风光储微电网功率控制策略研究.pdf

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书资料大小：0.51M 资料格式：pdf 举报版权申诉

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 风光储微电网功率控制策略研究肖朝霞，贾双* （天津工业大学电气工程与自动化学院，天津 300387） 10 5 摘要：将发电具有间歇性和随机性特点的小风电、光伏发电与蓄电池组成微电网可充分发挥可再生能源发电的潜力、解决其并网所带来的输出功率波动较大的问题。考虑风速、光照的随机变化，本文提出了一种并网风光储微电网功率控制策略，通过控制风力发电、光伏发电与蓄电池充放电的配合实现风光储微电网的定功率输出，稳定并网点电压。本文利用 MATLAB/Simulink 仿真软件建立了风光储微电网发电系统，仿真结果验证了所提控制策略的正确性和有效性。关键词：微电网；功率控制；最大功率跟踪；恒功率控制；充放电控制中图分类号：TM61 15 20 25 30 35 40 Research on Control Strategy of Wind/Photovoltaic/Battery Microgrid XIAO Zhaoxia, JIA Shuang (Electrical Engineering and Automation School, Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387) Abstract: The integration of low rating wind power/photovoltaic with intermittent and random characteristics and energy storage can fully explore the potential of renewable energy power generation.Simultaneously, it can solve the problem of output power fluctuation of the grid-connectedwind/PV/storage hybrid system. Considering the random variation of wind speed, illuminationintensity, in this paper, a power control strategy is proposed. By coordinated controlling between the output power of wind/photovoltaic/energy storage hybrid system can be unchanged.Simultaneously, the voltage of Point of Common Coupling (PCC) can be stabilized. In this paper, a wind/photovoltaic/energy storage hybrid Power System is built by MATLAB/Simulink simulation software. The simulation results verify the correctness and effectiveness of the proposed control strategy. Key words: Microgrid;Power control strategy; Maximum power point tracking;Constant power control;Charge and discharge control two micro sources and energy storage, 0 引言简分布式发电是可再生能源发展的主要途径，而微电网是分布式可再生能源发电的重要形式[1-3]。随着微电网渗透率的增加，为了控制分布式发电对电网的影响，如何使微电网成为电网的一个“好公民”，即可控的发电单元或者负荷显得尤为重要。常规分布式电源，如光伏、风电等，出力具有间歇性和随机性的特点，存在输出功率波动较大、稳定性差、可靠性差等缺点 [4-5]。将发电具有间歇性和随机性特点小风电、光伏发电与蓄电池进行联合并网应用，组成风光储微电网，可以提高系统的可调度性以及运行的安全性、灵活性[6]。通过制定合理的控制策略对风光储进行协调控制和管理，以系统向电网输出功率恒定为控制目标，从而使微电网对电力系统产生的负面影响最小，充分发挥可再生能源发电的潜力[7]。国内关于小型风光储系统联合运行功率协调控制已经进行了相关的研究。文献[8]提出了利用复合储能技术分别平抑风光联合发电系统的输出功率在不同时间段的波动。文献[9]分析了风光储联合发电系统的特点以及作者简介：肖朝霞(1981-)，女，副教授，主要研究方向：分布式发电系统及其控制. E-mail: xiaozhaoxia@tjpu.edu.cn - 1 -

