張 明樸政國

（1.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081）

含儲能的分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對配電網(wǎng)調(diào)峰的研究

張 明1,2樸政國1,2

（1.北方工業(yè)大學(xué)，北京 100144；2.北京電動車輛協(xié)同創(chuàng)新中心，北京 100081）

針對配電網(wǎng)負(fù)荷需求變化引起的電力峰谷問題，本文研究了含儲能的分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對配電網(wǎng)削峰填谷的控制策略，設(shè)計了兩級式微型逆變系統(tǒng)，提出了基于并網(wǎng)點電壓補(bǔ)償?shù)恼{(diào)峰控制策略。同時為保證光伏并網(wǎng)系統(tǒng)高效運行，提出了分段運行模式。并對整個系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計和仿真，驗證了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)加入儲能裝置進(jìn)行調(diào)峰控制的可行性，有效解決了調(diào)峰問題，以保持電網(wǎng)穩(wěn)定運行，為儲能系統(tǒng)用于配電網(wǎng)調(diào)峰的研究應(yīng)用提供了技術(shù)參考。

分布式光伏；負(fù)荷調(diào)峰；蓄電池儲能；反激逆變

光伏發(fā)電的輸出功率具有不穩(wěn)定、不可預(yù)測特點，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后會影響電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和安全穩(wěn)定運行。另外，隨著用戶負(fù)荷不斷增加以及負(fù)荷的波動，導(dǎo)致電力負(fù)荷峰谷差增大[1]。為保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行和供用電平衡，需采取相應(yīng)的削峰填谷措施。

傳統(tǒng)的調(diào)峰方法有火電調(diào)峰、燃?xì)廨啓C(jī)組調(diào)峰和水電調(diào)峰。這些方法都是從網(wǎng)側(cè)通過調(diào)整配電網(wǎng)的出力進(jìn)行調(diào)峰，這就對配電網(wǎng)系統(tǒng)提出了較高的要求。從建設(shè)成本和能源利用角度講，通過增加發(fā)輸配電設(shè)備來進(jìn)行調(diào)峰變得越來越困難。

而蓄電池儲能系統(tǒng)（Battery Energy Storage System，BESS）具有儲能密度大、安裝建設(shè)靈活、控制響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能更方便的從負(fù)荷側(cè)對電網(wǎng)的峰谷進(jìn)行調(diào)節(jié)。利用 BESS進(jìn)行調(diào)峰控制的方法，不僅可以減少網(wǎng)側(cè)設(shè)備的投資，還可以減小線路損耗，提高設(shè)備利用率和經(jīng)濟(jì)效益，是解決電力峰谷問題的有效途徑之一[2]。

目前關(guān)于BESS在新能源并網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究有很多[3-4]。BESS多數(shù)應(yīng)用于平抑光伏、風(fēng)電等間歇性能源發(fā)電功率波動問題[5-6]，用于負(fù)荷的削峰填谷的研究較少。文獻(xiàn)[7]建立了用于削峰填谷的蓄電池模型。文獻(xiàn)[8]探討了利用BESS進(jìn)行削峰填谷減少輸電、配電損失方面的經(jīng)濟(jì)意義。文獻(xiàn)[9]從用戶角度出發(fā)，考慮分段電價差異，對優(yōu)化運行BESS進(jìn)行了探討。以上對 BESS用于削峰填谷的研究，均為能量分配或能量管理的研究，沒有對實際系統(tǒng)運行進(jìn)行有效地控制設(shè)計。

本文利用兩級式微型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將蓄電池并接于中間直流母線。前級 BOOST升壓電路控制光伏電池板的輸出，實現(xiàn)MPPT控制，以提高太陽能利用率。后級為反激逆變器，實現(xiàn)對蓄電池的充放電控制及并網(wǎng)逆變控制，使逆變器始終工作在高功率狀態(tài)，達(dá)到提高逆變器運行效率和實現(xiàn)電網(wǎng)負(fù)荷削峰填谷的目的。

1 配電網(wǎng)峰谷情況分析

在將中低壓配電網(wǎng)接入分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）后，系統(tǒng)潮流會出現(xiàn)以下幾種情況：①當(dāng)DER出力大于光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點（Point of Common Coupling，PCC）處本地負(fù)荷需求時，其出力會流向配電網(wǎng)參與潮流分配；②當(dāng)DER出力等于本地負(fù)荷需求時，由于供需平衡則配電網(wǎng)不參與供電；③當(dāng)DER出力小于本地負(fù)荷需求時，DER出力直接被本地負(fù)荷消納，同時配電網(wǎng)向節(jié)點負(fù)荷供電[10]。

