光伏發電系統與儲能裝置的協調運行以及控制研究

沈繼寶

（金開智維（寧夏）科技有限公司，寧夏 銀川 750004）

光伏發電是指結合光生伏特效應，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。

1 電壓越限問題

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。

2 制定完善的協調控制策略

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最大化輸出。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，其主要目的在于最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，相關儲能模塊會第一時間進入充電狀態，而當P1 ＜P0，儲能模塊則會第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超高于限值，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 仿真實現

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，光伏系統會第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。

4 協調控制策略的對比分析

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最優的協調控制方法。

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，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最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，則電壓運行控制是最佳協調控制策略。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，以此選擇最佳的運行方式。

5 結語

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，最終得出控制電壓運行是現階段最優的協調控制策略。