接入电力电子变压器的光伏及混合储能协调控制策略研究

2022-06-21牟杰杨依睿徐永海徐少博

电力电容器与无功补偿 2022年3期

牟杰，杨依睿，徐永海，徐少博

（1.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京 102206；2.国网浙江省电力有限公司营销服务中心，杭州 311121）

0 引言

近年来，随着能源清洁低碳转型的推进和新型用能形式不断涌现，传统电网正在向能源互联网进行转型升级，分布式光伏和储能系统在电力系统中的应用不断增加。在此背景下，实现分布式光伏和储能系统之间的互联和协调控制成为研究热点[1-2]，可作为直流微电网与配电网接口设备的电力电子变压器（power electronic transformer，PET）受到了广泛关注[3]。PET 具有端口丰富、可控性好等优点，可应用于交直流混合电网、调控主网与微网间的潮流[4-5]，提高电网对分布式能源的消纳能力，并且将分布式光伏和储能接入PET 低压母线还能使PET 具有双向潮流控制和电源管理控制功能[6]，以PET 为核心的光储系统具有广泛的应用前景。

PET 在运行的过程中须考虑分布式能源发电的间歇性和波动性、直流母线电压稳定、交直流负荷的供电质量等一系列问题，设计相协调的工作模式及控制策略，协调各模块运行状态。文献[7]提出了一种基于直流母线电压的储能单元协调运行方法，可确保储能单元的稳定运行和不同模式之间的平稳切换，但未考虑储能单元的荷电状态（state of charge，SOC）是否处于正常范围内。文献[8]提出一种PET 与蓄电池储能协调控制策略，储能接口变换器采用电压电流双闭环恒压恒频控制，将储能SOC引入PET 输出级的虚拟同步机控制，保证微电网有功平衡及其与电网功率的柔性交换，但该方案中储能通过低压交流母线而非低压直流母线接入PET。

电压暂降事件发生频率高、危害大、影响范围广，是影响敏感负荷正常运行的最严重的电能质量问题，在设计PET 与光储系统的协调控制策略时也应该考虑暂降工况，以减弱或消除电压暂降的影响。PET 本身具有一定的电压暂降隔离能力[9]，PET 与储能装置的结合有助于提升PET 电压暂降隔离能力。如文献[10]将蓄电池和超级电容（super capacitor，SC）混合储能系统应用于三级式降压变压器结构PET，文献[11]在PET 输入级和隔离级之间增加了分散储能级，文献[12]在每个PET 模块中都加入储能单元，文献[13]指出PET 直流链电容、SC 及蓄电池均可以减轻电网电压和频率的扰动对负载的干扰。

综上，本文将光伏及蓄电池和超级电容构成的混合储能系统接入PET 低压直流母线，并提出相应的协调控制策略。该策略包含光伏系统两级式DC/DC 变换器控制策略、基于PET 低压直流电容瞬时功率的SC 控制策略以及考虑电压暂降工况和SOC的蓄电池控制策略，该策略可以充分利用蓄电池和SC 的互补工作特性和光伏发电电量，在负荷波动、电压暂降等工况下平抑PET 低压直流母线电压波动，为PET 的交直流负荷提供平稳可靠的电能供应。最后，在PSCAD 仿真环境中搭建了光储接入的PET 模型，验证了所提协调控制策略的正确性。

1 PET及光伏与混合储能接入拓扑

本文主要考虑低压配电网、无高压直流母线需求的应用场景，故选择基于级联H 桥的PET 典型拓扑进行研究，见图1。PET 输入级选用级联H 桥（cascaded H⁃bridge，CHB）结构，隔离级由若干个双有源桥（dual active bridge，DAB）串入并出组成，输出级为三相四桥臂电压源型逆变器。

PET 光储系统包括光伏发电系统和由蓄电池与超级电容组成的混合储能系统，见图2。混合储能系统由一组SC 和两组蓄电池组成，以满足系统实际运行的可靠性要求，并充分利用蓄电池的高能量密度和SC 的高功率密度的互补特性，使混合储能系统既有快速响应部分，又有足够的储能容量以满足负载调节需要，从而进一步发挥储能系统性能，提高低压直流母线电能质量。光伏发电系统、蓄电池和超级电容分别通过各自的DC/DC 变换器接入PET 低压直流母线。Dcp、Dcn 分别是低压直流母线的高压端和低压端。

