楊 雯，楊 勇，王 崎，王月強(qiáng)，顧治君，楊佳杰

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司長(zhǎng)興供電公司，上海 201913)

1 光儲(chǔ)一體化的研究背景和意義

隨著污染的加劇，可再生能源的利用越來(lái)越被重視，太陽(yáng)能是可再生能源中最為龐大的一種，我國(guó)對(duì)光伏能源的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)越來(lái)越重視。文獻(xiàn)[1]分析了一種光儲(chǔ)一體化的控制策略，但并沒(méi)有后續(xù)應(yīng)用發(fā)展；文獻(xiàn)[2]描述了一種微電網(wǎng)的應(yīng)用模式，但設(shè)計(jì)的微電網(wǎng)技術(shù)還不成熟；文獻(xiàn)[3]研究的是一種光儲(chǔ)一體化主逆變器的研究策略，針對(duì)范圍較小。其他文獻(xiàn)均在理論方面做出了貢獻(xiàn)，但還未產(chǎn)生相對(duì)成熟的應(yīng)用產(chǎn)品。我國(guó)針對(duì)光伏能源的技術(shù)及應(yīng)用研究很多，光儲(chǔ)結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用也在飛速發(fā)展，但在這個(gè)領(lǐng)域的研究還可以繼續(xù)深入。

本文對(duì)分布式光儲(chǔ)能源一體化的應(yīng)用方面展開(kāi)研究，提出一種基于光儲(chǔ)一體化的智能微電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了分布式供電的合理應(yīng)用。

2 光儲(chǔ)一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和研究難點(diǎn)

微電網(wǎng)理念提出后，在世界各地得到了廣泛的關(guān)注和示范應(yīng)用，但對(duì)微電網(wǎng)的定義和研究側(cè)重點(diǎn)均不相同，如我國(guó)就認(rèn)為分布式光儲(chǔ)微電網(wǎng)是保證世界能源可持續(xù)發(fā)展的有效途徑之一。因此，分布式能源的發(fā)展也必然是重中之重，分布式電源發(fā)展是能源變革的方向之一。以光伏為主的分布式電源開(kāi)發(fā)應(yīng)該依據(jù)“因地制宜，科學(xué)利用”的原則，主要為在用戶側(cè)就近安裝電源，就近消納，從而提高用電效率，降低輸電損耗與成本[4-9]。

光儲(chǔ)一體化最大的問(wèn)題就是效率，由于逆變器本身帶載，導(dǎo)致一個(gè)光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)整體效率不足90%，損耗的能量大都轉(zhuǎn)化為熱量，因?yàn)閾p耗較多，系統(tǒng)設(shè)備溫度升高的也很快[10]。這樣導(dǎo)致光儲(chǔ)一體化設(shè)備的溫度控制要求很高，如果溫度控制做的不好，就可能大大減少電池的壽命。因此，不僅要提高效率，在光儲(chǔ)系統(tǒng)內(nèi)還需要設(shè)置冷卻系統(tǒng)或者溫度補(bǔ)償措施，以免溫度對(duì)設(shè)備的危害過(guò)大。

3 光儲(chǔ)一體化技術(shù)用電形式

光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)一般由光伏組件和儲(chǔ)能組件組成，搭配電網(wǎng)完成供電。以此系統(tǒng)作為主要供電來(lái)源，以電網(wǎng)作為后備電源。在該系統(tǒng)中，儲(chǔ)能電池的存在還可以完成平滑光伏發(fā)電波動(dòng)、調(diào)峰調(diào)頻等輔助功能，提高光伏能源接入的可靠性和穩(wěn)定性。

光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)的用電形式一般可分為直流母線、交流母線和交直流混合母線。直流母線類型如圖1所示。

