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光伏储能微电网并网与断网控制策略研究

Huankun Zheng, Xianrong Chang, Xin Wang

摘要：本文采用matlab构建光存储微电网，由光伏发电，蓄电池和负载组成。我们对微电网在并网模式和离网模式下的特性进行了研究。本文提出了不同的电网连接状态和离网状态控制策略。通过控制方法，我们可以实现光伏储能微电网系统与主电网之间的无缝并网运行和离网运行。此外，我们使用matlab仿真来验证控制策略的正确性和有效性。

关键词：微电网;控制策略;并网运行;光伏电池;蓄电池

1. 介绍

分布式发电（DG）是可再生能源的重要有用类型;DG在全球范围内高度发展。与传统的依赖远程传输的电源相比，DG在一定程度上适应了调度的电力需求和资源分配。同时，DG和电网可以相互交替，提高了供电的可靠性。由于低污染，高可靠性和高能效，安装位置的灵活性等优点，基于清洁能源的DG受到了关注。通过控制策略，微电网有效地结合了DG设备，存储设备和负载，为DG技术和可再生能源发电技术提供了灵活有效的平台。

然而，DG大规模连接主电网给传统电力系统的运行和管理带来了新的问题，如对电能质量的影响，对主电网的脉冲，对系统短路电流的影响等。当负载或网络结构发生变化时，如何有效协调控制微电网中每个DG源，确保微电网在不同的运行方式下能满足任何负载电能质量要求，保证主电网脉冲在允许范围内是微电网是否可靠运行的关键。在实际的微电网中，不同类型DG源的控制特性差异很大，系统情况复杂，难以确定微电网控制策略。

本文采用matlab构建了拥有光伏发电和蓄电池储能的微电网系统，分析了并网和关机。微电网的电网控制策略分别采用不同的并网和离网控制策略，通过上述策略可以实现微电网与主电网之间的无缝并网和离网运行。

1. 光伏发电系统和蓄电池储能系统

光伏发电系统主要由太阳能电池板，控制器和光伏逆变器组成。太阳能电池的研究是分析光伏发电系统运行特性的关键。

在太阳能电池的实际应用中，通常基于设计要求串联或并联连接一些太阳能电池板以组成光伏阵列。在考虑光伏阵列的理论模型时，应该简化，通常忽略以下三种情况：

1)太阳辐射强度不平衡导致光伏电池的分布效应和温度梯度效应。

2)阴影导致光伏电池输出功率的降低和内部成本的增加。

3)由于部分电池受到保护，在恒定电流条件下，串联电池输出的电压相对较低，导致总输出电压较低。

等效电路的光伏电池模型及其仿真模型如图1和图2所示。

图1 光伏电池的等效电路是理想的条件

图2 Simulink光伏电池模型

在MATLAB/ simulink中，有一个成熟的蓄电池模型，该模型使用蓄电池的三阶动态模型，由Massimo Ceraolo提出，该模型主要包括两个部分：主反应分支和寄生分支。RC网络，主电压源是主反应支路，而电流支路是寄生支路。主反应分支主要考虑电池内的电极反应，能量分配和欧姆效应。寄生分支主要考虑充电时的气相色谱反应。理论如图3所示。

图3 蓄电池的三阶动态模式

图4 蓄电池的Simulink模型

3.微电网并网和离网运行的控制策略

微源通过并网逆变器连接到微电网交流母线，并网逆变器控制包括四种不同的控制类型：电压源电压控制，电压源电流控制，电流源电压控制，电流源电流控制。当直流输入侧并联连接大电容时，电压源逆变器构成电压源特性;而当直流侧串联连接到大电感时，电流源逆变器构成电流源特性，提供稳定的直流输入，但串联大电感会导致系统动态响应不良。因此，近期大多数并网逆变器采用电压源逆变器。

逆变器输出的控制方法可分为电压控制方法和电流控制方法。该电压控制方法原理将输出电压视为控制变量，系统输出的电压信号与电网电压具有相同的频率和相位，整个系统等于内部电阻小的受控电压源。而电流控制方法将输出感应电流视为受控变量，系统输出的电流信号与电网电流具有相同的频率和相位，整个系统等于拥有较大内阻的受控电流源。