图2 光储系统主电路Fig.2 Main circuit of photovoltaic and energy storage system

2 PET及其接入的光储系统协调控制策略

2.1 PET控制策略

输入级CHB 的控制策略与传统PWM 整流器控制策略类似，采用电压、电流双闭环控制。电压外环维持直流电压稳定，电流内环接收电压外环的指令进行电流控制。调制策略选用正弦脉宽调制（sinusoidal pulse width modulation，SPWM）。

隔离级控制的主要目标为稳定低压直流电压Udc，同时实现DAB 间的功率平衡。隔离级控制由一个电压外环和多个电流内环组成，电压外环维持端口电压稳定，多个电流内环用于实现模块的均流和功率平衡。电压指令值与实际值的差经PI 控制器作用后作为电流指令值，电流指令值与实际值的差再经PI 控制器作用后得到DAB 的移相比，利用该移相比实现DAB 的单移相控制。

输出级三相桥臂采用定电压控制，调制策略选用SPWM，电压环和电流环分别选择PR 控制器和PI 控制器；第四桥臂采用文献[14]提出的uf控制。

2.2 光伏发电系统控制策略

本文选择应用最为广泛的最大功率点跟踪（maximum power point tracking，MPPT）经典控制算法——扰动观察法，用于实现MPPT 的变换器选用Boost 电路，如图2 所示。

设开关管G 的占空比为D，则

为了在实现MPPT 的同时实现Uo与Udc的电压匹配，光伏发电系统增加了一级由全桥电路构成的DC/DC 变换器[15]。由于光伏只需要能量单向流通，故二次侧可采用二极管进行不控整流。一次侧H桥采用双极性调制，改变其占空比即可改变Uo1。当滤波电感L的电流连续时有

式中：D1为S1占空比；N1、N2为变压器原副边匝数。

2.3 超级电容控制策略

混合储能系统中蓄电池和SC 均通过非隔离型半桥双向DC/DC 电路接入PET 低压直流母线，见图3。

图3 非隔离型半桥式双向DC/DC电路Fig.3 Non⁃isolated half⁃bridge bidirectional DC/DC circuit

当采用同步整流技术时，有

式中：DTi为开关管Ti的占空比。从式（3）可看出，通过控制DTi即可控制变换器的输出电压。

SC 的工作状态可以划分为4 种工作模式：闭锁模式、定功率模式、恒压限流充放电模式和定Udc模式。以下依次说明SC 在除闭锁外3 种工作模式下的控制策略和SC 工作模式划分方法[16-19]。

2.3.1 定功率模式控制策略

PET 低压直流母线电容Cdc的接入位置见图4。idc1udc为DAB 输出瞬时功率，idc2udc为负载瞬时消耗功率，两者之差即为Cdc瞬时发出功率pCdc。

图4 PET低压直流母线电容Fig.4 PET low voltage DC link capacitor

由于DAB 输出瞬时功率包含开关次谐波分量，设负载瞬时消耗功率为定值，则pCdc也包含开关次谐波分量。使用低通滤波器将频率在DAB 开关频率以上的高频分量滤除即可得到PET 瞬时功率缺额稳态时；突然加载时，出现短时功率缺额突然减载时，出现短时功率盈余，因此，可设定一个突变的阈值，当波动幅度大于该阈值时，SC 采用功率外环和电流内环组成的双闭环控制，即为SC 输出功率的指令值；当波动幅度未超过该阈值时，采用电压外环和电流内环组成的双闭环控制算法对SC 进行恒压限流充放电。SC 对Udc的升高反应更灵敏，因此进入放电模式的阈值（设为Pth）应大于其进入充电模式的阈值（设为-αPth，0＜α＜1）绝对值。综上，当或时，SC 采用定功率控制；当时，SC 恒压限流充放电。

2.3.2 恒压限流充放电模式控制策略

当SC 处于恒压限流充放电模式时，SC 应将SOC 维持在适当水平，为下一次响应负载突变做好准备，保证SC 既可以吸收功率又可以发出功率。设SC 荷电状态为SOCN时，可发出和吸收的功率相等，则

