光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲能裝置的協(xié)調(diào)運行以及控制研究

沈繼寶

（金開智維（寧夏）科技有限公司，寧夏 銀川 750004）

光伏發(fā)電是指結(jié)合光生伏特效應(yīng)，借助太陽電池，將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能，但因為太陽能輻射本身具有波動性，難以避免地會導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出不可控的問題，進(jìn)而對光伏滲透率產(chǎn)生影響。為解決此類問題，需提出應(yīng)用儲能裝置提高光伏發(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

本文將以包含儲能裝置的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象，并闡述針對性的協(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，系統(tǒng)的輸出功率（P1）高于負(fù)荷功率（P0），至于超出的部分，則會送入電網(wǎng)，以此形成反向功率流。該功率流的出現(xiàn)會造成電網(wǎng)末端的電壓出現(xiàn)大幅度增長，直至其達(dá)到一定限值，便會出現(xiàn)電壓越限的問題。一旦光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓越限，必然會造成系統(tǒng)難以向電網(wǎng)完成電能輸出的問題，此時，輸出功率將會受到嚴(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)與儲能裝置協(xié)調(diào)運行時產(chǎn)生的電壓越限問題，切實消除輸出功率限制狀況，需要利用儲能裝置完成并網(wǎng)功率的調(diào)節(jié)，儲存系統(tǒng)無法輸出的光伏功率，確保光伏電池能夠?qū)崿F(xiàn)最大化輸出。在引入儲能裝置后，為了更好地實現(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行，其主要目的在于最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，相關(guān)儲能模塊會第一時間進(jìn)入充電狀態(tài)，而當(dāng)P1 ＜P0，儲能模塊則會第一時間轉(zhuǎn)變?yōu)榉烹姞顟B(tài)，以此補充光伏輸出功率的不足與缺額。

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

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

（4）控制電壓運行，其主要目的在于保證光伏系統(tǒng)接入點電壓始終不超出容許范圍，至于控制原理則表現(xiàn)為：當(dāng)接入點電壓超過限值時，儲能模塊會迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，反之，則會進(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 仿真實現(xiàn)

3.1 算法設(shè)計

具備儲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，因此上文闡述的儲能協(xié)調(diào)控制策略均可將其作為應(yīng)用前提，借助設(shè)計與之對應(yīng)的算法來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)計下述算法獲取有功功率參考值，當(dāng)P1 ＜P0，若儲能并未處于充電狀態(tài)，則要設(shè)定P2=P1，從而將儲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，借助光伏電池與儲能設(shè)備一同完成負(fù)荷功率提供。當(dāng)P1 ＞P0，若儲能不滿，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能設(shè)備進(jìn)行吸收。若儲能設(shè)備已滿，則設(shè)置P2=P1，實現(xiàn)光伏功率的全部輸出。

3.1.2 計劃運行控制

假設(shè)充電功率限值為P3，設(shè)計以下算法來獲取光伏并網(wǎng)功率的參考值。

當(dāng)P1 ＜P0，儲能未充電，設(shè)置P2=P1，此時光伏功率將全部輸出到負(fù)荷供電。若儲能裝置完成充電，則設(shè)置P2=P0，利用光伏電池與儲能設(shè)備提供負(fù)荷功率。當(dāng)P0 ＜P1 ＜P0+P3，若儲能未滿，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，則會利用儲能裝置完成吸收。此時，儲能裝置的充電功率不超過預(yù)設(shè)值，若儲能裝置完成充電，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，儲能設(shè)備將會以恒定功率完成充電。若儲能設(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，若儲能未實現(xiàn)充電，則設(shè)定P2=P1，實現(xiàn)光伏功率的全部輸出。若儲能設(shè)備已完成充電，則設(shè)定P2=P0，借助光伏電池與儲能設(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，若儲能未充滿，則設(shè)P2=P0+P4，借助光伏電池提供相應(yīng)負(fù)荷功率，同時能夠保持反向功率流限值不變，其余功率則通過儲能設(shè)備進(jìn)行吸收。如果儲能設(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 控制電壓運行

