安科瑞 陳聰

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

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統；儲能裝置；控制電壓運行

0引言

光伏發(fā)電是指結合光生伏*效應，借助太陽(yáng)電池，將太陽(yáng)光能轉化為電能，但因為太陽(yáng)能輻射本身具有波動(dòng)性，難以避免地會(huì )導致光伏發(fā)電系統輸出不可控的問(wèn)題，進(jìn)而對光伏滲透率產(chǎn)生影響。為解決此類(lèi)問(wèn)題，需提出應用儲能裝置提高光伏發(fā)電系統的可控性，通過(guò)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)。

1電壓越限問(wèn)題

本文將以包含儲能裝置的分布式光伏發(fā)電系統作為研究對象，并闡述針對性的協(xié)調控制策略。

分布式光伏發(fā)電系統大多與配電網(wǎng)相連，因此不可忽視配電網(wǎng)內的線(xiàn)路電阻，配電網(wǎng)內的電壓分布與線(xiàn)路傳輸功率存在直接聯(lián)系，而在不包含光伏發(fā)電系統的配電網(wǎng)中，電壓幅值會(huì )沿線(xiàn)路不斷減少。當配電網(wǎng)內接入光伏發(fā)電系統，此時(shí)，系統的輸出功率（P1）高于負荷功率（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。該功率流的出現會(huì )造成電網(wǎng)末端的電壓出現大幅度增長(cháng)，直至其達到一定限值，便會(huì )出現電壓越限的問(wèn)題。一旦光伏發(fā)電系統并網(wǎng)點(diǎn)電壓越限，必然會(huì )造成系統難以向電網(wǎng)完成電能輸出的問(wèn)題，此時(shí)，輸出功率將會(huì )受到嚴重限制，導致系統電能出現大量損失，影響光伏系統的利用率。

2制定完善的協(xié)調控制策略

為了解決上述光伏發(fā)電系統與儲能裝置協(xié)調運行時(shí)產(chǎn)生的電壓越限問(wèn)題，切實(shí)消除輸出功率限制狀況，需要利用儲能裝置完成并網(wǎng)功率的調節，儲存系統無(wú)法輸出的光伏功率，確保光伏電池能夠實(shí)現*大化輸出。在引入儲能裝置后，為了更好地實(shí)現兩者的協(xié)調控制，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向電網(wǎng)輸出功率，其主要原理為當P1＞P0時(shí)，相關(guān)儲能模塊會(huì )*一時(shí)間進(jìn)入充電狀態(tài)，而當P1＜P0，儲能模塊則會(huì )*一時(shí)間轉變?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(huì )進(jìn)入充電狀態(tài)，直至充電功率低于限值，當P1＜P0時(shí)，則儲能模塊會(huì )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(huì )*高于限值，控制原理為當P1＞P0，同時(shí)可以維持既定的反向功率流時(shí)，則儲能模塊會(huì )進(jìn)入充電狀態(tài)。反之儲能模塊則會(huì )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接入點(diǎn)電壓始終不超出容許范圍，至于控制原理則表現為：當接入點(diǎn)電壓超過(guò)限值時(shí)，儲能模塊會(huì )迅速轉變?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

3.1算法設計

具備儲能裝置的分布式光伏發(fā)電系統如圖1所示。

圖1 具備儲能設備的光伏發(fā)電系統

由于有功功率具有可調控的特點(diǎn)，因此上文闡述的儲能協(xié)調控制策略均可將其作為應用前提，借助設計與之對應的算法來(lái)得到有功功率參考值（P2）。

3.1.1反向功率流限制

根據其控制原理，可設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，則要設定P2=P0，借助光伏電池與儲能設備一同完成負荷功率提供。當P1＞P0，若儲能不滿(mǎn)，則設置P2=P0，借助光伏電池提供負荷功率，其余光伏輸出則需通過(guò)儲能設備進(jìn)行吸收。若儲能設備已滿(mǎn)，則設置P2=P1，實(shí)現光伏功率的全部輸出。