圖1 直流母線類型

交流母線類型如圖2所示。

圖2 交流母線類型

交流母線的用電形式相對(duì)來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單一些，直接由分布式儲(chǔ)能裝置和光伏發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)變流裝置接入供電線路即可，可以直接用于交流負(fù)荷為主的設(shè)備。而直流母線形式則是效率較高，便于直流負(fù)荷為主的系統(tǒng)使用。為方便使用，本文使用交流的形式展開(kāi)研究。

4 光儲(chǔ)一體化技術(shù)的控制策略分析

為了電網(wǎng)和光伏儲(chǔ)能設(shè)備的供電和諧，避免浪費(fèi)能源，必須制定相應(yīng)的供電控制策略。

(1)當(dāng)光伏發(fā)電大于用電負(fù)載時(shí)，光伏發(fā)電給負(fù)載供電，多余電量?jī)?chǔ)存于儲(chǔ)能電池中。甚至當(dāng)儲(chǔ)能電池滿電后，可以將多余電量向電網(wǎng)輸送。

(2)當(dāng)光伏發(fā)電小于用電負(fù)載時(shí)，由儲(chǔ)能電池和光伏一起給負(fù)載供電。

(3)當(dāng)光伏發(fā)電等于用電負(fù)載時(shí)，由光伏發(fā)電向負(fù)載供電，儲(chǔ)能電池不充不放，維持能量不變。

(4)當(dāng)光伏發(fā)電小于用電負(fù)載時(shí)，如果儲(chǔ)能電池電量不足，切換至電網(wǎng)供電。

光伏能源的采集有很大的不確定性，因此對(duì)儲(chǔ)能相應(yīng)的使用策略研究是非常有必要的。一般來(lái)說(shuō)，光伏電池可以看作是一個(gè)恒電流源與一個(gè)正向二極管并聯(lián)而成。由光伏電池的輸出特性可以看出，光伏電池的輸出功率同時(shí)受到光照強(qiáng)度和溫度的影響，當(dāng)這二者不變時(shí)，輸出功率隨著輸出電壓的增大而先增大后減小，這導(dǎo)致其輸出功率產(chǎn)生了一個(gè)極大值，極不穩(wěn)定。如果可以高效地對(duì)光伏電池的功率極大值進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，便可以極大地提高電能穩(wěn)定性。比較常見(jiàn)方法是在光伏電池后直接連接DC-DC變換模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，然后搭配Boost電路，以最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)算法控制Boost的通斷，使其等效阻抗改變到與光伏電池內(nèi)阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)光伏電池的最大功率輸出。

智慧一體化電源系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖3 智慧一體化電源系統(tǒng)圖

5 光儲(chǔ)一體化的應(yīng)用控制設(shè)計(jì)

對(duì)于光儲(chǔ)一體化發(fā)電系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用控制，除了將光儲(chǔ)放在直流側(cè)協(xié)調(diào)控制外，還可以利用儲(chǔ)能抑制出口功率波動(dòng)。但這種方法會(huì)造成儲(chǔ)能的頻繁動(dòng)作，不適合用于不宜頻繁充放電的鋰電池。光照強(qiáng)度受實(shí)時(shí)天氣影響較大，為了保證微電網(wǎng)的正常運(yùn)行，還需要加入關(guān)聯(lián)天氣的光伏預(yù)測(cè)系統(tǒng)，提前根據(jù)天氣變化來(lái)預(yù)測(cè)控制儲(chǔ)能的充放電模式和功率。使儲(chǔ)能電池在光伏功率較大時(shí)以較大功率充電，在光伏功率較小時(shí)以較小功率充電，減少充放電對(duì)儲(chǔ)能裝置壽命的影響。

