光伏发电系统与储能装置的协调运行分析

摘要：本文围绕光伏发电系统与储能装置协调运行与控制进行分析，解决以往存在的并网点电压越限问题，通过仿真研究提出多种储能协调控制策略的实用性以及可行性，经比对后发现，站在降低储能容量的角度进行考虑，实现电压运行的动态把控，是目前效果*佳的协调控制方式，但其余方式也有一定优势，在应用时可结合实际情况选择。

关键词：光伏发电系统；储能装置；控制电压运行

0引言

光伏发电是指结合光生伏*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*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*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*一时间进入充电状态，而当P1＜P0，储能模块则会*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*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*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*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*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*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*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*佳的运行方式。

5安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统

5.1概述

Acrel-2000MG 储能能量管理系统是安科瑞专门针对工商业储能 电站研制的本地化能量管理系统，可实现了储能电站的数据采集、数 据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表、策略管理、历史曲线等功能。其中策略管理，支持多种控制策 略选择，包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等。该系统不 仅可以实现下级各储能单元的统一监控和管理，还可以实现与上级调 度系统和云平台的数据通讯与交互，既能接受上级调度指令，又可以 满足远程监控与运维，确保储能系统安全、稳定、可靠、经济运行。

5.2应用场景

适用于工商业储能电站、新能源配储电站。

5.3系统结构

5.4系统功能

（1）实时监管

对微电网的运行进行实时监管，包含市电、光伏、风电、储能、充电桩及用电负荷，同时也包括收益数据、天气状况、节能减排等信息。

（2）智能监控

对系统环境、光伏组件、光伏逆变器、风电控制逆变一体机、储能电池、储能变流器、用电设备等进行实时监测，掌握微电网系统的运行状况。

（3）功率预测

对分布式发电系统进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。

（4）电能质量

实现整个微电网系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。如电压谐波、电压闪变、电压不平衡等稳态数据和电压暂升/暂降、电压中断暂态数据进行监测分析及录波展示，并对电压、电流瞬变进行监测。

（5）可视化运行

实现微电网无人值守，实现数字化、智能化、便捷化管理;对重要负荷与设备进行不间断监控。

（6）优化控制

通过分析历史用电数据、天气条件对负荷进行功率预测，并结合分布式电源出力与储能状态，实现经济优化调度，以降低尖峰或者高峰时刻的用电量，降低企业综合用电成本。

（7）收益分析

用户可以查看光伏、储能、充电桩三部分的每天电量和收益数据，同时可以切换年报查看每个月的电量和收益。

（8）能源分析

通过分析光伏、风电、储能设备的发电效率、转化效率，用于评估设备性能与状态。

（9）策略配置

微电网配置主要对微电网系统组成、基础参数、运行策略及统计值进行设置。其中策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、新能源消纳、逆功率控制等。

6硬件及其配套产品

序号	设备	型号	图片	说明
1	能量管理系统	Acrel-2000MG

	内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服务器及协同控制装置 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等
2	显示器	25.1英寸液晶显示器		系统软件显示载体
3	UPS电源	UPS2000-A-2-KTTS		为监控主机提供后备电源
4	打印机	HP108AA4		用以打印操作记录，参数修改记录、参数越限、复限，系统事故，设备故障，保护运行等记录，以召唤打印为主要方式
5	音箱	R19U		播放报警事件信息
6	工业网络交换机	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工业网络交换机解决了通信实时性、网络安全性、本质安全与安全防爆技术等技术问题
7	GPS时钟	ATS1200GB		利用gps同步卫星信号，接收1pps和串口时间信息，将本地的时钟和gps卫星上面的时间进行同步
8	交流计量电表	AMC96L-E4/KC		电力参数测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率,频率、功率因数等)、复费率电能计量、 四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。多种外围接口功能:带有RS485/MODBUS-RTU协议:带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的"遜信“和“遥控”的功能
9	直流计量电表	PZ96L-DE		可测量直流系统中的电压、电流、功率、正向与反向电能。可带RS485通讯接口、模拟量数据转换、开关量输入/输出等功能
10	电能质量监测	APView500		实时监测电压偏差、频率俯差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、诺波等电能质量，记录各类电能质量事件,定位扰动源。
11	防孤岛装置	AM5SE-IS		防孤岛保护装置，当外部电网停电后断开和电网连接
12	箱变测控装置	AM6-PWC		置针对光伏、风能、储能升压变不同要求研发的集保护，测控，通讯一体化装置，具备保护、通信管理机功能、环网交换机功能的测控装置
13	通信管理机	ANet-2E851		能够根据不同的采集规的进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据果集汇总: 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能:实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据:
14	串口服务器	Aport		功能:转换“辅助系统"的状态数据，反馈到能量管理系统中。 1)空调的开关，调温，及完全断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备
15	遥信模块	ARTU-K16		1)反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器: 读消防VO信号，并转发给到上层(关机、事件上报等) 2)采集水浸传感器信息，并转发3)给到上层(水浸信号事件上报) 4)读取门禁程传感器信息，并转发

7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，*终得出控制电压运行是现阶段*优的协调控制策略。

参考文献

[1]马丽,庞秀岚,付少杰.并网光伏发电系统配置储能技术选型研究 [J].机电信息

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[3]郭子兴.储能技术在光伏发电系统中的应用[J]. 电子产品世界 ,2021,28(11):83-85.

[4]沈继宝.光伏发电系统与储能装置的协调运行以及控制研究[J].能源科技，2020.09（08）:381

[5]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022年05版

作者简介：

闻什益，现任职于安科瑞电气股份有限公司，主要从事储能微电网能源管理研究。手机：[phone]（微信同号）；

审核编辑 黄宇