光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲能裝置的協(xié)調(diào)運行分析
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)與儲能裝置協(xié)調(diào)運行與控制進行分析，解決以往存在的并網(wǎng)點電壓越限問題，通過仿真研究提出多種儲能協(xié)調(diào)控制策略的實用性以及可行性，經(jīng)比對后發(fā)現(xiàn)，站在降低儲能容量的角度進行考慮，實現(xiàn)電壓運行的動態(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，在應(yīng)用時可結(jié)合實際情況選擇。
關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；儲能裝置；控制電壓運行
光伏發(fā)電是指結(jié)合光生伏*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)。
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。
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)*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*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P1＞P0時，相關(guān)儲能模塊會*一時間進入充電狀態(tài)，而當P1＜P0，儲能模塊則會*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P1＞P0，則儲能模塊同樣會進入充電狀態(tài)，直至充電功率低于限值，當P1＜P0時，則儲能模塊會進入放電狀態(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*高于限值，控制原理為當P1＞P0，同時可以維持既定的反向功率流時，則儲能模塊會進入充電狀態(tài)。反之儲能模塊則會進入放電狀態(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，則會進入放電狀態(tài)，保證從電網(wǎng)獲取的功率始終低于限值。
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荷，達到供電的目的。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)備一同完成負荷功率提供。當P1＞P0，若儲能不滿，則設(shè)置P2=P0，借助光伏電池提供負荷功率，其余光伏輸出則需通過儲能設(shè)備進行吸收。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)備提供負荷功率。當P0＜P1＜P0+P3，若儲能未滿，設(shè)置P2=P0，借助光伏電池提供負荷功率，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)備一同提供負荷功率。若P0＜P1＜P0+P4，則設(shè)定P2=P1，完成光伏功率的輸出。當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。當并網(wǎng)點電壓超過并網(wǎng)點電壓限值時，則要適當減小預(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，當其低于負荷時，并網(wǎng)的有功功率為負值，證明由電網(wǎng)獲取功率。當光伏電池功率高于負荷時，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P1＞P0時，光伏系統(tǒng)會迅速滿足負荷功率，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。如果儲能達到滿電狀態(tài)，則由儲能與光伏電池輸出負荷功率，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P1＞P0時，光伏系統(tǒng)會*一時間滿足負荷功率，并形成反向功率流。當反向功率流達到限值時，儲能充電，會始終保持恒定的反向功率流。當P1＜P0，則與上述提出的計劃運行控制現(xiàn)象一致。
協(xié)調(diào)控制策略的比對探究需要從以下兩方面進行。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行思考，控制電壓運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*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*佳的電壓越限控制方法。若進行綜合考慮，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*佳協(xié)調(diào)控制策略。由此可知，在實際運行時，需要結(jié)合多方面的因素進行綜合考慮，以此選擇*佳的運行方式。
Acrel-2000MG 儲能能量管理系統(tǒng)是安科瑞專門針對工商業(yè)儲能 電站研制的本地化能量管理系統(tǒng)，可實現(xiàn)了儲能電站的數(shù)據(jù)采集、數(shù) 據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)查詢與分析、可視化監(jiān)控、報警管理、統(tǒng)計報表、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，包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統(tǒng)不 僅可以實現(xiàn)下級各儲能單元的統(tǒng)一監(jiān)控和管理，還可以實現(xiàn)與上級調(diào) 度系統(tǒng)和云平臺的數(shù)據(jù)通訊與交互，既能接受上級調(diào)度指令，又可以 滿足遠程監(jiān)控與運維，確保儲能系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、可靠、經(jīng)濟運行。
適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。
5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
（1）實時監(jiān)管
對微電網(wǎng)的運行進行實時監(jiān)管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數(shù)據(jù)、天氣狀況、節(jié)能減排等信息。
（2）智能監(jiān)控
對系統(tǒng)環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設(shè)備等進行實時監(jiān)測，掌握微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行狀況。
（3）功率預(yù)測
對分布式發(fā)電系統(tǒng)進行短期、超短期發(fā)電功率預(yù)測，并展示合格率及誤差分析。