暫態(tài)運(yùn)行時(shí)，光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)微電網(wǎng)的滲透率最高可達(dá)80%，對(duì)微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性將是巨大考驗(yàn)。光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)必須有相應(yīng)的暫態(tài)控制策略，以確保微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。實(shí)際運(yùn)行中，儲(chǔ)能壽命會(huì)受光伏影響，不宜進(jìn)行實(shí)時(shí)無(wú)差調(diào)頻，所以儲(chǔ)能的調(diào)頻控制策略應(yīng)為有差調(diào)頻，并且在頻率恢復(fù)后儲(chǔ)能因調(diào)頻投入的有功部分應(yīng)退出，并將其釋放給發(fā)電機(jī)組，以保證儲(chǔ)能穩(wěn)態(tài)控制策略的需求。

6 光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)和電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制

光伏發(fā)電系統(tǒng)在孤網(wǎng)模式下很難保證系統(tǒng)頻率和電壓穩(wěn)定，導(dǎo)致負(fù)載功率和電壓波動(dòng)，通過(guò)電化學(xué)儲(chǔ)能調(diào)節(jié)系統(tǒng)的頻率和電壓，有可能與光伏發(fā)電系統(tǒng)之間出現(xiàn)頻率跟蹤及電壓波動(dòng)的情況。

為防止這種情況發(fā)生，采用下垂控制對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)與電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，下垂控制通過(guò)模擬傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中同步發(fā)電機(jī)輸出功率特性，有功和無(wú)功功率：

(1)

(2)

式中Z——線路阻抗，一般情況下Z可忽略不計(jì)；X——線路電抗；E——光伏輸出電壓幅值；V——儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出電壓幅值；δ——電壓相角，進(jìn)一步假設(shè)δ極小，可得sinδ=δ，cosδ=1。

式(1)和式(2)可簡(jiǎn)化：

(3)

(4)

(5)

由此可得，有功功率和相位差相關(guān)，無(wú)功功率和電壓幅值相關(guān)，控制頻率可理解為動(dòng)態(tài)地控制相位角，可以通過(guò)分別調(diào)節(jié)光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)輸出頻率和電壓，分別對(duì)有功和無(wú)功功率進(jìn)行控制。下垂特性如：

ωmin-ω*=-Kp(Pmax-P*)

(6)

Emin-E*=-Kp(Qmax-Q*)

(7)

式中Pmax，Qmax——光伏發(fā)電系統(tǒng)或BESS系統(tǒng)可輸出最大有功和無(wú)功功率；ωmin，Emin——光伏微網(wǎng)允許的最低頻率和電壓的大小；P*，Q*——儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下輸出有功和無(wú)功功率；ω*，E*——實(shí)測(cè)頻率和電壓；KP，KQ——P-ω和Q-E下垂因子。

光伏微網(wǎng)系統(tǒng)在孤網(wǎng)模式運(yùn)行時(shí)，若發(fā)生光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出波動(dòng)或負(fù)載波動(dòng)，光伏微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部功率發(fā)生變化，頻率會(huì)呈出不同的比例變化。其變化量由系統(tǒng)內(nèi)部功率變化量及儲(chǔ)能系統(tǒng)下垂因子所決定。采用這種控制策略保證系統(tǒng)在孤網(wǎng)模式下為負(fù)載提供穩(wěn)定電能。

7 光儲(chǔ)一體化的應(yīng)用研究

7.1 結(jié)合光儲(chǔ)一體化的智能微電網(wǎng)

結(jié)合光儲(chǔ)一體化技術(shù)，可以建立智能能源微網(wǎng)，讓光伏能源和微電網(wǎng)系統(tǒng)直接利用太陽(yáng)能，減少大電網(wǎng)用電量以及用電地區(qū)對(duì)電網(wǎng)的依賴，當(dāng)電力供應(yīng)不足或出現(xiàn)故障時(shí)可確保地區(qū)微網(wǎng)自成一體、獨(dú)立運(yùn)行，提高了各地區(qū)供電的可靠性，實(shí)現(xiàn)新能源和大電網(wǎng)的無(wú)障礙協(xié)調(diào)運(yùn)行，提高了供電系統(tǒng)的智能化水平，增強(qiáng)了抗災(zāi)害能力，為提高用電地區(qū)的服務(wù)質(zhì)量提供了技術(shù)保障。通過(guò)微電網(wǎng)和分布式光伏發(fā)電在用電地區(qū)的建設(shè),可以節(jié)省地區(qū)供電所使用的資源，并減少有害氣體的排放，從而達(dá)到節(jié)能的效果。一旦將用電地區(qū)的供電及用電系統(tǒng)智能化，并且光伏發(fā)電設(shè)備的使用壽命在25年以上，為免維護(hù)結(jié)構(gòu)，無(wú)需專職人員管理，從而不會(huì)增加人力成本。

