光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能裝置的協(xié)調(diào)運(yùn)行分析

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：本文圍繞光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)運(yùn)行與控制進(jìn)行分析，解決以往存在的并網(wǎng)點(diǎn)電壓越限問題，通過仿真研究提出多種儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略的實(shí)用性以及可行性，經(jīng)比對(duì)后發(fā)現(xiàn)，站在降低儲(chǔ)能容量的角度進(jìn)行考慮，實(shí)現(xiàn)電壓運(yùn)行的動(dòng)態(tài)把控，是目前效果*佳的協(xié)調(diào)控制方式，但其余方式也有一定優(yōu)勢(shì)，在應(yīng)用時(shí)可結(jié)合實(shí)際情況選擇。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；儲(chǔ)能裝置；控制電壓運(yùn)行

0引言

光伏發(fā)電是指結(jié)合光生伏*效應(yīng)，借助太陽(yáng)電池，將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)化為電能，但因?yàn)樘?yáng)能輻射本身具有波動(dòng)性，難以避免地會(huì)導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出不可控的問題，進(jìn)而對(duì)光伏滲透率產(chǎn)生影響。為解決此類問題，需提出應(yīng)用儲(chǔ)能裝置提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的可控性，通過承擔(dān)功率差額的方式，降低對(duì)敏感電荷的不良影響，提高供電品質(zhì)。

1電壓越限問題

本文將以包含儲(chǔ)能裝置的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)作為研究對(duì)象，并闡述針對(duì)性的協(xié)調(diào)控制策略。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)大多與配電網(wǎng)相連，因此不可忽視配電網(wǎng)內(nèi)的線路電阻，配電網(wǎng)內(nèi)的電壓分布與線路傳輸功率存在直接聯(lián)系，而在不包含光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)中，電壓幅值會(huì)沿線路不斷減少。當(dāng)配電網(wǎng)內(nèi)接入光伏發(fā)電系統(tǒng)，此時(shí)，系統(tǒng)的輸出功率（P1）高于負(fù)荷功率（P0），至于超出的部分，則會(huì)送入電網(wǎng)，以此形成反向功率流。該功率流的出現(xiàn)會(huì)造成電網(wǎng)末端的電壓出現(xiàn)大幅度增長(zhǎng)，直至其達(dá)到一定限值，便會(huì)出現(xiàn)電壓越限的問題。一旦光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓越限，必然會(huì)造成系統(tǒng)難以向電網(wǎng)完成電能輸出的問題，此時(shí)，輸出功率將會(huì)受到嚴(yán)重限制，導(dǎo)致系統(tǒng)電能出現(xiàn)大量損失，影響光伏系統(tǒng)的利用率。

2制定完善的協(xié)調(diào)控制策略

為了解決上述光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能裝置協(xié)調(diào)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電壓越限問題，切實(shí)消除輸出功率限制狀況，需要利用儲(chǔ)能裝置完成并網(wǎng)功率的調(diào)節(jié)，儲(chǔ)存系統(tǒng)無(wú)法輸出的光伏功率，確保光伏電池能夠?qū)崿F(xiàn)*大化輸出。在引入儲(chǔ)能裝置后，為了更好地實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)調(diào)控制，可采用下述4種控制策略。

（1）限制反向功率流的運(yùn)行，其主要目的在于*大程度避免光伏系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出功率，其主要原理為當(dāng)P1＞P0時(shí)，相關(guān)儲(chǔ)能模塊會(huì)*一時(shí)間進(jìn)入充電狀態(tài)，而當(dāng)P1＜P0，儲(chǔ)能模塊則會(huì)*一時(shí)間轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)，以此補(bǔ)充光伏輸出功率的不足與缺額。

（2）計(jì)劃運(yùn)行控制，其目的在于維持儲(chǔ)能電池功率恒定，原理為當(dāng)P1＞P0，則儲(chǔ)能模塊同樣會(huì)進(jìn)入充電狀態(tài)，直至充電功率低于限值，當(dāng)P1＜P0時(shí)，則儲(chǔ)能模塊會(huì)進(jìn)入放電狀態(tài)，從而補(bǔ)足光伏輸出功率。

