淺談雙碳背景下無儲(chǔ)能光伏逆變器控制與并離網(wǎng)技術(shù)的探討

安科瑞 陳聰

摘要：本文首先介紹了多模態(tài)控制光伏逆變器控制的策略，分析了無儲(chǔ)能光伏逆變器的運(yùn)行模式，提出了光伏逆變器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依次闡述了并網(wǎng)運(yùn)行控制策略與無儲(chǔ)能孤島控制策略，然后進(jìn)一步探討并網(wǎng)平滑切換技術(shù)的具體應(yīng)用，并通過實(shí)驗(yàn)方法檢驗(yàn)該切換技術(shù)的應(yīng)用效果，旨在為“雙碳”背景下，分布式光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

關(guān)鍵詞：雙碳；無儲(chǔ)能光伏逆變器；并網(wǎng)平滑切換

0引言

在我國(guó)提出“碳達(dá)峰”“碳中和”兩個(gè)目標(biāo)以來，我國(guó)逐步擴(kuò)大了光伏新能源發(fā)電的裝機(jī)規(guī)模，但并網(wǎng)運(yùn)行主要采取電流型控制模式，對(duì)于電網(wǎng)電壓、頻率的依賴性較高，一旦發(fā)生電壓失穩(wěn)、頻率波動(dòng)現(xiàn)象，可能出現(xiàn)反孤島保護(hù)而影響光伏逆變器的運(yùn)行。為了解決這一問題，誕生了無儲(chǔ)能光伏電壓型控制技術(shù)，但需實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)電流型控制，兩網(wǎng)電壓型控制之間的合理轉(zhuǎn)換，通過多模態(tài)控制策略，并網(wǎng)平滑切換技術(shù)的有效實(shí)施，確保無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行保持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)電力能源的持續(xù)輸送。

1雙碳背景下無儲(chǔ)能光伏逆變器的多模態(tài)控制分析

1.1光伏逆變器的運(yùn)行模式

電流型控制模式下，交流母線的電壓值低是影響光伏逆變器并網(wǎng)運(yùn)行效果的關(guān)鍵要素，同時(shí)電網(wǎng)頻率的大小也與逆變器能否穩(wěn)定運(yùn)行具有直接關(guān)聯(lián)。若是由于這兩方面因素影響導(dǎo)致負(fù)荷出現(xiàn)大幅變化，則需要利用電網(wǎng)平衡源帶動(dòng)。在此過程中，光伏電網(wǎng)電網(wǎng)輸送有功功率，并且光伏逆變器對(duì)功率會(huì)進(jìn)行追蹤，若指令要求難以滿足，則需要采用*大功率跟蹤控制運(yùn)行方式。而在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)，電壓、頻率的穩(wěn)定輸送狀態(tài)會(huì)被打破，此時(shí)，需要隔離運(yùn)行，將并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換為無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行模式。無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行模式下，光伏逆變器采用的是電壓型控制方式，既要對(duì)母線電壓提供支持，還需要對(duì)負(fù)載功率需求進(jìn)行平衡。運(yùn)行時(shí)，光伏逆變器要單機(jī)運(yùn)行，以滿足支撐電壓及頻率要求，還需用恒壓恒頻控制方式，應(yīng)對(duì)剛體轉(zhuǎn)矩一荷功率處于平衡狀態(tài)，并根據(jù)負(fù)荷功率需求合理調(diào)節(jié)光伏輸出功率。在電網(wǎng)恢復(fù)供電后，光伏逆變器再利用并網(wǎng)切換技術(shù)向電流型控制模式轉(zhuǎn)換。

1.2逆變器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

通過分析光伏逆變器的運(yùn)行狀態(tài)發(fā)現(xiàn)，光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)由前、后兩級(jí)構(gòu)成，前級(jí)為Boost變換器，后級(jí)為逆變器。通過數(shù)據(jù)方式，采用解耦控制模式，可同時(shí)對(duì)直接母線的電壓以及電池的輸出功率進(jìn)行控制。逆變器通常選用三電平式逆變器，此種逆變器的前后級(jí)采用的控制裝置有所不同，前級(jí)是直流升壓變換器，而后級(jí)則需選用中點(diǎn)鉗位型逆變器。逆變器主電路采用固態(tài)開關(guān)切換逆變器控制方式，此開關(guān)安裝在電網(wǎng)、光伏逆變器的中部，若需實(shí)施并網(wǎng)，需要閉合此開關(guān)，使逆變器以電流型控制模式運(yùn)行。若交流母線供電質(zhì)量與負(fù)載要求不相符，為了確保負(fù)荷供電的連續(xù)性與穩(wěn)定性，需要斷開固態(tài)開關(guān)，只采用光伏電池供電的情況下，逆變器會(huì)向無儲(chǔ)能孤島模態(tài)轉(zhuǎn)換。光伏逆變器主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)詳見圖1。

