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光伏微電網(wǎng)電儲能系統(tǒng)控制策略探討

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光伏微電網(wǎng)電儲能系統(tǒng)控制策略探討

摘要:光伏能源因具有無污染和綠色清潔等優(yōu)點,受到了國家的重視。光伏電站是利用光伏能源的一種極為重要的方式。有太陽就可以建立光伏電站,既可以減少因輸電距離較長而損耗線路的現(xiàn)象,又可以當(dāng)作集中式發(fā)電的補充,但是光伏電源微電網(wǎng)并網(wǎng)運行在很大程度上影響電網(wǎng)的繼電保護(hù)和電儲能系統(tǒng)控制。光伏微電網(wǎng)并網(wǎng)后,在一定程度上改變了系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)和儲能結(jié)構(gòu),傳統(tǒng)的電儲能系統(tǒng)無法滿足系統(tǒng)控制要求。因此,從光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)分析入手,探討光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)控制策略,希望進(jìn)一步提升光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)的控制能力。

關(guān)鍵詞:光伏微電網(wǎng);電儲能系統(tǒng);控制策略

引言

電能是清潔能源的一種,在我國人民生活和生產(chǎn)中具有不可替代的作用。從前,我國電力方面的能量主是以河流、煤炭為動力源進(jìn)行水力和火力發(fā)電。然而,煤炭資源日益減少,水資源無法有效控制,人們在電力方面的需求日益增長,所以光能發(fā)電成為相關(guān)研究者的主要研究方向[1]。生物質(zhì)能、太陽能光伏以及風(fēng)力發(fā)電是我國現(xiàn)階段3種較為清潔的發(fā)電方式。近年來,光伏發(fā)電發(fā)展極其迅速,得到了極其廣泛的應(yīng)用。光伏發(fā)電是一種新能源發(fā)電技術(shù),以中小規(guī)模為主進(jìn)行建設(shè),構(gòu)成一個微網(wǎng)系統(tǒng)接入我國電網(wǎng)系統(tǒng)。

1光伏微電網(wǎng)中發(fā)電系統(tǒng)分析

1.1光伏微電網(wǎng)中發(fā)電系統(tǒng)

現(xiàn)階段,借助并網(wǎng)控制逆變器連接當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng),是光伏電源的主流應(yīng)用方式。這一供電方式可以借助電網(wǎng)再分配系統(tǒng)發(fā)的電能,而分析發(fā)電系統(tǒng)可以更好地控制儲能系統(tǒng)。因此,立足于光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成和使用目的不同,可以分為以下幾類(如圖1所示)。

1.1.1有逆流型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)電能充足的情況下,這一系統(tǒng)可以在大電網(wǎng)進(jìn)行反饋。有逆流是指光伏電站向電網(wǎng)反饋的電流方向恰好相反于大電網(wǎng)[2]。在光伏電站供給不足時,由電網(wǎng)補充負(fù)載所需電量,使負(fù)載能夠正常運行。

1.1.2無逆流光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和有逆流型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)類似,當(dāng)電流供應(yīng)不足的時候,主要依靠電網(wǎng)的補充,但這一系統(tǒng)不會把電輸給電網(wǎng),控制難度不大。

1.1.3切換型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)這種并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以靈活運行,可以有效應(yīng)對較為復(fù)雜的外部狀況。比如:天氣晴朗時,系統(tǒng)運行處于逆流狀態(tài);陰雨連綿時,切換器自動切換到電網(wǎng)供電一側(cè),由電網(wǎng)供電給負(fù)載。如果電網(wǎng)因為某種原因?qū)е鹿╇姲l(fā)生中止,開關(guān)切換能斷開系統(tǒng)和電網(wǎng)保持運行獨立。受這一系統(tǒng)各種特性的影響,為了在獨立運行過程中滿足當(dāng)?shù)貙嶋H情況對負(fù)荷正常運行的要求,需要復(fù)雜性更強(qiáng)的控制系統(tǒng)。

1.1.4有儲能裝置的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)這種系統(tǒng)是把儲能裝置配備在以上幾種光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中,增強(qiáng)系統(tǒng)的自主性,在醫(yī)療站和緊急通信等場所具有特別的應(yīng)用優(yōu)勢[3]。

1.2光伏發(fā)電并網(wǎng)對電網(wǎng)繼電保護(hù)的影響

通常,單電源的放射狀鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)電網(wǎng)中最為常見,在電網(wǎng)中引入光伏發(fā)電后,放射式的無源網(wǎng)絡(luò)就發(fā)生了變化,即變成了一個有源網(wǎng)絡(luò),其中分布有中小型電源。潮流的流向也被改變,即不再單向地從變電站母線向各負(fù)荷傳輸。電網(wǎng)的各種保護(hù)定值和機(jī)理也深受電網(wǎng)這一變化的影響。傳統(tǒng)的繼電保護(hù)設(shè)計均是假設(shè)電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)都為放射狀鏈?zhǔn)剑S著電力系統(tǒng)中大量介入光伏發(fā)電設(shè)備,所以也在很大程度上改變了這一區(qū)域供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),使局部電網(wǎng)短路電流的分布發(fā)生了變化,由此也在一定程度上讓這一區(qū)域的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和安全自動裝置的配置與動作整定變得更加困難,從而讓繼電保護(hù)和安全自動裝置在動作上的不正確?,F(xiàn)階段,電力系統(tǒng)中光伏發(fā)電已有著非常廣泛的應(yīng)用,進(jìn)而也開始深入探討其對電網(wǎng)保護(hù)配合的影響。