45 50 55 60 65 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 数学模型，提出了一种储能充放电优化控制来平滑系统输出功率波动。文献[10]针对间歇性能源并网出力波动以及不具备故障暂态电压支持能力特征，提出一种有效抑制功率波动且改善低电压穿越能力的风光储联合发电系统模型及其控制策略。文献[11] 设计了联合控制模式和场站控制模式，实现了风、光、储独立控制和互补控制的无缝切换并提出了考虑了储能荷电状态反馈的改进平滑控制策略和“风光捆绑、储能解耦”的协调跟踪策略。文献[12]为改善风光储联合系统输出特性和降低储能电站功率补偿压力，提出了一种在线滚动优化和有功实时控制相结合的协调优化控制方法。上述文献在解决风光储联合系统运行中的输出功率波动问题都过分依赖储能装置的作用，平滑波动大都是通过储能的充放电来完成，对储能都与很强的依赖性，对储能容量的选择也面临更多的不确定性。本文利用风光储进行协调控制，充分利用了混合系统的特性，通过工况的不同进行恰当的状态转换，来维持风光储微电网系统向电网输出的功率，相比于单一用储能来进行功率波动抑制，蓄电池充放电次数减少。另一方面由于系统输出功率恒定，可调度性得到提高，对电网的负面影响减小。 1 系统总体结构本文中的风光储微电网系统主要包括双馈风力发电系统和光伏发电系统，以及由蓄电池组成的储能系统，整个系统结构如图 1 所示。光伏 PV + Idc 主电路 400V/10kV A B C v irabc β 桨距控制 I P Pw - + Pw* DC DC 蓄电池 Ibat Ubat 充放电控制器充放电控制信号 Idc Udc MPPT控制 Umpp PI +- id* 功率控制 id* iq* +- Pg Udc Pvref Qvref +- Qg PQ控制蓄电池充放电管理光伏功率参考值给定 “好公民”运行控制系统 Pw Ps PL Pg Ubat Pmpp Ibat 数据采集参数计算系统运行模式选择光伏底层控制器选择风电最大功率点给定风电定功率参考值风电变桨距动作信号电流内环控制 I P I P id* +- id iq* +- iq Pg Qg Pg=udid+uqiq Qg=uqid-udiq id iq ud uq Udc Ps Iabc Uabc Load Pg Qg ω 测速 DFIG Pw Qw irabc ω1 +- ω ωslip Ɵr abc dq ∫ ird irq Iabc Uabc Uabc PLL θ abc dq0 网侧控制 MPPT控制 I P I P Pw +- +- Qw Pw_max* Qwref Idc Udc MPPT Pmpp Umpp Udc +- Iabc PI Id* +- Id Iq PI abc dq SVPWM Uβ Uα αβ dq Ɵ iq id iq* +- PI ωL -ωL +- PI Ɵ id* uq +++ +++ ud SVPWM Uβ Uα αβ dq Ɵ Pw Pw_max* +- Qwref +- Qw +- irq* irq ird ird* -+ PI PI PI ωslip Ld ωslip Ld PI ++ ++ SVPWM Uβ Uα αβ dq Ɵr β 1/τβ ∫ +- PI β* Kβ/τβ Pw* +- Pw (a)光伏最大功率控制 (b)光伏恒功率控制 (c)风电最大功率跟踪控制 (d)风电变桨距控制图 1 风光储微电网系统整体结构图 Fig.1 Structureof a hybrid wind-photovoltaic-energy storage system 并联至光伏侧。双馈发电机直接连接至交流侧向负荷和电网输送功率。控制系统主要包括上层的好公民运行控制系统和底层的分布式电源以及蓄电池控制系统。好公民运行控制系统作为上层控制，负责分布式电源和储能的调度以及控制。经过相关数据的采集和计算，选择合适 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 的运行模式，之后进行相应的切换和控制信号的输出。 1.1 光伏控制模式 70 75 80 光伏阵列控制系统有两种模式。