联网光伏电站可调度运行特性分析

鲍雪娜，张建成

（华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003）

联网光伏电站可调度运行特性分析

鲍雪娜，张建成

（华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071003）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China （No.51177047）；Key Projects of the National Science&Technology Pillar Program of China（No.2011BAA07B02）.

当今社会化石能源的日趋枯竭，各种可再生能源发电技术逐步发展起来。由于太阳能具有分布广、资源多、清洁环保等特点，利用太阳能发电的光伏技术逐渐显示出独特的优势。光伏电站是太阳能广泛利用的一种重要方式，在我国已有许多投入运行或处于示范性的项目，其联网运行技术处于工程探索阶段。由于受光照、温度等自然条件的影响，光伏电源本身既非恒压源又非恒流源，无法提供稳定的电能[1-2]。考虑到前期建设投资成本，目前的光伏电站只配备少量的蓄电池储能系统，甚至没有安装储能系统[3]，这将造成光伏电站联网运行时的调度性能很差甚至无法调度等难题。本项研究利用超级电容器与蓄电池组成混合储能系统，将其作为辅助能源或者说是备用电源加入到光伏电站中，以混合储能系统的功率以及电压支撑作用来增加光伏电站的联网运行时的可调度特性。

已经有很多专家、学者在混合储能应用于光伏电站领域进行了有益的研究与探索。文献[4-5]对蓄电池充放电控制方案进行了设计；文献[6-7]针对独立光伏发电系统，分别提出了无源式和有源式混合储能方案；文献[8]建立了超级电容器与蓄电池通过电感并联的混合储能系统数学模型。另外还有一些文献也对超级电容器与蓄电池组成的混合储能系统应用于光伏等可再生能源发电系统的方法进行了研究，在容量配置、延长使用寿命和降低运行成本方面给出了肯定性的评价。

本文在分析联网光伏电站结构的基础上，从电网角度探讨光伏电站的可调度运行模式。针对光伏电源功率波动问题，采用混合储能系统对其进行平滑控制，优化了输出功率特性，为制定调度计划奠定了基础。

1 联网光伏电站结构及运行模式

当光伏电站联网运行时，电网会将其视为一个具有一定额定容量的电源，并为其制定相应的调度计划[9-11]，因此，作为并网电源，光伏电站应能满足电网的调度要求。在光伏电源出力与调度任务不相符时，储能系统应及时参与调度任务，这就对联网光伏电站的结构提出了一定的要求。

1.1 联网光伏电站结构

本文研究的采用超级电容器、蓄电池混合储能系统的联网光伏电站主要由P V阵列、各种控制器、混合储能系统、联网逆变系统等组成，其结构如图1所示。

图1 联网光伏电站结构Fig.1 Structure of networking photovoltaic power plant

P V方阵产生的光伏电能经MPPT（最大功率点跟踪）控制后传送到联网逆变系统；联网逆变系统根据调度方案的要求，将电能输送到交流电网；混合储能系统可以把光伏系统过剩的电能储存起来，当光伏电源发电功率不足时再通过联网逆变系统释放给电网。双向控制器可以控制混合储能系统充放电功率的大小及流向。

联网逆变系统的功能不仅是将光伏电池方阵发出的直流电能转换为交流电能，还可以对交流电的频率、电压、电流、相位、有功与无功、同步控制、电能品质（电压波动与高次谐波）等进行控制，并且配备有联网保护器，可以监测电网的运行情况，在必要的时候可以使逆变器停止运行，从而切断光伏发电系统与电网的联系。它是光伏电站进行调度操作的重要环节，其基本构成如图2所示。

1.2 可调度运行模式

图2 联网逆变系统的构成Fig.2 Component parts of networking inverter system

本文采用超级电容器与蓄电池组成混合储能系统，经充放电控制器并联于直流母线上，是光伏电站输出功率调节和控制的重要环节。通过对电站容量和储能系统容量的合理配置，在任意时刻，光伏电源与储能装置的出力之和可以满足电网调度需求。这样，系统的运行工况有如下几种。