式中：UH、UL和UN分别为SC 荷电状态上限SOCH、下限SOCL和SOCN对应的开路电压。

结合超级电容SOC 与开路电压的关系[20]可得

进而可以得到SC 恒压限流充放电的指令值

另外，为避免UC在UN附近时SC 频繁小电流充放电，当UC达到±2%UN附近区间时，将SC 闭锁，以避免UC在UN附近波动时SC 频繁进行小电流充放电。

2.3.3 定Udc模式控制策略

SC 的定Udc模式用于电压暂降恢复后，Udc过电压期间迅速将Udc降低至额定值Udcr。定Udc模式采用电压外环和电流内环组成的双闭环控制算法，以Udcr作为电压外环的指令值。

2.3.4 超级电容工作模式划分

考虑到网侧电压暂降发生情况、Udc波动情况和PET 瞬时功率缺额等因素，本文提出了如下的超级电容工作模式划分方法。

1）首先判断网侧是否发生电压暂降，如果发生电压暂降，将SC 闭锁（工况1）。这是由于网侧的电压暂降经过PET 输入级和隔离级的调节，PET 的低压直流母线电压不会出现阶梯式的下降，而是缓慢地下降的平均值仍然为0，但是波动幅度变大，如果仍采用定功率控制，可能会加剧Udc的波动。

2）电压暂降结束后，SC 继续闭锁一段时间至Udc上升至额定值。这是由于电压暂降结束时，Udc偏低，随后才会出现过电压，如果电压暂降结束瞬间将SC 投入定Udc模式，SC 会放电，反而导致Udc进一步升高。由于Udc不断振荡，此处判断Udc是否恢复额定值应采用低通滤波后的数值电压暂降结束且上升至额定值后，SC 进入定Udc工作模式（工况2），直至Udc回落至额定值，SC 进入恒压限流充放电模式（工况3）。

3）如果没有发生电压暂降，SC 处于定功率模式或恒压限流充放电模式。当时，SC 采用定功率控制（工况4）；当时，SC 恒压限流充放电。

综上，SC 的工作模式划分及控制公式见表1。

表1 超级电容工作模式及控制公式Table 1 Working mode and control formula of super capacitor

2.4 蓄电池控制策略

为充分利用蓄电池的高能量密度和SC 的高功率密度在性能上的互补性，当PET 输入功率或负载功率小幅扰动时，仅SC 即可快速稳定PET 低压直流母线，蓄电池无需投入工作，可对其进行定电流充电。当系统发生较大扰动（如短路故障引起电压暂降），PET 低压直流母线跌落时，蓄电池工作在定电压模式稳定Udc，同时需要考虑电压暂降恢复过程中定电流充电和定电压放电切换时的平滑过渡。这样可以提高系统动态响应速度，减少负载功率突变对蓄电池组的冲击，改善蓄电池组工况，延长蓄电池组使用寿命。

2.4.1 固定充放电分界值的改进下垂控制

蓄电池采用基于SOC 的下垂控制策略[21-24]，其控制表达式为

式中：SOCi为第i组蓄电池的荷电状态。

式中：Ri为第i组蓄电池变换器的下垂系数；RD为给定的初始下垂系数。

式中：Udc_ref为变换器1、变换器2 的输出电压指令值；δu为母线电压的二次补偿量。

直流母线电压指令值的表达式为

当Udc大于Udc_ref-Ridc+δu时，蓄电池充电；当Udc小于该值时，蓄电池放电。但是由于Udc还受到其他设备（如PET 的DAB）的控制，有时会出现Udc比Udc_ref-Ridc+δu略低，但仍在直流电压偏差范围内，且长时间保持稳定的情况。此时，蓄电池会以小电流进行长时间放电，影响系统应对电压暂降的能力。

为解决上述问题，本文进一步提出固定充放电分界值的改进下垂控制，人为设置固定的直流电压分界值Udc_low1和Udc_high1。当Udc≥Udc_low1时，蓄电池工作在恒流充电模式，保证蓄电池为下一次扰动做好准备；当Udc＜Udc_low1时，蓄电池工作在下垂放电模式，以实现Udc的稳定。同理，当Udc＞Udc_high1时，蓄电池工作在下垂充电模式。综上所述，蓄电池工作模式划分见表2。

表2 蓄电池工作模式划分（增加过渡分界值）Table 2 Working mode classification of battery（add transition limit value）

