光伏發電系統與儲能裝置的協調運行分析
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：本文圍繞光伏發電系統與儲能裝置協調運行與控制進行分析，解決以往存在的并網點電壓越限問題，通過仿真研究提出多種儲能協調控制策略的實用性以及可行性，經比對后發現，站在降低儲能容量的角度進行考慮，實現電壓運行的動態把控，是目前效果*佳的協調控制方式，但其余方式也有一定優勢，在應用時可結合實際情況選擇。
關鍵詞：光伏發電系統；儲能裝置；控制電壓運行
光伏發電是指結合光生伏*效應，借助太陽電池，將太陽光能轉化為電能，但因為太陽能輻射本身具有波動性，難以避免地會導致光伏發電系統輸出不可控的問題，進而對光伏滲透率產生影響。為解決此類問題，需提出應用儲能裝置提高光伏發電系統的可控性，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。
本文將以包含儲能裝置的分布式光伏發電系統作為研究對象，并闡述針對性的協調控制策略。
分布式光伏發電系統大多與配電網相連，因此不可忽視配電網內的線路電阻，配電網內的電壓分布與線路傳輸功率存在直接聯系，而在不包含光伏發電系統的配電網中，電壓幅值會沿線路不斷減少。當配電網內接入光伏發電系統，此時，系統的輸出功率（P1）高于負荷功率（P0），至于超出的部分，則會送入電網，以此形成反向功率流。該功率流的出現會造成電網末端的電壓出現大幅度增長，直至其達到一定限值，便會出現電壓越限的問題。一旦光伏發電系統并網點電壓越限，必然會造成系統難以向電網完成電能輸出的問題，此時，輸出功率將會受到嚴重限制，導致系統電能出現大量損失，影響光伏系統的利用率。
為了解決上述光伏發電系統與儲能裝置協調運行時產生的電壓越限問題，切實消除輸出功率限制狀況，需要利用儲能裝置完成并網功率的調節，儲存系統無法輸出的光伏功率，確保光伏電池能夠實現*大化輸出。在引入儲能裝置后，為了更好地實現兩者的協調控制，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輸出功率，其主要原理為當P1＞P0時，相關儲能模塊會*一時間進入充電狀態，而當P1＜P0，儲能模塊則會*一時間轉變為放電狀態，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，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，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。反之儲能模塊則會進入放電狀態。
（4）控制電壓運行，其主要目的在于保證光伏系統接入點電壓始終不超出容許范圍，至于控制原理則表現為：當接入點電壓超過限值時，儲能模塊會迅速轉變為充電狀態，反之，則會進入放電狀態，保證從電網獲取的功率始終低于限值。
3.1算法設計
具備儲能裝置的分布式光伏發電系統如圖1所示。
圖1?具備儲能設備的光伏發電系統
由于有功功率具有可調控的特點，因此上文闡述的儲能協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，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，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儲能設備進行吸收。若儲能設備已滿，則設置P2=P1，實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，設計以下算法來獲取光伏并網功率的參考值。當P1＜P0，儲能未充電，設置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，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，儲能設備將會以恒定功率完成充電。若儲能設備已滿，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，若儲能未實現充電，則設定P2=P1，實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，若儲能未充滿，則設P2=P0+P4，借助光伏電池提供相應負荷功率，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備進行吸收。如果儲能設備維處于充滿電的狀態，則設定P2=P4，完成光伏功率的輸出。
3.1.4控制電壓運行
預設并網點的電壓限值為V0，設定由電網獲取的功率限值為P5，設計以下算法獲取有功功率參考值。當P1＜P0時，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），以此確保由電網獲取的功率不超過限值。若P0-P5＞P1，且儲能為放電狀態，需要補充光伏輸出功率。當P0＜P1時，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，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，剩余光伏功率將會被儲能設備所吸收。根據電壓控制器的設計，若并網點電壓不超過并網點電壓限值，則P5的輸出限值應為P1。當并網點電壓超過并網點電壓限值時，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點電壓不超過并網點電壓限值。
3.2仿真驗證
為了進一步驗證相關協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的工作范圍在0.2～0.8之間，用阻抗值代表線路參數，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 仿真實驗模型
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，并網的有功功率為負值，證明由電網獲取功率。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，因此在一定時間內會出現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計是否可行，當P1＞P0時，系統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，可以接收多余負荷。如果儲能裝置處于滿電狀態，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，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，并網點電壓數值較低，直至儲能充滿后，才會產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置兩組，并分別將充電功率限值設定為3kW和1.5kW。當P1＞P0時，光伏系統會迅速滿足負荷功率，儲能裝置轉變為充電狀態，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，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置越高，則對儲能容量要求也會出現相應提升。
3.2.4削峰運行控制
當P1＞P0時，光伏系統會*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象一致。