3.1.2計劃運行控制

假設充電功率限值為P3，設計以下算法來(lái)獲取光伏并網(wǎng)功率的參考值。當P1＜P0，儲能未充電，設置P2=P1，此時(shí)光伏功率將全部輸出到負荷供電。若儲能裝置完成充電，則設置P2=P0，利用光伏電池與儲能設備提供負荷功率。當P0＜P1＜P0+P3，若儲能未滿(mǎn)，設置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(huì )利用儲能裝置完成吸收。此時(shí)，儲能裝置的充電功率不超過(guò)預設值，若儲能裝置完成充電，則設置P2=P1，完成光伏功率的全部輸出。當P3+P0＜P1，則設定P2=P1-P3，儲能設備將會(huì )以恒定功率完成充電。若儲能設備已滿(mǎn)，則要設置P2=P1，并將光伏功率全部輸出。

3.1.3削峰運行控制

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

3.1.4控制電壓運行

預設并網(wǎng)點(diǎn)的電壓限值為V0，設定由電網(wǎng)獲取的功率限值為P5，設計以下算法獲取有功功率參考值。當P1＜P0時(shí)，若儲能未充電，則設定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(guò)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(shí)，若儲能完成充電，則設定P2=P1，輸出全部光伏功率。若儲能尚未充滿(mǎn)，則要設定P2=P1，結合電壓控制裝置完成功率限值的獲取。因為P5＜P1時(shí)，剩余光伏功率將會(huì )被儲能設備所吸收。根據電壓控制器的設計，若并網(wǎng)點(diǎn)電壓不超過(guò)并網(wǎng)點(diǎn)電壓限值，則P5的輸出限值應為P1。當并網(wǎng)點(diǎn)電壓超過(guò)并網(wǎng)點(diǎn)電壓限值時(shí)，則要適當減小預定值，以此降低反向功率，更好地完成電壓調節。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(guò)并網(wǎng)點(diǎn)電壓限值。

3.2仿真驗證

為了進(jìn)一步驗證相關(guān)協(xié)調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定為13kwp，假設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(xiàn)路參數，并保證在仿真時(shí)電壓恒定不變。本次仿真實(shí)驗共分5組。圖2 仿真實(shí)驗模型

3.2.1無(wú)儲能

該組仿真為參照組，仿真過(guò)程無(wú)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(shí)，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(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較高，因此在一定時(shí)間內會(huì )出現電壓超過(guò)限值的問(wèn)題。

3.2.2反向功率流的限制

該組實(shí)驗主要用于驗證反向功率流的算法設計是否可行，當P1＞P0時(shí)，系統只能夠輸出滿(mǎn)足實(shí)際需要的功率，此時(shí)，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(mǎn)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)，且儲能處于滿(mǎn)電狀態(tài)，則由儲能裝置以及光伏電池滿(mǎn)足負荷功率，直至儲能耗盡。由此可知，本文所采用的設計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)電壓數值較低，直至儲能充滿(mǎn)后，才會(huì )產(chǎn)生一定的電壓上升勢頭。若儲能容量足夠，則可切實(shí)解決電壓越限問(wèn)題。

3.2.3計劃運行控制

本次仿真實(shí)驗需要設置兩組，并分別將充電功率限值設定為3kW和1.5kW。當P1＞P0時(shí)，光伏系統會(huì )迅速滿(mǎn)足負荷功率，儲能裝置轉變?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。如果儲能達到滿(mǎn)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，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置越高，則對儲能容量要求也會(huì )出現相應提升。

3.2.4削峰運行控制

當P1＞P0時(shí)，光伏系統會(huì )*一時(shí)間滿(mǎn)足負荷功率，并形成反向功率流。當反向功率流達到限值時(shí)，儲能充電，會(huì )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象一致。

4協(xié)調控制策略的對比分析

協(xié)調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(wèn)題的處理效率，前文闡述的四種儲能協(xié)調控制策略中，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(diǎn)不超過(guò)設定范圍。至于其他兩種控制方法均可對并網(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*優(yōu)的協(xié)調控制方法。