1）光伏电源输出功率与电网调度需求相对平衡时，光伏阵列发出的能量全部经过联网逆变器进入交流电网，混合储能系统几乎没有能量流动。

2）光伏电源的输出功率除能满足电网调度需求外，还把一部分电能储存到储能装置中，在需要的时候再释放给电网，达到稳定光伏电站输出以及调节功率平衡的目的。

3）光伏电源的输出功率不能满足电网需求时，储能装置将储存的电能释放给电网，由光伏电源和混合储能系统共同为电网供电，达到稳定光伏电站输出以及调节功率平衡的目的。此时，从电网角度来看，混合储能系统就是备用电源。

4）当光伏电源的出力远大于调度要求功率——这种情况很有可能是电力系统故障引起的，且储能系统储量已达到最大时，可通过联网逆变器的控制部分切断光伏电源，从而允许“弃光”情况的出现。

光伏电站可调度操作的最终要求是，结合光伏电源功率信息，监测储能系统各个单元的储能状态，根据电网调度的要求，确定光伏电源出力、超级电容器与蓄电池的工作状态及出力值。因此，如何利用混合储能系统的输出功率及储能特性，实现其与光伏电源之间输出功率的协调控制问题就成为光伏电站可调度性研究的重要内容。

2 光伏电站输出功率特性

制定功率调度计划时，要求根据预测得到的光伏电源出力情况，考虑储能系统的储能状态，并结合电网调度信息来进行。在调度计划制定的过程中，则可以把混合储能系统看作一个辅助电源，与光伏电源配合使用，来满足调度要求。因此，光伏电源输出功率首先要满足调度需求，具有较好的平滑性。

2.1 光伏电源输出功率

光伏电源可看作一个以最大功率跟踪方式运行在不同光照强度、环境温度下的功率源。从供应商处可获得电池额定工作温度（T）以及标准测试条件（S T C）等信息，则最大功率点运行的光伏电源输出功率工程计算方法为：

其中，PPV是最大功率点处的输出功率；PPV.STC、GT.STC分别是S T C下的最大功率点处的输出功率和光照强度；γ是功率温度系数，可取（4.3%～4.5%）/℃；Tj是光伏组件的温度；Ns、Np别是光伏电池模块的串、并联数。Tair是环境空气温度，GT是光照强度。

在本文中，标准测试条件为：Tj.STC=25℃，GT.STC=1000W/m2，风速为1m/s；Te的测试条件为环境空气温度为20℃，光照为800W/m2，风速为1m/s。根据数字天气预报（N WP）信息，利用上式可以得到光伏电源在不同时刻的功率输出值。

以国家风光储示范基地为背景，分辨率为15m i n的24h内100M W的光伏电源输出有功功率情况如图3所示。

图3 光伏电源输出功率Fig.3 Output power of PV power source

可以直观地看出即使在光照条件比较好的时段，如12:00—14:00，光伏电源输出功率也具有较大波动性。

2.2 混合储能的应用

光伏电源输出功率具有较大的波动性，为实现光伏电站可调度操作，首先要利用混合储能系统对光伏电站的输出功率进行平滑控制，这就需要明确一下混合储能系统的作用原理。

从电网角度来看，光伏电站配备了储能系统以后，希望通过对其进行适当的“柔性化”控制，可以改善光伏电源输出直流电压的波形，并减小光伏电站的输出功率峰值，从而解决联网光伏电源运行不稳定问题，同时可以提高光伏电站的供电电能质量。

从用户角度来看，储能系统可以把高于负荷所需的部分光伏电能储存起来，当光伏电能不足时再释放出来。通过储能系统与光伏电源的配合使用，实现电源与负荷的平衡控制，储能系统作用原理如图4所示。

图4 储能系统作用原理Fig.4 Action principle of energy storage system

图中S1代表光伏电源出力高于负荷需要时的光伏电能余量，S2、S3代表光伏电源出力不能满足负荷需要时的光伏电能差额，设混合储能系统的综合充放电效率为η，则期望的调度结果为ηS1=S2+S3。

2.3 输出功率优化策略

超级电容器功率密度大、充放电速度快、储能效率高、循环寿命长，而蓄电池本身具有储能密度大的优势。超级电容器与蓄电池在储能及功率性能上有较强的互补性，将二者混合使用，可以组合成功率密度大、能量密度高、充放电速度快、储能效率高且循环寿命长的混合储能系统，有利于光伏电站的运行调度。