圖1 光伏逆變器主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

1.3多模態(tài)控制策略

（1）并網(wǎng)運(yùn)行控制策略。電網(wǎng)以多模態(tài)控制模式運(yùn)行時(shí)，需要采用恒定功率追蹤策略，由于光伏逆變器具備良好的性能，可以動(dòng)態(tài)化追蹤系統(tǒng)傳送過來的功率指令，可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)電網(wǎng)的電壓。并網(wǎng)運(yùn)行模式下，需要應(yīng)用鎖相環(huán)，因而電網(wǎng)電壓、逆變器的坐標(biāo)系是統(tǒng)一的，此時(shí)可無需考慮輸入信號(hào)，可運(yùn)用下式計(jì)算逆變器輸出的功功率及無功功率，進(jìn)而對(duì)需要的并網(wǎng)功率進(jìn)行跟蹤調(diào)整。

有功功率計(jì)算公式：

無功功率計(jì)算公式：

式中，imd 與umd 分別代表旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，逆變器輸出電流im 以及輸出電壓um各自的輸入量。逆變器運(yùn)行時(shí)，要確保逆變器前后級(jí)間電流、電壓均保持穩(wěn)定，從而有效平衡輸入輸出端的功率，才能保證此種控制模式的有效運(yùn)行。因直流母線電壓額定值已確定，在直流側(cè)電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，只需利用Boost變換器對(duì)光伏電池的輸出功率進(jìn)行調(diào)整即可滿足功率要求。如果光伏逆變器無法輸出各要求的功率值，逆變器會(huì)在*大功率點(diǎn)處運(yùn)行，此時(shí)，Boost變換器會(huì)以電壓電流雙閉環(huán)模式運(yùn)行，以便有效追蹤電壓指令，同時(shí)，對(duì)電感電流進(jìn)行調(diào)整。而后級(jí)逆變器則以電流單閉環(huán)控制方式運(yùn)行，可根據(jù)已知功率指令完成電流環(huán)指令值的計(jì)算。

（2）無儲(chǔ)能孤島控制策略。無儲(chǔ)能孤島模態(tài)主要是在電網(wǎng)出現(xiàn)故障后運(yùn)行。運(yùn)行時(shí)，因沒有外部電源支持，光伏逆變器需要使用恒壓恒頻控制方式，以確保交流母線電壓及頻率保持穩(wěn)定狀態(tài)。運(yùn)行過程中，光伏輸出端、負(fù)荷需求需要具有相同的功率值，如果受到不可控因素導(dǎo)致光伏電池的功率輸出無法保持穩(wěn)定，或是負(fù)荷值發(fā)生改變，光伏電池會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)工作點(diǎn)調(diào)節(jié)功能，用于平衡兩端功率。如果電池輸出的功率比負(fù)載需求的功率更高，會(huì)出現(xiàn)直流電容*大現(xiàn)象；反之，則會(huì)使直流電容降低。直流電容的電壓變化是由于源側(cè)及負(fù)載側(cè)之間功率不一致造成的，為保持源端功率的平衡性，應(yīng)使直流母線電壓保持穩(wěn)定，即對(duì)前級(jí)光伏的工作點(diǎn)進(jìn)行確定，合理控制光伏功率變動(dòng)。