它们分别是最大功率跟踪控制和恒功率控制。光伏最大 [13]。功率控制器如图 1（a）所示。一定光照强度下,光伏电池在电压 Umpp 下可以输出最大功率 Pmpp 所以通过逆变器对光伏直流母线电压 Udc 进行控制使其等于最大功率点的电压 Umpp，来控制光伏阵列工作在最大功率状态。恒功率控制采用电压电流双闭环控制，如图 1（b）所示，由功率外环和电流内环组成，可是实现光伏输出有功功率和无功功率的解耦控制。有功无功功率的参考值由上层控制给出，有功功率的改变不会影响无功功率。 1.2 风电控制模式双馈风力发电机控制采用变桨距变速恒频风力发电控制系统，工程实践成熟。控制系统包括最大风能追踪控制和变桨距控制。最大风能追踪控制器如图 1（c）所示。一定风速下，风力机在某一转速下 w 下可以输出 *,以最大功率值作为参考值对双馈发电机最大功率，此时对应发电机可以输出最大功率 Pwmax 进行功率闭环控制，便可实现风力发电机的最大风能追踪运行[14]。桨距控制控制器如图 1（d）所示。控制目标是通过调节桨距角 β 来控制来调节功率恒定 *进行比较，误差经过 PI 进入变桨距输出。通过采集当前发电机的输出功率 Pw 与给定功率 Pw 机构产生所需要的 β*,风机桨距角发生相应的改变，使输出功率保持到给定值 Pw *。 85 1.3 蓄电池充放电控制蓄电池控制系统由双向 DC/DC 变换器组成，包含降压斩波 Buck 充电电路和升压斩波 Boost 放电电路，可以实现恒流充电和恒压充电[15]。其充电控制器如图 2 所示。 (a)恒流充电 (b)恒压充电图 2 蓄电池充电控制 Fig.2 Battery charge control 蓄电池放电时，通过 Boost 升压电路及其控制电路将直流母线电压稳定在光伏最大功率跟踪点电压或者定功率点电压。在夜间光照强度很弱时使之流母线电压稳定在 600V 实现光伏的关闭。其控制器如图 3 所示。 90 95 图 3 蓄电池放电控制 Fig.3Battery discharge control - 3 -

中国科技论文在线 2 “好公民”运行管理系统 100 2.1 系统输出有功功率期望值计算 http://www.paper.edu.cn 考虑的运行工况主要包括：风速、光照强度、蓄电池状态以及系统输出有功功率期望值。本文的控制目标是通过对网内分布式电源的协调控制，使风光储混合微电网输出的有功功率保持恒定。根据运行工况的改变进行风光储微电网运行状态的切换，以此来维持整个系统输出功率的恒定。 105 忽略系统自身损耗，设风光储微电网输出的总有功功率为 glP P gl  P w  PP v b  其中 wP 、 vP 、 bP 分别为风力发电机、光伏、蓄电池输出的有功功率。假定有典型风速曲线和光照曲线，可以计算整个仿真时间段 t 内风力发电机和光伏所发出 110 的电量分别为 wW 、 vW  w 则可以求得时间段 t 内的平均功率 tP WW v  t  0 dtP w  WWP  t  w t v t  0 dtP v 取风光储混合微电网输出的有功功率的期望值为这段时间内的平均输出功率，即 P * gl P t 。 115 2.2 系统运行状态及切换风光储微电网的典型运行状态如图 4 所示。风、光 1 风、光、储 4 风、储 3 光、储 2 Fig.4 Operation state of wind-photovoltaic-energy storage system 图 4 风光储微电网运行状态 120 根据上述控制目标并结合风光储微电网系统的典型运行状态，制定了相应的状态转换策略，如表 1 所示。其中光伏运行限制以 10kW 为标准，当光伏出力小于 10kW，光伏应关闭。 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 风电应运行在允许风速范围，当风速小于最小切入风速 Vmin 时，风机停止运行。在系统典型的 4 个运行状态中，蓄电池的充放电状态取决于蓄电池本身以及风电、光伏的出力 Pw 与 Pv 和系 *间的具体关系，原则是在系统出力充足时，尽可能的将多余电量储统输出有功功率期望值 Pgl 存在蓄电池中。 125 表 1 状态转换策略转换条件 Pmpp>10kW && V10kW && V>=Vmin Pmpp10kW && V>=Vmin Pmpp>10kW && V10kW && V>=Vmin Pmpp10kW&& V>=Vmin Tab.1 System operating state conversion strategy 状态转换 ○1 ○2 ○2 ○1 ○2 ○3 ○3 ○2 ○3 ○1 ○1 ○3 ○1 ○4 ○4 ○1 ○4 ○3 ○3 ○4 ○4 ○2 ○2 ○4 Pmpp10kW && V>=Vmin Pmpp>10kW && V>=Vmin Pmpp>10kW && V10kW && V>=Vmin Pmpp>10kW && V>=Vmin&& Pw+Pv10kW && V>=Vmin&& Pw+PvPg+PL 130 135 上述运行状态的转换未考虑到光照强度很低如夜间，以及风速未达到最低切入风速这两类极端情况同时发生。