中國大唐集團有限公司寧夏分公司 曹東亮

1 引言

在“雙碳”戰(zhàn)略指導下，光伏發(fā)電憑借其綠色可再生而得到廣泛發(fā)展，并且備受行業(yè)重視，但太陽能存在波動性，使光伏發(fā)電電力輸出具有不可控性。為降低太陽能波動對光伏發(fā)電的影響，需接入儲能裝置對光伏發(fā)電系統(tǒng)進行優(yōu)化。而當儲能裝置接入光伏發(fā)電系統(tǒng)后，為確保兩者可以協(xié)同運行，應該做好儲能裝置與光伏發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。

2 儲能裝置在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)運行接入方式

從電網(wǎng)接入方式及發(fā)電容量角度，可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)分為兩種，即分布式與集中式，其中分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是指分散化并入配電網(wǎng)系統(tǒng)中，其發(fā)電容量相對較小，多與當?shù)嘏潆娋W(wǎng)負荷體系直接關聯(lián)；而集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)則以光伏電站方式并入城市配電網(wǎng)內(nèi)，其發(fā)電容量較大。但結合實際情況，光伏發(fā)電系統(tǒng)多為分布式并網(wǎng)。將儲能裝置接入到光伏發(fā)電系統(tǒng)中時，主要可以采用兩種方式，一是直流側接入，采用該方式接入至光伏發(fā)電系統(tǒng)中時，可以準備雙向DC-DC 變換器，借助變換器將儲能裝置直接接入至光伏發(fā)電系統(tǒng)直流母線位置；二是交流側接入，采用該方式接入至光伏發(fā)電系統(tǒng)中時，需借助雙向DC-DC 變換器、變壓器、逆變器，依托于此三種設備將儲能裝置良好融入至光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)，交流側接入具體結構如圖1所示。

圖1 交流側接入結構

對上述兩種接入方式進行對比可知，與交流側接入結構相較，直流側接入方式僅需借助雙向DC-DC 變換器，無須依靠變壓器、逆變器，所需的硬件設備相對較少。因此，將儲能裝置接入至光伏發(fā)電系統(tǒng)中時，可以優(yōu)先選用直流側接入方式，通過減少硬件設備數(shù)量而控制接入成本，并且可以在一定程度上精簡接入結構，在成套設置光伏發(fā)電儲能單元時較為常用。但現(xiàn)階段已有大量光伏發(fā)電系統(tǒng)單元已完成生產(chǎn)建設，若采用改造方式將儲能裝置接入至光伏發(fā)電系統(tǒng)中，此時交流側接入方式優(yōu)于直流側接入方式[1]。因此，為保障儲能裝置可與光伏發(fā)電系統(tǒng)實現(xiàn)協(xié)調(diào)運行，需要結合實際情況選擇較為適宜的接入方式，并結合光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)線路結構對雙向DC-DC 變換器、變壓器、逆變器三種主要硬件設備科學設計，并在此基礎上注意均衡光伏發(fā)電系統(tǒng)有功功率，以此盡可能地保障儲能裝置在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的接入效果。

3 儲能裝置與光伏發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略

3.1 電壓越限問題

在整個配電體系中，光伏發(fā)電系統(tǒng)需接入配電網(wǎng)，使光伏發(fā)電所得電力能源可以順利應用至配電體系中，發(fā)揮出光伏發(fā)電系統(tǒng)應有價值。而配電網(wǎng)具有一定線路電阻，且配電網(wǎng)線路傳輸功率與電壓分布之間存在緊密關聯(lián)。

配電網(wǎng)尚未接入光伏發(fā)電系統(tǒng)時，有功功率從配電網(wǎng)線路首段流動至末端，在此期間，沿線電壓逐漸降低；當光伏發(fā)電系統(tǒng)接入配電網(wǎng)后，此時光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的功率若超過配電網(wǎng)用戶負荷功率，則超出部分會被傳輸至配電網(wǎng)，由配電網(wǎng)末端流向首端，由此產(chǎn)生了反向功率流。在配電網(wǎng)正常運行過程中，反向功率流會使配電網(wǎng)末端電壓逐漸提升，逐漸引發(fā)電壓越限問題，如圖2所示。產(chǎn)生越限問題后，由光伏發(fā)電系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的電力能源無法良好得到應用，阻礙了光伏發(fā)電系統(tǒng)電能的輸出[2]。