2無儲(chǔ)能光伏逆變器并網(wǎng)兩種切換技術(shù)的應(yīng)用策略

2.1 并網(wǎng)運(yùn)行和無儲(chǔ)能孤島模態(tài)的切換

電網(wǎng)故障情況下，光伏逆變器需要將并網(wǎng)運(yùn)行轉(zhuǎn)換成無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行。在模態(tài)轉(zhuǎn)換過程中，保證直流電壓的穩(wěn)定性是Boost變換器的主要任務(wù)，此時(shí)，需要將恒定功率控制切換為恒壓恒頻控制方式，以確保模態(tài)切換順利完成。并網(wǎng)運(yùn)行模式下，兩個(gè)固態(tài)開關(guān)分別以閉合、開啟兩種不同狀態(tài)工作，如果坐標(biāo)發(fā)生變化，需要以鎖相環(huán)兩側(cè)相位為依據(jù)，對(duì)每個(gè)相位發(fā)出功率指令需要的電流進(jìn)行計(jì)算。若不限以并網(wǎng)狀態(tài)運(yùn)行，而是切換為無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行模式時(shí)，需要將兩個(gè)固態(tài)開關(guān)中原本閉合的開關(guān)打開，并將開啟狀態(tài)的開關(guān)閉合，此時(shí)，會(huì)由電壓外環(huán)輸出電流指令，相位的產(chǎn)生則會(huì)以頻率指令作為依據(jù)。如果光伏逆變器的控制模式為電流內(nèi)環(huán)控制，并網(wǎng)運(yùn)行以及無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行模式下，控制器并未不在明顯差異，但內(nèi)環(huán)指令的生成在有序不同，所以會(huì)引發(fā)過流沖擊。為防止此問題，需要利用積分器進(jìn)行初始化，使切換前后數(shù)據(jù)保持一致。這樣，模態(tài)切換的過程中，電壓外環(huán)仍然執(zhí)行的是并網(wǎng)時(shí)的電流指令，且控制模塊的相位也發(fā)生變化，可增加電流指令穩(wěn)定性，避免相位發(fā)生非正常跳轉(zhuǎn)，還可使控制模塊的切換更加順暢。

2.2 無儲(chǔ)能孤島內(nèi)部運(yùn)行模式的切換

無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行模式內(nèi)并網(wǎng)運(yùn)行模式切換時(shí)，應(yīng)采用同步控制措施，消除負(fù)載相位、電壓及電網(wǎng)之間的差異，防止因相位變化引發(fā)過流沖擊現(xiàn)象而影響并網(wǎng)效果。無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行狀態(tài)下，要將固態(tài)開關(guān)切斷，通過頻率指令分段生成相位指令。從無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行切換至并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí)，在固態(tài)開關(guān)閉合后，立即啟動(dòng)并網(wǎng)環(huán)節(jié)，分別讀取兩側(cè)電壓值、電網(wǎng)電壓值，并求出二者的差值，然后計(jì)算具體的電壓調(diào)節(jié)需求。為了保障此數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性，要將無儲(chǔ)能孤島模式下所產(chǎn)生的電壓指令值納入考量。然后，按照得出的準(zhǔn)確預(yù)同步電壓指令進(jìn)行調(diào)整，從而平衡兩側(cè)及電網(wǎng)電壓。在預(yù)同步相位的過程中，需要合理調(diào)整頻率，注意應(yīng)根據(jù)鎖相環(huán)網(wǎng)側(cè)相位與參考相位之差來取頻率調(diào)節(jié)的具體數(shù)值。若網(wǎng)側(cè)相位比相位參考值高，且補(bǔ)償量為正，需調(diào)大角頻率，直至兩個(gè)相位值相同。若網(wǎng)側(cè)相位低于相位參考值，且補(bǔ)償量為負(fù)，則需調(diào)小角頻率，也可實(shí)現(xiàn)相位一致、電壓、相位預(yù)同步后，通過調(diào)控開關(guān)，將參考相位轉(zhuǎn)換為鎖相環(huán)輸出的網(wǎng)側(cè)相位，便可完成無儲(chǔ)能孤島模態(tài)向并網(wǎng)運(yùn)行模態(tài)的轉(zhuǎn)換。MATLAB的Simulink仿真平臺(tái)，搭建仿真電路，控制電路詳見圖2所示。

圖2 逆變器輸出電壓并網(wǎng)切換

3并網(wǎng)平滑切換技術(shù)策略應(yīng)用效果的驗(yàn)證分析

3.1 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

驗(yàn)證并網(wǎng)平滑切換技術(shù)應(yīng)用效果時(shí)，選用直流源串聯(lián)電阻，將之視作光伏電池，采用前后級(jí)結(jié)構(gòu)不同的三電平式逆變器，并運(yùn)用兼具電感、電容、電容器的LCL濾波電路作為負(fù)荷端過渡裝置。光伏逆變器與電網(wǎng)之間采用固態(tài)開關(guān)、空氣開關(guān)連接，逆變器的控制器型號(hào)為DSP28377。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電網(wǎng)電壓及無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行電壓均為70V，而電流源電壓則介于70～80V，并網(wǎng)功率指今為210W，而無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行電壓頻率及開關(guān)頻率分別是50Hz與10kHz，負(fù)載及串聯(lián)電阻則分別是20Ω與2.5Ω。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

