肖朝霞　樊世军　杨庆新

(天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室　天津　300387)



基于分层控制策略的光伏-蓄电池系统动态提高并网点功率因数

肖朝霞樊世军杨庆新

(天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室天津300387)

摘要提出了一种利用多功能光伏-蓄电池组合发电系统提高并网点功率因数的新方案，可降低光伏发电的成本、减少无功补偿设备的投资、增加用户经济效益以及提高电网供电能力。在综合考虑并网逆变器的额定容量、光照条件及负荷功率瞬时变化等实际情况下，分析系统多种运行模式，提出一种分层控制策略，实现了运行状态的无缝转换，保证在逆变器额定容量下输出有功的同时提供无功补偿以动态提高并网点功率因数。当电网需求逆变器输出无功较多导致有功输出受限而光伏仍有更多有功输出时，将光伏剩余出力储存至蓄电池以尽可能减少弃光，提高光伏利用率。在低光照或夜间时，蓄电池放电维持直流母线电压，使逆变器可继续发出无功功率，同时实现光伏软关闭。建立了多功能光伏-蓄电池发电仿真系统，仿真结果验证了所提方案的可靠性。

关键词：多功能光伏-蓄电池功率因数无功补偿分层控制模式切换

0引言

多功能光伏-蓄电池系统是指光伏发电系统正常发电的同时根据不同运行工况下电网和用户的需求提供UPS、削峰填谷、谐波抑制、无功补偿、电网电压及频率支持等功能[1，2]。多功能光伏-蓄电池发电系统的提出在有效减少光伏发电成本的同时提高了对电网的友好性和安全性，即实现逆变器功能多元化、智能化[3]。在我国当前电费考核体系下，大功率光伏电站并网可能会导致并网点功率因数降低而收到不菲罚单，根据入网要求通常需要额外增加无功补偿设备[4]。同时大功率光伏发电入网功率常因引起并网点电压升高而限电，从而导致部分弃光[5，6]，并且考虑到光伏并网逆变器本身具备发出无功功率的能力且大部分时间都处于未完全利用状态，因此可充分利用并网逆变器的剩余容量，在正常发出有功功率的同时根据电网需求发出无功功率。同时逆变器响应迅速，可实现无功功率的动态补偿。该措施可有效提高并网点功率因数，实现经济功率因数运行，减少电网无功设备的投资，提高电网末端供电能力；在大型光伏、风光互补电站中可使一台或几台逆变器具有无功补偿功能，实现并网点功率因数动态调节。

利用光伏并网逆变器实现无功补偿功能，根据不同控制目标可分为对并网点电压控制和功率因数控制。文献[1]提出了一种多功能光伏发电系统，通过利用光伏逆变器提供多种功能以减少光伏发电成本，其中一种功能是通过控制无功功率增加光伏渗透率。文献[2]提出了一种利用恒功率因数控制器调节光伏逆变器输出的无功功率，以保证并网点的平均功率因数满足要求。文献[3]实现了微网逆变器功能多元化，主要实现了功率的双向流动、谐波电流抑制以及无功补偿，并使并网点为单位功率因数供电。文献[5]为提高分布式发电渗透率和有效抑制因光照变化和负荷变化等因素导致的并网点电压频繁波动，采用两台不同功能的逆变器并联，结合无功补偿装置实现不同运行模式的切换，发挥逆变器动态无功补偿的特性，同时大大提高了无功补偿容量。文献[7]考虑到低压配电网X/R值较小，提出一种P-Q-V下垂控制策略实现光伏逆变器对并网点电压的调节。文献[8]提出了利用多功能光伏逆变器实现为负荷供电，同时向电网注入无功功率实现低电压穿越。文献[9，10]考虑了逆变器的额定容量，当逆变器视在功率大于额定容量时采用降低有功增发无功的方法来保证并网点电压在正常范围内。上述基于光伏逆变器实现无功就地补偿的研究大多针对并网点电压调节，对于一般工业用户的入网点电压由电力系统决定且低压配电网X/R较小，利用逆变器无功补偿调节电压的能力非常有限。文献[11]指出工业负荷及风光互补微网功率的注入会导致并网点功率因数降低，同时风力发电机会吸收大量无功，因此提出利用光伏逆变器输出无功功率实现并网点功率因数调节，但未充分考虑到光伏逆变器的容量及防止逆变器输出功率越限。文献[12，13]针对47节点、123节点及101节点微网，分别考虑微网中光伏功率注入节点变化及注入有功实时变化，提出了在逆变器容量内的一种动态无功控制策略。文献[14，15]通过检测负荷无功及谐波电流情况，提出利用光伏逆变器实现无功补偿及有源电力滤波的功能，但文中亦未考虑逆变器容量的限制，当检测的无功电流及谐波较大时可能会影响有功输出，无法实现无功定量控制，且补偿范围有限。