（3）削峰運(yùn)行控制，是指保證反向功率流不會(huì)*高于限值，控制原理為當(dāng)P1＞P0，同時(shí)可以維持既定的反向功率流時(shí)，則儲(chǔ)能模塊會(huì)進(jìn)入充電狀態(tài)。反之儲(chǔ)能模塊則會(huì)進(jìn)入放電狀態(tài)。

（4）控制電壓運(yùn)行，其主要目的在于保證光伏系統(tǒng)接入點(diǎn)電壓始終不超出容許范圍，至于控制原理則表現(xiàn)為：當(dāng)接入點(diǎn)電壓超過限值時(shí)，儲(chǔ)能模塊會(huì)迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，反之，則會(huì)進(jìn)入放電狀態(tài)，保證從電網(wǎng)獲取的功率始終低于限值。

3仿真實(shí)現(xiàn)

3.1算法設(shè)計(jì)

具備儲(chǔ)能裝置的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1?具備儲(chǔ)能設(shè)備的光伏發(fā)電系統(tǒng)

由于有功功率具有可調(diào)控的特點(diǎn)，因此上文闡述的儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略均可將其作為應(yīng)用前提，借助設(shè)計(jì)與之對(duì)應(yīng)的算法來(lái)得到有功功率參考值（P2）。

3.1.1反向功率流限制

根據(jù)其控制原理，可設(shè)計(jì)下述算法獲取有功功率參考值，當(dāng)P1＜P0，若儲(chǔ)能并未處于充電狀態(tài)，則要設(shè)定P2=P1，從而將儲(chǔ)能裝置的全部輸出傳遞至負(fù)荷，達(dá)到供電的目的。如果裝置完成充電，則要設(shè)定P2=P0，借助光伏電池與儲(chǔ)能設(shè)備一同完成負(fù)荷功率提供。當(dāng)P1＞P0，若儲(chǔ)能不滿，則設(shè)置P2=P0，借助光伏電池提供負(fù)荷功率，其余光伏輸出則需通過儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行吸收。若儲(chǔ)能設(shè)備已滿，則設(shè)置P2=P1，實(shí)現(xiàn)光伏功率的全部輸出。

3.1.2計(jì)劃運(yùn)行控制

假設(shè)充電功率限值為P3，設(shè)計(jì)以下算法來(lái)獲取光伏并網(wǎng)功率的參考值。當(dāng)P1＜P0，儲(chǔ)能未充電，設(shè)置P2=P1，此時(shí)光伏功率將全部輸出到負(fù)荷供電。若儲(chǔ)能裝置完成充電，則設(shè)置P2=P0，利用光伏電池與儲(chǔ)能設(shè)備提供負(fù)荷功率。當(dāng)P0＜P1＜P0+P3，若儲(chǔ)能未滿，設(shè)置P2=P0，借助光伏電池提供負(fù)荷功率，至于剩余的光伏輸出，則會(huì)利用儲(chǔ)能裝置完成吸收。此時(shí)，儲(chǔ)能裝置的充電功率不超過預(yù)設(shè)值，若儲(chǔ)能裝置完成充電，則設(shè)置P2=P1，完成光伏功率的全部輸出。當(dāng)P3+P0＜P1，則設(shè)定P2=P1-P3，儲(chǔ)能設(shè)備將會(huì)以恒定功率完成充電。若儲(chǔ)能設(shè)備已滿，則要設(shè)置P2=P1，并將光伏功率全部輸出。

