光伏-储能联合发电系统运行机理及控制策略

黄岩伟

中国能源建设集团科技发展有限公司，天津市，300000，

摘要：随着“碳达峰”“碳中和”目标的提出,中国能源结构转型面临诸多挑战。据国家统计局公布的数据,目前在我国能源产业格局中,煤炭、石油、天然气等化石能源约占能源消耗总量的８４％,而不产生碳排放的风电、水电和光伏等清洁能源仅占１６％。要实现２０６０年碳中和的目标,就要大幅发展可再生能源,降低化石能源的比重,因此,能源格局的重构必然是大势所趋。

关键词：光伏-储能；联合发电系统；运行

前言

随着我国双碳目标的提出，以风能、太阳能等可再生能源为代表的分布式发电(DG)得到大量应用。DG以其投资少、发电方式灵活、环境污染小等优点，广泛用于配电网，特别是一些地区存在大量分散性负荷，DG可以就近建设，有效减少线路传输过程中的功率损耗，提高系统运行的经济性。但风能、太阳能等资源会受到环境的局限，出力表现为明显的间歇性和随机性，发电功率与负荷无法达到平衡状态，影响电网的安全运行，弃风、弃光现象频发，限制了DG的发展。为解决这一问题，在DG并网过程中，通常加装储能装置来平抑出力波动、削峰填谷。这将有助于打破DG接入配电网带来的瓶颈问题，提高对新能源的消纳能力，同时可以提升电能质量，减小线路网损，提高电力系统运行的稳定性和经济性。

1储能在光伏发电中的应用

光伏系统输出功率受外界自然条件影响较大，具有间歇性、波动性、随机性等特点，采用储能技术可以减小外界环境变化引起的光伏功率波动，保证光伏系统平滑并网，提高电能品质，使得光伏发电系统成为受电网欢迎的能源。储能装置根据储能介质的不同可以分为物理储能与化学储能两大类，物理储能主要有机械储能、电磁储能、飞轮储能、抽水储能等；化学储能包括蓄电池储能和氢储能等。蓄电池由于其能量密度大，循环寿命高，供电可靠性好，已经广泛应用于光伏发电系统中。储能系统对光伏发电系统的促进作用主要体现在下面几个方面：

1.1作为能量缓冲装置

当光伏系统发出的功率大于负荷功率导致能量不平衡时，储能单元进入充电状态，吸收多余能量；当光伏系统发出的功率不足以支撑负载正常运行时，储能单元发电与光伏系统共同为负荷供电；

1.2平滑光伏输出波动，解决弃光问题

光伏输出功率受环境影响较大，通过光伏与储能装置协调动作，可以有效改善光伏功率输出特性，提高能源利用率。针对我国西部地区电力基础设施落后而导致的弃光现象，储能装置可在高峰时段存储电能，在低谷时释放电能，减少弃光现象，提高系统经济效益。

1.3利用储能装置提高电网的自我调节能力，维持系统稳定运行

传统的调峰机组响应时间长大几分钟，光伏发电渗透率增大后，原有备用机组容量不够和响应速度慢的问题日益凸显[5]。分布式光伏的大量接入增加了系统的调频要求，特别是在光伏输出功率波动的同时配电网也出现频率波动，此时双重故障可能导致新能源脱网事故。储能装置的投入可以在电网出现故障时快速的进行能量吸收或释放，避免事故的发生。

1.4光伏储能系统关键技术研究概况

光伏储能系统的研究重点主要包括系统拓扑结构和控制策略。拓扑结构主要分为直流母线型储能结构和交流母线型储能结构，其中直流母线型储能结构的主要研究对象为双级式储能结构。控制策略方面的研究主要集中在各个功率变换器和能量管理与调配方法的研究。

2基于新能源发展趋势下的光伏储能控制系统方案设计

2.1光伏储能工作模式选择

光伏储能控制系统的主要作用是采集变换主电路中的各重要环节的电压、电流，并向DSP、瑞萨等信号进行反馈，实现对主控制回路的控制，达到相应的性能指标。对于光伏储能工作模式选择，首先对各个模块进行了设计，包括前端最大功率控制模块的设计、全桥并网算法的设计以及充放电的软件设计。在光伏储能控制系统中，运行方式的调整与转换是整个系统的核心问题。光伏储能控制系统的工作模式主要取决于外部连接器的不同，可分为两个步骤：第一个步骤是判断控制中心有没有探测到电网。在发现有电网接入的情况下，系统将进入并网运行状态，反之则处于脱网运行状态；第二个步骤是根据光伏输入、电池和电网负荷的不同，选取工作模式。

