含脉冲负载光储微电网运行特性研究

崔灏然 王金全 黄克峰 姚卫波 周美权

含脉冲负载光储微电网运行特性研究

崔灏然 王金全 黄克峰 姚卫波 周美权

（陆军工程大学国防工程学院，南京 210007）

脉冲负载的暂态特性会对光储微电网的稳定运行产生不利影响，为了分析含脉冲负载光储微电网的运行特性，探究提升光储微电网电能质量的途径，本文对含脉冲负载的光储微电网进行仿真建模和试验测试，分析脉冲负载峰值功率L、脉冲周期及占空比对光储微电网交直流母线电能质量的影响规律，并进一步探究光照强度变化对含脉冲负载光储微电网稳定运行的影响，为含脉冲负载光储微电网的应用设计提供依据。

微电网；脉冲负载；下垂控制；建模仿真；光伏发电

0 引言

近年来，为改变以化石能源为主的发电现状，推动电能供给侧结构的转型，缓解全球环境污染问题，以太阳能、风能为代表的可再生能源越来越受到重视。在微电网中，光伏发电的稳定性受到天气等因素的制约，需要并入储能系统对电能进行消纳，维持系统内供电稳定，这样就构成了光储微电网[1-2]。随着军事装备的更新换代，以相控阵雷达为代表的先进装备被广泛应用。雷达的负荷特性呈连续脉冲状，这类负荷被称为脉冲负载[3]。采用多源并联的光储微电网为脉冲负载供电，一方面可以增强雷达等重要负荷的供电可靠性，另一方面由于太阳能等新能源的引入，可以减少柴油发电机的燃油消耗，达到节能减排的目的[4]，特别是能够缓解偏远地区油料运输、存储的压力，具有重要的实用价值。但这类微电网容量有限，光伏功率输出具有强烈的随机性，脉冲负载带来的高频率、高功率连续冲击会造成母线电能质量下降。

针对含脉冲负载微电网的相关研究，多以柴油机、储能系统、直流微电网、市电接逆变器带脉冲负载为主。文献[5]构建柴油发电机-整流器-雷达脉冲负载的试验平台，分析滤波电容、脉冲负载的峰值功率、占空比和开关周期对系统动态特性的影响规律。文献[6]将模糊控制引入柴油机调速系统中，减少脉冲负载条件下柴油发电机的转速波动，改善发电机输出电能质量。文献[7]针对逆变器带脉冲负载系统进行仿真建模和试验测试，分析脉冲负载不同工作模式对逆变器运行的影响规律，但是直流端采用恒压源为逆变器供电，相当于系统容量无限大，削弱了脉冲负载对系统的影响。文献[8-9]以现代电子雷达为研究对象，提出脉冲负载新型等效拓扑，建立基于开关函数的脉冲负载大信号模型。文献[10-11]针对直流微电网，利用超级电容快速响应的特性，构建混合储能供电的结构，抑制直流微电网中脉冲负载引起的功率波动。但是雷达多为交流负载装备，在供电时只能将其看作“黑箱”，无法改变其内部直流系统结构，在工程应用中难以直接使用直流母线为雷达负载供电。文献[12]针对交直流微电网并网和孤岛两种工作模式，提出多源协调潮流控制策略，提升了脉冲负载条件下微电网的稳定性，但是所用脉冲负载的脉冲频率很低，与雷达负载实际工况有较大差距。

结合工程实际，本文以交直流混合微电网为研究背景，构建“光伏+储能+逆变器+脉冲负载”的拓扑结构，搭建相应的仿真和试验平台。通过仿真和试验分析脉冲负载不同工作模式对微电网电能质量的影响规律；通过仿真进一步探究脉冲负载条件下，光照强度变化对光储微电网稳定运行的影响。

1 脉冲负载条件下光储微电网结构

本文采用文献[12]提出的离网型光储微电网结构，在确保脉冲负载条件下系统稳定运行的基础上，可以充分利用可再生能源，其结构如图1所示。光伏单元与储能单元并联在直流母线，经过逆变器将电能转换为交流电，为交流母线负载供电。储能单元采用恒压控制，光伏单元采用最大功率点跟踪（maximum power point tracking, MPPT）控制，交流母线的电压和频率由逆变器控制。

图1 微电网系统结构

1.1 光伏发电单元建模

光伏发电阵列由多个光伏电池经过串并联组成。光伏电池的精确模型十分复杂，部分参数很难直接测量，不便于研究。为此，文献[13]推导了实用性较强的模型，该模型使用光伏电池的4个主要电气参数：标准条件下（光照强度ref=1 000W/m2、温度ref=25℃）短路电流scref、开路电压ocref、最大功率点电压mref和最大功率点电流mref的测试参数。非标准条件下的-方程[13]为

