作者：郑晓敏
近年来分布式光伏的装机容量迅速上升，分布式光伏电源对配电网电能质量的影响日益增大。高光伏渗透率的配电网轻载时容易发生潮流逆流，导致配电网过电压[1]，过云等引起的光伏出力剧烈波动可能导致电压骤降、闪变甚至系统稳定问题[2]，[3]。面对上述光伏接人引起的电压问题，传统调压方式如有载调压变压器、电容器等由于响应速度问题将失效，分布式光伏系统自身的有功无功调节能力成为可能的解决方案[4]，[5]。为保证电网的安全稳定和电能质量，增强分布式电源对电网的友好性，德国更新了分布式发电低压并网标准VDE-AR-N4015,明确提出了分布式电源有功管理.功管理、电压支撑等方面的要求。
作为分部式发电.智能配电网的支撑技术，分布式储货技术在系统调压，调频、平滑分布式电源出力波动、增强分布式电源可调度性等方面具有广阔的应用前景[6]。文献[8]，[9]采用储能系统平枊分布式电源出力波动性，平滑和优化分布式电源的有功出力。 文献．应用超级电容器储能系统解决双馈风力发电机和光伏系统的低电压穿越问题。本文应用超级电容调节分部式光伏系统的功率，从而使分布式光伏电源可以像传统电源一样参与电网出力调节，实现VDE-AR-N4015标准规定的各项功能要求。
目前关于配备储能装置的分布式光伏系统控制方法的研究成果中，储能装置和逆变器的控制相互独立，利用逆变器直流电压外环稳定直流母线电压。当电网故障后逆变器输出电能与光伏电源供给的电能失衡，直流侧电压失稳，逆变器和储能装置均无法正常工作。本文所提光伏系统控制策略采用双层控制结构，包括中心控制层和本地控制层。中心控制层监测电网和光伏发电系统的状态，决定相应的控制策略；本地控制层中超级电容器控制直流母线电压，当电网侧故障时，通过超级电容器的充放电过程控制仍然能够保证直流电压稳定。逆变器采用功率外环、电流内环控制，根据中心控制层的指令，逆变器功率外环响应于电网调度指令、并网点电压的变化或配电网频率的偏移，保证光伏系统出力的可控性。超级电容器采用直流电压外环、电感电流内环控制，在电流内环控制中设计了功率前馈环节．与逆变器的功率外环相互配合，使得超级电容器和逆变器的控制直接关联，以提高系统动态响应速度、缩短PI调节到达稳定的时间，同时实现超级电容器自身能量状态的调整。
1分布式光伏发电系统结构与模型
具有储能装置的分布式光伏发电系统典型结构如图1所示。
选择双向DC/DC变换器作为超级电容器与逆变器间的接口电路，双向DC/DC变换器的低压侧接入超级电容器，高压侧与并网逆变器的直流侧并联。L为滤波电感，r为电感损耗、线路阻抗的等效电阻。
1.1逆变器数学模型
在基于电网电压定向的dq坐标系中，dq轴电流受到电网电压和电流耦合交叉项的影响，利用状态反馈进行解耦控制，可得：
式中：
分别为电流环的比例系数和积分系数，
为电流dq分量参考值。
在电网电压定向的同步旋转坐标系中有ed=
（电网电压幅值）、
=0．根据瞬时功率理论，可得功率方程（dq变换采用等功率变换）：
1.2双向DC/DC数学模型
双向DC/DC变换器选用双向Buck/Boost变换器，结构如图2所示。
由图2可知，Buck模式时，高压侧等效为直流电源，能量由直流母线流入超级电容器：
Boost模式时，高压侧等效为电阻负载．能量由超级电容器流入直流母线。利用状态空间平均法推导出Buck/Boost变换器的交流小信号模型，得到输出方程如下：
式中：Udc为逆变器直流侧电压；以为超级电容器端电压；Lc为Buck/Boost变换器的电感；Cc为超级电容器等效电容；Res为超级电容器等效串联电阻；Cde为直流母线电容；R为Boost模式时直流侧等效负载；D为开关器件S1的占空比，S1与S2采用互补控制。
2光伏系统的双层控制
2.1第一层中心控制
中心控制层监测电网调度指令、电网运行状态和光伏发电系统运行状态，决定光伏系统的工作模式：执行电网调度指令、调节电网电能质量以及调整超级电容器的荷电状态。
2.1.1调度
执行电网调度指令模式时，逆变器输出功率参考Pref,Qref值由调度指令设定。由于光伏阵列自：输出功率具有波动性、间歇性等特点，调度指令与光伏电池输出的最大功率Pmppt之间必然存在不匹配功率，这部分差额功率由超级电容器储能装要调节
2.1.1调频
