一种利用电池储能提升并网太阳能光伏系统低电压穿越性能与电能质量的协调控制方法

《Journal of Energy Storage》：A coordinated control utilizing battery energy storage for low voltage ride-through enhancement and power quality improvement in grid-connected solar PV systems

　　

## 引言

协调式GTPV-BESS控制可增强低电压穿越能力和电能质量；改进的DSOGI-PLL可抑制谐波并改善同步性；BESS在故障期间稳定直流母线并调节有功功率；OPAL-RT实时验证确认了在非线性负载、光伏动态和故障条件下的性能。

微电网（MG）通过将太阳能光伏阵列（SPVA）、风力发电机和燃料电池等非常规能源与传统公用事业电网及本地负载相结合而构建。在这些能源中，SPVA与其他可再生能源相比具有许多优势，包括低维护成本和环境可持续性。然而，将SPVA并网的主要挑战在于太阳能发电的不可预测性，这受到气候变化的强烈影响，并表现出随机行为[1]。这种间歇性可能导致光伏功率发电与负载之间的功率不匹配，从而导致并网系统中系统不稳定甚至停电。为了解决这些问题，储能系统（ESS）被广泛用于提高系统运行的可靠性和稳定性。随着电池技术的最新进步，电池储能系统（BESS）越来越多地取代了抽水蓄能等传统储能方案。除了支持功率平衡外，BESS在确保并网光伏系统的直流母线电压稳定方面也发挥着至关重要的作用，通过补偿可再生能源发电的波动和负载变化[2]。

可再生能源发电与公用事业电网系统的并网面临诸多运行挑战，如电网电压污染、电网故障条件、功率振荡、电网频率变化等。非线性负载（如开关模式电源（SMPS）和变频驱动器（VFD））日益增多，是电网电压和电流失真的主要原因[3]。当光伏系统部署到弱电网中时，运行挑战变得更加明显，因为有限的电网支撑会加剧电能质量和稳定性问题。电网强度反映了电力系统维持系统稳定性和承受异常运行条件的能力。弱电网通常以低短路容量和高等效电网阻抗为特征，使其更容易受到电压不稳定和谐波放大的影响[4]。

可再生能源与公用事业电网的互联，要求遵循IEEE 1547标准以在电网故障条件下运行。此类互联须遵循IEEE 519标准以符合电网电压谐波要求。IEEE 1547:2018标准定义了诸如停止供电、应跳闸区域、瞬时中断、强制运行和不受限制运行等重要术语，描述了分布式能源在故障（FRT）条件下应如何响应[5]。这些要求强调，低电压穿越（LVRT）合规性和谐波抑制在并网微电网系统运行中至关重要。除了维持电网规范合规性外，可再生能源源、BESS和公用事业电网之间有效的功率流协调对于确保直流母线电压稳定也是必不可少的。因此，先进的控制同步和功率流控制策略对于确保稳定运行、准确的电网同步和改善电能质量至关重要，特别是对于弱电网环境中的PV-BESS集成。文献中报道了众多控制方法来满足特定要求，即最小化电网电流谐波[6]、[7]、[8]，在对称和不平衡电网故障条件下增强LVRT性能[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]，以及集成BESS的可再生能源系统中的协调功率管理[19]、[20]、[21]。

文献[6]报道了一种多速率谐振控制策略，用于并网逆变器在广泛的电网频率变化范围内减少电网电流谐波。文献[6]中提出的控制方案需要多种参数调谐，包括采样率、相位补偿角和谐振增益，导致计算负担增加。控制器的稳定性基于等效单速率模型近似，这未能有效考虑滤波效应和采样间动态特性。文献[7]引入了基于重复控制器辅助锁相环（RCA-PLL）的控制方案，旨在减少三相配电电网中的电网电流谐波。这种基于RCA-PLL的控制器至少需要一个基波周期来学习和消除干扰，从而引入功能延迟。文献[7]中控制参数的调谐是经验性的；因此，控制算法不能适应参数波动。文献[8]报道了一种基于空间向量调制的直接功率控制方案，用于在平衡和不平衡电网电压条件下实现准确的功率调节和电网电流谐波抑制。该方法在每个采样周期内评估多种开关电压矢量及其对应的占空比。因此，控制器需要更高的采样率，从而增加了复杂性。上述控制方法[6]、[7]、[8]专注于谐波补偿，并未解决如无功功率控制或故障穿越增强等电网支撑功能。