3.1.3削峰運(yùn)行控制

設(shè)定反向功率流限值P4，根據(jù)以下算法獲取有功功率參考值。當(dāng)P1＜P0時(shí)，若儲(chǔ)能未實(shí)現(xiàn)充電，則設(shè)定P2=P1，實(shí)現(xiàn)光伏功率的全部輸出。若儲(chǔ)能設(shè)備已完成充電，則設(shè)定P2=P0，借助光伏電池與儲(chǔ)能設(shè)備一同提供負(fù)荷功率。若P0＜P1＜P0+P4，則設(shè)定P2=P1，完成光伏功率的輸出。當(dāng)P0+P4＜P1時(shí)，若儲(chǔ)能未充滿，則設(shè)P2=P0+P4，借助光伏電池提供相應(yīng)負(fù)荷功率，同時(shí)能夠保持反向功率流限值不變，其余功率則通過儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行吸收。如果儲(chǔ)能設(shè)備維處于充滿電的狀態(tài)，則設(shè)定P2=P4，完成光伏功率的輸出。

3.1.4控制電壓運(yùn)行

預(yù)設(shè)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓限值為V0，設(shè)定由電網(wǎng)獲取的功率限值為P5，設(shè)計(jì)以下算法獲取有功功率參考值。當(dāng)P1＜P0時(shí)，若儲(chǔ)能未充電，則設(shè)定P2=P1，輸出全部光伏功率。若儲(chǔ)能完成充電，則P2=MAX（P0-P5，P1），以此確保由電網(wǎng)獲取的功率不超過限值。若P0-P5＞P1，且儲(chǔ)能為放電狀態(tài)，需要補(bǔ)充光伏輸出功率。當(dāng)P0＜P1時(shí)，若儲(chǔ)能完成充電，則設(shè)定P2=P1，輸出全部光伏功率。若儲(chǔ)能尚未充滿，則要設(shè)定P2=P1，結(jié)合電壓控制裝置完成功率限值的獲取。因?yàn)镻5＜P1時(shí)，剩余光伏功率將會(huì)被儲(chǔ)能設(shè)備所吸收。根據(jù)電壓控制器的設(shè)計(jì)，若并網(wǎng)點(diǎn)電壓不超過并網(wǎng)點(diǎn)電壓限值，則P5的輸出限值應(yīng)為P1。當(dāng)并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過并網(wǎng)點(diǎn)電壓限值時(shí)，則要適當(dāng)減小預(yù)定值，以此降低反向功率，更好地完成電壓調(diào)節(jié)。綜上所述，利用電壓控制器可以更好地維持并網(wǎng)點(diǎn)電壓不超過并網(wǎng)點(diǎn)電壓限值。

3.2仿真驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證相關(guān)協(xié)調(diào)控制策略的有效性以及可行性，可建立仿真模型（如圖2所示），并將光伏電池的額定功率設(shè)定為13kwp，假設(shè)鉛酸蓄電池充電狀態(tài)的工作范圍在0.2～0.8之間，用阻抗值代表線路參數(shù)，并保證在仿真時(shí)電壓恒定不變。本次仿真實(shí)驗(yàn)共分5組。圖2 仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3.2.1無(wú)儲(chǔ)能

該組仿真為參照組，仿真過程無(wú)儲(chǔ)能裝置，因此，光伏電池功率全部輸出，且由于光伏電池功率的輸出，當(dāng)其低于負(fù)荷時(shí)，并網(wǎng)的有功功率為負(fù)值，證明由電網(wǎng)獲取功率。當(dāng)光伏電池功率高于負(fù)荷時(shí)，則有功功率為正值，產(chǎn)生反向功率值，且由于反向功率流相對(duì)較高，因此在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)出現(xiàn)電壓超過限值的問題。

