基于分布式光伏能源微储能的一体化应用研究

杨 雯，杨 勇，王 崎，王月强，顾治君，杨佳杰

(国网上海市电力公司长兴供电公司，上海 201913)

1 光储一体化的研究背景和意义

随着污染的加剧，可再生能源的利用越来越被重视，太阳能是可再生能源中最为庞大的一种，我国对光伏能源的应用和开发越来越重视。文献[1]分析了一种光储一体化的控制策略，但并没有后续应用发展；文献[2]描述了一种微电网的应用模式，但设计的微电网技术还不成熟；文献[3]研究的是一种光储一体化主逆变器的研究策略，针对范围较小。其他文献均在理论方面做出了贡献，但还未产生相对成熟的应用产品。我国针对光伏能源的技术及应用研究很多，光储结合的技术应用也在飞速发展，但在这个领域的研究还可以继续深入。

本文对分布式光储能源一体化的应用方面展开研究，提出一种基于光储一体化的智能微电网，实现了分布式供电的合理应用。

2 光储一体化的发展现状和研究难点

微电网理念提出后，在世界各地得到了广泛的关注和示范应用，但对微电网的定义和研究侧重点均不相同，如我国就认为分布式光储微电网是保证世界能源可持续发展的有效途径之一。因此，分布式能源的发展也必然是重中之重，分布式电源发展是能源变革的方向之一。以光伏为主的分布式电源开发应该依据“因地制宜，科学利用”的原则，主要为在用户侧就近安装电源，就近消纳，从而提高用电效率，降低输电损耗与成本[4-9]。

光储一体化最大的问题就是效率，由于逆变器本身带载，导致一个光储一体化系统整体效率不足90%，损耗的能量大都转化为热量，因为损耗较多，系统设备温度升高的也很快[10]。这样导致光储一体化设备的温度控制要求很高，如果温度控制做的不好，就可能大大减少电池的寿命。因此，不仅要提高效率，在光储系统内还需要设置冷却系统或者温度补偿措施，以免温度对设备的危害过大。

3 光储一体化技术用电形式

光储一体化系统一般由光伏组件和储能组件组成，搭配电网完成供电。以此系统作为主要供电来源，以电网作为后备电源。在该系统中，储能电池的存在还可以完成平滑光伏发电波动、调峰调频等辅助功能，提高光伏能源接入的可靠性和稳定性。

光储一体化系统的用电形式一般可分为直流母线、交流母线和交直流混合母线。直流母线类型如图1所示。

图1 直流母线类型

交流母线类型如图2所示。

图2 交流母线类型

交流母线的用电形式相对来说简单一些，直接由分布式储能装置和光伏发电系统通过变流装置接入供电线路即可，可以直接用于交流负荷为主的设备。而直流母线形式则是效率较高，便于直流负荷为主的系统使用。为方便使用，本文使用交流的形式展开研究。

4 光储一体化技术的控制策略分析

为了电网和光伏储能设备的供电和谐，避免浪费能源，必须制定相应的供电控制策略。

(1)当光伏发电大于用电负载时，光伏发电给负载供电，多余电量储存于储能电池中。甚至当储能电池满电后，可以将多余电量向电网输送。

(2)当光伏发电小于用电负载时，由储能电池和光伏一起给负载供电。

(3)当光伏发电等于用电负载时，由光伏发电向负载供电，储能电池不充不放，维持能量不变。

(4)当光伏发电小于用电负载时，如果储能电池电量不足，切换至电网供电。

光伏能源的采集有很大的不确定性，因此对储能相应的使用策略研究是非常有必要的。一般来说，光伏电池可以看作是一个恒电流源与一个正向二极管并联而成。由光伏电池的输出特性可以看出，光伏电池的输出功率同时受到光照强度和温度的影响，当这二者不变时，输出功率随着输出电压的增大而先增大后减小，这导致其输出功率产生了一个极大值，极不稳定。如果可以高效地对光伏电池的功率极大值进行实时采集，便可以极大地提高电能稳定性。比较常见方法是在光伏电池后直接连接DC-DC变换模块来实现，然后搭配Boost电路，以最大功率点跟踪(MPPT)算法控制Boost的通断，使其等效阻抗改变到与光伏电池内阻抗相匹配，实现光伏电池的最大功率输出。