非标准条件下的短路电流sc、开路电压oc、最大功率点电压m和最大功率点电流m分别为

式中：air为空气温度；为温度系数，其值为0.03℃·m2/W；补偿系数、、分别为0.002 5℃、0.5m2/W、0.002 88℃；为实际光照强度。

在Matlab/Simulink环境中，通过式（1）和式（2）搭建光伏仿真模型，设置参数oc=175.12V，sc=23.79A，m=146.32V，m=20.50A，最大功率为3kW。采用Boost升压电路作为直流母线侧光伏模块的接口电路，用最大功率跟踪控制来实现光伏发电控制，具体的控制算法已经较为成熟，此处不再赘述。

1.2 蓄电池储能单元建模

直流母线是微电网中各个直流端口连接的桥梁，分布式发电单元输出功率具有较大的随机性，同时脉冲负载也持续带来高频功率扰动，对直流母线的电压稳定造成不利影响。储能单元可以通过充放电控制保持母线上的功率平衡，稳定直流母线电压。

储能单元由蓄电池和双向DC-DC变换器组成，图2为储能单元的结构。蓄电池采用通用模型，由内阻和受控电压源串联组成[14]。在运行过程中，通常保持不变，的计算式为

式中：E0为内电动势；Cmax为蓄电池的最大容量；Qe为放电量；A、B、K均为拟合参数，通过蓄电池的放电特性曲线得到；Aexp(-BQe)用于描述初始放电阶段的指数特性。根据式（3）建立蓄电池通用模型，设置参数E0=108.724V，R=0.02W，K=0.021 008，A=9.272 4，B=0.3。

双向DC-DC变换器采用电压电流双环控制。dc为直流母线电压，b为蓄电池的电压；dc为直流母线侧电容，b为蓄电池侧电容，为电感。图3为双环控制框图，电压外环中，采集直流母线实际电压dc与参考电压dcref比较得出的差值，经过PI调节器后作为内环电流参考值bref送入电流环，并与蓄电池电流b比较，得出的差值经过PI调节器送至PWM调制器，生成控制信号，实现对蓄电池充放电的控制。

图3 双环控制框图

1.3 逆变器建模

逆变器是离网型微电网中的关键环节，保持输出电压和频率的稳定，实现能量的双向流动。图4为三相电压型逆变器的电路原理，由于系统中线路比较短，可以忽略线路阻抗的影响。逆变器由逆变环节、接口电路和控制环节组成，直流侧与直流母线相连接，交流侧经滤波电路与交流母线相连。

图4 三相电压型逆变器电路原理

逆变器常用的控制方式有：控制、/控制、下垂控制及虚拟同步机控制。下垂控制是通过模拟发电机功频特性使分布式电源共同参与维持系统频率和电压的稳定，可实现多逆变器并联的无通信控制。本文采用下垂控制作为逆变器的控制方式，便于后期多逆变器并联的研究，其简化等效电路如图5所示。

图5 简化等效电路

图5中，∠为分布式电源输出电压，∠0为交流母线电压，为电压幅值，为电压功角，j为线路阻抗。当线路阻抗为感性时，分布式电压输出有功功率和无功功率为

由式（4）可知，当线路等效为感性时，分布式电源输出有功功率取决于，无功功率取决于，实现和的下垂控制，其核心控制方程为

式中：0、0分别为逆变器额定输出的有功功率和无功功率；分别为逆变器实际输出的有功功率和无功功率；f、u分别为有功/频率下垂系数和无功/电压下垂系数；0、0分别为逆变器频率和电压的参考值。

图6为下垂控制框图，首先通过测量分布式电源输出的有功功率和无功功率，利用下垂特性确定和的参考值，经过电压电流双环控制器生成SPWM调制参考信号，进而控制逆变器。

图6 下垂控制框图

1.4 脉冲负载建模

脉冲负载的种类多种多样，其中相控阵雷达是连续脉冲负载典型代表。相控阵雷达阵面由多个T/R组件构成，在信号发射时输出功率很高，而在信号接收时输出功率很低，因此相控阵雷达的负荷特性呈现出峰值功率高、平均功率低、脉冲周期为毫秒级的脉冲特性[3]。根据雷达负载工作实际情况，构建如图7所示的脉冲负载等效模型，由整流器、DC-DC稳压电路和直流开关负载组成。采用三相不控整流器将交流电整流为直流，经过Buck变换器稳压后为直流开关负载供电，控制开关SL的通断使负载特性呈脉冲状，通过改变开关SL的开关周期、占空比和电阻L的阻值，使脉冲负载呈现出不同的工作模式。