根据德国分布式电源低压并网标准VDE-AR-4015.电网频率在50.2～51.5 HZ时，分部式
电源的有功出力按每0.1 Hz 4%PM下降(其中PM为过50.2 Hz时的瞬时输出功率)。电网频率在47.5～51.5 Hz时，不允许分布式电源脱网，但考虑分布式电源出力定量增加的可能性，该标准未具唪规定低频情况下分布式电源的行为规范。本文所提控制策略可以实现分布式电源出力的定量增托，不妨设电网频率低于49.8 Hz时分布式电源的；有功出力按每0.1 Hz 4%PmPm加（其中Pm为过49.8 Hz时的瞬时输出功率）。
2.1.3调压
德国研究人员提出了光伏并网逆变器恒无功功率控制、恒功率因数控制、基于光伏电源有功功率输出的
(P)控制、基于并网点电压的Q(U)控制等多种标准化方案，这些方案各有其优缺点，目前关于分布式光伏电源参与电网调压方案还没有统一的标准。本文综合以上方案的优点，考虑正常工作情况下光伏并网逆变器运行功率因数限制提出以下方案。
设逆变器正常运行功率因数范围为（-C，C），当电网电压小范围波动时（电压偏差小于10%），根据并网点电压幅值调节逆变器的功率因数进行无功电压控制，由下垂特性得：
当电网电压偏差大于10%时，削减有功功率为逆变器无功输出提供容量，防止逆变器过流。不妨设分布式电源有功出力按每1%UN5%P下降，其中R为电压偏差大于10%额定电压时的瞬时输出功率。限制有功功率的同时逆变器以最大可用容量进行无功电压控制。
2 .1.4调整超级电容器荷电状态
光伏发电系统正常运行要求超级电容器的端电压处于一定的运行范围，为保证系统可持续性运行，光伏系统必须能够对超级电容器的荷电状态进行调整二超级电容器储能状态与其端电压满足：
当超级电容器的端电压超过了正常工作范围，需要对其进行充放电控制。端电压过低时，对其进行充电控制可提升端电压：端电压过高时，对其进行放电控制可降低端电压。
2.2第二层本地控制
分布式光伏发电系统的本地控制结构如图3所示。进行电网侧控制时（调压、调频、调度），控制系统首先满足并网逆变器的功率需求Pref，Qref，光伏阵列输出的最大功率Pmppt，与逆变器并网功率参考值Pref之间的功率差额由超级电容器调节。进行电容器组自身能量调整时，控制系统首先满足超级电容器的充（放）电功率需求Pc，光伏阵列输出的最大功率Pmppt，州在满足超级电容器充（放）电功率Pe后的剩余能量通过并网逆变器送入电网。
根据并网逆变器的数学模型，并网逆变器采用功率外环、电流内环的双环控制。依据公式(2)将逆变器外环功率指令转化为内环电流参考值，再依据公式(1)进行逆变器电流内环解耦控制。根据双向DC/DC变换器数学模型，超级电容器采用直流电压外环、电感电流内环的双环控制。超级电容器电压外环稳定直流侧电压，不受电网侧运行状态的影响。在超级电容器电感电流内环中设计了功率前馈环节，实际上前馈环节的设计实现了功率平衡的粗调功能，而双环PI控制实现功率平衡的精细调节。功率前馈环节可以提高系统的动态响应速度，缩短到达稳定的时间。超级电容器自身的充放电控制也是由电感电流内环的前馈环节实现．此时直流电压外环与电感电流内环双环控制仍然能够保证直流电压“的稳定：
3仿真分析
利用Matlab/Sinmlink搭建分布式光伏系统模型，并将其接人380V低压配电网。参数如下：光 伏电池Tref=25 0C，Sref=1 000 W／m2，Uoc=370 V，Lsc=213 A，Rs=
，Um=350 V，Im=200 A。MPPT模块采用电导增量算法。超级电容器Cc=5 F，Res=0.05
．超级电容器的工作电压为200~400 V，双向DC/DC变换器的电感Lc=2.5 mH，直流母线电容Cdc=3.3 mF，直流母线电压Udc设为800 V，超级电容器电压外环PI参数Kp=3，Ki=20，电流内环PI参数K p=0.3，Ki=20，逆变器电流内环PI参数Kp=10，Ki=20，逆变器出口滤波电感L=3 mH,功率器件选择IGBT，开关频率设为10 kHz。
3.1电网调度模式
仿真验证调度模式下光伏系统执行电网功率调度指令及稳定直流母线电压的能力，仿真结果如图4所示。其中，Ppw为光伏阵列的输出功率，Pg,Qg分别为光伏逆变器的并网有功功率和无功功率，Ie为超级电容器的充放电电流，SOC为超级电容器的荷电状态，Ude为直流母线电压。
