光伏-混合儲能微電網協調控制及經濟性分析

胡大佩

摘 要 在電網運行過程中如果微電網的啟動電源容量較低，處理不足，會影響電網系統以及電壓的穩定性。為了保證微電網的協調性與穩定性，需要對光伏-混合儲能微電網協調控制策略進行分析，同時研究協調控制策略的經濟效益。借此提升光伏-混合儲能微電網協調控制水平，保證電網系統與電壓的穩定性與安全性。這對促進我國電力行業的穩定長遠發展有積極意義。

關鍵詞 光伏-混合儲能;微電網;協調控制;策略

1光伏-混合儲能微電網協調控制策略

1.1 裝置層控制策略

在此次控制策略設計過程中采用的電池儲能系統是鉛酸電池-鋰電池混合儲能系統，主要結果如圖1所示。該電池儲能系統主要包括鋰電池子儲能系統與鉛酸電池儲能系統。其中，鋰電池子儲能系統內有鋰電池與儲能變流器;而鉛酸電池子儲能系統中有鉛酸電池與儲能變流器。這兩個子儲能系統的并聯位置是換流器交流側。

圖1 鉛酸電池-鋰電池混合儲能系統

在對鉛酸電池與鋰電池儲能系統變流器的控制方式進行設計時，鉛酸電池儲能系統為定功率控制（PQ），而鋰電池儲能系統為電壓/頻率控制（V/F）。其中定功率控制包括功率外環控制器以及電流內環控制器。在功率外環控制過程中，需要給定有功功率以及無功功率指令，然后獲取內環電流的指令值，再使用內環控制器完成矢量電流跟蹤，最終達到對有功功率以及無功功率進行解耦控制的目的。這種控制方式的靈活性比較強。而電壓/頻率控制方式在控制過程中需要利用電壓外環保證系統電壓的穩定性，內控制器可以完成矢量電流跟蹤功能，最終使用鎖相環對系統頻率進行跟蹤控制[1]。

在對光伏逆變器的控制方式進行設計的過程中，主要是以MPPT控制方式為主。在實際控制過程中，需要根據外界環境的光照強度以及溫度對光伏陣列的運行工作點進行自動調整，這樣能夠在最大程度上確保輸出功率處于最大值，提高光能的利用率。光伏發電控制系統中的控制器外環使用的是MPPT算法，可以獲取最大功率點條件下內環控制器電流指令值，然后內環電流控制器可以對電流進行跟蹤控制。光伏發電的控制系統如圖2所示。

圖2 光伏發電控制系統

1.2 系統層控制策略

在微電網運行過程中，鋰電池成本比較高，如果提高鋰電池儲能容量，會導致微電網的投資成本增加。而在微電網實踐過程中，如果僅僅使用鋰電池作為黑啟動電源，會導致容量比較低或者出力不足，影響微電網的系統穩定。而對鉛酸電池以及鋰電池進行綜合應用，可以充分發揮兩種電池的各自優勢：鋰電池儲能系統的能量密度比較高，并且使用壽命相對較長，可以對一些小幅值高頻功率波動進行有效抑制;而鉛酸電池的循環壽命比較短，但是其投入成本相對較低，經濟性相對較強，可以在大幅值低頻功率波動過程中進行有效調節，防止鉛酸電池出現頻繁充放電的情況，能夠保證光伏-混合儲能容量充足，保證功率穩定。

在實際控制過程中，需要利用MPPT對光伏逆變器進行控制，利用V/F對鋰電池進行控制，使用鉛酸電池儲能跟蹤控制負荷功率以及光伏出力，可以對鉛酸電池儲能處理值進行動態調整。在微電網孤島運行過程中，需要對系統功率平衡進行計算，其表達公式如下：

Pload（t）=PPb（t）+PLi（t）+PPV（t）

該公式中PPb（t）表示的鉛酸電池儲能系統出力，單位為kW;

PLi（t）表示的鋰電池儲能系統出力，單位為kW;

PPV（t）表示的光伏有功出力，單位為kW;

Pload（t）表示的是整個系統的有功負荷需求，單位為kW。

根據系統功率平衡公式能夠對光伏-混合儲能系統的充放電功率進行計算，計算公式為：

PHESS（t）=PPV（t）-Pload（t）

公式中PHESS（t）表示的是光伏-混合儲能系統的充放電功率。

因為光伏-混合儲能系統的充放電功率包括鉛酸電池子儲能系統與鋰電池子儲能系統的出力，還可以利用以下公式進行計算：

PHESS（t）=PPb（t）+PLi（t）

2應用效果與經濟性分析

2.1 應用效果分析

將鉛酸電池-鋰電池作為光伏-混合儲能系統黑啟動電源進行應用時，在30秒運行周期內，系統頻率為50Hz，將環境溫度設定為25℃，MPPT控制方式對光伏發電系統進行控制，該系統的輸出功率根據光照強度和環境的溫度變化。在實際運行過程中，是鉛酸電池以及鋰電池可以實現功率支撐：一旦系統功率出現不平衡的情況，鋰電池可以在最短時間內進行響應，抑制功率波動，保證系統功率處于平衡狀態。而鉛酸電池儲能系統的功率響應比較緩慢，當鋰電池功率逐漸下降到零時，鉛酸電池可以提供系統所需的全部功率。這種方法可以對系統功率支撐進行動態分配，能夠有效減少鋰電池出力，降低對鋰電池容量的需求[2]。

在平衡系統功率、調節系統電壓的過程中，鋰電池主要是對頻率比較高的功率波動進行調節，而鉛酸電池主要是對低頻功率波動進行調節。這與最初的控制算法設計目標相一致。因為鋰電池具有暫態功能支撐，可以保證光伏-混合儲能系統在放電切換的過程中，鉛酸電池功率趨于平衡狀態，能夠充分發揮鉛酸電池以及鋰電池的互補優勢。

2.2 經濟性分析

對光伏-混合儲能微電網的經濟性進行分析時，需要了解儲能系統全壽命周期成本的主要組成。通常情況下，光伏-混合儲能系統的周期成本主要包括投資成本、運行過程中的成本投入、報廢后的處理成本以及回收殘值等。在對光伏-混合儲能系統的經濟性進行分析時，主要是對投資成本以及運行過程中的投入成本進行分析，不對回收殘值以及報廢處理成本進行考慮。

在對該儲能系統的投資成本進行分析時，主要是對儲能變流器的單位功率投資成本以及電池本身的單位容量投資成本進行分析。在對運行過程中維護成本進行分析時，主要是對鉛酸電池儲能以及鋰電池儲能的單位電量運行維護成本以及充放電量進行分析。

在對鉛酸電池-鋰電池儲能系統的經濟性能指標進行分析時，將24小時作為一個運行周期進行分析。在運行過程中，鉛酸電池-鋰電池儲能系統的容量比單純使用鋰電池的容量更大，充放電電量也比單純使用鋰電池的充放電電量大。但是其投資成本更低，這主要是因為與鋰電池儲能相比，鉛酸電池的投入成本比較低，能夠在極大程度上提高鉛酸電池-鋰電池儲能系統的經濟性。

3結束語

總而言之，在對光伏-混合儲能微電網協調控制過程中對鉛酸電池-鋰電池儲能策略進行綜合應用，可以在確保滿足光伏-混合儲能微電網黑啟動功率以及電壓的基礎上，提升整個儲能系統的經濟性，具有較高的應用價值。

參考文獻

[1] 俞雁飛.光伏—混合儲能直流微電網的電能控制技術研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[2] 楊赟.基于混合儲能的光伏直流微電網控制策略的研究[D].廈門：廈門大學，2016.