考虑到风光在时空中具有明显的互补性，所以上述极端情况可以暂不考虑。 3 风光储微电网系统仿真及结果分析 3.1 系统仿真参数及条件利用 Matlab/Simulink 工具箱搭建了风光储微电网系统。上层“好公民运行控制系统”使用 Simulink 中的 Stateflow 工具箱搭建。系统主要参数如表 2 所示。光伏最小出力限制为 10kW。表 2 风光储微电网系统主要参数 Tab.2 The parameters ofWind/Photovoltaic/Energy Storage 双馈风力发电机参数额定功率/kW 额定电压/V 额定转速 r/min 额定频率/Hz 极对数定转子电阻/Ω 定转子电抗/Ω 励磁电抗/Ω 网侧变换器参数额定容量/kVA 进线电感/mH 直流侧电容/μF 直流侧电压/V 内环比例增益内环积分增益外环比例增益外环积分增益转子侧变换器参数额定容量/kVA - 5 - 数值 250 400 1800 50 2 0.02、0.02 0.0044、0.0044 0.0042 数值 75 1 15000 810 15 30 3 30 数值 75

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 有功电流内环 kp、ki 无功电流内环 kp、ki 有功功率外环 kp、ki 无功功率外环 kp、ki 光伏蓄电池系统参数最大输出功率/kW 光伏逆变器额定容量/kW 直流母线电容/μF 蓄电池额定电压/V 蓄电池容量/Ah 滤波电感/mH 滤波电感内阻/Ω 直流电压外环 kp、ki PQ 控制有功外环 kp、ki PQ 控制无功外环 kp、ki 交流电流内环 kp、ki 隔离变压器变比 25、1 40、9 0.0032、0.059 0.0029、0.025 数值 100 100 3400 400 1000 2 0.002 1.2、35 0.003、0.9 0.003、1.5 21、440 120/400 140 考虑光照强度的随机变化，选取典型光照强度曲线如图 5 所示。0-1s 光照强度为零，1-1.5s 光照强度缓慢上升，但未达到出条件。1.5s-3.2s 光照逐渐增强，在 3.2s 时达到峰值。3.2s-4.5s 光照逐渐减弱到最小出力条件。 2 m w / 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1 2 3 t/s 4 5 图 5 光照强度曲线图 145 考虑风速的变化，选取风速曲线如图 4 所示。起始风速 9m/s。 Fig.5Illumination intensity curvefigure s / m 11 10.5 10 9.5 9 8.5 8 7.5 7 6.5 0 1 2 3 t/s 4 5 图 6 风速曲线图 6 6 根据上文所述，参照光照和风速曲线进行计算，选取为 160kW，储能容量 800Ah。 Fig.6 Wind speed curve figure 3.2 仿真结果分析仿真时间设定为 6s，仿真过程通过好公民运行控制系统根据相应工况完成状态的切换。仿真中控制目标为保持风光储微电网系统总输出有功功率为期望值，总输出无功功率为零。6s 内风光储微电网系统各分布式电源状态、储能状态、系统输出有功功率期望值由表 3 给出。 150 155 - 6 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 表 3 风光储微电网系统运行状态 Tab.3 The operation state of Wind/Photovoltaic/Energy Storage Micro-grid 仿真时间风电状态光伏状态储能状态 Pg 0-1.5 1.5-1.7 1.7-3.4 3.4-4 4-4.2 4.2-4.5 4.5-4.8 4.8-6 最大功率跟踪关闭放电最大功率跟踪最大功率跟踪放电充电最大功率跟踪定功率输出充电定功率输出定功率输出最大功率跟踪定功率输出充电最大功率跟踪最大功率跟踪放电最大功率跟踪关闭放电定功率输出关闭 Pw+Pb Pw+Pv+Pb Pw+Pv Pw+Pv Pw+Pv Pw+Pv+Pb Pw+Pb Pw 160 165 170 175 180 185 由表 3 可知，系统在 0-1.5s 内，由于光照强度很低未达到出力条件光伏处于关闭状态。