基于级联型PET的光储并网系统结构研究

宣丽萍，闫姝含，张亚坤

(1.华南师范大学 数据科学与工程学院，广东 汕尾516600;2.黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，哈尔滨 150028)

0 引 言

由于光照存在间歇性、波动性等问题，导致光伏发电机组功率输出不均匀，频率也不具有规律性[1-3]。目前行之有效的做法是将光伏发电技术和储能技术结合在一起，形成光伏-储能混合并网发电系统[4]。然而，单一储能装置难以满足平抑功率波动的需求。混合储能系统是一种创新技术，由蓄电池和超级电容器组成，该技术结合蓄电池能量密度高和超级电容器功率密度高等优点，为电网提供高质量、高可靠性的电能[5-7]。

电力电子变压器(power electronic transformer，PET)作为光储并网系统的重要设备，具有高频电气隔离、功率潮流多向控制等功能，是传统工频变压器的替代方案，不仅继承了传统变压器的所有功能和优点，还降低了整体系统装置的体积[8-10]。

文献[11]提出了一种简易三级式PET结构，与双级式PET相比，带来了更多的可控性和灵活性。然而，受到半导体器件耐压性能的限制，该结构不适宜中高压应用场合。文献[12]提出了一种基于多绕组变压器的模块化级联型PET，该PET利用多绕组变换器进一步升压，然而多绕组变压器存在工程设计困难、制作工艺复杂等问题，在工程上不易实现。文献[13]提出一种基于独立直流母线的三级式PET，采用级联H桥变换器(cascaded H-bridge, CHB)提升电压等级，适合应用于高压大功率场合。然而，该结构采用各独立直流母线连接方式，对于输出电压的统一控制是不利的，并且三相输出功率存在不平衡问题。此外CHB直流侧电容上存在二次功率波动问题[14]。

为了解决上述结构遇到的问题，提出一种基于级联型PET的光储并网发电系统结构。首先，该结构采用公共直流母线汇集连接方式，与基于独立直流母线的三级式PET相比，该结构将电能均等地传输至三相电网，不存在三相相间输出功率不平衡问题，并且解决了公共直流侧二次功率波动问题。其次，隔离级利用CLLC谐振变换器恒增益高变比电压钳位的优点，采用单级控制策略代替传统双级控制策略，无需模块电容电压均衡控制策略，简化了控制系统。此外，提出一种功率分层协调控制策略，提升系统最大寿命，实现系统的稳定运行。通过设计并搭建1 MW/10 kV光储并网仿真系统，验证了所提出结构和控制策略的可行性和有效性。

1 基于PET的光储并网系统结构

基于级联型PET光储并网发电系统结构，如图1所示，该结构为三级式，分别是中压级、隔离级和低压级。低压级采用Buck/Boost变换器，可灵活控制混合储能系统工作于充、放电模式[15]。隔离级采用双向CLLC谐振变换器，减少了能量回流和IGBT关断电流，具有恒增益高变比电压钳位功能。中压级采用CHB变换器，具有高压大容量变频、输出电压波形谐波含量小、易于模块化扩展等优点。

图1 基于PET的光储并网系统结构

1.1 双向CLLC谐振变换器

双向CLLC谐振变换器拓扑结构如图2所示，由前级H桥、谐振电感、谐振电容、高频变压器(high frequency transformer, HFT)和后级H桥组成，拓扑结构垂直对称，功率正、反向流动时均可看作为LLC谐振变换器，因此该变换器能够双向传输功率，且不需要添加多余的缓冲电路，具有结构简单、造价低廉、易于实现等优点。

图2中：低压直流侧电压为Vi；中压直流侧电压为Vo；低压直流侧电容为C1；中压直流侧电容为C2；HFT一次侧电压和电流分别为v1和i1；HFT二次侧电压和电流分别为v2和i2；HFT变比为k；HFT一、二次侧的谐振电感分别为Lr1和Lr2，通过设计HFT的漏感参数，从而将漏感替代为谐振电感，进一步减小双向CLLC谐振变换器的体积；HFT一、二次侧的谐振电容分别为Cr1和Cr2，具有“通交阻直”的功能，一次侧H桥开关为Q1～Q4，二次侧H桥开关为S1～S4。

图2 CLLC谐振变换器拓扑结构

双向CLLC谐振变换器具有恒增益高变比电压钳位的功能，在不考虑电路损耗的情况下，其输入直流电压和输出直流电压公式如下：

(1)

1.2 级联H桥逆变器

CHB能够将低压直流转变为中压交流，因此适合应用于中压并网系统。CHB变换器拓扑结构如图3所示，其中：Lf为交流滤波电感，可有效降低输出电流谐波含量；Rs为交流线路等效内阻。H桥单元由4个IGBT开关组成，通过不同的开闭组合，可输出3种电平电压，分别为-Vo、0和+Vo。当级联单元为N时，总输出电压能够得到2N+1个电平的交流电压波形，这种波形能够减少输出交流电流中的谐波分量，减轻滤波器的滤波压力。

图3 CHB变换器拓扑结构

由于CLLC谐振变换器具有恒增益高变比的电压钳位功能，因此PET无需使用电压均衡控制策略，CHB的输入端各直流电压符合Vo,1=Vo,2=…=Vo,N。因此，CHB总输出电压表示为

(2)