本文从光伏-蓄电池发电系统运行经济性角度出发，同时考虑并网逆变器的额定容量、光照变化及负荷运行等实际情况，提出一种分层、多模式切换控制策略，实现并网点功率因数的动态提高，满足电网要求，同时最大化光伏输出功率。当逆变器有功输出受限时，将光伏剩余发电量尽可能存储至蓄电池以减少弃光。低光照时由蓄电池维持直流电压使系统无故障状态下24 h不间断运行，同时实现光伏电池软关闭，避免了并网系统因昼夜交替而频繁开启和关断。

1系统总体结构

多功能光伏-蓄电池发电系统总体结构如图1所示，包括一次回路和控制系统。一次回路由光伏电池组、蓄电池组、逆变器、双向DC-DC变换器、滤波电路、子网负荷及配电网等组成。光伏电池经二极管与蓄电池组通过双向DC-DC连接在直流母线上，逆变后的交流输出经滤波器为子网负荷供电，并通过升压变压器接入配电网。其中连接在蓄电池组的双向DC-DC实现蓄电池充放电和保证直流母线工作电压在要求值；并网逆变器根据电网及负荷情况输出要求的有功和无功功率，并实现光伏最大功率跟踪。子网负荷由光伏-蓄电池系统及电网共同供电。

控制系统包括上层中心控制器和底层控制器。上层中心控制器实现系统运行模式的选择及切换、底层控制器选择、控制器参考值计算和蓄电池充放电管理。底层控制器包括逆变器控制器和蓄电池充放电控制器。逆变器有功功率控制有最大功率跟踪控制与恒功率控制两种方法。逆变器无功功率控制采用恒功率控制。本文的控制目标是保证并网点功率因数不低于0.85，将光伏有功尽可能送至电网。

图1　系统总体结构Fig.1　The structure of multi-functional PV-battery generation system

2上层中心控制器

2.1系统运行工况分析及参数计算

从电网侧看，并网点功率因数由负荷功率及光伏输出功率决定，并网逆变器有功出力会进一步降低并网点功率因数。逆变器额定容量限制光伏-蓄电池发电系统输出的有功及无功功率，逆变器输出的视在功率与有功和无功功率关系如图2所示。本文综合考虑负荷功率实时波动、光照变化及逆变器额定容量，以并网点功率因数(λ)不低于0.85为判据，分析系统可能的运行状态，并制定控制逻辑。

图2　逆变器输出有功和无功功率关系特性Fig.2　Relations of inverter active and reactive power

光伏-蓄电池系统运行状态分析流程图如图3所示。由图3可知，通过电压电流采样计算出并网点电网供电功率PG和QG、负荷功率PL和QL、光伏电池可输出最大功率Pmpp以及蓄电池端口电压Ubat。针对不同运行工况，选择不同控制器，并根据规定的并网点功率因数计算出电网需要逆变器输出的期望无功功率ΔQ、逆变器输出有功和无功功率参考值Pref和Qref。

1)当光伏电池输出功率充足时(设定光伏最大功率大于光伏电池额定峰值的10%，为10 kW)。

(1)当λ≥0.85即ΔQ≤0，逆变器运行在单位功率因数状态，且光伏电池运行在最大功率点。

Qref=ΔQ=QL-PGtan(arccos0.85)

(1)

(2)