預(yù)設(shè)并網(wǎng)點的電壓限值為V0，設(shè)定由電網(wǎng)獲取的功率限值為P5，設(shè)計以下算法獲取有功功率參考值。

當(dāng)P1 ＜P0 時，若儲能未充電，則設(shè)定P2=P1，輸出全部光伏功率。若儲能完成充電，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，且儲能為放電狀態(tài)，需要補充光伏輸出功率。當(dāng)P0 ＜P1 時，若儲能完成充電，則設(shè)定P2=P1，輸出全部光伏功率。若儲能尚未充滿，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。因為P5 ＜P1 時，剩余光伏功率將會被儲能設(shè)備所吸收。根據(jù)電壓控制器的設(shè)計，若并網(wǎng)點電壓不超過并網(wǎng)點電壓限值，則P5的輸出限值應(yīng)為P1。當(dāng)并網(wǎng)點電壓超過并網(wǎng)點電壓限值時，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)點電壓不超過并網(wǎng)點電壓限值。

3.2 仿真驗證

為了進(jìn)一步驗證相關(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)，并保證在仿真時電壓恒定不變。本次仿真實驗共分5 組。

圖2 仿真實驗?zāi)Ｐ?/p>

3.2.1 無儲能

該組仿真為參照組，仿真過程無儲能裝置，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，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，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較高，因此在一定時間內(nèi)會出現(xiàn)電壓超過限值的問題。

3.2.2 反向功率流的限制

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

3.2.3 計劃運行控制

本次仿真實驗需要設(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，光伏系統(tǒng)會迅速滿足負(fù)荷功率，儲能裝置轉(zhuǎn)變?yōu)槌潆姞顟B(tài)，如果充電功率低于限值，則會吸收多余功率。若充電功率與限值一致，則會以恒定功率完成充電。如果儲能達(dá)到滿電狀態(tài)，則由儲能與光伏電池輸出負(fù)荷功率，直至儲能耗盡。簡單來說，計劃運行方式的反向功率流較低，電壓較弱，儲能充電功率限值設(shè)置越高，則對儲能容量要求也會出現(xiàn)相應(yīng)提升。

3.2.4 削峰運行控制

當(dāng)P1 ＞P0 時，光伏系統(tǒng)會第一時間滿足負(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，儲能充電，會始終保持恒定的反向功率流。當(dāng)P1 ＜P0，則與上述提出的計劃運行控制現(xiàn)象一致。

4 協(xié)調(diào)控制策略的對比分析

協(xié)調(diào)控制策略的比對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，需要保證較高的儲能容量。而計劃運行控制為了防止電壓越限，需采用適合的儲能充電功率限值。至于削峰運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。而控制電壓運行能夠確保并網(wǎng)點不超過設(shè)定范圍。至于其他兩種控制方法均可對并網(wǎng)點的電壓保持優(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受負(fù)荷以及光伏電池輸出影響，難以有效確定儲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，控制電壓運行以及反功率流限制是最優(yōu)的協(xié)調(diào)控制方法。

另一方面，是儲能容量的要求，四種儲能控制策略中反功率流限制的電池充電狀態(tài)變化最大，證明該運行方式對儲能容量要求偏高，因為此類運行方式會在一定程度上限制反向功率流。而計劃運行控制對儲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，則儲能容量要求越大。至于削峰運行控制方式同樣由反向功率限值決定儲能容量要求，兩者呈現(xiàn)正比關(guān)系。而控制電壓運行方式對儲能容量的要求大小，則與電壓限值有關(guān)，電壓限值越小則儲能容量要求越高。

雖然后三種方式需要根據(jù)運行參數(shù)來決定對儲能容量的要求情況，但根據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，其對容量的要求均不超過反向功率流限制，由此可知，站在儲能容量角度進(jìn)行考慮，三種方式的應(yīng)用效果更佳。此外，在不考慮儲能容量限值的基礎(chǔ)上，反向功率流的限制是最佳的電壓越限控制方法。若進(jìn)行綜合考慮，以降低儲能容量要求為基礎(chǔ)，滿足并網(wǎng)電壓要求，則電壓運行控制是最佳協(xié)調(diào)控制策略。由此可知，在實際運行時，需要結(jié)合多方面的因素進(jìn)行綜合考慮，以此選擇最佳的運行方式。

5 結(jié)語

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