基于滤波原理的光氢超并网系统建模与功率控制*

2017-12-21杨少帅刘易

电测与仪表 2017年15期

杨少帅，刘易

（1.上海电力学院电气工程学院，上海 200082；2.国网江西省电力有限公司鹰潭供电公司，江西鹰潭 335000）

0 引言

随着传统能源消耗和环境污染日益加剧，可再生能源的有效利用已经受到全世界广泛关注。光伏新能源受外界环境变化影响，造成输出功率波动性较大，使其难以满足大规模并网的要求，并制约了可再生能源的发展［1］。氢气凭借其纯绿色、高效、易于储存等优势成为新兴的储能设备逐步应用到储能系统中，快速动态响应的超级电容器可以有效平抑功率中的高频分量［2］。因此，如何实现大规模光伏并网系统功率平滑控制成为国内外学者研究的热点。

目前，利用储能系统抑制光伏输出功率波动国内外学者进行了一定程度的探讨，文献［3］虽然提出了并网模式和孤岛模式下功率控制策略，但单一的蓄电池难以满足系统快速动态响应要求。文献［4］基于飞轮储能系统原理提出了飞轮储能系统的优化控制策略，然而旋转设备维护成本高，控制装置复杂限制了其应用范围。文献［5］提出了基于超级电容器-蓄电池技术性能互补性复合储能的功率控制策略，但蓄电池除了初投资大，折旧费高等缺点外，尤其像铅酸蓄电池还存在环境污染等问题。文献［6］中提出了利用共交流母线连接光伏组件、蓄电池和电网的控制策略，但系统各单元变换器控制电路较复杂。文献［7］提出基于低通滤波原理的光伏发电微网控制策略，但该策略未将超级电容器荷电状态作为约束条件，易导致其过放或过充。

本文针对存在的问题，提出光伏、电解槽、超级电容器和电网汇集于共直流母线的电路拓扑结构，通过功率协调控制策略分配功率流向，并稳定直流母线电压，从而实现光氢超混合发电系统主动并网。

1 混合系统结构与建模

混合系统结构示意图如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 System structure diagram

直流母线作为光伏阵列、电解槽、超级电容器和电网负荷的公共连接点。光伏阵列通过Boost电路连接至直流母线，电解槽由Buck电路连接至直流母线，而超级电容器则通过双向DC/DC变换器连接至直流母线，最后直流母线将汇集的三者功率通过DC/AC与电网相连。

1.1 光伏阵列模型

光伏阵列数学模型为［8］：

式中Ipv为光伏阵列输出电流；Iph为光生电流（其值取决于光照强度的变化）；Is为饱和电流；A为二极管理想系数；q为电荷量；K为玻尔兹曼常数；T为光伏阵列环境温度；Ns为光伏单元串并联个数；Upv为光伏阵列输出电压。

光伏阵列输出功率随着光照强度的增加而增加，为充分地利用太阳能资源，本文基于电导增量法［9］实现了光伏组件的最大功率点追踪（maximum power point tracking，MPPT）。

其变换器控制方程为：

式中αpv为光伏阵列变换器触发脉冲；Upvmpp为光伏最大功率点电压；Upv为光伏端电压；Kppv、Kipv分别为光伏阵列PI控制器比例、积分时间常数。

1.2 电解槽模型

电解槽数学模型为［10］：

式中Uel为电解槽端电压；Urev为可逆电池电压；Iel为电解槽电流；Ael为电解槽电极表面面积；r为电解液欧姆电阻参数；s和t为电极过电压系数。

其变换器控制方程为：

式中αel为电解槽变换器触发脉冲；Pelref为电解槽参考功率；Pel为电解槽功率；Kpel、Kiel分别为电解槽 PI控制器比例、积分时间常数；Udc为直流母线电压。

1.3 超级电容器模型

超级电容器数学模型为［11］：

式中Usc为超级电容器电压；Uoc为理想电容电压；Rsc为等效串联电阻；Isc为超级电容器电流；qsc为超级电容器理想电荷量；Csc为超级电容器电容值。

超级电容器荷电状态为：

式中SOC为超级电容器荷电状态；Qt为超级电容器总电荷量；Qr为超级电容器剩余电荷量；Umax和Umin为超级电容器的工作电压上下限值。

其变换器控制方程为：

式中αsc为超级电容器变换器触发脉冲；Pscref为超级电容器参考功率；Psc为超级电容器功率；Kpsc、Kisc分别为超级电容器PI控制器比例、积分时间常数；Udc为直流母线电压。

1.4 并网逆变器模型

并网逆变器采用d、q轴解耦双闭环PI控制，其控制方程为：

式中αd、αq分别为d、q轴坐标下逆变器触发脉冲；Udcref为直流母线电压参考值；Ud、Uq、Id和Iq分别为d、q轴电压电流；FUP为电压外环有功功率控制比例积分函数；FId为d轴电流内环比例积分函数；FUQ为电压外环无功功率控制比例积分函数；FIq为q轴电流内环比例积分函数；ω为锁相环输出频率；Ls为滤波电感。

2 混合系统功率控制

由于光照强度的随机性，混合发电系统的安全稳定运行会受到光伏出力Ppv的影响，因此需要储能设备来平抑光伏发电功率波动。考虑到高能量密度的氢气储能与高功率密度的超级电容器在性能上具有很强的互补性，本文采用电解槽制氢和超级电容器共同组成混合系统作为光伏发电系统的储能部分。基于低通滤波的原理，电解槽负责吸收剩余功率中的低频分量，长期有效地利用太阳能资源，超级电容器则凭借其高效性与快速性吸收光伏出力中的高频分量，降低电解槽功率频繁增减，延长电解槽的使用寿命。同时，考虑到电解槽额定出力约束和负荷可能出现短时用电高峰等特殊工况，超级电容器还将作为辅助设备向系统吸收/释放能量。

