聯(lián)網(wǎng)光伏電站可調(diào)度運(yùn)行特性分析

鮑雪娜，張建成

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003）

聯(lián)網(wǎng)光伏電站可調(diào)度運(yùn)行特性分析

鮑雪娜，張建成

（華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定 071003）

Project Supported by National Natural Science Foundation of China （No.51177047）；Key Projects of the National Science&Technology Pillar Program of China（No.2011BAA07B02）.

當(dāng)今社會(huì)化石能源的日趨枯竭，各種可再生能源發(fā)電技術(shù)逐步發(fā)展起來(lái)。由于太陽(yáng)能具有分布廣、資源多、清潔環(huán)保等特點(diǎn)，利用太陽(yáng)能發(fā)電的光伏技術(shù)逐漸顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。光伏電站是太陽(yáng)能廣泛利用的一種重要方式，在我國(guó)已有許多投入運(yùn)行或處于示范性的項(xiàng)目，其聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)處于工程探索階段。由于受光照、溫度等自然條件的影響，光伏電源本身既非恒壓源又非恒流源，無(wú)法提供穩(wěn)定的電能[1-2]。考慮到前期建設(shè)投資成本，目前的光伏電站只配備少量的蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，甚至沒(méi)有安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)[3]，這將造成光伏電站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的調(diào)度性能很差甚至無(wú)法調(diào)度等難題。本項(xiàng)研究利用超級(jí)電容器與蓄電池組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，將其作為輔助能源或者說(shuō)是備用電源加入到光伏電站中，以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率以及電壓支撐作用來(lái)增加光伏電站的聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的可調(diào)度特性。

已經(jīng)有很多專家、學(xué)者在混合儲(chǔ)能應(yīng)用于光伏電站領(lǐng)域進(jìn)行了有益的研究與探索。文獻(xiàn)[4-5]對(duì)蓄電池充放電控制方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[6-7]針對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，分別提出了無(wú)源式和有源式混合儲(chǔ)能方案；文獻(xiàn)[8]建立了超級(jí)電容器與蓄電池通過(guò)電感并聯(lián)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。另外還有一些文獻(xiàn)也對(duì)超級(jí)電容器與蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于光伏等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的方法進(jìn)行了研究，在容量配置、延長(zhǎng)使用壽命和降低運(yùn)行成本方面給出了肯定性的評(píng)價(jià)。

本文在分析聯(lián)網(wǎng)光伏電站結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，從電網(wǎng)角度探討光伏電站的可調(diào)度運(yùn)行模式。針對(duì)光伏電源功率波動(dòng)問(wèn)題，采用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行平滑控制，優(yōu)化了輸出功率特性，為制定調(diào)度計(jì)劃奠定了基礎(chǔ)。

1 聯(lián)網(wǎng)光伏電站結(jié)構(gòu)及運(yùn)行模式

當(dāng)光伏電站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)會(huì)將其視為一個(gè)具有一定額定容量的電源，并為其制定相應(yīng)的調(diào)度計(jì)劃[9-11]，因此，作為并網(wǎng)電源，光伏電站應(yīng)能滿足電網(wǎng)的調(diào)度要求。在光伏電源出力與調(diào)度任務(wù)不相符時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)及時(shí)參與調(diào)度任務(wù)，這就對(duì)聯(lián)網(wǎng)光伏電站的結(jié)構(gòu)提出了一定的要求。

1.1 聯(lián)網(wǎng)光伏電站結(jié)構(gòu)

本文研究的采用超級(jí)電容器、蓄電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)光伏電站主要由P V陣列、各種控制器、混合儲(chǔ)能系統(tǒng)、聯(lián)網(wǎng)逆變系統(tǒng)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 聯(lián)網(wǎng)光伏電站結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of networking photovoltaic power plant

P V方陣產(chǎn)生的光伏電能經(jīng)MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）控制后傳送到聯(lián)網(wǎng)逆變系統(tǒng)；聯(lián)網(wǎng)逆變系統(tǒng)根據(jù)調(diào)度方案的要求，將電能輸送到交流電網(wǎng)；混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可以把光伏系統(tǒng)過(guò)剩的電能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)光伏電源發(fā)電功率不足時(shí)再通過(guò)聯(lián)網(wǎng)逆變系統(tǒng)釋放給電網(wǎng)。雙向控制器可以控制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率的大小及流向。

