分布式光伏系统中基于储能的直流母线电压控制方案

李清然

(国网冀北廊坊供电公司,河北 廊坊065000)

光伏发电作为一种潜力巨大的可再生能源，分布广，无污染，取之不尽，具有广阔的应用前景。但同时光伏出力受光照、温度等环境条件影响较大，系统稳定性差成为制约其发展的技术瓶颈[1]。通过合理配置储能装置可以平抑波动功率，稳定母线电压，保证负载供电的可靠性和电能质量，储能系统的设计与控制成为研究热点[2-3]。

本文选择蓄电池和超级电容器为储能载体，设计混合储能系统，旨在实现光伏出力波动与负载随机变化等情境下，实现源荷互动，保证直流母线电压稳定。

1 混合储能系统设计

结合蓄电池与超级电容器的储能性能，设计了如图1所示的混合储能系统结构。

图1 储能系统结构图

超级电容器通过双向DC/DC（1）变换器接到直流母线上，蓄电池通过双向DC/DC（2）与超级电容器并联。当母线电压波动时，双向DC/DC（1）控制超级电容器迅速充放电，可以快速调节和稳定母线电压。双向DC/DC（2）控制蓄电池精确充放电，在适当的控制策略下可以优化蓄电池充放电，延长使用蓄电池的寿命。

在储能元件选择上，超级电容和蓄电池都不必与直流母线保持严格匹配，元件选择相对灵活，减少了超级电容和蓄电池的配置容量，提高储能系统的经济性。并且超级电容器和蓄电池之间没有耦合关系，控制相对简单独立。

2 电压控制方案设计

2.1 超级电容器控制

根据能量传递方向的不同，双向DC/DC（1）变换器可以根据需要在BOOST/BUCK两种状态中无缝切换，控制目标为高压侧即直流母线电压的恒定。

根据超级电容器的充放电特点，超级电容器选择采用电压外环电流内环的双向双环控制模式。电压外环用于控制高压侧输出电压的稳定，电流内环参考值经由电压外环控制得到。由双向变换器的建模[6]分析可得，电压传递函数呈现最小相位特性，为了改善系统的稳态性能，采用PI控制器补偿，系统控制图如图2所示。

图2中K1、K2为反馈系数，Z为负载等效阻抗，是母线电压的设定参考值，为电流内环参考值。

图2 超级电容器双环控制

2.2 蓄电池控制

根据能量传递方向的不同，双向DC/DC2变换器可以根据需要在BOOST/BUCK两种工作状态无缝切换，控制目标为电感电流恒定。

根据蓄电池的充放电特点，蓄电池选择采用恒流充放电控制，可以避免蓄电池过电流和小电流及频繁充放电。采用加入PI控制器的闭环控制，改善系统的稳态性能，系统控制图如图3所示。

图3 蓄电池恒流充放电控制

图3中，K3为反馈系数，IL*为充放电电流的设定参考值。

2.3 储能元件协调控制

根据超级电容器和蓄电池的储能特性，制定协调控制策略，实现双方优势互补。超级电容器功率密度大、循环寿命长，所以优先充放电，可以平抑短时大功率的尖峰波动和频繁往复性的功率波动，避免蓄电池频繁充放电和小电流或者过电流充放电，延长蓄电池使用寿命。能量密度大的蓄电池则用于提供长时间的功率支持，使超级电容器端电压维持在一定范围内，确保超级电容器可以随时响应调控母线电压的能量需求。

设定超级电容器允许电压波动的上下限分别为Uup、Udown，当电压波动小于设定值时，仅由超级电容器充放电，稳定直流母线电压。当超级电容器的电压波动大于设定值时，蓄电池开始充放电，补偿功率缺额或吸收剩余功率。直到超级电容器电压恢复额定值时，蓄电池停止充放电。

综上分析可得混合储能系统4种工作模式。

工作模式一：光伏输出功率高于负载吸收的功率，即功率过剩时，双向DC/DC（1）工作在BUCK模式，超级电容器充电，双向DC/DC（1）保证直流母线电压稳定。当超级电容器端电压达到电压上限Uup，系统自动转入工作模式二。

工作模式二：功率过剩，超级电容端电压达到上限Uup，双向DC/DC（1）和双向DC/DC（2）均工作在BUCK模式，双向DC/DC（2）保证蓄电池恒流充电，并防止超级电容器端电压继续上升，双向DC/DC（1）保证直流母线电压稳定。当超级电容器端电压恢复为额定值时，蓄电池退出工作。