图3　系统运行工况分析流程图Fig.3　Flow chart of system operation modes analyzing

解式(2)得逆变器输出有功功率参考值为

Pref=

(3)

式中，k=tan(arcos 0.85)。逆变器输出无功功率参考值如式(1)所示。此时检测蓄电池是否需要充电，若是，则将光伏发电量剩余部分尽可能充至蓄电池。

(4)当λ<0.85且ΔQ≥S时，电网无功需求较大，此时逆变器(依据电网需求和用户经济效益)输出无功功率最大值为逆变器额定容量，逆变器输出有功功率为0，即Qref=S。同时检测蓄电池是否需要充电，若是，则将光伏可发出电量尽可能充至蓄电池。

2)在光伏电池光照不足或夜间时(输出最大功率低于10 kW，即最大光照时光伏输出最大功率的10%)，由蓄电池为逆变系统供电，保证直流母线端电压在工作范围内，使逆变器可继续发出电网需求的无功功率。

(1)若蓄电池电压小于其最小电压时，即Ubat

(2)当λ≥0.85且ΔQ<0，逆变器输出有功和无功功率均为0。

(3)当λ<0.85，且逆变器输出视在功率未达到其额定容量即0<ΔQ

(4)当λ<0.85，且逆变器输出视在功率超过其额定容量即ΔQ≥S时，逆变器无功功率给定值Qref=S。

2.2系统运行模式切换

基于上述分析，系统运行模式的选择和切换如图4所示。图4中，当光伏出力大于10 kW时，逆变器由光伏电池供电，包含4种运行模式：

1)逆变器运行在单位功率因数，实现光伏最大功率跟踪即MPPT模式。

2)逆变器输出有功和无功功率，当Pmpp

3)当Pmpp>Pmax时，逆变器运行在PQ模式，此时Pref=Pmax、Qref=ΔQ，蓄电池充电。

4)逆变器以额定功率S运行，只发出无功功率，同时蓄电池为充电状态。

当光伏出力小于10 kW时，蓄电池放电将直流母线电压升高至600 V，逆变器包含3种运行模式：

5)逆变器输出有功和无功功率均为0。

6)逆变器在容量范围内输出指定无功功率。

7)逆变器输出到达容量上限，输出额定容量无功功率。

在模式3)和4)中，蓄电池的充电模式有两种：①当蓄电池端电压小于蓄电池最大电压的95%时，以恒定电流充电即恒流充电模式；②当蓄电池端电压大于蓄电池最大电压的95%时，以恒定电压充电即恒压充电模式。

图4　系统运行模式切换Fig.4　Switching diagram of system operation modes

3底层控制器设计

3.1最大功率跟踪控制

本文并网逆变器为单级式光伏逆变器[16]。由于光伏电池直接并联在直流母线上，直流母线电压即为光伏电池工作电压。不同光照条件下光伏电池的功率-电压输出特性曲线如图5所示，光伏电池工作的稳定区域为最大功率点的右侧[17]。光伏电池输出端直流电压大小决定光伏输出的有功功率，因此要控制光伏阵列工作在最大功率状态，可以通过控制其直流母线电压来实现，同理通过控制直流母线电压可以实现光伏的软关闭。

图5　不同光照条件下光伏电池功率-电压输出特性Fig.5　Power-voltage output characteristics with different solar radiation

根据瞬时功率理论[18]，在同步dq坐标系中，瞬时有功功率p和无功功率q分别为

(4)

采用电网电压定向矢量控制[18]，电压定向矢量控制(VOC)是指逆变器输出交流电流且同步旋转坐标系与电网电压矢量E同步旋转，并使同步旋转坐标系d轴与电网电压矢量E同向，即eq=0，如图6所示，可得有功和无功功率与电压ed、eq和电流id、iq的关系如式(5)所示。

图6　基于电网电压定向矢量Fig.6　Oriented vector based on the grid voltage

(5)

直流母线侧输入的有功功率瞬时值为P=idcudc，则idcudc=P=3edid/2，由于一定光照强度下光伏电池输出电流idc近似恒定，并网运行时逆变器输出电压ed基本恒定，所以直流母线电压udc与逆变器输出电流id呈线性关系，因此并网逆变器输出有功功率P与id呈正比，直流母线电压udc的控制可通过控制逆变器输出的有功功率P即电流id实现。

