獨(dú)立光伏系統(tǒng)的儲能變換器并聯(lián)控制研究

摘要：大容量儲能系統(tǒng)是解決獨(dú)立光伏系統(tǒng)輸出隨機(jī)性、間歇性對供電質(zhì)量和可靠性影響的有效途徑。但由于受開關(guān)器件電應(yīng)力和成本限制，單臺儲能變換器通常難以滿足大容量儲能需求，模塊化并聯(lián)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲能的有效方法。這里針對兩臺用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的儲能變換器，提出并采用一種適用于大容量儲能裝置的分散邏輯并聯(lián)策略，分析了其基本原理并設(shè)計(jì)了相關(guān)的重要控制參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了此策略正確、可行。
關(guān)鍵詞：變換器；獨(dú)立光伏系統(tǒng)；并聯(lián)運(yùn)行

1 引言
由于易受到氣候、環(huán)境等外界因素影響，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率具有較強(qiáng)隨機(jī)性和間歇性，對于獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)會造成供電不穩(wěn)定甚至斷電故障，嚴(yán)重影響光伏系統(tǒng)供電質(zhì)量及供電可靠性。故需采用大容量儲能系統(tǒng)在緊急或?yàn)?zāi)變情況下為關(guān)鍵負(fù)荷或系統(tǒng)恢復(fù)提供電源支撐。
作為儲能介質(zhì)與公共耦合點(diǎn)的接口，儲能變換器是整個(gè)系統(tǒng)不可缺少的重要環(huán)節(jié)，其核心組成部分為功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)(Power Conditioning System，簡稱PCS)，但由于受開關(guān)器件容量和成本限制，單臺儲能變換器容量難以滿足大規(guī)模儲能需求，模塊化并聯(lián)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模儲能變換的有效方法。這里重點(diǎn)研究獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中多臺PCS儲能變換器的并聯(lián)運(yùn)行控制方案，提出并采用一種適用于大容量場合的分散邏輯并聯(lián)控制策略，該策略將并聯(lián)控制分散到各模塊單元中，模塊單元不依賴其他模塊而獨(dú)立工作，相比其他控制策略，并聯(lián)系統(tǒng)可靠性大大提高，且危險(xiǎn)系數(shù)分散，更適用于大功率、大容量變換器并聯(lián)場合。

2 儲能裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖1示出多臺PCS裝置模塊化并聯(lián)運(yùn)行時(shí)電路結(jié)構(gòu)圖，采用基于雙向DC／AC變換器交流輸出側(cè)并聯(lián)，直流電池側(cè)獨(dú)立的單級式架構(gòu)。

直流側(cè)電源為蓄電池，Ldc，Cdc為電池側(cè)電感、電容；交流側(cè)為LC濾波器，rL為考慮電感L電阻、死區(qū)效應(yīng)及開關(guān)管導(dǎo)通壓降等阻尼因素的等效電阻，輸出端接入三相隔離變壓器，采用△／Y接法。
PCS儲能裝置可工作在以下兩種模式：①并網(wǎng)斷路器K閉合，電網(wǎng)與蓄電池間實(shí)現(xiàn)能量交換，可用于調(diào)節(jié)電能質(zhì)量，抑制功率波動；②K斷開，蓄電池向本地關(guān)鍵負(fù)載供電。系統(tǒng)并聯(lián)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，各模塊均工作在電流源型模式，控制策略也相對簡單；這里主要關(guān)注用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的離網(wǎng)型PCS儲能裝置并聯(lián)控制策略。

3 儲能裝置并聯(lián)均流控制策略
3．1 PCS裝置并聯(lián)均流策略原理
兩臺PCS裝置并聯(lián)可視為兩臺三相電壓源型逆變器獨(dú)立并聯(lián)運(yùn)行，系統(tǒng)等效電路如圖2a所示，圖2b為PCS裝置并聯(lián)運(yùn)行時(shí)的輸出電壓矢量。

由于輸出變壓器等效阻抗(包括初、次級繞組漏感)的存在，故Xn>>Rn，系統(tǒng)輸出阻抗呈感性，則有功功率Pn和無功功率Qn分別為：
Pn=uounsinφn／X，Qn=(uouncosφn-uo2)／X (1)
由于逆變器輸出阻抗通常很小，輸出電壓幅值或相位的微小差異往往會導(dǎo)致模塊間較大的環(huán)流。實(shí)際中，由于器件參數(shù)及控制參數(shù)存在差異，輸出電壓幅值和相位很難保證完全一致，而環(huán)流也隨之產(chǎn)生；圖2b中Un為n#(n=1，2)PCS裝置輸出電壓矢量，φn為n#PCS輸出電壓與公共負(fù)載端輸出電壓uo間夾角，由矢量圖可得：
unsinφn=uq，uncosφn=ud (2)
將式(2)代入式(1)，此時(shí)系統(tǒng)的輸出Pn和Qn可表示為：Pn=uouq／X，Qn=(uoud-uo2)／X。
則兩臺逆變器輸出有功和無功功率偏差為：
△P=P1-P2=uo△uq／X，△Q=Q1-Q2=uo△ud／X (3)
由式(3)可見，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下，可通過補(bǔ)償電壓q軸分量△uq來補(bǔ)償輸出有功偏差△P，通過補(bǔ)償電壓d軸分量△ud來補(bǔ)償輸出無功偏差△Q，從而實(shí)現(xiàn)輸出功率均分。
圖3為并聯(lián)控制策略的控制框圖，圖中并聯(lián)控制器主要由功率計(jì)算單元、功率控制單元及電壓控制單元組成。

其中，功率計(jì)算單元檢測本地輸出的有功和無功功率，通過CAN通訊總線傳送到其他并聯(lián)模塊中，與此同時(shí)本身也獲取來自其他模塊的功率信號，進(jìn)行平均計(jì)算后確定模塊的有功、無功基準(zhǔn)；功率控制單元將系統(tǒng)的平均有功、無功指令與本地有功、無功功率比較后得出功率偏差△P，△Q，作為電壓指令的補(bǔ)償量調(diào)節(jié)自身輸出電壓，保證有功、無功功率均分；電壓控制器采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電容電壓外環(huán)、逆變側(cè)電感電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制，對非線性負(fù)載擾動適應(yīng)能力更強(qiáng)，輸出電壓諧波含量減小。