謝添卉

(北京朗新明環(huán)?？萍加邢薰荆本?100039)

電動汽車電池儲能在光伏發(fā)電并網(wǎng)中的應(yīng)用

謝添卉

(北京朗新明環(huán)?？萍加邢薰荆本?100039)

光伏發(fā)電日益成為滿足用電負(fù)荷需求、提高能源綜合利用效率、提高供電可靠性的一種有效途徑。由于光伏發(fā)電出力具有波動性的特點(diǎn)，儲能裝置在光伏發(fā)電系統(tǒng)中必不可少。為實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電平滑并網(wǎng)，減少對電網(wǎng)和用電設(shè)備的沖擊，提出將電動汽車電池作為光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的儲能單元的方案。制定了電動汽車電池分別作為可調(diào)度負(fù)載和分布式電源與光伏發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行的充、放電的控制策略，并實(shí)現(xiàn)了電動汽車儲能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的多種應(yīng)用，包括跟蹤發(fā)電計(jì)劃，平滑發(fā)電功率輸出、進(jìn)行光伏發(fā)電消納和實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷等。不僅為電動汽車電池儲能應(yīng)用于智能電網(wǎng)提供了新的思路，也為光伏發(fā)電并網(wǎng)提供新的解決方案。

光伏發(fā)電;電動汽車;儲能電池;控制策略;并網(wǎng)

定稿日期:2014－12－29

0 引言

由于光能的間歇性和波動性，光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行很難提供連續(xù)穩(wěn)定的能量輸出，這已經(jīng)成為制約光伏發(fā)電大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸［1］。儲能對輸出的平滑作用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中是必不可少的［2］。電動汽車電池儲能是將電動汽車看成一個分布式的儲能單元，根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，對電動汽車采取不同的充、放電控制策略［3－4］，接受電網(wǎng)調(diào)度。通過對光伏發(fā)電和電動汽車儲能系統(tǒng)控制策略的制定，實(shí)現(xiàn)了電動汽車儲能在光伏發(fā)電并網(wǎng)中的應(yīng)用。為電動汽車儲能應(yīng)用于新能源發(fā)電并網(wǎng)提供了實(shí)踐依據(jù)。

1 光伏發(fā)電、電動汽車儲能系統(tǒng)架構(gòu)

光伏發(fā)電、電動汽車儲能系統(tǒng)組成:光伏發(fā)電系統(tǒng)功率200 kW，經(jīng)2臺100 kW逆變器接入380 V交流母線。電動汽車充放電機(jī)5臺，每臺功率20 kW，電動汽車電池配置為250 V，80 Ah鋰離子電池五組。廠區(qū)峰值負(fù)載300 kW。系統(tǒng)采用三相四線供電，經(jīng)過500 kVA變壓器接入10 kV電網(wǎng)。在變壓器進(jìn)線側(cè)設(shè)置雙向計(jì)量裝置。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏發(fā)電、電動汽車系統(tǒng)組成

2 換流器控制策略

不同類型的分布式電源和儲能單元，可以采用不同的控制策略。本系統(tǒng)主要考慮在并網(wǎng)條件下運(yùn)行，對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以采用常規(guī)的P/Q控制策略［5－6］。電動汽車儲能單元也采用P/Q的控制策略，即直接設(shè)定分布式電源的有功和無功輸出。

圖2所示為換流器電路結(jié)構(gòu)示意圖，Lg和Rg分別為換流器串聯(lián)電感和電阻。

圖2 換流器電路結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2，得電感兩側(cè)的電壓平衡式如下:

式中 iga、igb、igc表示換流器三相電流，ua、ub、uc和 uga、ugb、ugc分別表示電網(wǎng)三相電壓和換流器三相電壓，在同步旋轉(zhuǎn)dq坐標(biāo)系下，換流器與電網(wǎng)交換的有功功率和無功功率分別為:

d、q分別表示相應(yīng)的電壓和電流的直軸分量和交軸分量，換流器電壓與電流間的關(guān)系如下:

其控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 換流器控制結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為P/Q控制結(jié)構(gòu)示意圖，圖中P為有功測量值，Q為無功測量值，Pref為有功參考值，Qref為無功參考值，Id電流直軸分量，Iq電流交軸分量;Igdref電流直軸分量參考值，Igqref電流交軸分量參考值。Pref與P比較，其偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后所得到的值Igdref作為并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的電流直軸分量參考值，Qref與Q比較，其偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后所得到的值Igqref作為并網(wǎng)電流內(nèi)環(huán)的電流交軸分量參考值。電流直軸分量Id和電流交軸分量Iq分別與Igdref、Igqref相比較后，偏差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后得到Ugd’和Ugq’，經(jīng)過逆變器輸出側(cè)設(shè)計(jì)的電感值，得出電壓參考分量Ugdref和Ugqref，經(jīng)過dq0/abc反變換，得到Uabc作為調(diào)制波，送給脈沖波調(diào)制模塊。此結(jié)構(gòu)能夠控制分布式電源輸出指定的有功功率和無功功率。