为应对电网异常条件下的控制要求，文献[9]、[10]采用了基于虚拟同步发电机（VSG）的控制方法。VSG控制通过引入虚拟惯量和阻尼来模拟同步电机的行为。然而，虚拟惯量的存在会增加变换器的暂态响应时间，导致电网故障期间恢复速度变慢。文献[10]提出了VSG控制与线性主动扰动抑制控制（LADRC）方案相结合的方法。尽管LADRC方法消除了对权重系数的需求，但它仍需要在每个采样周期内评估多种开关状态，从而增加了计算负担。在故障条件下，文献[10]所提出的控制器动态调整有功和无功功率参考值以支持电网。然而，由于多级控制结构，无功电流的注入可能存在延迟。这种延迟可能影响电网规范合规性，特别是在快速电压跌落条件下。文献[11]报道了一种脱离MPPT且无PLL的控制方案。为增强故障条件下的有功功率调节，SPV工作在脱离MPPT模式下。然而，光伏系统在没有MPPT的情况下运行会导致次优能量提取，降低整体系统效率。文献[11]中还报道了一种无PLL的电网同步技术，即高级相位补偿多谐振（APCMR）。APCMR依赖于固定频率的相位补偿，因此在电网频率偏差下可能会遭受谐振问题。文献[12]提出了一种基于序分量分析的LVRT控制策略，采用正序和负序电流控制来调节逆变器电流并在不对称故障期间抑制二阶功率振荡。在故障条件下，MPPT控制器被禁用，光伏系统在LVRT工作点运行。因此，[11]和[12]都涉及故障条件下的脱离MPPT运行，这将光伏工作点移至最优点以外，限制了LVRT运行期间的最大功率提取。文献[13]提出了一种基于双电压源逆变器的带功率管理的LVRT策略，以增强电网故障穿越能力。然而，该方案依赖两个逆变器，主逆变器用于稳态运行，辅助逆变器在LVRT条件下使用。类似地，文献[14]报道了一种储能辅助的故障支撑方法，其中BESS通过专用的电压源逆变器与交流微电网连接。因此，光伏和BESS采用独立的逆变器控制路径，两个逆变器控制结构之间的协调增加了整体控制复杂性。由于LVRT支撑仅需要在短持续时间故障事件中提供，故障期间BESS交换的能量与其储存能量相比很小。因此，LVRT事件对电池退化和循环寿命消耗的影响有限[15]。尽管如此，电池退化和循环寿命在系统规划和电池容量选择期间仍是重要的考量因素[16]。文献[17]介绍了一种适用于不对称电网电压下运行的两级并网SPV系统的LVRT控制策略。参考电流生成器的设计仅抑制有功功率振荡，因此在不平衡电网条件下无功功率振荡保持不变。所提出的控制策略对消除无功功率振荡无效。文献[18]报道了一种适用于并网风电-BESS系统的自适应非线性控制框架。所提出的控制器采用基于线性矩阵不等式（LMI）的自适应观测器来估计未知的电网需求并协调电池充放电以实现稳定的功率输送。尽管所提出的方法改进了系统稳定性和能量管理，但它主要为风电驱动的高压直流系统设计。

文献[19]提出了一种基于物理信息神经网络（PINN）的风-光-储能协调控制策略，用于抑制以水电为主导的电力系统中的功率振荡和改善一次频率调节。该方法动态优化聚合虚拟惯量系数并协调风、光伏和储能系统的有功功率支撑。文献[20]提出了另一种PV-BESS协调策略，通过根据PCC电压和SOC状态协调光伏逆变器的无功功率以及BESS的有功/无功功率来调节配电网络电压。然而，文献[18]、[19]、[20]中报道的方法主要解决功率输送、频率调节、振荡抑制和电压调节问题，并未明确考虑低电压穿越（LVRT）、谐波抑制和电能质量改善的综合要求。

可以看出，文献[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[12]、[13]、[14]、[17]中报道的大多数控制方案要么解决谐波抑制，要么解决LVRT增强。文献[11]报道了一种多目标控制方案，同时解决了谐波抑制和LVRT增强。文献[11]中的控制策略依赖于电网故障期间的有功功率削减，由于未提供储能系统来吸收剩余功率，限制了光伏能量的利用。在大多数现有方法中，微电网中的本地负载未被考虑。此外，假设直流母线电压恒定，这在实际的并网微电网系统中可能不成立。因此，这些控制方法通常对减轻电网电流谐波无效，特别是在畸变或污染的电网电压条件下。因此，据作者所知，开发一种单一、统一且计算高效的控制算法，能够同时抑制电网电流谐波并在畸变电网条件下增强LVRT性能，尚未得到充分探索。

