含复合储能的光伏并网控制策略研究

于 传 张少文 朱海铭

（1.国网安徽省电力有限公司培训中心，安徽合肥230022；2.安徽电气工程职业技术学院，安徽合肥230051；3.南京工程学院电力工程学院，江苏南京211167）

0 引言

太阳能是无穷无尽的，且绿色环保，因此光伏发电是目前清洁能源的主要利用形式之一。但光伏发电快速大规模发展使其缺点更加突出，亟需解决以下两大问题：（1）光伏发电易受光照、温度等气象条件影响，间歇性和不规则性问题明显，且发电质量较低；（2）光伏发电储存困难，传统的储能技术已经不能满足未来大规模的绿色能源发展需求。因此，清洁、高效的储能技术成为解决光伏高效并网问题的关键。

太阳能发电和储能相结合已成为光伏发电未来主要的利用形式。文献[1]提出了一种分布式集成控制策略，主要包括光伏发电和储能系统在直流微电网中的集成运用。文献[2]提出了一种混合光伏/燃料电池系统的建模方法。文献[3]提出了一种可再生能源和燃料电池混合电源，其储能装置适用于分布式发电，PV和PEMFC系统通过DC/DC变换器并联运行。文献[4]提出了一种由膜燃料电池、光伏板和超级电容器组成的网格连接能量管理中心，其中光伏模块采用最大功率点跟踪控制。文献[5]提出了利用光伏电池和氢燃料电池的分布式发电系统中的氢管理方法。文献[6]研究了由光伏与燃料电池混合系统供电的新型电动汽车建模、控制和功率管理。综上所述，基于复合储能的光伏发电是未来能源利用的热门方向，应加强这方面的技术研究和应用。

本文将研究光伏发电和混合储能模块，其中储能模块主要包括电解槽、燃料电池和锂电池。各模块功率都汇集到直流母线再经逆变器输送到电网中去，控制中心实现整体协调，以此满足电网不同情况下的负荷需求。

1 含复合储能的光伏系统结构

混合系统用于提供负荷，保证负荷需求不中断。考虑到清洁环保的问题，使用可再生能源，如太阳能、氢能等。除能源外，混合系统还包括直流或交流转换器、存储系统和控制管理系统，所有这些组件都可以通过公共的直流母线来连接。本文搭建的复合系统结构如图1所示。

图1 光储复合系统结构图

由图1可知，结构图左侧PV模块、EL模块、FC模块、LIB模块并联于直流母线，右侧是逆变器并网系统。PV提供能量给EL，EL电解水产生氢气，氢气除了可以直接使用外，还能当作燃料供给电池，提高了出力效率；LIB吸收或消纳不平衡功率。中心控制单元会根据各单元模块的运行参数来判定系统运行状态，并随即给出控制信号，保证直流母线电压稳定不变，通过DC/AC连接到电网的功率平滑。

在搭建的系统中，直流母线电压动态方程会对每个单元与电网之间的电气连接造成影响。通过协调光伏发电模块、电解槽制氢模块、燃料电池模块和锂电池模块流入/流出直流母线的总电流可以确保母线电压不会大幅度波动，并且系统功率实现互补。其中，流入/流出PV模块、EL模块、FC模块和LIB模块的电流与直流电压满足方程式：

式中：Ipv、Ifc、Iel、Ilib、Igrid分别为流入/流出PV模块、FC模块、EL模块和LIB模块的电流，以及流入DC/AC变流器的电流。

2 光储系统控制策略

考虑到需要电能产生氢气的电解槽、需要氢气发电的燃料电池，以及需要利用锂电池能量密度高、能够快速充放电来消除系统功率不平衡量等特性，采用并网逆变器控制和每个单元层的电源管理策略来实现有源电网连接。