聯(lián)網(wǎng)逆變系統(tǒng)的功能不僅是將光伏電池方陣發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換為交流電能，還可以對(duì)交流電的頻率、電壓、電流、相位、有功與無(wú)功、同步控制、電能品質(zhì)（電壓波動(dòng)與高次諧波）等進(jìn)行控制，并且配備有聯(lián)網(wǎng)保護(hù)器，可以監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的運(yùn)行情況，在必要的時(shí)候可以使逆變器停止運(yùn)行，從而切斷光伏發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)的聯(lián)系。它是光伏電站進(jìn)行調(diào)度操作的重要環(huán)節(jié)，其基本構(gòu)成如圖2所示。

1.2 可調(diào)度運(yùn)行模式

圖2 聯(lián)網(wǎng)逆變系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.2 Component parts of networking inverter system

本文采用超級(jí)電容器與蓄電池組成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，經(jīng)充放電控制器并聯(lián)于直流母線上，是光伏電站輸出功率調(diào)節(jié)和控制的重要環(huán)節(jié)。通過(guò)對(duì)電站容量和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的合理配置，在任意時(shí)刻，光伏電源與儲(chǔ)能裝置的出力之和可以滿足電網(wǎng)調(diào)度需求。這樣，系統(tǒng)的運(yùn)行工況有如下幾種。

1）光伏電源輸出功率與電網(wǎng)調(diào)度需求相對(duì)平衡時(shí)，光伏陣列發(fā)出的能量全部經(jīng)過(guò)聯(lián)網(wǎng)逆變器進(jìn)入交流電網(wǎng)，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)幾乎沒(méi)有能量流動(dòng)。

2）光伏電源的輸出功率除能滿足電網(wǎng)調(diào)度需求外，還把一部分電能儲(chǔ)存到儲(chǔ)能裝置中，在需要的時(shí)候再釋放給電網(wǎng)，達(dá)到穩(wěn)定光伏電站輸出以及調(diào)節(jié)功率平衡的目的。

3）光伏電源的輸出功率不能滿足電網(wǎng)需求時(shí)，儲(chǔ)能裝置將儲(chǔ)存的電能釋放給電網(wǎng)，由光伏電源和混合儲(chǔ)能系統(tǒng)共同為電網(wǎng)供電，達(dá)到穩(wěn)定光伏電站輸出以及調(diào)節(jié)功率平衡的目的。此時(shí)，從電網(wǎng)角度來(lái)看，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)就是備用電源。

4）當(dāng)光伏電源的出力遠(yuǎn)大于調(diào)度要求功率——這種情況很有可能是電力系統(tǒng)故障引起的，且儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)量已達(dá)到最大時(shí)，可通過(guò)聯(lián)網(wǎng)逆變器的控制部分切斷光伏電源，從而允許“棄光”情況的出現(xiàn)。

光伏電站可調(diào)度操作的最終要求是，結(jié)合光伏電源功率信息，監(jiān)測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)各個(gè)單元的儲(chǔ)能狀態(tài)，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度的要求，確定光伏電源出力、超級(jí)電容器與蓄電池的工作狀態(tài)及出力值。因此，如何利用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率及儲(chǔ)能特性，實(shí)現(xiàn)其與光伏電源之間輸出功率的協(xié)調(diào)控制問(wèn)題就成為光伏電站可調(diào)度性研究的重要內(nèi)容。

2 光伏電站輸出功率特性

制定功率調(diào)度計(jì)劃時(shí)，要求根據(jù)預(yù)測(cè)得到的光伏電源出力情況，考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能狀態(tài)，并結(jié)合電網(wǎng)調(diào)度信息來(lái)進(jìn)行。在調(diào)度計(jì)劃制定的過(guò)程中，則可以把混合儲(chǔ)能系統(tǒng)看作一個(gè)輔助電源，與光伏電源配合使用，來(lái)滿足調(diào)度要求。因此，光伏電源輸出功率首先要滿足調(diào)度需求，具有較好的平滑性。

2.1 光伏電源輸出功率

光伏電源可看作一個(gè)以最大功率跟蹤方式運(yùn)行在不同光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度下的功率源。從供應(yīng)商處可獲得電池額定工作溫度（T）以及標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（S T C）等信息，則最大功率點(diǎn)運(yùn)行的光伏電源輸出功率工程計(jì)算方法為：