最大功率跟踪控制器结构如图7所示。该控制器由直流电压外环和交流同步电流内环组成，通过调节直流母线电压实现光伏电池最大功率输出。

图7　最大功率跟踪控制器Fig.7　Maximum power point tracking controller

3.2恒功率控制

图8　恒功率控制器Fig.8　Constant power controller

实现有功和无功功率解耦控制后，有功功率控制环分为最大功率跟踪控制和恒有功功率控制，两种有功功率控制器的切换由上层中心控制器调度，其切换不影响逆变器无功功率的输出。为实现控制器间平滑切换，各底层控制器间的切换选择在电流内环，电流内环响应速度较快，可实现工作模式无缝切换，并在各底层控制器间切换后保护不同控制器外环输出现场参数，避免切换过程对各控制器的影响。

3.3蓄电池充放电控制

蓄电池及其充放电装置作用：①当逆变器输出有功受限时尽可能将剩余光伏有功充至蓄电池；②在低光照或夜间，通过蓄电池放电维持直流母线电压升至不低于600 V，保证逆变器直流侧正常工作电压实现逆变器不间断运行，使光伏软关闭。

蓄电池模型的容量为800 Ah，额定电压为384 V，蓄电池的额定充电电流为20 A，最小放电电压为额定电压的20%。DC-DC变换器包含降压斩波Buck充电电路和升压斩波Boost放电电路。

蓄电池的基本充电模式有两种：在端口电压低于蓄电池最大电压的95%时，采用恒流充电；在端口电压高于蓄电池最大电压的95%时，采用恒压充电。其充电控制器如图9所示，图中Ddutycyde为升降压模块控制开关的占空比。

图9　蓄电池充电控制Fig.9　Battery charge control

蓄电池放电时，通过Boost升压电路及其控制电路将直流母线电压稳定在600 V，如图10所示。

图10　蓄电池放电控制Fig.10　Battery discharge control

4仿真分析

在Matlab/Simulink仿真环境下，基于上述拓扑结构、控制策略、蓄电池充放电模式、流程分析和模式切换方案，对图1所示系统搭建了100 kV·A光伏蓄电池并网发电系统仿真模型。

4.1仿真条件

仿真系统中采用的逆变器功率等级为100 kV·A，系统及所用控制器仿真参数见表1。

表1　系统及控制器参数

通过设置负荷及光照强度变化典型数据，对所提出问题及解决方案进行验证。光照强度变化曲线如图11所示，在0～4 s光照逐渐增强，4～6 s光照为0，6～10 s光照恢复并逐渐降低至0。负荷功率变化曲线如图12所示。

图11　光照辐射强度变化曲线Fig.11　Curve of solar radiation intensity

图12　负荷有功和无功功率变化Fig.12　The changed active and reactive power of load

4.2仿真结果

考虑到逆变器的额定容量，根据式(1)和式(3)计算逆变器输出有功和无功功率参考值，并保证并网点功率因数不低于0.85，10 s内光伏-蓄电池发电系统在不同运行模式下逆变器输出有功和无功功率参考值、负荷功率、光伏电池组状态、蓄电池充放电状态和并网点的功率因数如表2所示。

表2　系统运行参量及状态

光伏-蓄电池发电系统在不同运行模式下的仿真结果如图13所示。

图13　并网点功率因数补偿仿真结果Fig.13　Simulation results of PCC power factor compensation

由表2可知，系统在0～1 s内并网点自然功率因数大于0.85，因此光伏逆变器的运行状态为MPPT模式，此时光伏-蓄电池发电系统运行于模式Ⅰ。由图13a可知，逆变器在0～1 s内输出的有功功率跟踪光伏电池最大功率，且输出的无功功率为0，即逆变器以单位功率因数运行。由图13e可知，直流母线电压为光伏的最大功率点电压。