智慧一体化电源系统图如图3所示。

图3 智慧一体化电源系统图

5 光储一体化的应用控制设计

对于光储一体化发电系统在微电网中的应用控制，除了将光储放在直流侧协调控制外，还可以利用储能抑制出口功率波动。但这种方法会造成储能的频繁动作，不适合用于不宜频繁充放电的锂电池。光照强度受实时天气影响较大，为了保证微电网的正常运行，还需要加入关联天气的光伏预测系统，提前根据天气变化来预测控制储能的充放电模式和功率。使储能电池在光伏功率较大时以较大功率充电，在光伏功率较小时以较小功率充电，减少充放电对储能装置寿命的影响。

暂态运行时，光储发电系统对微电网的渗透率最高可达80%，对微电网的稳定性和可靠性将是巨大考验。光储发电系统必须有相应的暂态控制策略，以确保微电网的稳定性和可靠性。实际运行中，储能寿命会受光伏影响，不宜进行实时无差调频，所以储能的调频控制策略应为有差调频，并且在频率恢复后储能因调频投入的有功部分应退出，并将其释放给发电机组，以保证储能稳态控制策略的需求。

6 光储一体化系统和电化学储能系统的协调控制

光伏发电系统在孤网模式下很难保证系统频率和电压稳定，导致负载功率和电压波动，通过电化学储能调节系统的频率和电压，有可能与光伏发电系统之间出现频率跟踪及电压波动的情况。

为防止这种情况发生，采用下垂控制对光伏发电系统与电化学储能系统进行协调控制，下垂控制通过模拟传统电力系统中同步发电机输出功率特性，有功和无功功率：

(1)

(2)

式中Z——线路阻抗，一般情况下Z可忽略不计；X——线路电抗；E——光伏输出电压幅值；V——储能系统输出电压幅值；δ——电压相角，进一步假设δ极小，可得sinδ=δ，cosδ=1。

式(1)和式(2)可简化：

(3)

(4)

(5)

由此可得，有功功率和相位差相关，无功功率和电压幅值相关，控制频率可理解为动态地控制相位角，可以通过分别调节光伏发电系统和储能系统输出频率和电压，分别对有功和无功功率进行控制。下垂特性如：

ωmin-ω*=-Kp(Pmax-P*)

(6)

Emin-E*=-Kp(Qmax-Q*)

(7)

式中Pmax，Qmax——光伏发电系统或BESS系统可输出最大有功和无功功率；ωmin，Emin——光伏微网允许的最低频率和电压的大小；P*，Q*——储能系统稳态下输出有功和无功功率；ω*，E*——实测频率和电压；KP，KQ——P-ω和Q-E下垂因子。

光伏微网系统在孤网模式运行时，若发生光伏发电系统输出波动或负载波动，光伏微网系统内部功率发生变化，频率会呈出不同的比例变化。其变化量由系统内部功率变化量及储能系统下垂因子所决定。采用这种控制策略保证系统在孤网模式下为负载提供稳定电能。

7 光储一体化的应用研究

7.1 结合光储一体化的智能微电网

结合光储一体化技术，可以建立智能能源微网，让光伏能源和微电网系统直接利用太阳能，减少大电网用电量以及用电地区对电网的依赖，当电力供应不足或出现故障时可确保地区微网自成一体、独立运行，提高了各地区供电的可靠性，实现新能源和大电网的无障碍协调运行，提高了供电系统的智能化水平，增强了抗灾害能力，为提高用电地区的服务质量提供了技术保障。通过微电网和分布式光伏发电在用电地区的建设,可以节省地区供电所使用的资源，并减少有害气体的排放，从而达到节能的效果。一旦将用电地区的供电及用电系统智能化，并且光伏发电设备的使用寿命在25年以上，为免维护结构，无需专职人员管理，从而不会增加人力成本。

为此目标设计一个光伏能源微网系统，包括：负荷；分布式电源，有多种光伏发电组件，其中，光伏发电组件按照预设的间距排列；能源微网，分别与电网和分布式能源相连，用于控制光伏组件按照预设的间距排列；能源微网，分别与电网和分布式能源相连，用于控制光伏能源微网系统运行于并网状态或离网状态，其中，光伏微网系统在并网状态下通过电网的电能和分布式电源的电能为负荷供电，在离网状态下通过分布式电源的电能为负荷供电。

