CN105305430A - 基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，包括a.构建光储联合发电系统，所述构建光储联合发电系统包括在分布式光伏发电系统的直流侧设置混合储能单元；b.通过所述光储联合发电系统的功率调度控制和本地功率控制对电能质量进行主动治理；本发明中的分布式光储联合发电系统能有效平抑光伏输出功率的波动，增强光储联合发电系统的可调度性；基于自适应迭代的谐波电流检测算法能有效检测本地负荷的谐波分量，为分布式光储联合发电系统的电能质量就地补偿提供保障；本发明为高渗透率光伏发电系统的运行与控制提供了一条种新的方法，可以有效的提升电网的电能质量，为电网的安全稳定运行提供有力的保障。

Description

基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法
技术领域
本发明涉及电力领域，尤其涉及一种基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法。
背景技术
我国幅员辽阔，电力资源和电力负荷沿东西走廊呈逆向分布，高压远距离在很长一个时期内无法避免。然而，研究结果表明新能源的大规模远距离传输暴露出诸多弊端，譬如风、光集中电站的稳定运行问题、输电走廊的限制问题等。分布式光伏发电系统是可再生能源的有效组织方式，但随着分布式光伏渗透率的不断提高，给电网供电品质带来了挑战，分布式光伏发电系统往往采用逆变器作为其并网接口，随着其渗透率的不断提高，对电网的影响也越来越大。一方面，光伏出力具有随机性和波动性，容易引起电网电压的波动，其输出功率的波动性，会影响电网电压偏离其合理运行范围。另一方面，分布式光伏系统附近存在大量的非线性负荷，产生的谐波与逆变器相结合，容易引发谐波谐振，影响电网的安全稳定运行。
针对分布式光伏发电系统电能质量的提升，已有一些文献进行了研究。在光伏出力的平稳化控制方面，普遍采用储能(EnergyStorage,ES)装置与光伏电池相互配合。利用储能的充放电过程抵消光伏的波动性出力，从而稳定光伏系统并网点处的输出功率特性。这些光、储联合的发电系统大致分为两类：储能接入光伏的交流母线、储能接入光伏系统的直流母线。其中，光伏和储能通过直流母线耦合的方案，以其光储一体化的结构、减少了储能逆变器，得到了更多的重视，尤其是在分布式光伏发电系统中具有更多的应用价值。在这类光储一体化的分布式发电系统中，为了提升光伏出力的平稳效果、提升电网的可调度能力，往往采用混合储能的方式，充分利用电池储能能量密度大、超级电容功率密度大和响应速度快的优势。在光储发电系统与本地电能质量的治理方面，现有示范工程中大多安装各类有源和无源的电能质量治理装置。然而，研究表明光伏发电系统往往难于运行在满功率发电状态，其并网逆变器存在大量的剩余功率容量。因此需要一种新的方法，可以对本地电能质量加以治理，将能在很大程度上避免重复安装各类其他的电能质量治理装置，并有效提升电网的电能质量。
发明内容
有鉴于此，本发明提供的基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，包括。
本发明提供的基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，包括
a.构建光储联合发电系统，所述构建光储联合发电系统包括在分布式光伏发电系统的直流侧设置混合储能单元；
b.通过所述光储联合发电系统的功率调度控制和本地功率控制对电能质量进行主动治理。
进一步，步骤a所述的混合储能单元采用电池和超级电容混合的方式构建。
进一步，步骤b中所述功率调度控制包括根据上级调度指令，确定所述光储联合发电系统中电池和超级电容分配输出功率指令。
进一步，所述功率调度控制还包括根据超级电容和电池响应的工作带宽，分别为其分配不同频段的功率指令信号。
进一步，步骤b中所述本地功率控制包括根据功率调度控制获得的指令功率与混合储能单元的端电压获取输出指令电流，并通过控制所述输出电流跟踪指令值来控制混合储能单元的输出功率。
进一步，所述混合储能单元通过DC/DC变换器接入光伏发电系统的直流母线，所述光伏发电系统和混合储能单元在直流母线处耦合，并共用逆变器。
进一步，所述本地功率控制还包括通过控制升压变换器完成最大功率跟踪，并通过控制DC/DC变换器完成功率的吸收和释放。
进一步，所述步骤b还包括采用自适应谐波电流检测算法检测负荷电流中的基本分量和谐波分量，并对电能质量进行补偿。
进一步，所述自适应谐波电流检测算法，用如下公式表示，
其中，E表示所检测到的谐波电流的平方和，λ为滤波网络的常系数，iLa为负荷电流，iba为基波电流，ua为参考电压信号。
进一步，采用最小二乘法对所述滤波系数进行修正，补偿本地负荷的谐波。
本发明的有益效果：本发明中的分布式光储联合发电系统能有效平抑光伏输出功率的波动，增强光储联合发电系统的可调度性；基于自适应迭代的谐波电流检测算法能有效检测本地负荷的谐波分量，为分布式光储联合发电系统的电能质量就地补偿提供保障；本发明为高渗透率光伏发电系统的运行与控制提供了一条种新的方法，可以有效的提升电网的电能质量，为电网的安全稳定运行提供有力的保障。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明的原理示意图。