圖2 光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后產(chǎn)生的電壓越限問題

3.2 協(xié)調(diào)控制方式

儲能裝置接入光伏發(fā)電系統(tǒng)后，可以有效應對光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)后產(chǎn)生的電壓越限問題，依托于儲能裝置調(diào)節(jié)有功功率，以免光伏發(fā)電系統(tǒng)受到電壓越限影響而無法正常輸出功率。

當儲能裝置接入光伏發(fā)電系統(tǒng)后，主要可以借助四種方式協(xié)調(diào)控制儲能裝置，分別指計劃運行、限制反向功率流運行、控制電壓運行、削峰運行。

一是計劃運行。該方式對儲能裝置（如鉛酸電池）充電功率具有較強控制效果，可使充電功率能夠保持恒定狀態(tài)。在具體控制過程中，若光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的輸出功率大于配電網(wǎng)用戶負荷功率，儲能裝置則進入充電狀態(tài)，此時光伏發(fā)電系統(tǒng)形成的輸出功率均會作用于儲能裝置，但儲能裝置充電狀態(tài)需結合輸出功率進行調(diào)整，使光伏發(fā)電系統(tǒng)充電功率能夠始終被控制在特定限值范圍內(nèi)，以免引發(fā)電壓越限問題。若光伏發(fā)電系統(tǒng)受到天氣狀況影響，導致所產(chǎn)生的輸出功率無法滿足配電網(wǎng)用戶負荷功率，此時儲能裝置則會由充電狀態(tài)轉化為放電狀態(tài)，用于彌補光伏發(fā)電系統(tǒng)功率輸出不足問題[3]。

二是限制反向功率流運行。該控制方式的主要目的在于控制光伏發(fā)電系統(tǒng)，使其不再向配電網(wǎng)進行功率輸出。在具體控制過程中，若光伏發(fā)電系統(tǒng)所產(chǎn)生的輸出功率大于配電網(wǎng)用戶負荷功率，此時儲能裝置則會轉為充電狀態(tài)，且該狀態(tài)會持續(xù)到儲能裝置被充滿，借助該方式對反向功率流的運行進行限制。若光伏發(fā)電系統(tǒng)受到天氣狀況影響導致所產(chǎn)生的輸出功率無法滿足配電網(wǎng)用戶負荷功率，此時則可借助儲能裝置輸出功率。

三是控制電壓運行。該控制方式主要作用于光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓，通過對電壓的控制調(diào)節(jié)而避免其越限。在具體協(xié)調(diào)控制過程中，若光伏發(fā)電系統(tǒng)與配電網(wǎng)間的接入點電壓超出標準限值，則儲能裝置轉為充電狀態(tài)，借助儲能裝置狀態(tài)轉換對電壓參數(shù)進行協(xié)調(diào)控制，若光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率不足，則與其他控制方式一致，將儲能裝置轉換為放電狀態(tài)，緩解光伏發(fā)電系統(tǒng)功率輸出不足現(xiàn)象。

四是削峰運行。該控制方式主要是通過控制反向功率流而避免出現(xiàn)電壓越限問題，在控制期間，若光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率超出配電網(wǎng)負荷，同時能夠使反向功率流維持到一定范圍時，則可以將儲能裝置調(diào)節(jié)至充電狀態(tài)，以此形成削峰效果，避免電壓越限問題的產(chǎn)生。而當光伏發(fā)電系統(tǒng)無法滿足配電網(wǎng)負荷要求時，則儲能裝置將會轉變?yōu)榉烹姞顟B(tài)，用于代替光伏發(fā)電系統(tǒng)為配電網(wǎng)提供電力能源。

3.3 控制方式對比

對光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲能裝置協(xié)調(diào)運行的四種控制策略進行對比，用于了解四種方式的適用場景，以便儲能裝置與光伏發(fā)電系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行期間能夠良好選擇控制方式。因此從越限改善效果、儲能容量要求兩個方面展開對比。

3.3.1 越限改善效果對比

對計劃運行、限制反向功率流運行、控制電壓運行、削峰運行四種方式的使用特點進行總結。

一是計劃運行。應用計劃運行策略控制儲能裝置與光伏發(fā)電系統(tǒng)時，為避免出現(xiàn)電壓越限問題，要求使用該策略運行時能夠結合配電網(wǎng)負荷運行需求確定儲能裝置充電功率限值。

二是限制反向功率流運行。為防止電壓越限，應用限制反向功率流運行控制策略過程中，要求儲能裝置能夠具備充足儲能容量。

三是控制電壓運行。與上述兩種控制策略相較，控制電壓運行方式可以將光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓控制在特定區(qū)間范圍內(nèi)，而該電壓區(qū)間可以根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)及配電網(wǎng)功率需求進行確定。