其中，PPV是最大功率點(diǎn)處的輸出功率；PPV.STC、GT.STC分別是S T C下的最大功率點(diǎn)處的輸出功率和光照強(qiáng)度；γ是功率溫度系數(shù)，可?。?.3%～4.5%）/℃；Tj是光伏組件的溫度；Ns、Np別是光伏電池模塊的串、并聯(lián)數(shù)。Tair是環(huán)境空氣溫度，GT是光照強(qiáng)度。

在本文中，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件為：Tj.STC=25℃，GT.STC=1000W/m2，風(fēng)速為1m/s；Te的測(cè)試條件為環(huán)境空氣溫度為20℃，光照為800W/m2，風(fēng)速為1m/s。根據(jù)數(shù)字天氣預(yù)報(bào)（N WP）信息，利用上式可以得到光伏電源在不同時(shí)刻的功率輸出值。

以國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)示范基地為背景，分辨率為15m i n的24h內(nèi)100M W的光伏電源輸出有功功率情況如圖3所示。

圖3 光伏電源輸出功率Fig.3 Output power of PV power source

可以直觀地看出即使在光照條件比較好的時(shí)段，如12:00—14:00，光伏電源輸出功率也具有較大波動(dòng)性。

2.2 混合儲(chǔ)能的應(yīng)用

光伏電源輸出功率具有較大的波動(dòng)性，為實(shí)現(xiàn)光伏電站可調(diào)度操作，首先要利用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)光伏電站的輸出功率進(jìn)行平滑控制，這就需要明確一下混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用原理。

從電網(wǎng)角度來(lái)看，光伏電站配備了儲(chǔ)能系統(tǒng)以后，希望通過(guò)對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)摹叭嵝曰笨刂?，可以改善光伏電源輸出直流電壓的波形，并減小光伏電站的輸出功率峰值，從而解決聯(lián)網(wǎng)光伏電源運(yùn)行不穩(wěn)定問(wèn)題，同時(shí)可以提高光伏電站的供電電能質(zhì)量。

從用戶角度來(lái)看，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以把高于負(fù)荷所需的部分光伏電能儲(chǔ)存起來(lái)，當(dāng)光伏電能不足時(shí)再釋放出來(lái)。通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏電源的配合使用，實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)荷的平衡控制，儲(chǔ)能系統(tǒng)作用原理如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)作用原理Fig.4 Action principle of energy storage system

圖中S1代表光伏電源出力高于負(fù)荷需要時(shí)的光伏電能余量，S2、S3代表光伏電源出力不能滿足負(fù)荷需要時(shí)的光伏電能差額，設(shè)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的綜合充放電效率為η，則期望的調(diào)度結(jié)果為ηS1=S2+S3。

2.3 輸出功率優(yōu)化策略

超級(jí)電容器功率密度大、充放電速度快、儲(chǔ)能效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)，而蓄電池本身具有儲(chǔ)能密度大的優(yōu)勢(shì)。超級(jí)電容器與蓄電池在儲(chǔ)能及功率性能上有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，將二者混合使用，可以組合成功率密度大、能量密度高、充放電速度快、儲(chǔ)能效率高且循環(huán)壽命長(zhǎng)的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，有利于光伏電站的運(yùn)行調(diào)度。

光伏電源輸出功率波動(dòng)性較大，在進(jìn)行光伏電站聯(lián)網(wǎng)調(diào)度操作之前，首先要利用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)光伏電站的輸出功率進(jìn)行平滑。根據(jù)超級(jí)電容器及蓄電池的功率及儲(chǔ)能特性，利用超級(jí)電容器來(lái)平滑短期的功率波動(dòng)（幾秒到幾分鐘內(nèi)），蓄電池來(lái)平滑長(zhǎng)期的波動(dòng)(幾分鐘到幾小時(shí)內(nèi))，這樣就可以在優(yōu)化混合儲(chǔ)能各單元操作的同時(shí)，平滑光伏電站的輸出功率。

3 算例分析

結(jié)合光伏電源的出力特性，考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率吞吐及能量存儲(chǔ)特性，利用超級(jí)電容器平抑光伏電源輸出功率頻繁波動(dòng)部分，蓄電池平抑輸出功率長(zhǎng)期波動(dòng)的部分，以期達(dá)到穩(wěn)定直流母線電壓，并且優(yōu)化光伏電站輸出功率特性的目的。