對于一個負(fù)荷安裝容量為 80kW、同時運行系數(shù)為80%的小型配電網(wǎng)，裝設(shè)有20kW分布式光伏，具體配電網(wǎng)參數(shù)見表 1。該小型配電網(wǎng)的典型負(fù)荷特性、光伏輸出特性及配電網(wǎng)供電曲線如圖1所示。

表1 配電網(wǎng)參數(shù)

由圖1可知，光伏的供電功率與負(fù)荷需求功率在同一時段會出現(xiàn)供需不匹配的情況。當(dāng)負(fù)荷功率較大而光伏供電功率較小甚至無法供電時，網(wǎng)側(cè)就需要給負(fù)荷提供較大的功率，出現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電力負(fù)荷加重的用電高峰情況，降低了系統(tǒng)的供電可靠性。

另一方面，當(dāng)負(fù)荷需求較小或者光伏供電功率與負(fù)荷需求功率匹配時，網(wǎng)側(cè)供電壓力減小，即電力負(fù)荷處于平穩(wěn)區(qū)或谷區(qū)，此時即使光伏發(fā)電部分不參與并網(wǎng)或者部分功率參與并網(wǎng)，配電網(wǎng)系統(tǒng)也依然可以工作在正常狀態(tài)。

經(jīng)過以上情況分析，若在含有分布式光伏的配電網(wǎng)系統(tǒng)中加入BESS，利用BESS的能量儲放特性對系統(tǒng)的峰谷問題進(jìn)行調(diào)節(jié)，在負(fù)荷高峰釋放電能，在負(fù)荷平穩(wěn)區(qū)和谷區(qū)用分布式光伏來補(bǔ)充調(diào)峰消耗的電能，就會大大提高配電網(wǎng)的供電可靠性。這也是本文研究含儲能裝置的分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的意義所在。

圖1 配電網(wǎng)能量分布圖

2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及調(diào)峰控制策略

2.1 兩級式微型逆變器

為實現(xiàn)調(diào)峰目的保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行，本文設(shè)計了額定功率為200W微型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

此兩級形式的微型逆變器由 Boost升壓電路、交錯反激電路、有源鉗位電路、全橋逆變電路以及LC濾波電路組成。前級Boost電路實現(xiàn)最大功率點跟蹤控制，輸出側(cè)接儲能裝置；后級反激逆變電路通過對蓄電池的充放電控制，實現(xiàn)配電網(wǎng)調(diào)峰。

反激式逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)點突出，且同時采用兩路反激變壓器交錯并聯(lián)的電路拓?fù)鋄11]，使得在同樣電壓等級下輸出的功率增倍。為提高系統(tǒng)逆變效率，反激拓?fù)渲屑尤胗性淬Q位電路，實現(xiàn)了主開關(guān)管的零電壓的開通，同時吸收回饋高頻變壓器漏感能量，消除電壓尖峰，提高了逆變效率。

反激結(jié)構(gòu)將前級直流母線輸出的直流經(jīng)過高頻變壓器轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)正弦的半波電流，再通過全橋逆變以及濾波電路，最終保證光伏并網(wǎng)逆變系統(tǒng)高效的輸出高質(zhì)量、低諧波、與電網(wǎng)同頻同相的正弦并網(wǎng)電流。

2.2 含DER的配電網(wǎng)電壓分析

將光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)實現(xiàn)并網(wǎng)運行[12]，其等效電路模型如圖3所示。圖中，US為配電網(wǎng)電壓，通常認(rèn)為配電網(wǎng)系統(tǒng)是一個無窮大系統(tǒng)，電壓幅值基本不變；Z=R+jX為配電網(wǎng)線路阻抗，其中R為電阻分量，X為電抗分量，P與Q分別為電網(wǎng)給本地負(fù)荷傳輸?shù)挠泄β屎蜔o功功率；UPCC為并網(wǎng)點電壓；PL與QL分別為PCC點本地負(fù)荷的有功與無功功率；PG為光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的有功功率。

圖3 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)等效電路

由圖3光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的等效電路可知，配電網(wǎng)與光伏系統(tǒng)并網(wǎng)點之間傳輸功率為