3 電動汽車儲能系統(tǒng)充放電控制策略

電池的充放電控制策略要充分考慮到電網(wǎng)的供電能力、電池的功率需求、電池的狀態(tài)以及影響電池壽命的因素等［7］。充放電機(jī)首先根據(jù)用戶發(fā)出的調(diào)度命令，自動檢測電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行充放電模式的判定，然后判斷電池初始SOC(State of Charge:即充電容量與額定容量的比值)是否處于允許的充放電區(qū)間。如果可以進(jìn)行充放電，則發(fā)出充放電命令。充電時(shí)根據(jù)電池端壓是否大于限定值，選擇充電模式。若電池端壓達(dá)到限定值，就選擇恒壓限流充電，若電池端壓未達(dá)到限定值，則選擇恒流充電，直到電池充滿或充電時(shí)間結(jié)束為止。放電時(shí)一般選擇恒功率放電，當(dāng)電池SOC小于或等于SOC下限或時(shí)間結(jié)束時(shí)，電池的放電結(jié)束。

4 電動汽車儲能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的多種應(yīng)用模式

4.1 電池儲能應(yīng)用于光伏發(fā)電跟蹤計(jì)劃

電動汽車儲能系統(tǒng)可根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度給出的發(fā)電計(jì)劃出力曲線和實(shí)際測得的光伏發(fā)電功率曲線差值的大小，動態(tài)調(diào)整電動汽車儲能電池的充放電狀態(tài)，使光伏發(fā)電實(shí)際功率曲線與計(jì)劃出力曲線相一致。電網(wǎng)調(diào)度曲線與光伏實(shí)際發(fā)電功率曲線的差值越大，所需調(diào)度的儲能電池容量越大。

跟蹤計(jì)劃曲線如圖 4，12∶01∶00 分至 12∶60∶00 分，光伏、儲能聯(lián)合發(fā)電功率曲線與調(diào)度計(jì)劃曲線幾乎重合。在12∶30∶16的時(shí)刻測得，計(jì)劃出力要求為52 kW，光伏出力67.02 kW。為滿足計(jì)劃出力的要求，調(diào)度電動汽車儲能實(shí)際出力－16.41 kW，從而得到光伏儲能聯(lián)合出力 50.61 kW，對計(jì)劃出力的跟蹤精度誤差達(dá)到了2.6%，計(jì)

劃跟蹤精度較高。

12∶30∶16 時(shí)，所得數(shù)據(jù)如表1。

圖4 跟蹤發(fā)電計(jì)劃曲線圖

表1 跟蹤發(fā)電計(jì)劃數(shù)據(jù)表

4.2 電動汽車儲能應(yīng)用于光伏發(fā)電平滑輸出

電動汽車儲能應(yīng)用于新能源發(fā)電平滑輸出如圖5，通過跟蹤光伏發(fā)電的功率曲線，設(shè)定某時(shí)間段內(nèi)光伏發(fā)電功率曲線波動率限值，實(shí)時(shí)調(diào)整電動汽車電池充放電控制策略，實(shí)現(xiàn)發(fā)電功率的平滑輸出。可見14∶01∶00分至 14∶60∶00，光伏、儲能聯(lián)合發(fā)電曲線較光伏發(fā)電曲線，實(shí)現(xiàn)了較好的平滑效果。14∶18∶00分至14∶28∶00光伏發(fā)電10分鐘波動率為8.37%，經(jīng)電動汽車電池儲能平滑后輸出功率10分鐘波動性為4.65%。

14∶28∶15 時(shí)，所得數(shù)據(jù)如表2:

圖5 平滑光伏發(fā)電輸出曲線圖

表2 平滑光伏發(fā)電輸出數(shù)據(jù)表

4.3 電動汽車儲能應(yīng)用于光伏發(fā)電消納

光伏發(fā)電接入后電網(wǎng)系統(tǒng)維持供需平衡的能力，是電網(wǎng)接納新能源發(fā)電的最重要條件。區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)可接納的光伏發(fā)電功率很大程度受限于其他電源出力的調(diào)整能力，即調(diào)峰能力。當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷處于最小值時(shí)，光伏發(fā)電功率輸出可能達(dá)到最大，此時(shí)，電動汽車電池則作為用電負(fù)荷消納光伏發(fā)電，減小接入電網(wǎng)系統(tǒng)的光伏發(fā)電容量。消納曲線如圖6，在 12∶30∶00 至13∶30∶00系統(tǒng)運(yùn)行過程中，對電動汽車電池進(jìn)行充電，輸出功率小于光伏發(fā)電功率，實(shí)現(xiàn)了消納新能源發(fā)電的功能。

13∶26∶15 分，所得數(shù)據(jù)如表3。

圖6 消納光伏發(fā)電曲線圖

表3 消納光伏發(fā)電數(shù)據(jù)表

4.4 電動汽車儲能應(yīng)用于削峰填谷

削峰填谷是通過發(fā)電側(cè)或用電側(cè)的調(diào)度，將尖峰負(fù)荷時(shí)段內(nèi)的部分負(fù)荷安排到低谷負(fù)荷時(shí)段內(nèi)，減小電網(wǎng)負(fù)荷的峰谷差，提高負(fù)荷率，降低電網(wǎng)供電負(fù)擔(dān)。電動汽車儲能系統(tǒng)根據(jù)負(fù)荷預(yù)測曲線制定充放電控制策略，在負(fù)荷低谷充電，在用電高峰放電。提高電網(wǎng)最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)，提高電網(wǎng)負(fù)荷率、電網(wǎng)設(shè)備和發(fā)電能源的利用率。

如圖 7，通過電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測曲線和目標(biāo)負(fù)荷曲線，調(diào)整儲能系統(tǒng)出力，得到實(shí)際負(fù)荷曲線與目標(biāo)負(fù)荷曲線幾乎重合。在12∶28∶11，電網(wǎng)負(fù)荷110.07 kW，電動汽車電池充放電設(shè)備根據(jù)調(diào)度的要求，設(shè)置目標(biāo)用電負(fù)荷功率91.00 kW，協(xié)調(diào)調(diào)度電動汽車儲能電池的出力－17.86 kW。最終實(shí)現(xiàn)實(shí)際用電負(fù)荷功率92.21 kW。目標(biāo)值與實(shí)際值之間的誤差為1.31%。實(shí)現(xiàn)了削峰填谷的功能。

圖7 電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷曲線圖

20∶28∶15 分，所得數(shù)據(jù)如表4。

表4 電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語

本文通過光伏發(fā)電變流器的電路模型的建立和數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)，制定合理的光伏發(fā)電和電動汽車充放電控制策略，通過實(shí)際工程項(xiàng)目驗(yàn)證了電動汽車儲能在光伏發(fā)電并網(wǎng)中的多種應(yīng)用。結(jié)果表明，通過本文提出的控制策略，很好的實(shí)現(xiàn)了電動汽車儲能對分布式能源發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性調(diào)節(jié)，并可配合電網(wǎng)調(diào)度，進(jìn)行的削峰填谷，提高電網(wǎng)負(fù)荷率和運(yùn)行效益的經(jīng)濟(jì)性。

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Application of Electric Vehicle Battery Energy Storage in Grid Connection of Photovoltaic Power Generation

XIE Tian-hui

(Beijing Lucency Environ-Tech Co.，Ltd.，Beijing100039，China)

Photovoltaic power generation is becoming an effective means to meet the demand on electricity load，raise the comprehensive utilization efficiency of energy and improve the reliability of power supply.Due to valotility of photovoltaic output，the energy storage device is essential in the photovoltaic generation system.To realize smooth grid connection of photovoltaic power generation and reduce the impact on the grid and electrical equipment，this article proposes a scheme to use electric vehicle battery as an energy storage unit in the photovoltaic power generation and grid connection system，formulates charge/discharge control strategies for coordinated operation between the photovoltaic power generation system and the electric vehicle battery as schedulable load or as distributed power supply，and realization of peak clipping and valley filling of grid load.That does notonly provide a new idea about application of electric vehicle battery energy storage in intelligent grids，but also offer a new solution for grid connection of photovoltaic power generation.

photovoltaic power generation;electric vehicle;energy storage battery;control strategy;grid connection

10.3969/j.issn.1000 －3886.2015.06.009

TM615

A

1000－3886(2015)06－0027－03

謝添卉(1982－)，女，河北滄州人，電氣工程師，碩士生，研究方向:電力環(huán)保，新能源等。