并網(wǎng)運(yùn)行模式下，光伏逆變器的輸出功率為210W，而無儲(chǔ)能孤島模態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，先將空氣開關(guān)切斷，逆變器發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)存在故障后，會(huì)立即切斷固態(tài)開關(guān)，并進(jìn)行模態(tài)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中，原本在并網(wǎng)運(yùn)行模態(tài)下為74V的光伏電池端口電壓，逐步下降至70V，而直流母線電壓先是小幅度下降，然后快速升高，達(dá)到200V后保持穩(wěn)定，逆變器輸出電壓及電流切換過程沒有出現(xiàn)沖擊現(xiàn)象，逆變器輸出功率對(duì)負(fù)載需求進(jìn)行跟蹤后，逐步提升并穩(wěn)定在360W（見圖3(a)）。而無儲(chǔ)能孤島切換至并網(wǎng)運(yùn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)中，無儲(chǔ)能孤島模態(tài)下逆變器以360W進(jìn)行功率輸出，向并網(wǎng)運(yùn)行模態(tài)切換時(shí)，逆變器輸出電壓與電網(wǎng)電壓基本保持平衡，并且閉合固態(tài)開關(guān)后，切換順暢完成。整個(gè)切換過程中，直流母線的電壓一直保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，而光伏電池工作點(diǎn)處沒有出現(xiàn)過波不暢的情況。并網(wǎng)運(yùn)行后，光伏電池的輸出功率未超過規(guī)

定的并網(wǎng)功率范圍（見圖3(b)）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明，按照本文提出的控制策略，可確保光伏逆變器在無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行及并網(wǎng)運(yùn)行模態(tài)下進(jìn)行相互間的平滑切換。切換實(shí)驗(yàn)中逆變器輸出功率的變化情況詳見圖3所示。

圖3 切換實(shí)驗(yàn)中逆變器輸出功率變化情況

4安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

4.1概述

Acrel-2000MG 儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能 電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì) 報(bào)表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策 略選擇，包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不 僅可以實(shí)現(xiàn)下級(jí)各儲(chǔ)能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實(shí)現(xiàn)與上級(jí)調(diào) 度系統(tǒng)和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級(jí)調(diào)度指令，又可以 滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)維，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4.2應(yīng)用場(chǎng)景

適用于工商業(yè)儲(chǔ)能電站、新能源配儲(chǔ)電站。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)管

對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁及用電負(fù)荷，同時(shí)也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

（2）智能監(jiān)控

對(duì)系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機(jī)、儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能變流器、用電設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

（3）功率預(yù)測(cè)

對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預(yù)測(cè)，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質(zhì)量

實(shí)現(xiàn)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析及錄波展示，并對(duì)電壓、電流瞬變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（5）可視化運(yùn)行

實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)無人值守，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對(duì)重要負(fù)荷與設(shè)備進(jìn)行不間斷監(jiān)控。

（6）優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對(duì)負(fù)荷進(jìn)行功率預(yù)測(cè)，并結(jié)合分布式電源出力與儲(chǔ)能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時(shí)刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶可以查看光伏、儲(chǔ)能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時(shí)可以切換年報(bào)查看每個(gè)月的電量和收益。

（8）能源分析

通過分析光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評(píng)估設(shè)備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運(yùn)行策略及統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行設(shè)置。其中策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

5硬件及其配套產(chǎn)品

6 結(jié)語

為了滿足“雙碳”要求，確保分布式光伏逆變器在電網(wǎng)故障情況下，在無電源支持時(shí)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，本文提出了無儲(chǔ)能光伏逆變器多模態(tài)控制模式，并運(yùn)用并網(wǎng)平滑切換技術(shù)確保并網(wǎng)運(yùn)行模式能夠順暢、快捷轉(zhuǎn)換為無儲(chǔ)能孤島運(yùn)行模式。對(duì)比以往常用的傳統(tǒng)控制策略，本文所提出的新型控制方法，創(chuàng)新在于可在不超過功能點(diǎn)范圍內(nèi)情況下，深度挖掘光伏的穩(wěn)定運(yùn)行潛力，減少了對(duì)外部電源的依賴度，保證了并網(wǎng)兩種模態(tài)的順暢切換，降低了電壓電流沖擊現(xiàn)象的發(fā)生率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，本文所提出的控制策略與模態(tài)切換技術(shù)應(yīng)用策略具有一定的可行性。

參考文獻(xiàn)

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