為此目標(biāo)設(shè)計(jì)一個(gè)光伏能源微網(wǎng)系統(tǒng)，包括：負(fù)荷；分布式電源，有多種光伏發(fā)電組件，其中，光伏發(fā)電組件按照預(yù)設(shè)的間距排列；能源微網(wǎng)，分別與電網(wǎng)和分布式能源相連，用于控制光伏組件按照預(yù)設(shè)的間距排列；能源微網(wǎng)，分別與電網(wǎng)和分布式能源相連，用于控制光伏能源微網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行于并網(wǎng)狀態(tài)或離網(wǎng)狀態(tài)，其中，光伏微網(wǎng)系統(tǒng)在并網(wǎng)狀態(tài)下通過(guò)電網(wǎng)的電能和分布式電源的電能為負(fù)荷供電，在離網(wǎng)狀態(tài)下通過(guò)分布式電源的電能為負(fù)荷供電。

光伏能源微網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 光伏能源微網(wǎng)系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

(1)光伏能源微網(wǎng)中加入檢測(cè)裝置和通信裝置，監(jiān)測(cè)微網(wǎng)系統(tǒng)中各項(xiàng)數(shù)據(jù)，如能耗、溫度、線路的通斷等，然后將數(shù)據(jù)收集發(fā)送至監(jiān)控服務(wù)器。

(2)光伏能源微網(wǎng)管理系統(tǒng)中還加入監(jiān)控服務(wù)器，用于人機(jī)交互，展示所采集到的數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)，給操作人員作為參考，輔助完成日常工作。

(3)光伏能源微網(wǎng)管理系統(tǒng)中還使用了數(shù)據(jù)庫(kù)，用于儲(chǔ)存監(jiān)控服務(wù)器采集的光伏能源微網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和運(yùn)行參數(shù)。

(4)光伏能源微網(wǎng)管理系統(tǒng)中還接入通信服務(wù)器，能源微網(wǎng)通過(guò)通信服務(wù)器和所述負(fù)荷與所述分布式能源接入通信。

(5)光伏能源微網(wǎng)管理系統(tǒng)中還有集中控制服務(wù)器，控制包括發(fā)電控制器和負(fù)荷控制器，所述發(fā)電控制器控制定電壓、定頻率、定功率的切換，所述負(fù)荷控制器用于延遲切除預(yù)設(shè)的負(fù)荷。

(6)光伏能源微網(wǎng)管理系統(tǒng)中還連接了并離網(wǎng)控制服務(wù)器，用于控制光伏能源微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行并離網(wǎng)切換。

(7)光伏能源微網(wǎng)管理系統(tǒng)中還包括能源管理服務(wù)器，能源管理服務(wù)器用于進(jìn)行分布式能源控制、調(diào)度，以及電壓控制。