（4）電能質(zhì)量
實現(xiàn)整個微電網(wǎng)系統(tǒng)范圍內(nèi)的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進行持續(xù)性的監(jiān)測。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)進行監(jiān)測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監(jiān)測。
（5）可視化運行
實現(xiàn)微電網(wǎng)無人值守，實現(xiàn)數(shù)字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設(shè)備進行不間斷監(jiān)控。
（6）優(yōu)化控制
通過分析歷史用電數(shù)據(jù)、天氣條件對負荷進行功率預(yù)測，并結(jié)合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實現(xiàn)經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業(yè)綜合用電成本。
（7）收益分析
用戶可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數(shù)據(jù)，同時可以切換年報查看每個月的電量和收益。
（8）能源分析
通過分析光伏、風電、儲能設(shè)備的發(fā)電效率、轉(zhuǎn)化效率，用于評估設(shè)備性能與狀態(tài)。
（9）策略配置
微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統(tǒng)組成、基礎(chǔ)參數(shù)、運行策略及統(tǒng)計值進行設(shè)置。其中策略包含計劃曲線、削峰填谷、需量控制、新能源消納、逆功率控制等。
序號 | 設(shè)備 | 型號 | 圖片 | 說明 |
1 | 能量管理系統(tǒng) | Acrel-2000MG |
| 內(nèi)部設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，由通信管理機、工業(yè)平板電腦、串口服務(wù)器、遙信模塊及相關(guān)通信輔件組成。 數(shù)據(jù)采集、上傳及轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器及協(xié)同控制裝置 策略控制:計劃曲線、需量控制、削峰填谷、備用電源等 |
2 | 顯示器 | 25.1英寸液晶顯示器 |
| 系統(tǒng)軟件顯示載體 |
3 | UPS電源 | UPS2000-A-2-KTTS |
| 為監(jiān)控主機提供后備電源 |
4 | 打印機 | HP108AA4 |
| 用以打印操作記錄，參數(shù)修改記錄、參數(shù)越限、復(fù)限，系統(tǒng)事故，設(shè)備故障，保護運行等記錄，以召喚打印為主要方式 |
5 | 音箱 | R19U |
| 播放報警事件信息 |
6 | 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機 | D-LINKDES-1016A16 |
| 提供16口百兆工業(yè)網(wǎng)絡(luò)交換機解決了通信實時性、網(wǎng)絡(luò)安全性、本質(zhì)安全與安全防爆技術(shù)等技術(shù)問題 |
7 | GPS時鐘 | ATS1200GB |
| 利用gps同步衛(wèi)星信號，接收1pps和串口時間信息，將本地的時鐘和gps衛(wèi)星上面的時間進行同步 |
8 | 交流計量電表 | AMC96L-E4/KC |
| 電力參數(shù)測量(如單相或者三相的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率,頻率、功率因數(shù)等)、復(fù)費率電能計量、 四象限電能計量、諧波分析以及電能監(jiān)測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協(xié)議:帶開關(guān)量輸入和繼電器輸出可實現(xiàn)斷路器開關(guān)的"遜信“和“遙控"的功能 |
9 | 直流計量電表 | PZ96L-DE |
| 可測量直流系統(tǒng)中的電壓、電流、功率、正向與反向電能?？蓭S485通訊接口、模擬量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、開關(guān)量輸入/輸出等功能 |
10 | 電能質(zhì)量監(jiān)測 | APView500 |
| 實時監(jiān)測電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諾波等電能質(zhì)量，記錄各類電能質(zhì)量事件,定位擾動源。 |
11 | 防孤島裝置 | AM5SE-IS |
| 防孤島保護裝置，當外部電網(wǎng)停電后斷開和電網(wǎng)連接 |
12 | 箱變測控裝置 | AM6-PWC |
| 置針對光伏、風能、儲能升壓變不同要求研發(fā)的集保護，測控，通訊一體化裝置，具備保護、通信管理機功能、環(huán)網(wǎng)交換機功能的測控裝置 |
13 | 通信管理機 | ANet-2E851 |
| 能夠根據(jù)不同的采集規(guī)的進行水表、氣表、電表、微機保護等設(shè)備終端的數(shù)據(jù)果集匯總: 提供規(guī)約轉(zhuǎn)換、透明轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)加密壓縮、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、邊緣計算等多項功能:實時多任務(wù)并行處理數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可多鏈路上送平臺據(jù): |
14 | 串口服務(wù)器 | Aport |
| 功能:轉(zhuǎn)換“輔助系統(tǒng)"的狀態(tài)數(shù)據(jù)，反饋到能量管理系統(tǒng)中。 1)空調(diào)的開關(guān)，調(diào)溫，及斷電(二次開關(guān)實現(xiàn)) 2)上傳配電柜各個空開信號 3)上傳UPS內(nèi)部電量信息等 4)接入電表、BSMU等設(shè)備 |
15 | 遙信模塊 | ARTU-K16 |
| 1)反饋各個設(shè)備狀態(tài)，將相關(guān)數(shù)據(jù)到串口服務(wù)器: 讀消防VO信號，并轉(zhuǎn)發(fā)給到上層(關(guān)機、事件上報等) 2)采集水浸傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā)3)給到上層(水浸信號事件上報) 4)讀取門禁程傳感器信息，并轉(zhuǎn)發(fā) |
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)電壓要求的角度進行考慮，*終得出控制電壓運行是現(xiàn)階段*優(yōu)的協(xié)調(diào)控制策略。
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