蓄电池充放电的直流电压分界值为

蓄电池恒流充电和下垂充电的直流电压分界值为

蓄电池组的特性曲线见图5。线段1 和2 分别表示SOC 较大和较小的蓄电池采用基于蓄电池SOC 的改进下垂控制放电，线段3 表示以Ich恒流充电。图5（a）为蓄电池在充放电模式切换点Udc_low1附近的特性曲线，图5（b）为蓄电池在恒流充电与下垂充电模式切换点Udc_high1附近的特性曲线。

图5 蓄电池组的特性曲线（固定充放电分界值）Fig.5 Characteristic curve of battery（fixed charge and discharge limit value）

2.4.2 增加过渡分界值的改进下垂控制

从图5 中可以看出，在Udc_low1和Udc_high1左右两侧，Idc差距较大，即切换充放电模式及切换恒流充电与下垂充电模式时，充放电功率差距较大，可能造成直流母线电压功率波动。因此，需要在Udc_low1和Udcr之间设置一段过渡区域。设Udc_low1＜Udc_low2＜Udcr，当Udc由Udc_low1回升至Udc_low2时，将放电功率降低至0；当Udc回升至Udc_low2以上时，从0 开始提高充电功率。当Udc回升至Udcr时，蓄电池定电流充电的指令值达到最大，为Ich。设置蓄电池充放电的直流电压过渡分界值为

同理，在Udcr和Udc_high1之间设置一段过渡区域，即设置Udcr＜Udc_high2＜Udc_high1，当Udcr＜Udc＜Udc_high2时，蓄电池以Ich恒流充电；如果Udc继续上升超过Udc_high2，蓄电池应该增加充电电流，吸收更多功率使Udc降低，由恒流充电模式向基于SOC 的改进下垂过渡；当Udc继续上升至Udc_high1时完成过渡，蓄电池进入基于SOC 的下垂充电模式。

Udc_high2的表达式为

增加过渡分界值后，蓄电池组特性曲线见图6。图6（a）为蓄电池在充放电模式切换点附近的特性曲线。线段1 表示SOC 较大的蓄电池采用基于SOC 的改进下垂控制放电，线段2 表示该蓄电池在基于SOC 的改进下垂放电和放电功率为0 之间的过渡，线段4 表示以Ich恒流充电，线段3 表示定电流充电的指令值在0 与Ich之间的过渡。图6（b）为蓄电池在恒流充电与下垂充电模式切换点附近的特性曲线：线段1 表示SOC 较大的蓄电池采用基于SOC 的改进下垂控制充电，线段2 表示该蓄电池在基于SOC 的改进下垂充电和以Ich恒流充电之间的过渡，线段3 和4 的含义和图6（a）相同。

图6 蓄电池组的特性曲线（增加过渡分界值）Fig.6 Characteristic curve of battery（add transition limit value）

可以通过已知的坐标和下垂系数（即斜率）计算出各线段下垂系数及表达式，最终改进后的蓄电池工作模式及其相应的控制公式见表3。

表3 蓄电池工作模式划分（增加过渡分界值）Table 3 Battery working mode（add transition limit value）

2.5 光储系统协调控制策略

光伏发电系统控制策略（2.2 节）、超级电容控制策略（2.3 节）和蓄电池控制策略（2.4 节）共同组成本文提出的接入PET 的光伏及混合储能协调控制策略，其控制框图见图7。PET 的拓扑及控制策略不限于第1 节和2.1 节的选择，光储系统接入具有低压直流母线和低压直流电容的PET 时都可以采用本策略。

图7 光储系统控制框图Fig.7 Controlblockdiagramofphotovoltaic⁃storagesystem

3 仿真分析

为验证上述各模块控制策略及协调控制策略的正确性，在PSCAD 中搭建模型进行系统发生小幅负载功率扰动及电压暂降的仿真。仿真主回路参数见表4，控制参数见表5。

表4 主回路参数Table 4 Main circuit parameters

表5 控制参数Table 5 Control parameters

3.1 系统突然减载仿真

为验证系统发生小幅扰动情况下SC 快速稳定PET 低压直流母线的能力，对光储接入的PET 突然加减载情况进行仿真。PET 启动时带5 MW 交流负载，t=0.4 s 时负载突变为4 MW。

图8为PET 低压直流母线电压波形图，负载突变前Udc稳定在750 V 附近，波动幅度不超过±1.5%。t=0.4 s 时负载突然减小，Udc呈现上升趋势，0.001 s后SC 迅速吸收盈余功率，Udc随之开始回落，期间Udc最大值为785 V，波动幅度不超过5%。