光伏电源输出功率波动性较大，在进行光伏电站联网调度操作之前，首先要利用混合储能系统对光伏电站的输出功率进行平滑。根据超级电容器及蓄电池的功率及储能特性，利用超级电容器来平滑短期的功率波动（几秒到几分钟内），蓄电池来平滑长期的波动(几分钟到几小时内)，这样就可以在优化混合储能各单元操作的同时，平滑光伏电站的输出功率。

3 算例分析

结合光伏电源的出力特性，考虑储能系统的功率吞吐及能量存储特性，利用超级电容器平抑光伏电源输出功率频繁波动部分，蓄电池平抑输出功率长期波动的部分，以期达到稳定直流母线电压，并且优化光伏电站输出功率特性的目的。

以100M W光伏电站为例，分析利用混合储能系统进行平滑前后的直流母线电压及输出功率变化情况。设定直流母线电压额定值为500V，利用Matlab编写程序，对加入混合储能前、后的直流母线电压进行仿真分析，其结果分别如图 5（a）、（b）所示。

图5 直流母线电压对比Fig.5 Contrast of dc-bus voltage

从以上两图可以看出：在加入混合储能后直流母线电压可以基本稳定在要求的500V上，波动明显减小，说明加入混合储能系统后光伏电站的供电电能质量有所提高。为了进一步验证所提方法的有效性，对全天24h的光伏电站输出功率值进行对比分析，如图6所示。

图6 平滑前后输出功率对比Fig.6 Contrast of output power before and after smoothing

由图6可以看出，光伏电站的输出功率峰值由平滑前的83M W变为72M W，峰值功率明显减小，降低了光伏电站对电网的冲击性影响，并且功率变化率也趋于平稳，可以控制在相关光伏并网标准要求的10%额定功率/s范围内，从而提高了光伏电站的可调度性，这些都说明了混合储能系统在改善光伏电站功率波动及提高电能质量方面的作用。

4 结论

目前光伏电站联网运行时可调度性能差，给电网稳定运行和用户供电电能质量带来了不利影响。本文从分析联网光伏电站的结构出发，探讨了该类型电站以混合储能系统为基础的可调度运行模式，利用混合储能系统对光伏电站的输出功率进行平滑，使得光伏电站联网运行变得更加合理、可行。

Matlab编程仿真结果表明，利用超级电容器、蓄电池组成的混合储能系统，可以有效改善光伏电站的功率输出特性，提高其供电电能质量，避免了因波动过大而造成的调度困难。此外，本文提出的联网光伏电站可调度运行模式，对于解决目前光伏等可再生能源联网运行时存在的调度问题具有一定的现实意义。

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Scheduling Operation Characteristics of Networking Photovoltaic Power Plants

BAO Xue-na，ZHANG Jian-cheng
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China）

Due to the influence of sunlight，temperature and other natural conditions，the photovoltaic power plants currently integrated with power grids have poor insufficient scheduling performance，and causing e negative impacts on the safe operation of power grids，and on，as well as the power supply quality for electricity users too.This paper，based on the analysis of networking structure of photovoltaic power plants with hybrid energy storage system,explores the dispatching operation mode from the perspective of power grids.To solve the problem of the fluctuations of predictive power,the hybrid energy storage system is used to optimize the output power to lay a solid foundation for making of scheduling plans.Results of the Matlab programming prove effectiveness of the proposed method.

photovoltaic power plants；grid-connected running；hybrid energy storage；power smooth；schedulability

由于受光照、温度等自然条件的影响，目前光伏电站联网运行时不具备可调度性，给电网稳定运行带来一定影响，造成电力用户供电电能质量不高。分析了配备混合储能系统的联网光伏电站的基本结构，从电网角度探讨了光伏电站的可调度运行模式；针对光伏电源输出功率波动问题，采用混合储能对其进行平滑控制，优化了输出功率特性，为制定调度计划奠定了基础。通过Matlab编程仿真，验证了所提出方法的有效性。

光伏电站；联网运行；混合储能；功率平滑；可调度性

国家自然科学基金资助项目（51177047）；国家科技支撑计划项目（2011BAA07B02）。

1674-3814（2012）08-0059-05

TM 614

A

2012-08-20。

鲍雪娜（1986—），女，硕士研究生，主要从事新能源发电控制研究；

张建成（1965—），男，教授，研究方向为电力系统运行、分析与控制，柔性储能技术及新能源发电控制技术等。

（编辑 徐花荣）