協調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點不超過設定范圍。至于其他兩種控制方法均可對并網點的電壓保持優良的改善效果，也能防止受電網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*優的協調控制方法。
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，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，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決定對儲能容量的要求情況，但根據分析后發現，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。若進行綜合考慮，以降低儲能容量要求為基礎，滿足并網電壓要求，則電壓運行控制是*佳協調控制策略。由此可知，在實際運行時，需要結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 儲能能量管理系統是安科瑞專門針對工商業儲能 電站研制的本地化能量管理系統，可實現了儲能電站的數據采集、數 據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視化監控、報警管理、統計報表、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。該系統不 僅可以實現下級各儲能單元的統一監控和管理，還可以實現與上級調 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 滿足遠程監控與運維，確保儲能系統安全、穩定、可靠、經濟運行。
適用于工商業儲能電站、新能源配儲電站。
5.3系統結構
（1）實時監管
對微電網的運行進行實時監管，包含市電、光伏、風電、儲能、充電樁及用電負荷，同時也包括收益數據、天氣狀況、節能減排等信息。
（2）智能監控
對系統環境、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、用電設備等進行實時監測，掌握微電網系統的運行狀況。
（3）功率預測
對分布式發電系統進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。
（4）電能質量
實現整個微電網系統范圍內的電能質量和電能可靠性狀況進行持續性的監測。如電壓諧波、電壓閃變、電壓不平衡等穩態數據和電壓暫升/暫降、電壓中斷暫態數據進行監測分析及錄波展示，并對電壓、電流瞬變進行監測。
（5）可視化運行
實現微電網無人值守，實現數字化、智能化、便捷化管理;對重要負荷與設備進行不間斷監控。
（6）優化控制
通過分析歷史用電數據、天氣條件對負荷進行功率預測，并結合分布式電源出力與儲能狀態，實現經濟優化調度，以降低尖峰或者高峰時刻的用電量，降低企業綜合用電成本。
（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據，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、儲能設備的發電效率、轉化效率，用于評估設備性能與狀態。
（9）策略配置
微電網配置主要對微電網系統組成、基礎參數、運行策略及統計值進行設置。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 | 設備 | 型號 | 圖片 | 說明 |
1 | 能量管理系統 | Acrel-2000MG |
| 內部設備的數據采集與監控，由通信管理機、工業平板電腦、串口服務器、遙信模塊及相關通信輔件組成。 數據采集、上傳及轉發至服務器及協同控制裝置 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 |
| 系統軟件顯示載體 |
3 | UPS電源 | UPS2000-A-2-KTTS |
| 為監控主機提供后備電源 |
4 | 打印機 | HP108AA4 |
| 用以打印操作記錄，參數修改記錄、參數越限、復限，系統事故，設備故障，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 | 工業網絡交換機 | D-LINKDES-1016A16 |
| 提供16口百兆工業網絡交換機解決了通信實時性、網絡安全性、本質安全與安全防爆技術等技術問題 |
7 | GPS時鐘 | ATS1200GB |
| 利用gps同步衛星信號，接收1pps和串口時間信息，將本地的時鐘和gps衛星上面的時間進行同步 |
8 | 交流計量電表 | AMC96L-E4/KC |
| 電力參數測量(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、功率因數等)、復費率電能計量、 四象限電能計量、諧波分析以及電能監測和考核管理。多種外圍接口功能:帶有RS485/MODBUS-RTU協議:帶開關量輸入和繼電器輸出可實現斷路器開關的"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、模擬量數據轉換、開關量輸入/輸出等功能 |
10 | 電能質量監測 | APView500 |
| 實時監測電壓偏差、頻率俯差、三相電壓不平衡、電壓波動和閃變、諾波等電能質量，記錄各類電能質量事件,定位擾動源。 |
11 | 防孤島裝置 | AM5SE-IS |
| 防孤島保護裝置，當外部電網停電后斷開和電網連接 |
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、環網交換機功能的測控裝置 |
13 | 通信管理機 | ANet-2E851 |
| 能夠根據不同的采集規的進行水表、氣表、電表、微機保護等設備終端的數據果集匯總: 提供規約轉換、透明轉發、數據加密壓縮、數據轉換、邊緣計算等多項功能:實時多任務并行處理數據采集和數據轉發，可多鏈路上送平臺據: |
14 | 串口服務器 | Aport |
| 功能:轉換“輔助系統"的狀態數據，反饋到能量管理系統中。 1)空調的開關，調溫，及斷電(二次開關實現) 2)上傳配電柜各個空開信號 3)上傳UPS內部電量信息等 4)接入電表、BSMU等設備 |
15 | 遙信模塊 | ARTU-K16 |
| 1)反饋各個設備狀態，將相關數據到串口服務器: 讀消防VO信號，并轉發給到上層(關機、事件上報等) 2)采集水浸傳感器信息，并轉發3)給到上層(水浸信號事件上報) 4)讀取門禁程傳感器信息，并轉發 |
通過對配電網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種儲能協調控制策略，并設計相應算法，借助仿真驗證相關設計算法的可行性與可靠性。同時也證明了各類儲能協調控制策略均可解決電壓越限問題，之后對多種協調控制策略實施定性比對，從符合并網電壓要求的角度進行考慮，*終得出控制電壓運行是現階段*優的協調控制策略。
[1]馬麗,龐秀嵐,付少杰.并網光伏發電系統配置儲能技術選型研究 [J].機電信息
[2]王振,吳繼宗,郝楊.分布式光伏發電系統接入煤礦配電網設計與研究[J]. 煤炭工程，2022,54(11):53-56.
[3]郭子興.儲能技術在光伏發電系統中的應用[J]. 電子產品世界 ,2021,28(11):83-85.
[4]沈繼寶.光伏發電系統與儲能裝置的協調運行以及控制研究[J].能源科技，2020.09（08）:381
[5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022年05版
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