2.2基于新能源发展趋势下的光伏储能控制策略

在正常运行时，由于光伏发电受有功、电流等因素的影响，使电网中的负载节点电压出现了一定的波动，这与电力系统的运行要求不一致。另外，在电网出现暂态接地或投切时，会引起短期电压的骤降，从而影响到使用者的工作与生活，这两种情况都要求对负荷节点的电压波动和电压降低进行改善。

2.2.1外环控制

为了适应本地负载的要求，必须利用光伏储能装置的输出功率，以平衡光伏发电系统的波动和局部负载之间的差异。在光伏储能控制过程中，由于电力系统的功率因素控制，局部负荷也存在着一定的随机性和波动。无论在何种条件下，只要发电设备的有功、无功均能达到电力均衡，那么所输出的电力就可以满足负荷要求，使系统的电力始终处于均衡状态，并使节点电压不变。

2.2.2内环控制

为了适应电力系统的局部负载需求，需要采用光伏储能控制电池的输出功率，以达到平衡系统动态变化的目的。根据变流器的具体工作模式，产生了开关器件的脉冲信号，使变流器的交流侧电流幅值和跟踪目标值，达到内环控制的要求，即在象限内达到调节有功和无功功率的目的。

光伏储能控制系统的主要特点是：

一是通过外环输入的有功功率、无功功率，通过超导线圈交流侧的电压幅度、电流值，求出调制交流侧的相位角；二是通过变频电源的AC端电压相位，生成正弦调制波形和触发型信号；三是通过正弦调制和三角波载波信号，生成已调制的脉冲，该调制脉冲信号是从触发模式信号中确定的。

2.2.3输出控制

综合考虑系统的控制误差，提出了一种以功率命令为基础的输出控制方法。利用常规的升压电路对光伏控制器进行功率控制，利用微机的电压与电流侦测光电组件，采用电压干扰来决定最佳的方向，并确定基准电压，由此控制最大的光伏储能控制系统所能消耗的最大电量。当蓄能电池接近满负荷且光伏发电功率超过负载要求时，对其输入进行限制，发现在光伏输出特性曲线上的指令来确定电压区间。然后，减小步长缩小区间范围，在有限的反复迭代后，当步长低于一定的阈值时，就可以确定功率点的位置。通过各个光电单元输出级的协同工作，可以实现以下几个方面的功能：一是确保母线电压在某一特定的范围内，达到负荷要求；二是实现组串间的下垂控制；三是按照指令，实现串联各PBU间的出力控制；四是利用载波偏移来降低电感纹波。并联组串下垂控制。在光伏储能控制系统中，为了达到对系统输出功率的控制，必须采取相应的控制策略。在此基础上，本文提出一种并联组串的下垂控制方法，引入了串联输出指数的概念，并给出了一种具有可控功率分布的下垂控制方案。当负荷增大时，母线的电压会发生下降，并与虚阻抗呈线性关系。因此，要保证系统的压降不超出容许范围，就必须满足变流器的最大输出功率、输出端电压下降不超出其容许极限时的虚阻抗选择。组串各个单元的功率控制。光伏储能控制器通过调整各PBU的工作循环，实现对各PBU的串行输出功率的分配。蓄电池的电压波动较小，与频率控制时的电压基本相同。通过对各信道的工作循环进行控制，可以实现脉冲宽度的调制。在上位机调度系统中，根据各个串口的总能量均衡，产生各个串口的输出指令，而在电池组中，各个PBU的输出指令则是针对电池组的能量均衡而产生的。该系统根据输出电流生成相关指令，调整串行的输出电压，从而达到组串间功率的分配。采用双闭环实现组串的电压控制，将电压外环与实际值相比较，调整串电压指令值，从而获得目前的出力指令。经PI调整，将其与实测值进行对比，得出了调制电压。通过对各个分配单元输出命令的调整，计算出各个信道的工作时间，从而实现对各个分配单元的输出控制。

结束语

该系统具有较高的充放电效率和较快的响应速度，有效地解决了由于外界因素、不能调整、不能满足负载要求等问题。同时，光伏储能控制系统能够有效地降低母线的电压波动，使其在多种干扰条件下能够正常工作。

参考文献：

[1]颜晨煜,樊艳芳.多场景下光伏-双单元储能系统协同平抑功率波动控制策略[J].可再生能源,2020,2.

[2]余豪杰,李官军,等.基于分布式光伏/飞轮储能联合发电系统的并网点电压主动调控技术研究[J].电力系统保护与控制,2021,3.