光伏能源微网系统简图如图4所示。

图4 光伏能源微网系统简图

(1)光伏能源微网中加入检测装置和通信装置，监测微网系统中各项数据，如能耗、温度、线路的通断等，然后将数据收集发送至监控服务器。

(2)光伏能源微网管理系统中还加入监控服务器，用于人机交互，展示所采集到的数据和运行参数，给操作人员作为参考，辅助完成日常工作。

(3)光伏能源微网管理系统中还使用了数据库，用于储存监控服务器采集的光伏能源微网系统的数据和运行参数。

(4)光伏能源微网管理系统中还接入通信服务器，能源微网通过通信服务器和所述负荷与所述分布式能源接入通信。

(5)光伏能源微网管理系统中还有集中控制服务器，控制包括发电控制器和负荷控制器，所述发电控制器控制定电压、定频率、定功率的切换，所述负荷控制器用于延迟切除预设的负荷。

(6)光伏能源微网管理系统中还连接了并离网控制服务器，用于控制光伏能源微网系统进行并离网切换。

(7)光伏能源微网管理系统中还包括能源管理服务器，能源管理服务器用于进行分布式能源控制、调度，以及电压控制。

此微电网是为整合分布式发电的优势、削弱分布式发电对电网的冲击和负面影响而提出的一种新的分布式能源组织方式和结构，能有效改善分布式能源电能质量差、分布式能源设备利用率低等。微电网可以整合分布式发电单元与配电网之间的关系,在一个局部区域内直接将分布式发电单元、电力网络和终端用户联系在一起，能方便地进行结构和配置以及电力调度的优化。结合冷/热/电(冷)联供方案,优化和提高能源利用效率，减轻能源动力系统对环境的影响,推动分布式电源上网，降低大电网的负担,改善可靠安全性，并促进社会向绿色,环保、节能方向发展。

7.2 实际应用中的电能质量监测与治理

与理想状态不同，分布式电源在实际使用时，由于自然能源的不稳定性会产生许多的谐波、电压不稳定等情况，对电能的正常使用都是巨大的阻碍，因此必须对电能质量的控制做出相对应的措施。

分布式电源在并网点处对电能质量的影响最大，分布式电源并网接口处的最大电压波动率Tmax可按计算为

(8)

式中 ΔSn——分布式电源的最大注入功率变化；Sk——分布式电源接入点处的短路容量；θ——分布式电源功率因数角；φ——电网阻抗角。

对于10/0.4 kV配变来说，配变400 V侧母线的短路容量为10.28 MVA。考虑光伏发电的输出从最大值迅速降至零，光伏发电最大值按60%考虑，储能系统用于平稳电压功率按10%计算，负载最大注入功率ΔP：

ΔP=256×60%-200×10%=133.6(kW)

光储微电网系统并网点最大相对电压波动率：

该电压波动已可以满足关于分布式能源接入电压波动值的规定。

在软件方面，配套软件采集电能质量数据，进行电能质量指标分析。电能质量监测系统接至微电网控制系统。

在硬件方面，可以将有源电力滤波器和无功补偿设备作为电能质量治理设备，有源电力滤波器安装在微电网和电网接口处，主要用于治理微电网产生的谐波问题；无功补偿设备安装在微电网负荷接口处，主要用于补偿电网负荷的无功消耗。

8 结语

为了解决日益严重的能源危机和环境问题，大力发展清洁能源的发电技术势在必行。近年来光伏发电技术日新月异，光伏发电的应用也越来越多。在这种背景下，针对光伏发电不稳定的缺点，研究了光储一体化的技术优化以及应用思路，主要为：①光储一体化技术、控制策略、应用控制设计以及与电化学储能系统的协调控制；②研究了一种结合光储一体化的智能微电网，并且依据这个智能微电网研究了光伏接入的电能质量治理措施。

本文提出了一种基于光储一体化的智能微电网应用，并解析了其技术要点、控制策略以及电能治理手段等。实现了分布式供电的合理应用，依照相关的控制可以直接结合大电网，投入较小的用电地区使用，实用性极强。