2.1 光伏发电控制策略

PV系统采用MPPT控制策略，其控制模块主要由三部分组成，分别是最大功率点跟踪（MPPT）、Boost升压控制、逆变器控制。具体控制策略如图2所示。

图2 光伏发电控制策略

首先需要通过Boost升压电路来提高由于光伏发电不稳定导致的较低输出电压，然后再接入逆变器送入电网。将光伏模块的输出电压Upv和电流Ipv送入MPPT控制模块，得到光伏最大功率运行点。将输出电压Upv和参考电压Upv_ref进行比较，再通过PI控制器实现闭环控制，得到脉冲控制信号g，从而实现期望的输出电压值。

其中，控制信号g的表达式为：

2.2 燃料电池控制策略

燃料电池需要满足敏感负载需求，以保持在不同运行情况下的持续供电。其系统控制模块主要由DC/DC变换器组成，具体控制策略如图3所示。

图3 燃料电池控制策略

如图3所示，系统以协调各模块功率为目的产生参考功率Pfc_ref，FC模块将功率参考值和实际值的误差通过PI控制器实行电流闭环控制，再根据Ifc_ref与Ifc两者的误差产生控制信号Tfc，由Tfc来调整FC模块输出电压。

2.3 锂电池储能控制策略

混合系统协调控制中的LIB单元控制策略具体如图4所示。LIB单元通过快速充电和放电，并采用恒定功率控制，可以吸收/发出因为EL和FC响应延迟而引起的系统功率不平衡量。具体控制如下：参考功率Pref，除以LIB端电压Udclib，可以得到电流参考值Ilibref。最后通过PI控制器进行闭环控制，根据Ilibref与Ilib的误差值产生控制信号gt1和gt2，由gt1和gt2来调整LIB模块输出电压。

3 仿真结果分析

在第2节所建控制模型的基础上，通过PSCAD/EMTDC来搭建整体系统模型，深入研究含复合储能系统的光伏并网控制运行，具体仿真工况分析如下：

设定光照强度G=1 000 W/m2，T=25 ℃，Pfcref=Pelref=Plcref=0.05 MW。由仿真结果得PV出力Ppv=0.265 MW，燃料电池发电Pfc=0.05 MW，EL消纳功率Pel=0.05 MW，LIB输出功率Plib=0.05 MW，网侧负荷需求Pgrid=0.3 MW。PV出力和燃料电池总功率小于网侧负荷需求和EL消纳功率之和，此时系统有功功率缺额为Pnet=Ppv+Pfc-Pgrid-Pel=-0.035 MW，LIB快速动作，补充有功缺额，LIB处于放电状态。

当系统运行到1.5 s时，增加PV出力和减少电解槽额定消纳功率。改变光照强度G=1 300 W/m2，T=25 ℃，Pelref=0.04 MW，Pfcref=Plcref=0.05 MW。仿真结果如图5所示。

图4 锂电池储能控制策略

图5 混合系统仿真结果

图5仿真结果表明，1.5 s时电流明显增大，负荷需求变为Pgrid=0.4 MW。PV模块电压、电流、功率均有明显增长，PV出力增长为Ppv=0.35 MW；EL模块电压、电流、功率均有明显下降，EL消纳功率降为Pel=0.04 MW；燃料电池发电Pfc=0.05 MW；LIB 输出功率Plib=0.05 MW。此时系统所缺有功功率为Pbus=Pgrid+Pel-Ppv-Pfc=0.04 MW，LIB快速动作，补充系统的有功功率缺额，LIB处于放电状态。随着LIB放电时间的增加，其端电压不断下降，当仿真运行到Ulib=Ulib_min时，LIB退出运行。LIB补充的功率即为系统功率缺额。

仿真结果表明，在混合系统中，PV模块以最大功率运行，向电解槽和燃料电池供电。锂电池作为有干扰时提供负载的主电源，能够快速实现完全充电和放电，实现四个模块之间的协调控制。

4 结语

本文给出了含混合储能的光伏系统结构，并搭建了每个模块的控制模型和系统模型，通过仿真结果之间的比较可以充分验证所构建集成系统各单元模型的准确性以及所提控制策略的有效性。结果表明，使用PV、EL、FC和LIB混合电网连接可以实现集成系统的可控输出，维持电网功率平稳，使直流母线电压保持恒定，还可以降低光抑制率，保证系统安全可靠运行。