图7 脉冲负载模型

2 含脉冲负载光储微电网运行特性研究

根据图1的结构，在Matlab/Simulink仿真平台中搭建暂态仿真模型，同时构建实物试验平台，试验装置如图8所示。储能单元由多个蓄电池串联组成，最大输出功率为15kW，光伏单元采用Chroma公司62050H—600S光伏模拟器，最大输出功率为3kW，脉冲负载结构如图7所示，使用高速同步数据采集系统采集试验数据，采样频率48kHz。仿真与试验参数设置一致，主要参数见表1。

图8 试验装置

表1 主要参数设置

2.1 脉冲负载条件下电能质量评价指标

在含脉冲负载的微电网中，交流母线电压、频率、直流母线电压始终处在波动中，导致多数描述微电网电能质量的指标不适用于含脉冲负载的微电网。文献[15]充分考虑脉冲负载条件下微电网的独特性，提出了电压相对偏差率（relative deviation rate, RDR）和直流电压波动率udc、频率波动率f、交流电压波动率u，来评价含脉冲负载微电网交直流母线电压和频率质量，其表达式分别为

式中：dc_av为采样周期内直流电压的平均值；dc_max和dc_min为采样周期内直流电压的最大值和最小值；max、min分别为采样时间内频率的最大值和最小值；av为频率的平均值；max、min分别为采样时间内电压有效值的最大值和最小值；av为交流电压有效值的平均值；()为t到t+td时刻采样的交流电压；b()为与()频率、电压、相位一致的参考正弦信号；d为交流电压()的周期及脉冲负载工作周期两者的最小公倍数；bj为t到t+td时刻参考电压b()的有效值；t为采样时刻的起始点；为d的整数倍。

2.2 仿真与试验对比

在试验和仿真平台中，设置脉冲负载的峰值功率L为8kW，脉冲周期为56ms，占空比为50%，仿真和试验结果如图9所示。图9（a）和图9（b）分别为试验和仿真交流母线电压波形，图9（c）和图9（d）分别为试验和仿真交流母线电流波形，图9（e）和图9（f）分别为试验和仿真直流母线电压波形。

从图9可以看出，脉冲负载导致系统电压和频率质量严重下降，交流母线电压电流严重畸变，直流母线电压出现大幅度波动，仿真和试验波形基本一致，表明了所构建仿真模型的有效性。

2.3 脉冲负载不同工作模式对系统的影响

为了消除光伏功率波动的影响，在仿真和试验平台中将环境设置为标准工况（光照强度为1 000W/m2、温度为25℃）。通过脉冲负载峰值功率L、脉冲周期和占空比的不同组合，改变脉冲负载工作模式，分析脉冲负载不同工作模式对系统的影响，结果如图10～图12所示，其中实线为试验曲线，虚线为仿真曲线。

设定脉冲负载工作周期为56ms，占空比为50%，改变脉冲负载的峰值功率L，系统各项电能指标见表2，多项式拟合曲线如图10所示。从图10可以看出，随着峰值功率L增加，负载对系统的冲击越强烈，f、u、RDRudc均呈上升趋势。

表2 峰值功率PL变化时各项电能指标

图10 改变峰值功率PL时系统电能质量

表3为脉冲负载峰值功率L=12kW，占空比= 50%，改变脉冲负载的脉冲周期，系统各项电能指标参数，图11为对应的多项式拟合曲线。从图11可以看出，脉冲周期增加时，udc、f、u、RDR均先上升后下降。分析其原因，当较小时，脉冲负载变化速度比较快，系统中的滤波电容能够补偿脉冲负载带来的冲击，系统电能质量较好；随着不断增加，脉冲周期已经超过系统中滤波电容的充放电时间，不足以补偿脉冲负载带来的冲击，此时系统电能质量逐渐恶化；当增大到一定程度时，脉冲负载对于系统而言可以等效为阶跃负载，此时系统电能质量逐渐好转。

表3 脉冲周期T变化时各项电能指标

图11 改变脉冲周期T时系统电能质量

表4为脉冲负载峰值功率L=15kW，脉冲周期=56ms，改变脉冲负载的占空比，系统各项电能指标参数，图12为对应的多项式拟合曲线。从图12可以看出，占空比增加时，f、u、udc均先上升后下降，并在≈50%左右时达到最大。分析其原因，当趋于0时，脉冲负载平均功率较小，对系统冲击弱，f、u、RDRudc值较小；当在50%附近时，脉冲负载平均功率变大，脉冲特性逐渐增强，对系统的冲击较强，f、uudc值达到最大；当趋近于100%时，因为脉冲负载内部结构含有不控整流器，可等效为整流型负载，对系统冲击减弱，f、u、udc值逐渐减小，但此时因负载功率较大，谐波功率也会较大，使电压波形发生畸变，此时RDR值仍比较高。