3.2.2反向功率流的限制

該組實(shí)驗(yàn)主要用于驗(yàn)證反向功率流的算法設(shè)計(jì)是否可行，當(dāng)P1＞P0時(shí)，系統(tǒng)只能夠輸出滿足實(shí)際需要的功率，此時(shí)，儲(chǔ)能裝置為充電狀態(tài)，可以接收多余負(fù)荷。如果儲(chǔ)能裝置處于滿電狀態(tài)，則光伏電池功率全部輸出，伴有反向功率流。如果P1＜P0時(shí)，且儲(chǔ)能處于滿電狀態(tài)，則由儲(chǔ)能裝置以及光伏電池滿足負(fù)荷功率，直至儲(chǔ)能耗盡。由此可知，本文所采用的設(shè)計(jì)算法可以更好地完成反向功率流的限制，同時(shí)由于反向功率流被限制，并網(wǎng)點(diǎn)電壓數(shù)值較低，直至儲(chǔ)能充滿后，才會(huì)產(chǎn)生一定的電壓上升勢(shì)頭。若儲(chǔ)能容量足夠，則可切實(shí)解決電壓越限問題。

3.2.3計(jì)劃運(yùn)行控制

本次仿真實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置兩組，并分別將充電功率限值設(shè)定為3kW和1.5kW。當(dāng)P1＞P0時(shí)，光伏系統(tǒng)會(huì)迅速滿足負(fù)荷功率，儲(chǔ)能裝置轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，如果充電功率低于限值，則會(huì)吸收多余功率。若充電功率與限值一致，則會(huì)以恒定功率完成充電。如果儲(chǔ)能達(dá)到滿電狀態(tài)，則由儲(chǔ)能與光伏電池輸出負(fù)荷功率，直至儲(chǔ)能耗盡。簡(jiǎn)單來(lái)說，計(jì)劃運(yùn)行方式的反向功率流較低，電壓較弱，儲(chǔ)能充電功率限值設(shè)置越高，則對(duì)儲(chǔ)能容量要求也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)提升。

3.2.4削峰運(yùn)行控制

當(dāng)P1＞P0時(shí)，光伏系統(tǒng)會(huì)*一時(shí)間滿足負(fù)荷功率，并形成反向功率流。當(dāng)反向功率流達(dá)到限值時(shí)，儲(chǔ)能充電，會(huì)始終保持恒定的反向功率流。當(dāng)P1＜P0，則與上述提出的計(jì)劃運(yùn)行控制現(xiàn)象一致。

4協(xié)調(diào)控制策略的對(duì)比分析

協(xié)調(diào)控制策略的比對(duì)探究需要從以下兩方面進(jìn)行。一方面，是電壓越限問題的處理效率，前文闡述的四種儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略中，反功率流限制策略為了更好地保證電壓不越限，需要保證較高的儲(chǔ)能容量。而計(jì)劃運(yùn)行控制為了防止電壓越限，需采用適合的儲(chǔ)能充電功率限值。至于削峰運(yùn)行控制為了避免電壓越限，則要選取適合的反向功率流限值。而控制電壓運(yùn)行能夠確保并網(wǎng)點(diǎn)不超過設(shè)定范圍。至于其他兩種控制方法均可對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)的電壓保持優(yōu)良的改善效果，也能防止受電網(wǎng)電壓水平等因素的影響，至于其余兩種控制方法做會(huì)受負(fù)荷以及光伏電池輸出影響，難以有效確定儲(chǔ)能充電功率限值以及反向功率流限值。綜上所述，若站在避免低壓越限的層面進(jìn)行思考，控制電壓運(yùn)行以及反功率流限制是*優(yōu)的協(xié)調(diào)控制方法。

