带恒功率负载的光伏-储能混合发电系统非线性行为分析
中国电工技术学会主办，2017年6月21-24日在河北省张北县举办，大会围绕新能源发展战略、系统关键技术、微电网及储能等重要议题展开交流。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
武汉大学电气工程学院的研究人员韦李军、黄萌、孙建军、查晓明，在2017年第7期《电工技术学报》上撰文指出，由于光伏-储能混合发电系统存在多种工作模式以及负载变换器的恒功率特性,系统在多个模式下出现不稳定性运行行为。
首先识别系统中的霍普分岔和灾难性分岔的不稳定现象;然后通过建立系统开关平均模型,结合大信号分析,解析性地给出了系统非线性分岔行为的物理机理;最后通过计算和电路仿真,给出了保证实际系统能够稳定运行的参数变化范围。实验结果验证了分岔分析和稳定区域的正确性。
随着经济的发展，我国对电力的需求日益增长，能源短缺的问题也越发严重。在没有电网接入的偏远山区或移动式基站，光伏-储能混合发电系统 ( Photovoltaic-Battery Hybrid Power System，PBHPS)作为一种灵活、可再生的新能源发电系统，受到广泛关注和应用。
光伏-储能混合发电系统可由光伏电池板和蓄电池通过功率变换器相互组合，并连接至直流母线。实际情况中，由于光照强度及负载情况的变化，系统需要灵活地选择工作模式，为本地关键负载设备供能。更进一步地，在新能源发电能力充足时，将多余能量回馈给电网。
在光伏-储能混合发电系统中，开关电路和控制系统是以母线电压可控及可再生能源利用率最大化，同时能够平衡各个源之间的功率流动为目标设计的。光伏功率变换器可以工作在最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)模式或恒压控制模式下。蓄电池功率变换器可能工作在充电或放电模式下，模式的切换主要取决于光照密度、蓄电池的荷电状态以及负载情况，整个系统有多种工作模式。
由于功率开关变换器的应用，对光伏-储能混合发电系统稳定性和动态行为的研究具有重要意义。由于峰值电流模式开关变换器系统不可避免地存在分岔和混沌等不稳定行为，文献［6］提出了一类零扰动补偿抑制新思路，确定出了控制参数的可控范围。文献［7］提出了一种利用燃料电池给锂离子电池充电的升压充电器系统。在考虑了电池不同的充电模式下对系统的稳定性进行研究和设计。
文献［8］将分布式电力系统中的功率变换器分为母线电压控制变换器(Bus Voltage Controlled Converter，BVCC) 和母线电流控制变换器 (Bus Current Controlled Converter，BCCC) ，提出了一种基于小信号阻抗的判据来确定系统的局部稳定性。
对于新能源能量转换系统来说，其工作点大范围移动下的全局稳定性也是一个值得深入研究的问题。有研究人员利用分岔分析法研究这类系统在一个或多个平衡点上的稳定性。
文献［9，10］中给出了详细的分析和仿真，揭示了在光伏-储能混合发电系统中的光滑和非光滑分岔现象。并且相同研究者也在文献［11］中给出了系统中如 Neimark-Sacker，period-doubling等类型的分岔现象并通过实验进行了验证。然而，以功率变换器作为负载时，其表现出恒功率负载的负阻抗特性，这给系统稳定性带来不利影响。因此，有必要对带恒功率负载的光伏-储能混合发电系统的非线性动力学特性进行深入研究。
本文对带恒功率负载的光伏-储能混合发电系统在不同工作模式下的分岔现象进行了研究。通过仿真识别了系统中的霍普分岔( Hopf Bifurcation)以及灾难性分岔现象;通过系统状态方程的分析和对系统动态行为的解析分析解释了分岔现象的物理本质，并给出保证实际系统能够稳定运行的参数变化范围; 最后进行了实验验证。
图1 光伏-储能混合发电系统(PBHPS)结构
总结
本文对带恒功率负载的光伏-储能混合发电系统的非线性行为进行了分析，结果如下:
1)识别了不同工作模式下光伏-储能混合发电系统中恒功率负载导致的霍普分岔现象及灾难性分岔现象。基于开关平均模型，系统地揭示了带恒功率负载光伏-储能混合发电系统中的非线性运行特征。
2) 通过对关键参数进行计算分析，分别给出了不同工作模式下，针对霍普分岔和灾难性分岔的系统稳定的参数区域。分析表明电压外环比例系数减小，积分系数增大及电流内环比例系数增大都不利于系统稳定，而恒阻抗负载减小和恒功率负载增大都对系统稳定性造成不利的影响。在恒功率负载功率跳变时，电感电流限制值适当提高不仅可以避免产生灾难性分岔，而且不会使得电感电流太大。
3)此外搭建了仿真和实验平台，对不同参数下的系统稳定性和恒功率负载跳变时的系统非线性分岔现象进行了验证，证明了稳定边界的正确性。因此本文的研究给出了带恒功率负载下此类系统稳定的主要参数范围，为系统设计时的参数选择提供了指导。