由图4可见．0.1—0.5 s光伏阵列输出功率突然增加,0.2 s与0.4 s时刻无功和有功的调度指令分别发生变化，在超级电容器的协调作用下光伏并网功率能够迅速跟踪调度指令达到稳定，并且此过程中直流母线电压稳定在800 V，电压偏差小于1%.由图(f)与图(g)有、无功率前馈环节直流母线电压对比可见，双向DC/DC变换器电流内环中力口人功率前馈环节明显提高了响应速度，缩短了达到平衡所需的时间，有效减小了直流母线电压的波动。
3.2电网调频模式
仿真验证电网发生频率偏移时，光伏系统参与电网调频能力及此过程中稳定直流母线电压的能力，本节只进行电网过频的仿真，低频情况与此类似，仿真结果如图5所示。其中，Ppv为光伏阵列的输出功率，f为电网频率，Pg为光伏逆变器并网有功功率，Ic为超级电容器的充放电电流,SOC为超级电容器的荷电状态，Udc为直流母线电压。
由图5可见,0.1—0.5 s光伏阵列输出功率突增,0.1～0.3 s电网频率从50 Hz升高到51 Hz。在电网频率低于50.2 Hz时光伏系统并网功率即为光伏阵列的输出功率，电网频率持续升高时，光伏系统的并网功率参考值在50.2 HZ瞬时输出功率Pm。基础上按每0.1 Hz 4%速率减少，光伏阵列输出功率高于此参考值时，则按参考功率并网．剰余功率由超级电容器Pm吸收；光伏阵列输出功率低于此参考值时，则按光伏阵列输出功率并网，- -伏系统参与电网调频过程中，直流母线电压基本稳定在800V，电压偏差小于0.625%。
3.3电网调压模式
仿真验证电网电压波动时光伏系统参与电网调压的能力及此过程中稳定直流母线电压的能力。本节进行电网低电压情况仿真，过电压情况与此类似，仿真结果如图6所示。其中Ppv为光伏阵列的输出功率，Us为电网电压，Pg，Qg分别为光伏逆变器的并网有功功率和无功功率，
为逆变器的功率因数．Ic为超级电容器的充放电电流．SOC为超级电容器的荷电状态，Ude为直流母线电压。
由图6可见,0.1—0.5 s光伏输出功率突增． 0.1—0.3 s电网电压跌落至0.8UN。在电网电压低于0.98UN后逆变器开始向电网注入无功功率进行电压支撑，电网电压低于0.95 UN后逆变器以最低功率因数运行，当电网电压低于0.9 UN后开始限制光伏并网有功功率，有功功率削减与电网电压的跌落程度成正比，被削减的有功功率存人超级电容器中。光伏系统参与电网调压过程中，直流母线电压稳定在800 V左右，电压偏差小于1.25%。
3.4超级电容器充放电模式
防真验证超级电容器电匮过低后的充电过程，放电过程与此类似．仿真结果如图7昕示一其中Ppc；为光伏阵列的输出功率，Lc为超级电容器的充放电电流．Uc为超级电容器的端电压．Pg为光伏逆变器并网有功功率．Ude为直流母线电压。
由图7可见．0.1~0.5s时光伏阵列输出功率突增,0.7—1.1 s光伏阵列的输出功率突减一在此过程中对超级电容器进行恒功率P=60 kW-充电控制，恒功率充电过程中，超级电容器的端电压逐渐上升，充电电流则逐渐减小。光伏阵列的输出功率与超级电容器充电功率之间的差额功率由电网调节，如图(d)所示。由图(e)可见，充放电过程中仍然可以保证直流母线电压稳定在800 V左右，电压偏差小于0.625%。
4结论
本文分析了分布式光伏电源接人配电网可能引起的电能质量问题，针对分布式电源低压并网标准VDE-AR-N4015，设计了分布式光伏系统的双层控制策略，使得分布式光伏电源能够参与电网调频、调压、调度及调整自身储能元件的荷电状态。仿真表明，设计的双层控制策略能够使分布式光伏电源参与电网侧电能质量控制，并保持直流母线电压的稳定。
5摘要：
分部式光伏电源渗透率上升会影响电能质量。为了充分发挥分布式光伏电源调节配电网电能质量的潜力．设计了分布式光伏发电系统双层控制策略。该控制策略包含中心控制层和本地控制层，其中，中心控制层实时检测电网和分布式电源的运行状态，决定功率调整方案；本地控制层采用了超级电容器和逆变器相互配合的新方案，并在超级电容器的双环控制结构中设计了功率前馈环节，提高了响应速度。仿真表明，设计方案能够使分布式光伏电源参与电网调频、调压、调度及灵活方便地调整自身储能元件能量状态，并有效保证直流母线电压稳定