此微電網(wǎng)是為整合分布式發(fā)電的優(yōu)勢(shì)、削弱分布式發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的沖擊和負(fù)面影響而提出的一種新的分布式能源組織方式和結(jié)構(gòu)，能有效改善分布式能源電能質(zhì)量差、分布式能源設(shè)備利用率低等。微電網(wǎng)可以整合分布式發(fā)電單元與配電網(wǎng)之間的關(guān)系,在一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)直接將分布式發(fā)電單元、電力網(wǎng)絡(luò)和終端用戶聯(lián)系在一起，能方便地進(jìn)行結(jié)構(gòu)和配置以及電力調(diào)度的優(yōu)化。結(jié)合冷/熱/電(冷)聯(lián)供方案,優(yōu)化和提高能源利用效率，減輕能源動(dòng)力系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響,推動(dòng)分布式電源上網(wǎng)，降低大電網(wǎng)的負(fù)擔(dān),改善可靠安全性，并促進(jìn)社會(huì)向綠色,環(huán)保、節(jié)能方向發(fā)展。

7.2 實(shí)際應(yīng)用中的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)與治理

與理想狀態(tài)不同，分布式電源在實(shí)際使用時(shí)，由于自然能源的不穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生許多的諧波、電壓不穩(wěn)定等情況，對(duì)電能的正常使用都是巨大的阻礙，因此必須對(duì)電能質(zhì)量的控制做出相對(duì)應(yīng)的措施。

分布式電源在并網(wǎng)點(diǎn)處對(duì)電能質(zhì)量的影響最大，分布式電源并網(wǎng)接口處的最大電壓波動(dòng)率Tmax可按計(jì)算為

(8)

式中 ΔSn——分布式電源的最大注入功率變化；Sk——分布式電源接入點(diǎn)處的短路容量；θ——分布式電源功率因數(shù)角；φ——電網(wǎng)阻抗角。

對(duì)于10/0.4 kV配變來(lái)說(shuō)，配變400 V側(cè)母線的短路容量為10.28 MVA?？紤]光伏發(fā)電的輸出從最大值迅速降至零，光伏發(fā)電最大值按60%考慮，儲(chǔ)能系統(tǒng)用于平穩(wěn)電壓功率按10%計(jì)算，負(fù)載最大注入功率ΔP：

ΔP=256×60%-200×10%=133.6(kW)

光儲(chǔ)微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)最大相對(duì)電壓波動(dòng)率：

該電壓波動(dòng)已可以滿足關(guān)于分布式能源接入電壓波動(dòng)值的規(guī)定。

在軟件方面，配套軟件采集電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行電能質(zhì)量指標(biāo)分析。電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接至微電網(wǎng)控制系統(tǒng)。

在硬件方面，可以將有源電力濾波器和無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備作為電能質(zhì)量治理設(shè)備，有源電力濾波器安裝在微電網(wǎng)和電網(wǎng)接口處，主要用于治理微電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波問(wèn)題；無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備安裝在微電網(wǎng)負(fù)荷接口處，主要用于補(bǔ)償電網(wǎng)負(fù)荷的無(wú)功消耗。

8 結(jié)語(yǔ)

為了解決日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題，大力發(fā)展清潔能源的發(fā)電技術(shù)勢(shì)在必行。近年來(lái)光伏發(fā)電技術(shù)日新月異，光伏發(fā)電的應(yīng)用也越來(lái)越多。在這種背景下，針對(duì)光伏發(fā)電不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，研究了光儲(chǔ)一體化的技術(shù)優(yōu)化以及應(yīng)用思路，主要為：①光儲(chǔ)一體化技術(shù)、控制策略、應(yīng)用控制設(shè)計(jì)以及與電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制；②研究了一種結(jié)合光儲(chǔ)一體化的智能微電網(wǎng)，并且依據(jù)這個(gè)智能微電網(wǎng)研究了光伏接入的電能質(zhì)量治理措施。

本文提出了一種基于光儲(chǔ)一體化的智能微電網(wǎng)應(yīng)用，并解析了其技術(shù)要點(diǎn)、控制策略以及電能治理手段等。實(shí)現(xiàn)了分布式供電的合理應(yīng)用，依照相關(guān)的控制可以直接結(jié)合大電網(wǎng)，投入較小的用電地區(qū)使用，實(shí)用性極強(qiáng)。