本文提出了一种适用于并网PV-BES系统的综合控制方案，以确保在污染、弱电网和故障电网条件下的稳定运行。所提出的策略纳入了一个监督式BESS控制器，根据运行条件智能协调光伏阵列、电池和负载之间的功率流，从而维持功率平衡和有效的电池能量管理。监督式BESS控制还在正常和故障条件下调节直流母线电压，防止故障期间电压过度上升，改善系统稳定性。此外，采用了一种改进的基于DSOGI的预滤波方案来抑制电网电压谐波并在污染电网条件下提供准确的同步信号。此外，动态无功功率支撑增强了低电压穿越（LVRT）能力，同时确保符合电网规范要求。

本文的主要贡献总结如下：

(1) 开发了一种适用于GTPV-BESS系统的综合控制策略，通过减少非线性负载条件下的电网电流谐波来增强LVRT能力并改善电能质量。

(2) 实施了一种改进的基于DSOGI的锁相环（PLL）方案来消除电网电压谐波。该控制策略维持了VSI与电网之间的同步，并为控制系统提供了无谐波信号。

(3) 提出了一种监督式BESS控制策略，在协调电池充放电与光伏功率发电和负载需求的同时，通过维持稳定的直流母线电压来增强LVRT能力。

(4) 在VSI控制中纳入了动态无功功率支撑控制器，以增强LVRT能力并确保电网规范合规性。

(5) 所提出的控制方案生成有功和无功功率参考值，以确保本地负载需求完全由分布式发电（DG）系统满足。

为强调所提出控制策略的创新性，表1中给出了与现有文献的比较。本文其余部分组织如下：第1节提供引言并对相关文献进行了广泛评估；第2节概述系统拓扑；第3节详述所提出的控制方案；第4节报道仿真研究；第5节报道其实时验证；最后，第6节给出结论。

## 系统描述

如图1所示的示例系统配置包括太阳能光伏（SPV）系统，由光伏阵列、由最大功率点跟踪（MPPT）控制器控制的直流-直流升压变换器以及电池储能系统（BESS）组成。

示例系统的关键参数列于表2中。

双向直流—直流变换器（BDDC）被用于在直流母线上连接电池储能系统（BESS），其中BDDC的控制确保BESS与直流母线之间的功率交换。控制拓扑结构该示例系统的控制策略分为直流侧控制和有源逆变器（VSI）控制。直流侧控制主要涉及升压变换器控制和BDDC控制，如图3和图4所示，而VSI控制涉及有功功率和无功功率控制环路，前面设有预滤波操作，如图6所示。仿真研究使用MATLAB/Simulink软件评估所提控制技术在动态运行条件下的性能，包括故障发生与恢复、非线性负载场景以及在无太阳能功率下的对称故障。所有仿真和性能评估均按照IEEE-519和IEEE-1547标准进行。在后续章节中，对各种系统条件下的系统响应进行了详细讨论。对比分析已进行对比分析，以评估所提控制方案在故障条件下的性能，并与文献[12]中报道的控制策略进行比较。文献[12]中的控制器采用基于序列的低电压穿越（LVRT）控制策略来调节逆变器输出电流，同时在严重电网故障期间采用脱离最大功率点跟踪（off-MPPT）策略以限制逆变器电流并抑制直流母线过压。因此，该对比研究评估了所提方法的有效性。实时验证OPAL-RT平台用于仿真结果的实时验证。该平台由一台具有16 GB内存的宿主计算机、Intel Xeon处理器以及如图24所示的OPAL-RT OP4512目标系统组成。测试模型在宿主计算机上使用MATLAB/Simulink搭建，并通过RT-Lab导出至实时仿真器。数据通过以太网电缆在宿主计算机和目标系统之间传输。由于OPAL-RT的模拟输出范围为±16 V，因此电压和电流模拟结论本文提出了一种面向并网光伏—电池储能（SPV-BESS）系统与控制拓扑结构的综合方案，该系统与弱电网集成。引入了电池储能系统（BESS）监督控制器，根据运行条件协调光伏阵列、电池、本地负载和公共电网之间的功率流动。该控制器确保可再生能源产生的功率首先用于供给本地负载，剩余功率则用于为电池充电。一旦电池达到其最大CRediT作者贡献声明Mritunjaiya Mani Triapathi：撰写—原稿、正式分析、数据整理。Seethalekshmi K.：撰写—审阅与编辑、监督。Kuldeep Sahay：监督。利益冲突声明作者声明，他们不存在已知的、可能影响本文所报道工作的相互冲突的经济利益或个人关系。Mritunjaiya Mani Triapathi | Seethalekshmi K. | Kuldeep Sahay