光伏发电系统与储能装置的协调运行以及控制研究

沈继宝

（金开智维（宁夏）科技有限公司，宁夏 银川 750004）

光伏发电是指结合光生伏特效应，借助太阳电池，将太阳光能转化为电能，但因为太阳能辐射本身具有波动性，难以避免地会导致光伏发电系统输出不可控的问题，进而对光伏渗透率产生影响。为解决此类问题，需提出应用储能装置提高光伏发电系统的可控性，通过承担功率差额的方式，降低对敏感电荷的不良影响，提高供电品质。

1 电压越限问题

本文将以包含储能装置的分布式光伏发电系统作为研究对象，并阐述针对性的协调控制策略。

分布式光伏发电系统大多与配电网相连，因此不可忽视配电网内的线路电阻，配电网内的电压分布与线路传输功率存在直接联系，而在不包含光伏发电系统的配电网中，电压幅值会沿线路不断减少。当配电网内接入光伏发电系统，此时，系统的输出功率（P1）高于负荷功率（P0），至于超出的部分，则会送入电网，以此形成反向功率流。该功率流的出现会造成电网末端的电压出现大幅度增长，直至其达到一定限值，便会出现电压越限的问题。一旦光伏发电系统并网点电压越限，必然会造成系统难以向电网完成电能输出的问题，此时，输出功率将会受到严重限制，导致系统电能出现大量损失，影响光伏系统的利用率。

2 制定完善的协调控制策略

为了解决上述光伏发电系统与储能装置协调运行时产生的电压越限问题，切实消除输出功率限制状况，需要利用储能装置完成并网功率的调节，储存系统无法输出的光伏功率，确保光伏电池能够实现最大化输出。在引入储能装置后，为了更好地实现两者的协调控制，可采用下述4 种控制策略。

（1）限制反向功率流的运行，其主要目的在于最大程度避免光伏系统向电网输出功率，其主要原理为当P1 ＞P0 时，相关储能模块会第一时间进入充电状态，而当P1 ＜P0，储能模块则会第一时间转变为放电状态，以此补充光伏输出功率的不足与缺额。

（2）计划运行控制，其目的在于维持储能电池功率恒定，原理为当P1 ＞P0，则储能模块同样会进入充电状态，直至充电功率低于限值，当P1 ＜P0 时，则储能模块会进入放电状态，从而补足光伏输出功率。

（3）削峰运行控制，是指保证反向功率流不会超高于限值，控制原理为当P1 ＞P0，同时可以维持既定的反向功率流时，则储能模块会进入充电状态。反之储能模块则会进入放电状态。

（4）控制电压运行，其主要目的在于保证光伏系统接入点电压始终不超出容许范围，至于控制原理则表现为：当接入点电压超过限值时，储能模块会迅速转变为充电状态，反之，则会进入放电状态，保证从电网获取的功率始终低于限值。

3 仿真实现

3.1 算法设计

具备储能装置的分布式光伏发电系统如图1 所示。

图1 具备储能设备的光伏发电系统

由于有功功率具有可调控的特点，因此上文阐述的储能协调控制策略均可将其作为应用前提，借助设计与之对应的算法来得到有功功率参考值（P2）。

3.1.1 反向功率流限制

根据其控制原理，可设计下述算法获取有功功率参考值，当P1 ＜P0，若储能并未处于充电状态，则要设定P2=P1，从而将储能装置的全部输出传递至负荷，达到供电的目的。如果装置完成充电，则要设定P2=P0，借助光伏电池与储能设备一同完成负荷功率提供。当P1 ＞P0，若储能不满，则设置P2=P0，借助光伏电池提供负荷功率，其余光伏输出则需通过储能设备进行吸收。若储能设备已满，则设置P2=P1，实现光伏功率的全部输出。

3.1.2 计划运行控制

假设充电功率限值为P3，设计以下算法来获取光伏并网功率的参考值。

当P1 ＜P0，储能未充电，设置P2=P1，此时光伏功率将全部输出到负荷供电。若储能装置完成充电，则设置P2=P0，利用光伏电池与储能设备提供负荷功率。当P0 ＜P1 ＜P0+P3，若储能未满，设置P2=P0，借助光伏电池提供负荷功率，至于剩余的光伏输出，则会利用储能装置完成吸收。此时，储能装置的充电功率不超过预设值，若储能装置完成充电，则设置P2=P1，完成光伏功率的全部输出。当P3+P0 ＜P1，则设定P2=P1-P3，储能设备将会以恒定功率完成充电。若储能设备已满，则要设置P2=P1，并将光伏功率全部输出。

3.1.3 削峰运行控制

设定反向功率流限值P4，根据以下算法获取有功功率参考值。

当P1 ＜P0 时，若储能未实现充电，则设定P2=P1，实现光伏功率的全部输出。若储能设备已完成充电，则设定P2=P0，借助光伏电池与储能设备一同提供负荷功率。若P0 ＜P1 ＜P0+P4，则设定P2=P1，完成光伏功率的输出。当P0+P4 ＜P1 时，若储能未充满，则设P2=P0+P4，借助光伏电池提供相应负荷功率，同时能够保持反向功率流限值不变，其余功率则通过储能设备进行吸收。如果储能设备维处于充满电的状态，则设定P2=P4，完成光伏功率的输出。