因此，配電網(wǎng)母線電壓US與PCC電壓UPCC之間的電壓差ΔU為

式中，*表示取共軛。設(shè) UPCC為參考電壓，可將式（2）改寫為

式中，P=-PG+PL，Q=-QC+QL。由于線路阻抗中電阻分量與電抗分量相當(dāng)，式（3）中虛部遠(yuǎn)小于實部，可忽略不計，所以可以得到

由式（4）可以看出，鑒于線路阻抗的存在，光伏發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)之間的功率傳輸將引起PCC點電壓的變化，可通過監(jiān)測PCC點電壓得出電網(wǎng)負(fù)荷的變化情況?？刂苾δ苎b置的充放電來PCC電壓的穩(wěn)定就可以保證供用電的平衡，起到調(diào)峰作用，保證配電網(wǎng)系統(tǒng)的持續(xù)穩(wěn)定運行。

2.3 削峰填谷控制策略

本文的調(diào)峰控制采用基于下垂特性的PCC電壓控制策略，逆變單元的輸出功率和輸出電壓幅值特性可表達(dá)為

式中，Uref為 PCC電壓參考值，Pref為對應(yīng)于 Uref的有功功率率參考值，m為有功功率下垂系數(shù)，Pout為經(jīng)過下垂控制得到的系統(tǒng)實際應(yīng)輸出的有功功率。通過控制蓄電池的充放電功率來跟蹤 Pout，使系統(tǒng)供電功率跟隨負(fù)載功率，達(dá)到調(diào)峰的目的。儲能裝置參與調(diào)峰運行的控制框圖如圖4所示。

圖4 儲能裝置調(diào)峰控制框圖

圖4中，I*bat為蓄電池充放電參考電流，即系統(tǒng)實際應(yīng)輸出的有功功率對應(yīng)的電流值，Ibat為蓄電池的實時電流，I*ref為逆變器有功電流參考值，Iac為光伏逆變器輸出的電流。

在系統(tǒng)運行模式的控制上，本文根據(jù)實際系統(tǒng)情況進(jìn)行了進(jìn)一步的設(shè)計。由圖1典型傳輸功率變化曲線可知，電網(wǎng)負(fù)荷處于高峰區(qū)域時蓄電池放電調(diào)峰，當(dāng)蓄電池放電深度達(dá)到設(shè)計下限時，蓄電池停止放電；當(dāng)處于平谷區(qū)域時，系統(tǒng)可以通過蓄電池SOC狀態(tài)來判斷是否需要進(jìn)行充電。同時，考慮到光伏逆變效率的影響，當(dāng)光伏實際輸出功率較小時，系統(tǒng)逆變效率較低[13]。本系統(tǒng)設(shè)定當(dāng)逆變功率小于光伏額定功率Pepv的45%時系統(tǒng)不進(jìn)行逆變。

針對上述配電網(wǎng)系統(tǒng)處于不同工作狀態(tài)時的分析，本文采用分時段動態(tài)調(diào)峰的控制方式，系統(tǒng)通過實時監(jiān)測PCC電壓來判斷配電網(wǎng)系統(tǒng)的功率傳輸狀況，確定當(dāng)前是否處于調(diào)峰區(qū)段。不同時段的具體控制流程如圖5所示。

從圖5中可以看出，在調(diào)峰時段，采用圖4所設(shè)計的基于下垂特性的PCC電壓控制策略實現(xiàn)調(diào)峰控制。在非調(diào)峰時段，通過監(jiān)測蓄電池荷電量以及光伏發(fā)電功率，判斷執(zhí)行控制流程中不同條件下對應(yīng)的控制措施。

圖5 系統(tǒng)全天運行控制流程圖

3 仿真分析

本文為了驗證所提出的調(diào)峰控制策略，通過Matlab搭建了該小型配電網(wǎng)系統(tǒng)，負(fù)荷安裝容量為80kW，光伏額定功率為20kW，由100個200W微型光伏發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)組成，根據(jù)圖1中典型負(fù)荷變化曲線以及光伏供電曲線，進(jìn)行全時段仿真分析。