图8 PET低压直流母线电压Fig.8 PET low voltage DC bus voltage

图9为Cdc两侧瞬时功率（已滤除开关次谐波，下同）波形图，pCin_lf和pCout_lf分别是DAB 输出瞬时功率和负载瞬时消耗功率。稳定运行时pCin_lf≈pCout_lf≈4.4 MW，除包含交流负载4 MW 外，还包含蓄电池和SC 的充电功率。t=0.4 s 时负载突然减小，出现功率盈余，在此后约0.006 s 内pCin_lf＞pCout_lf。

图9 低压直流电容两侧功率Fig.9 Power on both sides of low voltage DC capacitor

图10 SC两侧功率差值、工作模式及充放电功率Fig.10 Power difference，working mode，charging and discharging power on both sides of SC

图11为光伏电池输出功率波形图，约1.5 s 时输出功率达到最大，最大功率约0.057 MW，可以看出光伏电池实现了有效的最大功率跟踪。

图11 光伏电池输出功率Fig.11 Output power of PV battery

3.2 系统突然加载仿真

以下为PET 启动时带4 MVA 交流负载，t=0.4 s时负载突变为5 MVA 的仿真波形图。

图12为PET 低压直流母线电压波形图，负载突变前系统达到稳态，t=0.4 s 时负载突然增大，Udc呈现下降趋势，0.001 s 后SC 迅速弥补功率缺额，Udc随之开始回升，期间Udc最小值为725 V，波动幅度不超过5%。

图12 PET低压直流母线电压Fig.12 PET low voltage DC bus voltage

图13为Cdc两侧瞬时功率波形图。负载突变前系统达到稳态，t=0.4 s 时负载突然增大，出现功率缺额，在此后约0.01 s 内pCin_lf＜pCout_lf。

图13 低压直流电容两侧功率Fig.13 Power on both sides of low voltage DC capacitor

图14 SC功率差值、工作模式及充放电功率Fig.14 Power difference working mode，charging and discharging power of SC

3.3 50%电压暂降仿真

以下为发生50% 三相电压暂降的仿真波形图。两个蓄电池组的初始SOC 分别为0.8 和0.6。参考文献[9]中的计算方法，若光储接入的PET 带额定负载时相电压有效值降低50%，可以隔离的最长电压暂降时间为0.45 s，因此设置电压暂降持续时间为0.45 s。图15 为PET 输入级网侧相电压波形图。暂降前，PET 网侧线电压有效值为10 kV。t=0.5 s 时，线电压有效值跌落至5 kV。t=0.95 s 时，暂降恢复。

图15 PET网侧电压（相电压）Fig.15 PET grid⁃side voltage（phase voltage）

图16为PET 低压直流母线电压波形图，电压暂降前Udc稳定在750 V 附近，t=0.5 s 时发生电压暂降后，Udc呈现下降趋势，电压暂降期间Udc最小值为737 V；t=0.95 s 时电压暂降恢复瞬间，Udc出现过电压，最大值为778 V，约0.3 s 后恢复至750 V。

图16 PET直流母线电压Fig.16 PET DC bus voltage

图17为蓄电池组1、蓄电池组2 输出电流波形图。Ibat＞0 表示蓄电池放电，Ibat＜0 表示充电。电压暂降前，两蓄电池处于恒流充电模式，Ibat1=Ibat2=Ich；t=0.5 s 时发生暂降后，Udc略有降低，两蓄电池工作于定电流充电（过渡）模式，充电电流减小，Ibat1=Ibat2；t=0.95 s 电压暂降恢复，Udc偏高，两蓄电池工作于基于SOC 下垂充电及基于SOC 下垂充电（过渡）模式，在此期间SOC 较高的蓄电池1 充电电流更小。

图17 蓄电池组1、蓄电池组2输出电流Fig.17 Output current of battery 1 and battery 2

图18为SC 工作模式及其充放电功率波形图。电压暂降前，SC 工作于恒压限流充放电模式（SC_mode=3），pSC≈-0.17 MW；0.5~0.95 s 电压暂降期间SC 闭锁。0.95 s 后，电压暂降恢复，当Udc过电压超过阈值时，SC 退出闭锁，进入定Udc工作模式（SC_mode=2），此时Udc偏高，故SC 充电。约t=1.1 s时，Udc回落至正常值，SC 回到恒压限流充放电模式（SC_mode=3）。