工作模式三：光伏输出功率低于负载吸收功率，即功率不足时，双向DC/DC（1）工作在BOOST模式，超级电容器放电，双向DC/DC（1）保证直流母线电压稳定。当超级电容器端电压达到电压下线Udown，系统自动转入工作模式四。

工作模式四：功率不足，超级电容器端电压达到下限Udown，双向DC/DC（1）和双向DCDC（2）均工作在BOOST模式，双向DC/DC（2）保证蓄电池恒流放电，并防止超级电容器端电压继续下跌，双向DCDC（1）保证直流母线电压稳定。当超级电容器端电压恢复为额定值时，蓄电池退出工作。

混合储能系统可以根据所处的状态自动选择相应工作模式，并且根据系统状态动态变化实时自动调整所选择的工作模式。

3 系统仿真验证

3.1 模型搭建

为了验证储能系统和控制策略的有效性，在MATLAB/SIMULINK环境下搭建仿真电路进行系统仿真。系统仿真电路如图4所示。

图4 系统仿真电路

其中，PV array为光伏阵列，Variable Load为可变负载，EDLC为超级电容器，DCVoltage source为蓄电池，双向DC/DC（1）采用互补PWM控制[7]，S1/S2 Controller为双向DC/DC（1）变换器的控制信号。双向DC/DC（2）采用独立PWM控制，S3 Controller和S4 Controller分别为双向DC/DC（2）工作在BOOST/BUCK状态的控制信号。

3.2 仿真验证

设定仿真时间为3 s，采用变步长仿真，算法选用ode 23 t。本文对光照强度变化和负载变化两种情况分别进行了仿真。

3.2.1 光伏输出功率变化情况

此次仿真中设定负载为30 Ω即负载所需额定功率为3000 W。设定光照强度变化如图5所示，光照强度百分值在60%～100%之间变化。光照强度60%模拟实际中光照较弱的情况，光照强度100%模拟实际中光照较强的情况。检查各元件的动作情况及稳压效果，验证储能系统及其控制策略有效性。

图5 光照强度百分值变化

光伏阵列输出功率如图6所示，当光照强度变化时，光伏阵列的输出功率变化会存在极短的暂态过程后迅速达到新的稳态。这是由于本文仿真中光照强度的变化采取的是突变形式，ms级的极短暂态过程是可以接受的。

图6 光伏阵列输出功率变化

当光照强度变化导致光伏阵列的输出功率发生波动时，超级电容器和蓄电池的动作情况如图7、图8、图9所示。图7为超级电容器的充放电电流，图8为超级电容器端电压，图9为蓄电池充放电电流。其中图7和图9中储能器件放电电流为正，充电电流为负。

图7 超级电容器的充放电电流

图8 超级电容器的端电压

图9 蓄电池的充放电电流

在0～0.5 s时间内，光伏阵列输出功率发生短时频繁波动，超级电容器进行相应的充放电动作，以稳定直流母线电压。0～0.1 s光伏阵列输出功率高于负载功率，系统功率过剩，超级电容器充电，端电压略有上升。0.1～0.2 s光伏阵列的输出功率低于负载额定功率，系统存在功率缺额，超级电容器放电，端电压下降。0.2～0.3 s系统功率过剩，超级电容器充电，端电压回升，0.3～0.5 s重复上述过程。

在0～0.5 s过程中蓄电池没有动作。表明当系统发生频繁瞬时功率波动时，超级电容器充放电平抑系统中的不平衡功率，维持直流母线电压的稳定，避免了蓄电池频繁的小电流充放电，有效延长了蓄电池的使用寿命。

0.5～0.7 s光伏阵列的输出功率略高于负载功率，超级电容器充电，端电压略有上升。0.7～1.7 s光伏阵列的输出功率约为2300 W，负载功率为3000 W，存在较大功率缺额，超级电容器放电补偿功率缺额稳定直流母线电压，随着超级电容器放电不断进行，其端电压不断下降，当超级电容器的端电压达到放电的最低电压Udown时，蓄电池启动，开始恒流放电过程。由于蓄电池释放的功率大于系统的功率缺额，所以超级电容器的端电压开始回升。在1.7 s时刻，光伏阵列的输出功率突变，系统输出功率为3900 W，负载功率为3000 W，系统功率过剩，超级电容器瞬时动作在1.7 s时刻由放电状态转变为充电状态，吸收系统过剩的功率，端电压继续上升。蓄电池继续放电直至超级电容器的端电压达到额定值时，蓄电池放电终止，退出运行。随着超级电容器充电的不断进行，其端电压不断上升，当超级电容器的端电压达到充电的最高电压Uup时，蓄电池启动，开始恒流充电过程。由于蓄电池的充电功率大于系统的过剩功率，超级电容器的端电压开始下降。在2.7 s时刻，光伏阵列的输出功率再次突变为2700 W，负载功率3000 W，系统处于功率缺额状态，超级电容器在2.7 s时刻瞬时动作由充电状态转入放电状态。蓄电池继续充电，直至超级电容器的端电压恢复为额定值，超级电容器充电终止，退出运行。