1.3光伏發(fā)電并網(wǎng)對自動重合閘的影響

自動重合閘屬于自動裝置的一種,其是把由于故障跳開后的斷路器根據(jù)需要自動投入。自動重合閘裝置應(yīng)用于電力系統(tǒng)中,讓供電的可靠性得到了明顯提高,使停電損失大大減少,同時也讓電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定水平進(jìn)一步提高,使線路的送電容量增強(qiáng)。當(dāng)配電網(wǎng)接入光伏系統(tǒng)后,如果保護(hù)由于故障動作而出現(xiàn)跳閘的情況,而光伏系統(tǒng)沒有從線路解列,由此便形成了一個電力孤島,其電力由光伏系統(tǒng)提供。雖然這些電力孤島可讓功率與電壓的運行保持在額定值附近,但無疑也威脅到了自動重合閘。

2光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)控制

2.1控制系統(tǒng)設(shè)計

結(jié)合微電網(wǎng)并網(wǎng)后電儲能系統(tǒng)變化,設(shè)計光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)的控制系統(tǒng),如圖2所示。該系統(tǒng)中不僅包含電網(wǎng)、發(fā)電系統(tǒng)、負(fù)載系統(tǒng)以及儲能變換器等電路控制系統(tǒng),還包含儲能控制系統(tǒng)。其中,儲能系統(tǒng)由DSP控制器和繼電保護(hù)電路等組成??刂破鞑扇∮嬎氵\行性能較好的TMS320F28335控制芯片,雙極式變流結(jié)構(gòu)電路做儲能功能變換系統(tǒng),雙芯片DSP控制四橋臂變流器和DC/DC變換器。此外,預(yù)充電模塊防止電流增加損壞開關(guān)管。

2.2具體控制策略

2.2.1儲能功率變換器控制微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)放電狀態(tài)與電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部各組成部件的運行特性息息相關(guān),必須定期檢測光伏單元發(fā)電情況和負(fù)載需求,明確儲能系統(tǒng)充放電運行策略。采用“雙極式四橋臂儲能功率變換器”控制電網(wǎng)、光伏系統(tǒng)以及電流負(fù)載等,驗證儲能系統(tǒng)中電池充放電控制策略的有效性。

2.2.2儲能功率變換系統(tǒng)控制設(shè)計中的儲能功率變換系統(tǒng)在三相電網(wǎng)調(diào)整電壓和電流后持續(xù)為蓄電池充電,電壓的等級相對較高。根據(jù)光伏微電網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)分析,儲能系統(tǒng)配置的儲能單元功率要求非常高,實際中可以擴(kuò)充電池組,其中DC/DC變換器參數(shù)可參考文獻(xiàn)[4]。

2.2.3DSP核心控制電路DSP核心控制電路主要對系統(tǒng)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理,設(shè)定系統(tǒng)控制闡述,發(fā)出相應(yīng)的控制指令,從而實現(xiàn)控制目標(biāo)。DSP核心控制電路芯片對運算速度、外設(shè)接口以及功能要求非常高,必須滿足變流器環(huán)節(jié)和DC/DC環(huán)節(jié)的控制要求。

3控制結(jié)果

系統(tǒng)對各控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗證,借助Matlab系統(tǒng)搭建系統(tǒng)仿真模型電路。驗證結(jié)果顯示:指令電流、電壓以及鎖相環(huán)等相關(guān)因素都滿足基本控制要求,發(fā)電系統(tǒng)對該系統(tǒng)的影響相對較小。儲能功率變換系統(tǒng)可以有效控制電池充放電,還可以補償三相負(fù)載所造成的不平衡和諧波等問題,系統(tǒng)整體運行效果良好。這進(jìn)一步驗證了儲能運行實施方案的可行性,不僅可以改善電網(wǎng)運行電能質(zhì)量,而且進(jìn)一步降低了應(yīng)用成本,對促進(jìn)微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)和電網(wǎng)整體安全有一定的積極意義。

4結(jié)論

現(xiàn)階段,智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展越來越快,電網(wǎng)中正不斷接入光伏發(fā)電等再生能源和清潔能源。電網(wǎng)由單電源放射狀網(wǎng)絡(luò)向多電源供電網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變,必須重視由短路電流、電壓水平以及潮流分布等因素造成的影響。傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)動作性能和動作行為受到影響很大,必須探討光伏微電網(wǎng)中電儲能系統(tǒng)控制策略,才能滿足智能電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型升級需求。

參考文獻(xiàn):

[1]王晗雯,魯勝,周照宇.光伏-混合儲能微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制及經(jīng)濟(jì)性分析[J].華電技術(shù),2020,42(4):31-36.

[2]鄭新昊,祝龍記.光伏直流微電網(wǎng)超級電容儲能控制策略研究[J].可再生能源,2020,38(4):497-501.

[3]王小楊,羅多,孫韻琳,等.基于ABC-SVM和PSO-RF的光伏微電網(wǎng)日發(fā)電功率組合預(yù)測方法研究[J].太陽能學(xué)報,2020,41(3):177-183.

[4]馬苗苗,邵黎陽,劉向杰.分布式預(yù)測控制在微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制中的應(yīng)用[J/OL].吉林大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版):1-8[2020-05-02].

作者:高飚 單位:新疆粵水電能源有限公司

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