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(lèi)運行方式會(huì )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運行參數來(lái)決定對儲能容量的要求情況，但根據分析后發(fā)現，其對容量的要求均不超過(guò)反向功率流限制，由此可知，站在儲能容量角度進(jìn)行考慮，三種方式的應用效果更佳。此外，在不考慮儲能容量限值的基礎上，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，以降低儲能容量要求為基礎，滿(mǎn)足并網(wǎng)電壓要求，則電壓運行控制是*佳協(xié)調控制策略。由此可知，在實(shí)際運行時(shí)，需要結合多方面的因素進(jìn)行綜合考慮，以此選擇*佳的運行方式。

5安科瑞Acrel-2000MG微電網(wǎng)能量管理系統

5.1概述

Acrel-2000MG 儲能能量管理系統是安科瑞專(zhuān)門(mén)針對工商業(yè)儲能 電站研制的本地化能量管理系統，可實(shí)現了儲能電站的數據采集、數 據處理、數據存儲、數據查詢(xún)與分析、可視化監控、報警管理、統計報表、策略管理、歷史曲線(xiàn)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(xiàn)、削峰填谷、需量控制、防逆流等。該系統不 僅可以實(shí)現下級各儲能單元的統一監控和管理，還可以實(shí)現與上級調 度系統和云平臺的數據通訊與交互，既能接受上級調度指令，又可以 滿(mǎn)足遠程監控與運維，確保儲能系統安全、穩定、可靠、經(jīng)濟運行。

5.2應用場(chǎng)景

適用于工商業(yè)儲能電站、新能源配儲電站。

5.3系統結構

5.4系統功能

（1）實(shí)時(shí)監管

對微電網(wǎng)的運行進(jìn)行實(shí)時(shí)監管，包含市電、光伏、風(fēng)電、儲能、充電樁及用電負荷，同時(shí)也包括收益數據、天氣狀況、節能減排等信息。

（2）智能監控

對系統環(huán)境、光伏組件、光伏逆變器、風(fēng)電控制逆變一體機、儲能電池、儲能變流器、用電設備等進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，掌握微電網(wǎng)系統的運行狀況。

（3）功率預測

對分布式發(fā)電系統進(jìn)行短期、超短期發(fā)電功率預測，并展示合格率及誤差分析。

（4）電能質(zhì)量

實(shí)現整個(gè)微電網(wǎng)系統范圍內的電能質(zhì)量和電能可靠性狀況進(jìn)行持續性的監測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩態(tài)數據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態(tài)數據進(jìn)行監測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進(jìn)行監測。

（5）可視化運行

實(shí)現微電網(wǎng)無(wú)人值守，實(shí)現數字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進(jìn)行不間斷監控。

（6）優(yōu)化控制

通過(guò)分析歷史用電數據、天氣條件對負荷進(jìn)行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態(tài)，實(shí)現經(jīng)濟優(yōu)化調度，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(hù)可以查看光伏、儲能、充電樁三部分的每天電量和收益數據，同時(shí)可以切換年報查看每個(gè)月的電量和收益。

（8）能源分析

通過(guò)分析光伏、風(fēng)電、儲能設備的發(fā)電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態(tài)。

（9）策略配置

微電網(wǎng)配置主要對微電網(wǎng)系統組成、基礎參數、運行策略及統計值進(jìn)行設置。其中策略包含計劃曲線(xiàn)、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結語(yǔ)

通過(guò)對配電網(wǎng)線(xiàn)路特點(diǎn)開(kāi)展分析討論，闡述電壓越限問(wèn)題的處理手段，闡述4種儲能協(xié)調控制策略，并設計相應算法，借助仿真驗證相關(guān)設計算法的可行性與可靠性。同時(shí)也證明了各類(lèi)儲能協(xié)調控制策略均可解決電壓越限問(wèn)題，之后對多種協(xié)調控制策略實(shí)施定性比對，從符合并網(wǎng)電壓要求的角度進(jìn)行考慮，*終得出控制電壓運行是現階段*優(yōu)的協(xié)調控制策略。

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