图2是本发明的功率调度控制原理示意图。
图3是本发明的储能双向DC/DC变换器拓扑及其控制原理示意图。
图4是本发明的最大功率跟踪控制原理示意图。
图5是本发明的逆变器的控制原理示意图。
图6是本发明的直流母线电压示意图。
图7是本发明的自适应谐波电力检测算法的结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图，图2是本发明的功率调度控制原理示意图，图3是本发明的储能双向DC/DC变换器拓扑及其控制原理示意图，图4是本发明的最大功率跟踪控制原理示意图，图5是本发明的逆变器的控制原理示意图，图6是本发明的直流母线电压示意图，图7是本发明的自适应谐波电力检测算法的结果示意图。
如图1所示，本实施例中的一种基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，包括
a.构建光储联合发电系统，所述构建光储联合发电系统包括在分布式光伏发电系统1的直流侧设置混合储能单元2；
b.通过所述光储联合发电系统的功率调度控制和本地功率控制对电能质量进行主动治理。
在本实施例中，通过在直流侧加设一体化的混合储能系统，用于平抑光伏出力的波动性；同时利用基于自适应滤波算法的负荷谐波检测算法，以及分布式光伏电能质量主动治理控制方法，降低交流侧的谐波水平，采用光储联合发电系统不但可以增强系统出力的平稳性，而且还能提升光伏发电系统的可调度能力。
在本实施例中，步骤a所述的混合储能单元采用电池和超级电容混合的方式构建。通过基于分层控制的光储联合发电系统控制方案，功率调度层管理光伏、电池和超级电容的功率潮流，变流器本地控制层控制各变流器精确跟踪指令功率，可以提升光储联合发电系统的可调度性和电网友好性。功率调度层主要响应上级调度的指令，确定光储联合发电系统中电池、超级电容的输出功率指令；本地控制层，主要为各个DC/DC、DC/AC变换器的控制，控制光伏电池Boost(升压变换器)完成MPPT(MaximumPowerPointTracking，最大功率跟踪)功能，控制储能双向DC/DC变换器完成功率的吸收和释放功能，控制逆变器完成光储单元的能量转换，以及本地负荷电能质量的治理。
如图2所示，在本实施例中，功率调度控制包括根据上级调度指令，确定所述光储联合发电系统中电池和超级电容分配输出功率指令。根据超级电容和电池响应的工作带宽，分别为其分配不同频段的功率指令信号。功率调度控制主要响应电网侧的调度指令，为光伏联合发电系统中电池和超级电容分配输出功率指令。
ΔPes＝Pref-Ppv式(1)
Pbatref＝Gb(s)ΔPes式(2)
Pscref＝[1-Gb(s)]ΔPes式(3)
其中，Pref为电网传递给光储联合发电系统的功率调度指令，Ppv为光伏的输出功率，Pscref和Pbatref为超级电容和电池的输出功率指令。其中，传递函数Gb(s)为带宽选择器，根据超级电容和电池所能响应的工作带宽，分别为其分配不同频段的功率指令信号，通常，Gb(s)可选为低通滤波器，即
式(4)
其中，ωc为电池变流器的工作带宽，可根据电池的响应时间、双向DC/DC变换器的控制带宽决定。
如图3所示，在本实施例中，本地功率控制包括根据功率调度控制获得的指令功率与混合储能单元的端电压获取输出指令电流，并通过控制所述输出电流跟踪指令值来控制混合储能单元的输出功率；通过控制升压变换器完成最大功率跟踪，并通过控制DC/DC变换器完成功率的吸收和释放。
在本实施例中，混合储能单元通过DC/DC变换器接入光伏发电系统的直流母线，所述光伏发电系统和混合储能单元在直流母线处耦合，并共用一套逆变器。本地功率控制主要实现各变流器对指令信号的跟踪。光伏电池经过Boost电路接入直流母线Udc处。光伏的输出电压和电流分别为UPV和IPV，经过MPPT控制算法后，得到最佳的输出电压，通过控制Boost电路将其电压UPV控制为给定值，以获得光伏的最大功率输出。
如图4所示，以超级电容为例，由功率调度控制获得的指令功率Pscref与超级电容器组的端电压相除得到其输出指令电流，通过控制其输出电流is跟踪指令值来控制超级电容的输出功率。双向Buck-Boost电路用于平衡超级电容器组的端电压和直流母线电压Udc之间的应力差，并实现能量的双向流动。对于电池储能系统，情况类似。
如图5所示，逆变器的实际有功指令用于平衡直流母线Udc为其额定值Udcref，通过直流母线电压的PI控制器得到。并网电流跟踪控制在同步旋转坐标系下完成，其中Clarke变换T3s/2s为
式(5)
Park变换为
式(6)
其中，θ为电网电压相位，由锁相环(Phase-lockedloop,PLL)得到。
在本实施例中，采用自适应谐波电流检测算法检测负荷电流中的基本分量和谐波分量，并对电能质量进行补偿，以a相为例，利用自适应噪声对消的方法将检测出的谐波信息反馈回调整网络，不断修正滤波系数。使得从负荷电流iLa中检测出的基波电流iba以二次型最优指标最优为目的逐渐逼近参考电压信号ua，即其数学模型可以表示为
式(7)
其中，λ为滤波网络的常系数，为待优化变量。
采用最小二乘法对所述滤波系数进行修正，补偿本地负荷的谐波，其过程为
