZ指标接近值2，使微网的负荷节点电压稳定裕度降低到接近极限点。并设置负荷在运行至1 s时刻发生小扰动，监测2种运行状态下负荷点电压变化情况。

仿真结果表明没有储能设备投运时，重载荷运行系统无法承受扰动，发生电压崩溃，无法继续向负荷供电。当含协调控制策略储能设备投运时，在负载接近电压稳定裕度极限时依然具备一定的扰动防御能力。

不同运行状态下受扰动后的系统相图（状态变量IL，Id，其中Id为逆变器交流测电流矢量的d轴分量）如图5，图6所示。

图5 联合储能系统投运状态下重载系统受扰动时相图

图6 联合储能系统停运状态下重载系统受扰动时相图

由图5和图6可以看到，没有储能设备投运时，受扰后系统各个状态参量发生持续性的单调滑动，无法恢复到原运行点，发生电压崩溃。当含协调控制策略储能设备投运时，受扰后系统能够自发减幅振荡，并快速恢复至原有运行点，保证电压回到原有水平稳定供电。

4 结论

光伏并网运行给微网的电压稳定性造成隐患。本文在传统光伏电池并网运行模型基础上，设计由超级电容器与蓄电池联合构成的直流端储能装置，并设计根据蓄电池SOC状态与光照强度－负荷需求功率差调节储能充放电功率的协调功率控制策略。由仿真微网平台上试验以及LZ电压稳定判别指标的监测，验证了功率协调控制策略对于消除电压稳定隐患的有效性，并得到以下结论。

a.本功率协调控制策略能够自动平抑光源波动与负荷变化带来的功率失衡，进而显著减弱光源波动与负荷变化对电压稳定造成的影响。在重负荷以及光照强度减弱的运行状态下，能够根据负荷的增长自行调解功率输出，使功率维持均衡。对于长期负荷变化与短期负荷扰动均能够有效防御。

b.LZ指标在微网环境中依然具有适用性，能够在光伏与储能系统联合运行时，在负荷点位置实时测量电压与电流相量构建指标计算，准确判别电压稳定状态与电压稳定裕度。

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Research on Control Strategy in Energy Storage Equipment to Improve Voltage Stability of Micro－grid

AN Yi⁃ming1，FENG Xing⁃qi1，ZHANG Ming⁃li2
（1.China Longyuan Power Group Co.，Ltd.，Beijing 100037，China；2.Economic Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110015，China）

Energy storage device and its control strategies are great significance for ensuring the micro－grid voltage stability.In this pa⁃per，micro－grid voltage stabilization levels and increasing of the photovoltaic power grid anti－state disturbance capability is studied，coordinated control strategy of photovoltaic power grid storage device is deeply researched.Design target is achieved throughLZvoltage stability detect index and PSCAD simulation platform by computing voltage stabilization level of outage and put into operation an energy storage device and verify that the storage system can effectively maintain stability of AC bus voltage by bidirectional coordinated con⁃trolled converter.

Micro－grid；Voltage stability；PV power generation；Energy storage equipment；Coordination control

TM712

A

1004－7913（2016）04－0001－05

安裔铭（1978—），男，学士，工程师，从事电力系统、新能源并网技术研究。

2015－12－10）