含儲能裝置的分布式光伏并網(wǎng)系統(tǒng)參與調(diào)峰控制的全天能量分布如圖6所示。

圖6 調(diào)峰后能量分布圖

從圖6中可知，夜間到上午的時段負(fù)荷功率較低，配電網(wǎng)傳輸功率波動較小，系統(tǒng)處于非調(diào)峰時段；隨著光伏功率逐漸增加，效率較小時只對蓄電池充電，補(bǔ)充前一天調(diào)峰消耗的電能，當(dāng)光伏輸出功率達(dá)到45%以上時，開始以45%額定功率逆變并網(wǎng)，使蓄電池繼續(xù)充電至充滿；當(dāng)中午時段出現(xiàn)第一個負(fù)荷高峰時，光伏輸出功率同樣較大，供用電處于一個相對平衡的狀態(tài)，PCC電壓波動并不大，不需要進(jìn)行調(diào)峰控制。

傍晚時段負(fù)荷又出現(xiàn)高峰，而光伏功率較小，此時段供用電不平衡，需要蓄電池放電，系統(tǒng)處于調(diào)峰時段。蓄電池放電使PCC電壓穩(wěn)定在設(shè)定的參考電壓 Uref附近。最后，當(dāng)光伏輸出功率為零而蓄電池放電深度達(dá)到預(yù)定值時，蓄電池停止放電，由電網(wǎng)繼續(xù)給負(fù)荷供電。對調(diào)峰前后電網(wǎng)傳輸功率進(jìn)行對比的波形如圖7所示。

圖7 調(diào)峰前后電網(wǎng)傳輸功率分布圖

由于調(diào)峰控制的作用，在負(fù)荷處于高峰的情況下，PCC電壓始終穩(wěn)定在參考電壓處，所以控制系統(tǒng)具有很快的動態(tài)響應(yīng)，達(dá)到了調(diào)峰目的。

儲能裝置根據(jù)負(fù)荷變化實施充放電的控制過程如圖8所示。圖中上部分為根據(jù)負(fù)荷變化的蓄電池充放電曲線，下部分為對應(yīng)的充放電過程中蓄電池SOC變化情況。

圖8 根據(jù)負(fù)荷變化的蓄電池充放電控制圖

在蓄電池容量配置的設(shè)計方面，蓄電池容量主要為滿足調(diào)峰過程中的能量需要。在蓄電池的放電深度要求上，考慮到充放電深度對電池使用壽命的影響，蓄電池充放電最大深度設(shè)計為電池荷電量的30%。由此可以確定系統(tǒng)調(diào)峰能力為

式中，維持天數(shù) D=2，溫度修正系數(shù) K=1.2，逆變器效率η1=0.93，蓄電池容量 4000Ah，蓄電池充放電效率η2=0.9，蓄電池充放電深度S=0.3，蓄電池額定工作電壓為 48V。經(jīng)計算得出系統(tǒng)日調(diào)峰能力Q=20.1kWh。

4 結(jié)論

本文通過對含分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的配電網(wǎng)中的負(fù)荷特性及能量流動的分析，設(shè)計了含儲能裝置的兩級式微型逆變系統(tǒng)，提出了基于電網(wǎng)電壓補(bǔ)償控制的調(diào)峰控制策略和逆變系統(tǒng)的分段運行模式。同時對儲能裝置的容量和調(diào)峰能力進(jìn)行了定量設(shè)計，最終通過仿真實驗，驗證了光伏并網(wǎng)系統(tǒng)加入儲能裝置進(jìn)行調(diào)峰控制的可行性，有效解決了調(diào)峰和保持電網(wǎng)穩(wěn)定運行的問題，為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)運行提供了技術(shù)參考。

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Research of Distribution Network Peak Shaving for Distributed Grid-connected PV System with Energy Storage Device

Zhang Ming1,2Piao Zhengguo1,2
(1.North China University of Technology,Beijing 100144; 2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles,Beijing 100081)

Aiming at the problem of electricity peak valley when the distribution network load demand changes,peak shaving control strategy for distributed Grid-connected photovoltaic (PV) system with energy storage devices is researched in this paper.A two-stage type micro inverter system is designed,peak shaving control strategy based on Point of Common Coupling voltage compensation control strategy is proposed.Meanwhile,in order to guarantee operating efficiency of the Grid-connected PV system,the piecewise operation mode is proposed.The whole system parameters is designed and simulated,the feasibility of the control strategy about Grid-connected PV system with energy storage devices for peak shaving is verified,peak shaving problem is efficiently solved and the stability of the grid is maintained.This paper provides technical reference for the design of peak shaving control with energy storage system.

distributed photovoltaic; peak load shaving; battery energy storage; flyback inverter

北京市教育委員會科技計劃項目（KM201510009003）

張 明（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向為分布式光伏發(fā)電、電力電子和逆變器。