并网状态下光伏微源控制

0 引言

微网为新能源和可再生能源接入智能电网提供了平台，可以有效地发挥其优势，为新能源和可再生能源模块化应用提供了新的有效途径[1-5]。微网有2种基本的运行方式，即并网运行和孤网运行。目前，有3种经典的控制方法。从控制方式上，可以分为恒功率控制，下垂控制和恒压恒频控制。恒功率控制是根据参考功率来对电源输出的有功功率和无功功率进行控制，但其需要外界保证微网电压和频率的稳定，目前在并网状态下间歇性新电源主要采用这种方法。下垂控制是指微电源输出的有功功率主要取决于电压矢量间功角差，无功功率主要取决于电压矢量间幅值差，通过该方法实时检测本地的变量，根据下垂控制输出相应功率，当微网中存在功率波动时，下垂控制可以根据微源容量的大小实现功率成比例分配，达到功率的动态平衡。恒压恒频控制主要应用在微网孤网运行方式下保证微网电压和频率的恒定，采用该控制方式微源要具有很强的可控性或有大的蓄电池。

随着间歇性微源的大量接入对系统的影响日益凸显，微网系统如果继续采用传统的恒功率控制将大大地降低系统的惯性削弱了系统的抗冲击能力，影响到整个系统的安全稳定运行。下垂控制根据微源各自的输出特性输出相应的功率，采用这一控制可以解决上述难题，并具有无需通信联系即能实现，方便实施即插即用等优点。但目前对带有蓄电池的间歇性微源采用下垂控制研究的相对较少。本文以光伏发电为例进行分析，对下垂控制应用在间歇性微源中进行了详细的阐述，并对传统的下垂控制进行了改进，尽管国内外对下垂控制进行了很多改进，如文献[6-7]利用平移下垂控制器的功频特性曲线进行调频，文献[8]在下垂控制中加入积分控制器，这些改进在一定程度上改善了下垂控制的性能，但都没有考虑到间歇性微源实际功率输出的能力与实际情况不符。本文提出的改进下垂控制将微电源有功输出能力考虑在内（文献[9-10]提到微电源的输出有功功率应该在一定的范围内，当微电源达到输出有功功率的限值时，需强制将其下垂特性转为垂直特性）与实际运行情况更符合并给出了联网状态下逆变器及蓄电池详细控制框图，并通过仿真软件验证了该方法的有效性。

1 改进下垂控制

传统的下垂控制没有考虑微源的输出能力限制，默认为即使超出微电源的供电能力系统仍按下垂特性正常工作，与实际运行情况不符，因此适用性不强。传统的下垂控制框图如图1所示。

事实上当微源输出功率达到其输出最大功率（或其最小功率）时下垂特性将转化为垂直特性，即其输出功能保持在最大值（最小值）。以两微源为例进行说明微源输出功率达到其输出最大功率的情况（假设微源2达到该情况），改进的频率-功率下垂特性方程为

图1 传统下垂控制策略Fig.1 Traditional doop control diagram

式中：wj为微源2稳定后的工作频率；Pj为微源2沿下垂曲线中首次达到系统频率时所对应的输出功率（有可能超界的情况下）；Δw max是输出达到最大功率前和最大功率后频率波动值。

式（1）适用于所有的微源，即一旦微电源达到最大有功功率输出后，其频率-有功功率特性需在下垂特性的基础上加频率罚值，前提是进行判断输出有功功率Pj是否大于P max，结果为是，则计算其相应的Δw max，将其用于以上公式中；若结果为否，则Δw max=0.

同理，微源输出功率达到其输出最小功率的情况为

式2也同样适用于所有微电源，即一旦微电源下降至最小功率输出后，其频率功率特性需在下垂特性的基础上加频率罚值，前提是进行判断输出功率是否小于输出有功功率下值，结果为是，则计算其相应的Δw min，将其用于以上公式中；若结果为否，则Δw min=0。

当P meas<P max时（其中P meas是微网所需功率），可以通过PI环节来表示ΔP max和Δw max的关系，饱和环节是为了将Δw max的值限制在[0，∏]之间。同理，当P meas>P min时，可以采用PI环节来表示ΔP min和Δw min，饱和环节将Δw min的值限制在[0，∏]之间。

改进的下垂控制框图如图2所示。

2 控制设计

在这一部分将讨论在该系统中用到的3种不同类型的控制器，它们分别是光伏阵列控制器、逆变器侧控制器和蓄电池侧控制器。

2.1 光伏阵列控制

CDC连接到直流母线环节的两端。通过一个升压斩波器将光伏阵列两端的电压提高到一个适合的电压等级。通过一个MPPT实现对光伏阵列最大功率点的追踪，使其能最大限度地利用光能。通过调节升压斩波器的调制比保证光伏阵列两端电压始终在最大功率点电压。

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