风速下降，风电出力小于期望值，此时风电运行在最大功率跟踪状态，蓄电池放电使系统输出功率稳定在期望值。在 1.5-1.7s 内，光伏达到出力条件，但风电出力和光伏出力之和仍小于期望值，风电和光伏均运行在最大功率跟踪状态，蓄电池参与放电，三者共同使系统输出功率稳定在期望值。在 1.7-3.4s 内，风速缓慢下降，风电运行在最大功率状态，由于光照强度持续增强，风电和光伏出力已经超过期望值，此时对光伏进行定功率输出控制，由风电和光伏使系统输出功率稳定在期望值，光伏将多余功率充至蓄电池。在 3.4-4s 内，风速和光照强度均处在较高范围，此时风电和光伏均运行在定功率输出状态，由风电和光伏使系统输出功率稳定在期望值，光伏将多余功率充至蓄电池。在 4-4.2s 内，风速处在较高范围，光照强度降低，由于风电出力较高，光伏若以最大功率输出则会使系统输出功率超过期望值，此时光伏运行在定功率输出状态，由风电和光伏使系统输出功率稳定在期望值，光伏将多余功率充至蓄电池。在 4.2-4.5s 内，由于光照强度已经降至较低水平，风电和光伏出力小于期望值，此时风电和光伏均运行在最大功率跟踪状态，蓄电池参与放电，三者共同使系统输出功率稳定在期望值。在 4.5-4.8s 内，此时由于光照强度很低，光伏未达到出力条件，光伏关闭退出运行，风电运行在最大功率跟踪状态，但由于此时风电出力小于期望值，因此蓄电池参与运行放电，两者共同使系统输出功率稳定在期望值。在 4.8-6s 内，光伏已经关闭，由于此时风速较高，风电出力将超过期望值，所以风运行在功率输出状态，由风电使系统输出功率稳定在期望值。整个仿真过程中，风电系统出力如图 7 所示。由图分析可知，在给定功率值以下，风电系统运行在最大功率跟踪状态，尽可能多的发电。当达到给定功率值时，通过定功率控制，风电输出功率维持在给定值。整个过程中，无功功率输出始终为零，实现了有功无功解耦控制。 W k / P 150 100 50 0 20 0 r a V k / Q -20 0 1 2 3 t/ 图 7 风电出力 4 5 6 光伏蓄电池系统出力如图 8 所示。光伏根据上层控制中心的调度在最大功率输出和定功率 Fig.7 Outputofwind power - 7 -

190 195 6 6 V / t a b U 400 395 390 385 380 375 0 1 2 3 t/s 4 5 图 9 蓄电池电压 Fig.9 Voltageof Battery 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 输出之间进行切换，在光伏出力不足或过剩的情况下，让蓄电池进行充放电，在充分利用电能的基础上使系统输出功率稳定在期望值。 120 100 80 W k / P 60 40 20 0 -20 0 1 2 3 t/s 4 5 图 8 光伏蓄电池系统出力蓄电池端口电压如图 9 所示，蓄电池额定电压为 400V。由图可知，在整个仿真过程中蓄 Fig.8 Outputof PV and Battery sysytem 电池未出现过度充电和过度放电的情况，证明储能容量选择合理。风光储微电网整体输出功率如图 10 所示。有功功率基本恒定在 160kW，无功功率基本恒定在 0 附近，达到控制目标。 50 0 -50 W k / P -100 -150 -200 -250 -300 0 100 50 r a V k / Q 0 -50 -100 -150 0 1 2 1 2 3 t/s 3 t/s 4 5 4 5 图 10 风光储微电网出力 Fig.10 Wind speed curve figure 6 6 200 4 结论本文在考虑风速和光照这两种最主要影响分布式电源出力特性的因素，通过上层控制中心 205 的控制，结合风光储系统典型运行状态，制定状态切换策略，来稳定系统功率输出，这大大加强了风光储微电网系统的可调度性，使风光储微电网在电力系统中扮演了“好公民”的角色。由于风电和光伏均可工作在定功率输出的状态，这也使整个系统具有很强的适应性，可以充分满足调度的需要。同时考虑到两种新能源之间一定程度的互补特性，这种控制策略也为新能源消纳提供了新的思路。由于对风电和光伏进行了功率控制来满足输出功率维持在期望值的目标， 210 这不可避免的增加了弃风、弃光的比例，在一些极端工况条件下系统如何继续运行也未予以考虑，这也是本文提出控制策略的不足之处有待进一步研究。 - 8 -

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