表4 占空比D变化时各项电能指标

图12 改变占空比D时系统电能质量

通过以上分析可以得出：试验和仿真结果具有较高一致性，能够反映脉冲负载参数变化对光储微电网运行的影响，当脉冲负载峰值功率L越高、占空比为50%～60%、脉冲周期为60～80ms时对系统电能质量影响最大。采用光储单元为逆变器供电，脉冲负载会使交流母线电能质量恶化，直流母线电压出现较大范围波动，交直流母线电能质量难以满足为其他负载正常供电的要求。

2.4 脉冲负载条件下光照强度对系统的影响

在仿真平台中，设置脉冲负载工作模式不变，环境温度保持25℃，改变光照强度，分析脉冲负载条件下光照强度波动对系统的影响。为贴近实际情况，本文采集实际环境中两个小时的光照变化，将其作为仿真中光伏单元的光照强度。光照强度变化情况如图13所示。

图13 光照强度变化情况

设置仿真时长为6.5s，0.5s时逆变器启动，1s时交流母线接入10kW恒功率负载，3s时接入脉冲负载。脉冲负载峰值功率L为16kW，占空比为50%，脉冲周期为56ms。光伏单元参数设置为oc=350.2V，sc=63.4A，m=292.6V，m=61.5A，使标准工况下光伏单元输出最大功率点为18kW，其他仿真参数与2.3节保持一致。光照强度波动仿真结果如图14所示。

由图13和图14（a）可知，光伏单元输出功率能够跟随光照强度的变化，实现最大功率跟踪。从图14（b）可以看出，在恒功率负载条件下，直流母线电压稳定在520V附近；在脉冲负载条件下，直流母线电压出现较大幅度波动。分析图14（a）～图14（d）可以得到，随着光照强度的变化，蓄电池和光伏单元的输出功率互补，能够满足系统内功率需求。当光照强度在900～1 000W/m2时，在恒功率负载条件下，蓄电池出现正常充放电切换状态；在脉冲负载条件下，蓄电池处于高频充放电切换状态，且充放电频率与脉冲负载频率相关。这是因为脉冲负载产生的能量冲击直接影响蓄电池的输出功率，当光伏单元输出功率与负载平均功率接近时，蓄电池因为脉冲负载功率波动而处于高频充放电切换状态，影响系统的可靠性和蓄电池的使用寿命，在含脉冲负载实际工程中，应尽量避免出现光伏单元输出功率与负载平均功率接近的情况。

图14 光照强度波动仿真结果

3 结论

相控阵雷达等脉冲负载工作时，会影响光储微电网的稳定运行。本文对含脉冲负载光储微电网进行了仿真建模和试验测试，分析了脉冲负载占空比、峰值功率L和脉冲周期对系统运行规律的影响；探究了脉冲负载条件下光照强度对光储微电网的影响，得到以下结论：

1）脉冲负载工作时，造成光储微电网频率波动、直流电压波动、交流电压波动。当脉冲负载峰值功率L越高、占空比为50%～60%、脉冲周期为60～80ms时对系统电能质量影响最大。

2）在脉冲负载条件下，随着光照强度的变化，当光伏单元输出功率与负载平均功率接近时，会使蓄电池处于高频充放电切换状态，影响系统的可靠性和蓄电池的使用寿命，应避免系统处于这种状态。

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Research on operating characteristics of photovoltaic and battery microgrid with pulsed load

CUI Haoran WANG Jinquan HUANG Kefeng YAO Weibo ZHOU Meiquan

(College of Defense Engineering, Army Engineering University of PLA, Nanjing 210007)

The transient characteristics of the pulse load have an adverse effect on the stable operation of the photovoltaic and battery microgrid. In order to analyze the operation law of the photovoltaic and battery microgrid with pulsed load, explore methods to improve the power quality of the photovoltaic and battery microgrid, this paper conducts simulation modeling and experimental testing on the photovoltaic and battery microgrid with pulsed load, analyzes the impact of pulse load peak powerL, pulse periodand duty cycleon the power quality of the AC-DC bus of the photovoltaic and battery microgrid, and explores the influence of light intensity change on the stable operation of the photovoltaic and battery microgrid with pulsed load. It provides an important basis for the application design of the photovoltaic and battery microgrid with pulsed load.

microgrids; pulsed load; droop control; modeling and simulation; photovoltaic power generation

2022-01-17

2022-02-25

崔灏然（1997—），男，陕西省渭南市人，硕士研究生，主要研究方向为新能源发电与智能电网。

江苏省青年科学基金（BK20190574）