3.1.4 控制电压运行

预设并网点的电压限值为V0，设定由电网获取的功率限值为P5，设计以下算法获取有功功率参考值。

当P1 ＜P0 时，若储能未充电，则设定P2=P1，输出全部光伏功率。若储能完成充电，则P2=MAX（P0-P5，P1），以此确保由电网获取的功率不超过限值。若P0-P5＞P1，且储能为放电状态，需要补充光伏输出功率。当P0 ＜P1 时，若储能完成充电，则设定P2=P1，输出全部光伏功率。若储能尚未充满，则要设定P2=P1，结合电压控制装置完成功率限值的获取。因为P5 ＜P1 时，剩余光伏功率将会被储能设备所吸收。根据电压控制器的设计，若并网点电压不超过并网点电压限值，则P5的输出限值应为P1。当并网点电压超过并网点电压限值时，则要适当减小预定值，以此降低反向功率，更好地完成电压调节。综上所述，利用电压控制器可以更好地维持并网点电压不超过并网点电压限值。

3.2 仿真验证

为了进一步验证相关协调控制策略的有效性以及可行性，可建立仿真模型（如图2 所示），并将光伏电池的额定功率设定为13kwp，假设铅酸蓄电池充电状态的工作范围在0.2 ～0.8 之间，用阻抗值代表线路参数，并保证在仿真时电压恒定不变。本次仿真实验共分5 组。

图2 仿真实验模型

3.2.1 无储能

该组仿真为参照组，仿真过程无储能装置，因此，光伏电池功率全部输出，且由于光伏电池功率的输出，当其低于负荷时，并网的有功功率为负值，证明由电网获取功率。当光伏电池功率高于负荷时，则有功功率为正值，产生反向功率值，且由于反向功率流相对较高，因此在一定时间内会出现电压超过限值的问题。

3.2.2 反向功率流的限制

该组实验主要用于验证反向功率流的算法设计是否可行，当P1 ＞P0 时，系统只能够输出满足实际需要的功率，此时，储能装置为充电状态，可以接收多余负荷。如果储能装置处于满电状态，则光伏电池功率全部输出，伴有反向功率流。如果P1 ＜P0 时，且储能处于满电状态，则由储能装置以及光伏电池满足负荷功率，直至储能耗尽。由此可知，本文所采用的设计算法可以更好地完成反向功率流的限制，同时由于反向功率流被限制，并网点电压数值较低，直至储能充满后，才会产生一定的电压上升势头。若储能容量足够，则可切实解决电压越限问题。

3.2.3 计划运行控制

本次仿真实验需要设置两组，并分别将充电功率限值设定为3kW 和1.5kW。

当P1 ＞P0 时，光伏系统会迅速满足负荷功率，储能装置转变为充电状态，如果充电功率低于限值，则会吸收多余功率。若充电功率与限值一致，则会以恒定功率完成充电。如果储能达到满电状态，则由储能与光伏电池输出负荷功率，直至储能耗尽。简单来说，计划运行方式的反向功率流较低，电压较弱，储能充电功率限值设置越高，则对储能容量要求也会出现相应提升。

3.2.4 削峰运行控制

当P1 ＞P0 时，光伏系统会第一时间满足负荷功率，并形成反向功率流。当反向功率流达到限值时，储能充电，会始终保持恒定的反向功率流。当P1 ＜P0，则与上述提出的计划运行控制现象一致。

4 协调控制策略的对比分析

协调控制策略的比对探究需要从以下两方面进行。

一方面，是电压越限问题的处理效率，前文阐述的四种储能协调控制策略中，反功率流限制策略为了更好地保证电压不越限，需要保证较高的储能容量。而计划运行控制为了防止电压越限，需采用适合的储能充电功率限值。至于削峰运行控制为了避免电压越限，则要选取适合的反向功率流限值。而控制电压运行能够确保并网点不超过设定范围。至于其他两种控制方法均可对并网点的电压保持优良的改善效果，也能防止受电网电压水平等因素的影响，至于其余两种控制方法做会受负荷以及光伏电池输出影响，难以有效确定储能充电功率限值以及反向功率流限值。综上所述，若站在避免低压越限的层面进行思考，控制电压运行以及反功率流限制是最优的协调控制方法。

另一方面，是储能容量的要求，四种储能控制策略中反功率流限制的电池充电状态变化最大，证明该运行方式对储能容量要求偏高，因为此类运行方式会在一定程度上限制反向功率流。而计划运行控制对储能容量的要求大小则主要与充电功率限值有关，其数值越高，则储能容量要求越大。至于削峰运行控制方式同样由反向功率限值决定储能容量要求，两者呈现正比关系。而控制电压运行方式对储能容量的要求大小，则与电压限值有关，电压限值越小则储能容量要求越高。

虽然后三种方式需要根据运行参数来决定对储能容量的要求情况，但根据分析后发现，其对容量的要求均不超过反向功率流限制，由此可知，站在储能容量角度进行考虑，三种方式的应用效果更佳。此外，在不考虑储能容量限值的基础上，反向功率流的限制是最佳的电压越限控制方法。若进行综合考虑，以降低储能容量要求为基础，满足并网电压要求，则电压运行控制是最佳协调控制策略。由此可知，在实际运行时，需要结合多方面的因素进行综合考虑，以此选择最佳的运行方式。

5 结语

通过对配电网线路特点开展分析讨论，阐述电压越限问题的处理手段，阐述4 种储能协调控制策略，并设计相应算法，借助仿真验证相关设计算法的可行性与可靠性。同时也证明了各类储能协调控制策略均可解决电压越限问题，之后对多种协调控制策略实施定性比对，从符合并网电压要求的角度进行考虑，最终得出控制电压运行是现阶段最优的协调控制策略。