四是削峰運行。協(xié)調(diào)控制策略的使用目的之一在于防止電壓越限問題的產(chǎn)生，在具體實施期間，為確保削峰運行策略控制效果，需要結合實際情況選擇適宜的反向功率流限值。

在協(xié)調(diào)控制運行過程中，配電網(wǎng)電壓水平、儲能裝置輸出、負荷能夠在一定程度上影響協(xié)調(diào)控制效果。對于四種協(xié)調(diào)控制策略而言，控制電壓運行、限制反向功率流運行控制方式受上述因素的影響較小，而削峰運行與計劃運行則極易受到影響并且無法發(fā)揮出應用協(xié)調(diào)控制效果，在此情況下，難以精細化控制反向功率流限值及儲能充電功率限值。因此，若有效規(guī)避并網(wǎng)點電壓越限現(xiàn)象，需要優(yōu)先選用控制電壓運行、限制反向功率流運行兩種控制方式。

3.3.2 儲能容量要求對比

光伏發(fā)電系統(tǒng)接入儲能裝置對電壓越限問題進行控制時，儲能裝置電池剩余容量能夠對電壓越限應對效果產(chǎn)生影響，為保障儲能協(xié)調(diào)控制策略能夠切實起到應用效果，需注意分析四種協(xié)調(diào)控制方式對儲能裝置容量的要求。

一是計劃運行。采用該方式進行協(xié)調(diào)控制時，儲能裝置充電功率限值能夠影響其容量需求，且兩者之間存在正比關系，即儲能裝置充電功率限值越高，則所需的儲能裝置電池容量越多。

二是限制反向功率流運行。在計劃運行、限制反向功率流運行、控制電壓運行、削峰運行四種協(xié)調(diào)控制策略中，限制反向功率流運行控制方式對儲能裝置容量要求較高，其在控制期間儲能裝置電池剩余容量將會產(chǎn)生較大變化，由此可見，限制反向功率流運行控制方式雖然可以對反向功率流產(chǎn)生較強限制效果，但儲能裝置需要在運行控制期間吸收較多電力能源。

三是控制電壓運行。該協(xié)調(diào)運行控制方式的儲能裝置電池容量要求受光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓限值影響，并且兩者之間具有反比關系，即光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)點電壓限值越小則儲能裝置電池容量要求越高。

四是削峰運行。對于該協(xié)調(diào)控制方式而言，反向功率流限值可以對儲能裝置電池容量要求產(chǎn)生影響，且兩者之間呈正比關系，即反向功率流限值越高則儲能裝置電池容量要求越高。

從整體情況來看，計劃運行、控制電壓運行、削峰運行三種方式能夠根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)及配電網(wǎng)負荷要求，動態(tài)化確定儲能裝置容量要求，能夠對儲能裝置電池容量要求加以控制。同時相較而言，限制反向功率流運行控制方式受其他因素影響較大，對儲能裝置電池容量要求較高。因此，僅站在儲能容量角度來看，計劃運行、控制電壓運行、削峰運行更為適合進行協(xié)調(diào)控制。

若僅考慮電壓越限改善效果，較為適宜的協(xié)調(diào)控制方式為限制反向功率流運行，若同時考慮儲能裝置電池容量要求及光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)電壓要求，則較為適宜的協(xié)調(diào)控制方式為控制電壓運行方式。但計劃運行、削峰運行兩種協(xié)調(diào)控制方式同樣具備其他優(yōu)點。例如，計劃運行控制方式使用期間能夠便捷化計算其所需的儲能裝置電池容量，同時還可以將儲能裝置充電功率控制在一定區(qū)間范圍內(nèi)，使充電功率能夠始終保持恒定狀態(tài)，避免儲能裝置受較大充電功率影響而遭受損壞，繼而起到保障裝置壽命的作用。

4 結語

在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)展期間，因配電網(wǎng)線路電阻過大而引發(fā)了電壓越限問題，為確保儲能裝置接入光伏發(fā)電系統(tǒng)后能夠呈現(xiàn)出優(yōu)異效果，需要加強儲能裝置與光伏發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制工作，以越限改善效果、儲能容量要求為依據(jù)從計劃運行、限制反向功率流運行、控制電壓運行、削峰運行四種方式中選擇較為適宜的協(xié)調(diào)控制方式。