0.5～3 s时间内，各元件的动作情况可以看到，超级电容器充放电优先，当超级电容器达到电压的上下限不能满足功率平抑的需求后，蓄电池启动。此时超级电容器充当了蓄电池充放电的功率缓冲器的作用。超级电容器的端电压水平是蓄电池充放电的启动和退出的判断依据。

图10为无储能系统时直流母线电压，图11为有储能系统时直流母线电压，比较二者可以看到无储能系统时母线电压随光照强度的变化发生大幅波动，加入储能系统后母线电压基本稳定于额定值，电压纹波为1.6%，符合电能质量的要求，从而验证了所提储能系统及电压控制策略的有效性。

图10 无储能系统时直流母线电压

图11 有储能系统时直流母线电压

3.2.2 负载扰动情况

此次仿真中设定光照强度为85%保持不变，负载发生扰动，设定负载扰动情况为0～0.8 s负载为30 Ω，0.8～1.6 s负载为38 Ω，1.6～2.4 s负载为22 Ω，2.4～3 s负载为30 Ω。负载变化率为26.7%。观察各元件动作情况及稳压效果，验证所提结构和控制策略的有效性。

从图12、图13可见，当光照强度维持85%时，光伏阵列的输出功率基本稳定在3300 W。

图12 光照强度百分值

图13 光伏阵列输出功率

负载扰动情况下各元件的动作情况如图14、图15、图16所示。图14为超级电容器充放电电流，图15为超级电容器端电压，图16为蓄电池充放电电流。图14和图16中储能器件放电电流为正，充电电流为负。

图14 超级电容器充放电电流

图15 超级电容器端电压

图16 蓄电池充放电电流

在0～0.8 s由于光伏阵列输出功率高于负载功率，系统功率过剩，超级电容器工作在充电状态，端电压上升。此过程中超级电容器端电压未达到上限，蓄电池不动作。0.8 s时刻负载突减，0.8～1.6 s系统功率过剩，超级电容器继续充电。当超级电容器端电压达到充电电压的最高值时，蓄电池启动开始恒流充电过程，由于蓄电池吸收的功率大于系统功率缺额，所以超级电容器端电压回落。1.6 s时刻负载突增，超级电容器瞬时动作开始放电，补偿功率缺额，端电压继续下降。在此过程中蓄电池继续恒流充电直至超级电容器端电压回落到额定值时，蓄电池充电终止，退出运行。超级电容器放电过程中端电压不断降低，当其端电压达到放电最低电压时，蓄电池启动，开始恒流放电过程。由于蓄电池释放的功率大于系统功率缺额，超级电容器的端电压开始回升，2.4 s时刻负载再次突减，系统功率过剩，超级电容器开始充电吸收过剩功率，端电压继续回升。当超级电容器的端电压恢复为额定值时，蓄电池放电终止，退出运行。

负载扰动情况下无储能系统时直流母线电压如图17所示，有储能系统时直流母线电压如图18所示，对比二者可见负载发生扰动时无储能系统情况下直流母线电压发生大幅波动，有储能系统后直流母线电压基本稳定在额定值，电压纹波为1.4%，满足电能质量的要求，从而验证了所提储能系统及其控制策略的有效性。

图17 无储能系统时直流母线电压

图18 有储能系统时直流母线电压

4 结束语

本文针对光伏发电系统中基于储能的直流母线电压控制问题重点进行了分析和研究。首先结合超级电容器和蓄电池的储能特点，设计了蓄电池与超级电容器混合储能系统结构，然后分别设计了蓄电池与超级电容器的控制策略及二者在4种不同场景下的协调控制策略。最后，搭建了系统仿真模型并在光照强度变化和负载波动两种情况下仿真验证了所提储能系统及其控制策略的有效性。