另一方面，是儲(chǔ)能容量的要求，四種儲(chǔ)能控制策略。

中反功率流限制的電池充電狀態(tài)變化*大，證明該運(yùn)行方式對(duì)儲(chǔ)能容量要求偏高，因?yàn)榇祟愡\(yùn)行方式會(huì)在一定程度上限制反向功率流。而計(jì)劃運(yùn)行控制對(duì)儲(chǔ)能容量的要求大小則主要與充電功率限值有關(guān)，其數(shù)值越高，則儲(chǔ)能容量要求越大。至于削峰運(yùn)行控制方式同樣由反向功率限值決定儲(chǔ)能容量要求，兩者呈現(xiàn)正比關(guān)系。而控制電壓運(yùn)行方式對(duì)儲(chǔ)能容量的要求大小，則與電壓限值有關(guān)，電壓限值越小則儲(chǔ)能容量要求越高。雖然后三種方式需要根據(jù)運(yùn)行參數(shù)來(lái)決定對(duì)儲(chǔ)能容量的要求情況，但根據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，其對(duì)容量的要求均不超過反向功率流限制，由此可知，站在儲(chǔ)能容量角度進(jìn)行考慮，三種方式的應(yīng)用效果更佳。此外，在不考慮儲(chǔ)能容量限值的基礎(chǔ)上，反向功率流的限制是*佳的電壓越限控制方法。若進(jìn)行綜合考慮，以降低儲(chǔ)能容量要求為基礎(chǔ)，滿足并網(wǎng)電壓要求，則電壓運(yùn)行控制是*佳協(xié)調(diào)控制策略。由此可知，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，需要結(jié)合多方面的因素進(jìn)行綜合考慮，以此選擇*佳的運(yùn)行方式。

5安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)

5.1概述

Acrel-2000MG 儲(chǔ)能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對(duì)工商業(yè)儲(chǔ)能 電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù) 據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報(bào)警管理、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、策略管理、歷史曲線等功能。其中策略管理，支持多種控制策 略選擇，包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不 僅可以實(shí)現(xiàn)下級(jí)各儲(chǔ)能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實(shí)現(xiàn)與上級(jí)調(diào) 度系統(tǒng)和云平臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級(jí)調(diào)度指令，又可以 滿足遠(yuǎn)程監(jiān)控與運(yùn)維，確保儲(chǔ)能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5.2應(yīng)用場(chǎng)景

適用于工商業(yè)儲(chǔ)能電站、新能源配儲(chǔ)電站。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

（1）實(shí)時(shí)監(jiān)管

對(duì)微電網(wǎng)的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁及用電負(fù)荷，同時(shí)也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。

（2）智能監(jiān)控

對(duì)系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機(jī)、儲(chǔ)能電池、儲(chǔ)能變流器、用電設(shè)備等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。

（3）功率預(yù)測(cè)

對(duì)分布式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預(yù)測(cè)，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質(zhì)量

實(shí)現(xiàn)整個(gè)微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續(xù)性的監(jiān)測(cè)。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析及錄波展示，并對(duì)電壓、電流瞬變進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（5）可視化運(yùn)行

實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)無(wú)人值守，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對(duì)重要負(fù)荷與設(shè)備進(jìn)行不間斷監(jiān)控。

（6）優(yōu)化控制

通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對(duì)負(fù)荷進(jìn)行功率預(yù)測(cè)，并結(jié)合分布式電源出力與儲(chǔ)能狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時(shí)刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。

（7）收益分析

用戶可以查看光伏、儲(chǔ)能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時(shí)可以切換年報(bào)查看每個(gè)月的電量和收益。

（8）能源分析

通過分析光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能設(shè)備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評(píng)估設(shè)備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運(yùn)行策略及統(tǒng)計(jì)值進(jìn)行設(shè)置。其中策略包含計(jì)劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。

6硬件及其配套產(chǎn)品

7結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)配電網(wǎng)線路特點(diǎn)開展分析討論，闡述電壓越限問題的處理手段，闡述4種儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略，并設(shè)計(jì)相應(yīng)算法，借助仿真驗(yàn)證相關(guān)設(shè)計(jì)算法的可行性與可靠性。同時(shí)也證明了各類儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制策略均可解決電壓越限問題，之后對(duì)多種協(xié)調(diào)控制策略實(shí)施定性比對(duì)，從符合并網(wǎng)電壓要求的角度進(jìn)行考慮，*終得出控制電壓運(yùn)行是現(xiàn)階段*優(yōu)的協(xié)調(diào)控制策略。

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