在1～2 s内，由表2可知，系统有功负荷减少导致并网点功率因数降低，并网点自然功率因数低于0.85，而此时电网需求的无功功率小于逆变器的剩余容量，因此光伏逆变器的运行状态仍为MPPT模式，并输出电网需求的无功功率，此时系统运行于模式Ⅱ。由图13a可知，逆变器输出的有功功率跟踪光伏电池最大功率，无功功率跟踪逆变器的无功参考值。由图13b可知，补偿后并网点功率因数等于0.85，满足电网要求。由图13e可知，直流母线电压为光伏的最大功率点电压。

在2～3 s内，由表2可知，负荷有功和无功功率均增加，电网需求的无功功率较大，且并网逆变器输出功率已达额定容量上限，此时需要限制有功输出来满足电网的无功需求，因此逆变器退出MPPT运行并切换至恒定有功功率工作模式，有功及无功参考值如表2所示，同时蓄电池为充电状态，将光伏剩余发电量尽可能充至蓄电池，系统运行在模式Ⅲ。由图13a可知，逆变器输出的有功和无功功率能很好地跟踪参考功率。由图13b可知，补偿后并网点功率因数等于0.85，满足电网要求。由图13e可知，直流母线电压由逆变器输出有功功率及蓄电池充电功率决定。由图13f可知，在2～3 s内蓄电池为充电状态，端口电压增大，充电电流为20 A。

在3～4 s内，由表2可知，由于无功负荷很大，并网点功率因数很低，电网无功需求量已经大于逆变器额定容量，此时根据电网需求可完全限制光伏有功输出，使逆变器发出的无功功率等于其额定容量，尽可能提高并网点功率因数，系统运行在模式Ⅳ。由图13a可知，逆变器输出的无功功率等于其额定容量。由图13b可知，补偿后功率因数仍略低于0.85。由图13e可知，直流母线电压由蓄电池充电功率决定。由图13f可知，蓄电池仍为充电状态。

由图11可知，在4～6 s内光照不足，光伏出力不足，其最大功率的10%即10 kW，此时逆变器由光伏电池供电模式切换至蓄电池供电模式。由图13e所示蓄电池放电，通过控制DC-DC维持直流母线的工作电压不低于600 V，保证了逆变器可继续提供无功补偿，提高并网点功率因数，并实现光伏系统软关闭。在4～4.5 s内，由表2可知，由于系统无功需求依然较大，致使并网点功率因数较低，逆变器输出参考无功功率应等于其额定容量，系统运行在模式Ⅶ。由图13a可知，逆变器输出的无功功率等于其额定容量。

在4.5～5 s时，由表2可知，无功需求量小于逆变器额定容量，ΔQ=42 kvar，系统运行在模式Ⅵ。由图13a可知，逆变器输出的无功功率跟踪其参考功率。由图13b可知，并网点功率因数经无功补偿后为0.85，满足要求。

在5～5.5 s时，由表2可知，此时并网点功率因数大于0.85，不需要无功补偿。由图13a可知，逆变器输出的无功等于零，系统运行在模式Ⅴ。5.5～6 s与4.5～5 s运行状态相同。

在6～7 s内，由图11可知，光照增强，逆变器切换至光伏电池供电模式。由表2可知，此时负荷与2～3 s时相同，逆变器可输出最大有功功率Pmax小于光伏电池最大功率Pmpp，逆变器工作在PQ控制模式下，同时蓄电池充电，系统运行在模式Ⅲ。由图13a可知，逆变器输出功率能跟踪其参考功率。由图13b可知，补偿后并网点功率因数等于0.85，满足电网要求。由图13e可知，直流母线电压由逆变器输出有功功率及蓄电池充电功率决定。由图13f可知，蓄电池仍为充电状态。

在7～9.35 s内，由于无功负荷减少及光照减弱，此时逆变器可输出最大有功功率Pmax大于光伏电池最大功率Pmpp，外环控制模式切换至MPPT控制模式，系统运行在模式Ⅱ。由图13a可知，输出的有功功率跟踪光伏电池最大功率。由图13b可知，补偿后并网点功率因数等于0.85，满足电网要求。由图13e可知，直流母线电压为光伏最大功率点电压。