以100M W光伏電站為例，分析利用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行平滑前后的直流母線電壓及輸出功率變化情況。設(shè)定直流母線電壓額定值為500V，利用Matlab編寫程序，對(duì)加入混合儲(chǔ)能前、后的直流母線電壓進(jìn)行仿真分析，其結(jié)果分別如圖 5（a）、（b）所示。

圖5 直流母線電壓對(duì)比Fig.5 Contrast of dc-bus voltage

從以上兩圖可以看出：在加入混合儲(chǔ)能后直流母線電壓可以基本穩(wěn)定在要求的500V上，波動(dòng)明顯減小，說(shuō)明加入混合儲(chǔ)能系統(tǒng)后光伏電站的供電電能質(zhì)量有所提高。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提方法的有效性，對(duì)全天24h的光伏電站輸出功率值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。

圖6 平滑前后輸出功率對(duì)比Fig.6 Contrast of output power before and after smoothing

由圖6可以看出，光伏電站的輸出功率峰值由平滑前的83M W變?yōu)?2M W，峰值功率明顯減小，降低了光伏電站對(duì)電網(wǎng)的沖擊性影響，并且功率變化率也趨于平穩(wěn)，可以控制在相關(guān)光伏并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求的10%額定功率/s范圍內(nèi)，從而提高了光伏電站的可調(diào)度性，這些都說(shuō)明了混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在改善光伏電站功率波動(dòng)及提高電能質(zhì)量方面的作用。

4 結(jié)論

目前光伏電站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可調(diào)度性能差，給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行和用戶供電電能質(zhì)量帶來(lái)了不利影響。本文從分析聯(lián)網(wǎng)光伏電站的結(jié)構(gòu)出發(fā)，探討了該類型電站以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)為基礎(chǔ)的可調(diào)度運(yùn)行模式，利用混合儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)光伏電站的輸出功率進(jìn)行平滑，使得光伏電站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行變得更加合理、可行。

Matlab編程仿真結(jié)果表明，利用超級(jí)電容器、蓄電池組成的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以有效改善光伏電站的功率輸出特性，提高其供電電能質(zhì)量，避免了因波動(dòng)過(guò)大而造成的調(diào)度困難。此外，本文提出的聯(lián)網(wǎng)光伏電站可調(diào)度運(yùn)行模式，對(duì)于解決目前光伏等可再生能源聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)存在的調(diào)度問(wèn)題具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

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Scheduling Operation Characteristics of Networking Photovoltaic Power Plants

BAO Xue-na，ZHANG Jian-cheng
（School of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University，Baoding 071003，Hebei，China）

Due to the influence of sunlight，temperature and other natural conditions，the photovoltaic power plants currently integrated with power grids have poor insufficient scheduling performance，and causing e negative impacts on the safe operation of power grids，and on，as well as the power supply quality for electricity users too.This paper，based on the analysis of networking structure of photovoltaic power plants with hybrid energy storage system,explores the dispatching operation mode from the perspective of power grids.To solve the problem of the fluctuations of predictive power,the hybrid energy storage system is used to optimize the output power to lay a solid foundation for making of scheduling plans.Results of the Matlab programming prove effectiveness of the proposed method.

photovoltaic power plants；grid-connected running；hybrid energy storage；power smooth；schedulability

由于受光照、溫度等自然條件的影響，目前光伏電站聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行時(shí)不具備可調(diào)度性，給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定影響，造成電力用戶供電電能質(zhì)量不高。分析了配備混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)光伏電站的基本結(jié)構(gòu)，從電網(wǎng)角度探討了光伏電站的可調(diào)度運(yùn)行模式；針對(duì)光伏電源輸出功率波動(dòng)問(wèn)題，采用混合儲(chǔ)能對(duì)其進(jìn)行平滑控制，優(yōu)化了輸出功率特性，為制定調(diào)度計(jì)劃奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)Matlab編程仿真，驗(yàn)證了所提出方法的有效性。

光伏電站；聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行；混合儲(chǔ)能；功率平滑；可調(diào)度性

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51177047）；國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAA07B02）。

1674-3814（2012）08-0059-05

TM 614

A

2012-08-20。

鮑雪娜（1986—），女，碩士研究生，主要從事新能源發(fā)電控制研究；

張建成（1965—），男，教授，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行、分析與控制，柔性儲(chǔ)能技術(shù)及新能源發(fā)電控制技術(shù)等。

（編輯 徐花榮）