式中：vm,j为CHB总输出电压；N为H桥级联单元数量；Mj为CHB占空比信号(j=a，b，c)，各相N个H桥单元公用一个占空比信号。

2 光储并网系统控制策略

根据上文平均模型，提出了光储并网系统控制策略，其包括三级并网控制策略和功率分层协调控制策略。

2.1 三级并网控制策略

光储并网系统是一个耦合性强，具有非线性特性的一种系统，因此对于并网有功功率和无功功率的控制格外困难。采用三级并网控制策略如图4所示，分为MPPT控制、电压均衡控制和电流内环解耦控制。Boost变换器实现MPPT控制，利用CLLC谐振变换器的电压钳位功能，将传统双级控制替换为单级控制策略，无需模块电容电压均衡控制。电压均衡控制和电流内环控制均采用PI控制器。电流内环引入网侧电压电流作为前馈量，实现有功功率和无功功率的解耦控制，从而实现单位功率因数运行。PET端电压的控制方程为

(3)

图4 三级并网控制策略

式(3)中：ud、uq分别为PET端电压直轴、交轴分量；ug,d、ug,q分别为电网电压直轴、交轴分量；ig,d、ig,q分别为电网电流直轴、交轴分量；ig,d,ref、ig,q,ref分别为参考电网电流直轴、交轴分量；ω为电网电压角频率；Lf为滤波电感；kp、ki分别为电流内环PI控制器比例环节增益和积分环节增益。

2.2 功率分层协调控制策略

为了抑制光伏发电产生的功率波动，延长混合储能系统的最大寿命，提出一种功率分层协调控制策略，其共分为三层：协调管理层、优化分配层和功率控制层，如图5所示。

图5 混合储能系统分层协调控制策略

PHESS=Pref-PPV

(4)

(5)

(6)

对锂电池进行频繁充放电会影响其最大寿命，通过优化分配层根据各组锂电池的SOC值实时确定其充、放电优先级顺序，减少锂电池频繁充放电现象。功率分配逻辑流程图如图6所示。根据各组锂电池SOC的状态值决定其工作模式，SOC值大的锂电池组优先工作于放电模式，SOC值小的锂电池组优先工作于充电模式，经过限幅后的目标功率分配给各组锂电池。

图6 各锂电池组逻辑流程图

图7 Buck-Boost变换器控制框图

3 仿真验证

为验证提出的光储并网系统结构及其控制策略，在Simulink环境下对系统稳态和暂态模式进行仿真，仿真模型如图8所示，仿真参数如表1所示。

3.1 稳态结果分析

如表1所示，光伏逆变器HFT变比为1∶2，直流侧电压Vi为1 kV，CHB占空比信号Mj幅值设为0.8，相电压理论幅值为8 kV，理论有效值为5.66 kV。光伏阵列仿真模型采用的型号是Kyocera KD140GX-LP，使用串联+并联连接方式组成光伏阵列以提升输出直流电压并提高功率输出等级。该光伏阵列仿真模型采用共50×148个光伏电池进行串并联连接。图8所示为PET结构网侧电压电流的输出波形，波形质量良好，无明显波动，验证了所提光储并网结构的有效性。

图8 1 MW光储并网PET结构网侧输出电压和电流

表1 1 MW三相PET并网仿真系统参数

总谐波失真率(total barmonic distortion, THD)是并网逆变器的一个重要参数。图9所示为Simulink仿真得到的PET结构输出电压FFT。图中可以看出，PET的输出电压以50 Hz基波分量为主，但在2fi、4fi、6fi附近仍然存在较高的谐波分量，谐波含量随着频率的增加而降低。

图9 PET输出电压频谱分析图

M为CHB占空比幅值，其取值范围是0≤M≤1。改变M大小，使其值由0.1到1之间变化，绘制出PET输出电压M与THD之间的关系，如图10所示。随着M的增大，总谐波畸变率逐渐减小，从而得到良好的输出波形。

图10 PET输出电压THD与占空比M之间的关系

3.2 暂态结果分析

混合储能仿真系统由两组锂电池和一组超级电容组成。锂电池额定功率为300 kW，额定容量为375 kW·h，额定电压为800 V；SOC额定功率为300 kW，容量为8 MJ，额定电压为800 V。两组锂电池的SOC初始值分别为0.6、0.5。图11所示为光伏阵列某天500 min光照数据压缩到5 s后的光照曲线图，该曲线图模拟了自然光照的不均匀变化。

图11 光伏阵列输出功率变化曲线

并网系统在稳态工况下输入功率恒定在1 MW，当光伏阵列输出功率出现波动时，混合储能系统削峰填谷。根据式(4)得出混合储能系统参考功率曲线如图12所示。

图12 混合储能系统参考功率曲线

功率协调控制策略对混合储能系统进行控制后，得出两组锂电池和超级电容器的实际输出功率曲线如图13～15所示。由于第一组锂电池初始SOC大于第二组锂电池初始SOC，因此第一组锂电池应用于放电模式，第二组锂电池应用于充电模式。

图13 第一组锂电池输出功率曲线

图14 第二组锂电池输出功率曲线

图15 超级电容器输出功率曲线

当光伏阵列输出功率波动较大时，储能系统可吸收部分功率；当光伏阵列输出功率较低时，储能系统可释放能量补偿光伏出力不足。光伏阵列输出功率经过储能系统平滑后，输出功率的波动范围明显缩小，如图16所示，并网输入有功功率稳定在1 MW，并网输入无功功率稳定在0 kW。

图16 经过平滑后并网输入功率曲线

4 结 语

首先,提出了一种基于级联型PET的光储并网发电系统结构，该结构无需模块电容间的均压控制，消除了公共直流电容存在的二次功率波动，并能够保证三相相间功率平衡。其次，提出了三级控制策略和功率分层协调控制策略，提升系统最大寿命，简化了控制结构。通过设计并搭建1 MW/10 kV光储并网系统仿真模型，验证了所提结构和控制策略的可行性和有效性。