主电网可视为拥有无限容量的电压源，如果并网逆变器采用电压控制方式，则等于与无限电压源并联的有限容量电压源。为保持系统运行稳定，应采用锁相环控制技术，确保逆变器输出电压的频率，幅度和相位与电网电压完全相同，但微源的有功功率正在发生变化。这对锁相环响应时间提出了很高的要求，系统稳定性差。如果变频器输出采用电流控制，主电网电压支持微电网母线电压，控制逆变器输出电流跟踪电网电压，控制逆变器输出电压与电网电压具有相同的频率和相位，即可以保证微电网达到并网并联运行。

当微电网处于离网型时，系统电压缺乏主电网的支持，系统需要逆变器控制其输出电压，保持微电网交流母线电压正常，以满足负载电能质量的要求。因此，当微电网以离网型运行时，应至少有一台逆变器应用电网电压闭环控制来支持微电网的交流母线电压。随着逆变器输出电压的闭环控制，将逆变器滤波电感电流或滤波电容电流闭环控制添加到电压环路，构成双闭环控制，提高系统的动态响应能力。

综上所述，该系统在并网运行时，光伏逆变器和蓄电池储能逆变器应用电流控制，将并网逆变器的输出电流作为控制变量，实时控制输出电流使逆变器输出电流与电网电压具有相同的频率和相位，以实现电网连接的目标。当该系统处于离网状态时，蓄电池逆变器和光伏逆变器采用主从控制方式，蓄电逆变器为主逆变器，采用电压控制方式确保输出电压稳定;光伏逆变器是从逆变器，采用电流控制方式。

图6是微电网输出电压，主电网电压和负载电流波形。图7是微电网输出电压，电网电压和开关时间前后的负载电流波形。图8（a）是微电网AB线电压（绿色）和主电网AB线电压（蓝色）的重叠波，图8（b）是逆变器开始调制时的调节信号（1是正常），图8（c）是开关的关闭信号（1正在关闭）。

图5 光伏与蓄电池MG与电力系统连接的模型

图6 微电网电压，主电网电压，负载电流波

图7 微电网电压，主电网电压，负载电流波绕开关时间

图8 离网变为并网时的相对信号波

从上图6到图7，我们知道在大约0.08s（四个周期）之后，转换器输出电压的角度已经跟随主电网电压角，并且转换器在0.16s处应用并网运行。在并网开关过程中，微电网输出电压，负载电流波动小，可以快速稳定。

微电网从并网模式到单模的开关仿真遵循单模开关到并网模式的模拟。在这个模拟中，在0.16s时，微电网成功连接到主电网，进入并网模式，但在0.32s时，人为地给主电网一个突然的电压降，使其从380V线电压下降到360V，产生电网故障，然后微电网立即从并网模式切换到离网模式，微电网主逆变器也快速将其控制方式切换到单电压控制。

图9是主逆变器的输出电压，主电网电压和负载电流波。图10是开关时间周围的输出电压和电流波形。图11（a）是微电网AB线电压（绿色）和主电网AB线电压（蓝色）的重叠波，图11（b）是逆变器开始调制时的调节信号（1是正常），图11（c）是开关的关闭信号（1正在关闭）。

图9 主逆变器输出电压，主电网电压和负载电流波

图10 切换时主变频器输出电压，主电网电压和负载电流波

图11 电网连接时的相对信号波变为离网模式

因此，在0.32s时，系统快速检测到电网故障并实现控制策略的开关，主逆变器输出电压脉冲，电网电压和负载电流都非常小。因此，通过采用本文选择的控制策略，微电网系统实现了从并网模式到离网模式的精细无缝切换。

4.结论

本文采用matlab构建光伏蓄电池系统模型，对光伏存储并网发电系统进行仿真研究;光伏存储微电网系统在并网运行时，光伏逆变器和存储逆变器采用电流控制方式;在离网运行下，光伏逆变器和存储逆变器采用主从控制方式。仿真结果表明，本文的控制策略可以实现从离网模式到并网模式，从并网模式到离网模式的无缝切换，系统运行稳定可靠。

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