XT＝[x(n)x90°(n)]＝[uαuβ]式(8)
W(n)＝[ω1(n)ω2(n)]T式(9)
e(n)＝d(n)-y(n)＝d(n)-XT(n)W(n)式(10)
式(11)
其中，ω1和ω2为滤波系数，μ为自适应学习率，一般取为足够小的常数，本实施例取μ＝0.0001。
在本实施例中，为验证所提光储联合发电系统模型和控制策略的可行性和有效性，在PSCAD/EMTDC(PowerSystemsComputerAidedDesign，电力系统计算机辅助设计/电磁暂态仿真程序)中建立了仿真模型，系统参数如表1所示。仿真过程中的扰动设置为：电网调度功率为8kW；0s开机，1s时光照强度从400W/m2阶跃到1200W/m2，1.5s时光伏电池的稳定从25℃阶跃到50℃，2s时非线性不控整流负荷的电阻从200Ω阶跃到100Ω。
表1光储联合发电系统参数
在光照强度增加后，光伏电池的出力也相应增加；但在温度增加后，光伏电池的出力有所减少。由于电网对光储联合发电系统的调度功率为8kW，不足或过剩的稳态功率由电池平衡，暂态功率的缺口有超级电容填补。从而实时响应并满足电网的调度需求，提升光储联合发电系统的可调度性。
如图6所示，开机时光伏出力为0，电池和超级电容急剧向母线充电，并通过逆变器向电网注入功率，在这个过程中直流母线电压存在一个正向的超调。但是超调量不大，最大电压偏差不超过50V，满足系统运行要求。在动态过程中，1s时，光伏出力突然增加，过剩的功率转移到储能单元中，但是在动态过程的瞬间，储能还没有来得及响应，光伏电池的输出功率给直流母线充电，使得直流母线出现了正的超调电压，但在控制器的作用下，迅速恢复到了额定值。表明本实施例的控制策略可以达到维持直流母线电压的目的。
如图7所示，自适应谐波电力电流检测算法的实施效果，基于最小二乘迭代的自适应算法能有效检测出本地负荷电流中的基本分量和谐波分量，以确保光储联合发电系统对电能质量的有效补偿。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，其特征在于：包括
a.构建光储联合发电系统，所述构建光储联合发电系统包括在分布式光伏发电系统的直流侧设置混合储能单元；
b.通过所述光储联合发电系统的功率调度控制和本地功率控制对电能质量进行主动治理。
2.根据权利要求1所述的基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，其特征在于：步骤a所述的混合储能单元采用电池和超级电容混合的方式构建。
3.根据权利要求2所述的基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，其特征在于：步骤b中所述功率调度控制包括根据上级调度指令，确定所述光储联合发电系统中电池和超级电容分配输出功率指令。
4.根据权利要求3所述的基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，其特征在于：所述功率调度控制还包括根据超级电容和电池响应的工作带宽，分别为其分配不同频段的功率指令信号。
5.根据权利要求3所述的基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，其特征在于：步骤b中所述本地功率控制包括根据功率调度控制获得的指令功率与混合储能单元的端电压获取输出指令电流，并通过控制所述输出电流跟踪指令值来控制混合储能单元的输出功率。
6.根据权利要求5所述的基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，其特征在于：所述混合储能单元通过DC/DC变换器接入光伏发电系统的直流母线，所述光伏发电系统和混合储能单元在直流母线处耦合，并共用逆变器。
7.根据权利要求6所述的基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，其特征在于：所述本地功率控制还包括通过控制升压变换器完成最大功率跟踪，并通过控制DC/DC变换器完成功率的吸收和释放。
8.根据权利要求6所述的基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，其特征在于：所述步骤b还包括采用自适应谐波电流检测算法检测负荷电流中的基本分量和谐波分量，并对电能质量进行补偿。
9.根据权利要求6所述的基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，其特征在于：所述自适应谐波电流检测算法，用如下公式表示，
min E = ∫ t t + T ( i L a - i b a ) 2 d t
s . t . i L a = i b a + i h a i b a = λu a
其中，E表示所检测到的谐波电流的平方和，λ为滤波网络的常系数，ω1和ω2为滤波系数，iLa为负荷电流，iba为基波电流，ua为参考电压信号。
10.根据权利要求9所述的基于分层控制的光储发电系统电能质量提升方法，其特征在于：采用最小二乘法对所述滤波系数进行修正，补偿本地负荷的谐波。
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