在9.35～10 s，由于光照不足，光伏出力小于10 kW，且并网点功率因数大于0.85，逆变器输出有功和无功功率均为0，系统运行在模式Ⅴ。

由图13b可知，并网点功率因数由负荷功率及光伏逆变器注入功率共同决定，当逆变器只工作在光伏电池MPPT模式，将导致并网点功率因数进一步降低，且低于负荷自然功率因数，采用本文无功补偿策略后，并网点功率因数得到很好的提高。

光伏侧直流母线正常工作电压为400～800 V。由图13e可知，直流母线电压的波动范围为500～700 V，均在正常范围。同时由图13d可知，负荷侧所在的交流母线电压在dq坐标系下Uq=0。由于负荷功率变化及直流母线电压变化，Ud会出现小的波动，波动在要求范围内，负荷点电压满足要求。电网输出功率情况如图13c所示，其输出功率的大小由负荷功率及光伏逆变器输出的有功和无功功率共同决定。

5结论

从光伏-蓄电池发电系统的运行及用户经济用电的角度，根据负荷运行情况、光照条件及并网逆变器的额定容量，分析了系统的多种运行状态，提出一种分层控制策略。该方案实现了系统不同运行模式和底层控制器无缝切换，保证了逆变器在额定容量下输出有功的同时提供无功补偿，动态提高并网点的功率因数，实现了经济功率因数运行。

该方案一方面减少了光伏电站的运行成本和不必要的设备投资，同时避免了用户因功率因数较低时额外增加电费的情况，增加用户经济效益；另一方面实现与电网友好交互，减少电网损耗，增强电网末端供电能力。当逆变器有功输出受额定容量限制，光伏仍有更多有功输出时，采用光伏输出剩余有功功率，尽可能存储至蓄电池以减少弃光，提高光伏利用效率。

低光照或夜间时，利用蓄电池系统为并网逆变器供电，并网逆变器仍可发出电网需求的无功功率，保证并网点功率因数，实现了并网逆变器的不间断运行，降低了系统起停频率，并实现光伏电池的软关闭。

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肖朝霞女，1981年生，博士，副教授，研究方向分布式发电系统及其控制。

E-mail：xiaozhaoxia@tjpu.edu.cn(通信作者)

樊世军男，1988年生，硕士研究生，研究方向为分布式发电控制。

E-mail：fanshijun126@126.com

Dynamically Improving the Power Factor of PCC Using Photovoltaic-Battery Generation System Based on Hierarchical Control Strategy

XiaoZhaoxiaFanShijunYangQingxin

(Tianjin Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic UniversityTianjin300387China)

AbstractA novel control strategy is proposed to improve the power factor at the point of common coupling (PCC) using the multi-functional photovoltaic (PV)-battery generation system, which can decrease the cost of PV generation, save the investment of excess equipment, and improve the economic efficiency of users and the power supply capacity of the main grid. By considering the rated capacity of the inverter, solar radiation intensity, and simultaneous fluctuations of load power, different operation modes of the PV-battery generation system are analyzed and a hierarchical control strategy is employed. The presented control strategy can achieve the seamless switch from one operation mode to another and guarantee that the PV-inverter can feed active power to the public grid meanwhile provide the reactive power compensation to dynamically improve the power factor of the PCC. A method that makes the remaining PV power save to the battery as much as possible is proposed to improve the utilization of PV and reduce the disposable light，when the grid needs the inverter to output more reactive power not active power but PV can output much aitive power. In low-light condition or at night, the battery discharges to maintain the DC bus voltage, ensuring that the inverter can continue to provide reactive power for the main grid, and the PV is closed automatically without any hardware breaker. A simulation model of the multi-functional PV-battery generation system is built and the results verify the correctness and effectiveness of the proposed control strategy.

Keywords：Multi-functional photovoltaic-battery, power factor, reactive power compensation, hierarchical control strategy, operation modes switch

作者简介

中图分类号：TM615

收稿日期2015-03-19改稿日期2015-06-12

国家自然科学基金(51107088)、天津市科技支撑计划项目(15ZCZDGX00980)和天津市应用基础与前沿技术研究计划重点项目(15JCZDJC32100)资助。