根据能量守恒定律，直流母线上各单元功率满足关系式：

式中C为直流母线电容；Pg为混合系统并网功率；Pel为电解槽功率；Psc为超级电容器功率。

直流母线不平衡功率（Pbus=Ppv-Pgref）通过低通环节得到电解槽初步功率参考值Pelpre，低通环节设计为一阶巴特沃低通滤波器：

式中T为滤波时间常数；Pelpre为未考虑约束条件电解槽参考功率；s为微分环节。

由于直流母线电压由并网逆变器钳制，即Udc基本维持在其参考值附近，故超级电容器的功率参考值为：

式中Pscpre为未考虑约束条件超级电容器参考功率；Pgref为混合系统并网功率参考值。

考虑电解槽额定出力约束和超级电容器SOC约束后的混合系统控制策略如图2所示。

图2 混合系统控制策略图Fig.2 Hybrid system control strategy diagram

其中Pelref为考虑约束条件后电解槽参考功率；Pscref为考虑约束条件后超级电容器参考功率；PelN为电解槽额定功率；SOC为超级电容器荷电状态；ΔPel为电解槽修正功率；ΔPsc为超级电容器修正功率。

为满足电网负荷曲线要求和太阳能资源的最大利用，在保证系统各单元安全稳定约束条件下，控制中心按照以下4种工况对功率参考值进行修正：

工况1：若限值管理前电解槽参考功率不大于电解槽额定功率（Pel_pre≤PelN）且SOC未超出上下限阈值（SOCmin≤SOC≤SOCmax），则：

工况2：若限值管理前电解槽参考功率大于电解槽额定功率（Pel_pre＞PelN）且SOC未超出上下限阈值（SOCmin≤SOC≤SOCmax），则：

工况3：若限值管理前电解槽参考功率不大于电解槽额定功率（Pel_pre≤PelN）且SOC超出上下限阈值（SOC＜SOCmin或SOC＞SOCmax），则：

工况4：若限值管理前电解槽参考功率大于电解槽额定功率（Pel_pre＞PelN）且SOC超出上下限阈值（SOC＜SOCmin或SOC＞SOCmax），则：

3 混合系统仿真分析

系统仿真参数如下：直流母线电压参考值为1 kV，电网电压380 V，电网频率50 Hz，开关频率为4 kHz，电解槽额定出力PelN为30 kW，超级电容器荷电状态下限阈值SOCmin为0.2，超级电容器荷电状态上限阈值SOCmax为0.9，直流母线电容0.002 F，滤波电感Ls为5 mH，仿真时间30 s，仿真步长为50μs。

光照强度曲线、光伏出力、电网负荷需求曲线及直流母线不平衡功率曲线如图3所示。

图3 光强、光伏出力、负荷及母线不平衡功率图Fig.3 Illumination，PV，grid load and unbalance power diagram

根据系统各参数设定值以及光照强度和负荷需求曲线，本文通过以下2个算例来验证所提出的控制策略有效性与正确性。

算例1：储能系统仅由电解槽构成，光伏输出功率仅由电解槽和电网负荷吸收。

算例2：储能系统由电解槽和超级电容器共同组成，光伏输出功率由电解槽、超级电容器和电网负荷吸收。

不同算例下直流母线电压追踪效果如图4所示。

图4 两种算例下的直流母线电压追踪图Fig.4 DC bus voltage track diagram under two examples

由图4可见，两种算例下的直流母线电压均能维持在参考值1 kV附近，表明并网逆变器控制可靠。算例1中的直流母线电压波动率约为2%左右，而算例2中电压波动率为0.6%左右，表明超级电容器凭借其快速充放电特性吸收直流母线不平衡功率的高频分量，从而能够有效地降低直流母线电压波动。

算例2下的电解槽运行曲线、超级电容器追踪曲线及超级电容器荷电状态曲线如图5所示。

图5 电解槽、超级电容器功率追踪及其荷电状态图Fig.5 Picture of electrolyzer，supercapacitor power tracking，and SOC

由图5可知，0 s～15 s内，光伏出力大于电网负荷需求，且剩余功率小于电解槽额定出力，通过低通滤波控制，电解槽吸收功率中的低频分量，超级电容器消纳其高频分量，其荷电状态基本维持在初始值附近。15 s～20 s内，光照强度显著增加，不平衡功率超出电解槽额定出力，控制中心进行参数限值管理计算，电解槽以额定出力运行，超级电容器作为备用负荷吸收直流母线剩余功率，同时其荷电状态SOC也迅速上升。20 s～25 s内，光照强度有所下降，系统恢复到正常工作状态。25 s～28 s内，电网负荷出现短时用电高峰，导致光伏输出无法满足负荷需求，超级电容器作为辅助电源及时释放自身能量，保证混合发电系统的供电可靠性。28 s～30 s内，用电高峰消失，系统再次恢复到正常运行状态。

未引入超级电容器的混合系统并网功率曲线如图6中Pg0所示，当电解槽出力超过其额定值时，混合系统不能按照负荷需求曲线Pgref实时并网，系统并网功率出现较大偏移。如图6所示，系统各单元均能按负荷曲线向电网负荷提供电能，在满足系统供电可靠性（见图6中Pgref）的前提下，实现了对太阳能资源的利用最大化，同时系统各元件均能安全可靠地运行在自身约束范围内。