光伏-混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制及經(jīng)濟(jì)性分析

胡大佩

摘 要 在電網(wǎng)運(yùn)行過程中如果微電網(wǎng)的啟動(dòng)電源容量較低，處理不足，會(huì)影響電網(wǎng)系統(tǒng)以及電壓的穩(wěn)定性。為了保證微電網(wǎng)的協(xié)調(diào)性與穩(wěn)定性，需要對(duì)光伏-混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略進(jìn)行分析，同時(shí)研究協(xié)調(diào)控制策略的經(jīng)濟(jì)效益。借此提升光伏-混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制水平，保證電網(wǎng)系統(tǒng)與電壓的穩(wěn)定性與安全性。這對(duì)促進(jìn)我國(guó)電力行業(yè)的穩(wěn)定長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展有積極意義。

關(guān)鍵詞 光伏-混合儲(chǔ)能;微電網(wǎng);協(xié)調(diào)控制;策略

1光伏-混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略

1.1 裝置層控制策略

在此次控制策略設(shè)計(jì)過程中采用的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)是鉛酸電池-鋰電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，主要結(jié)果如圖1所示。該電池儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括鋰電池子儲(chǔ)能系統(tǒng)與鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。其中，鋰電池子儲(chǔ)能系統(tǒng)內(nèi)有鋰電池與儲(chǔ)能變流器;而鉛酸電池子儲(chǔ)能系統(tǒng)中有鉛酸電池與儲(chǔ)能變流器。這兩個(gè)子儲(chǔ)能系統(tǒng)的并聯(lián)位置是換流器交流側(cè)。

圖1 鉛酸電池-鋰電池混合儲(chǔ)能系統(tǒng)

在對(duì)鉛酸電池與鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)變流器的控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為定功率控制（PQ），而鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)為電壓/頻率控制（V/F）。其中定功率控制包括功率外環(huán)控制器以及電流內(nèi)環(huán)控制器。在功率外環(huán)控制過程中，需要給定有功功率以及無功功率指令，然后獲取內(nèi)環(huán)電流的指令值，再使用內(nèi)環(huán)控制器完成矢量電流跟蹤，最終達(dá)到對(duì)有功功率以及無功功率進(jìn)行解耦控制的目的。這種控制方式的靈活性比較強(qiáng)。而電壓/頻率控制方式在控制過程中需要利用電壓外環(huán)保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性，內(nèi)控制器可以完成矢量電流跟蹤功能，最終使用鎖相環(huán)對(duì)系統(tǒng)頻率進(jìn)行跟蹤控制[1]。

在對(duì)光伏逆變器的控制方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，主要是以MPPT控制方式為主。在實(shí)際控制過程中，需要根據(jù)外界環(huán)境的光照強(qiáng)度以及溫度對(duì)光伏陣列的運(yùn)行工作點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，這樣能夠在最大程度上確保輸出功率處于最大值，提高光能的利用率。光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中的控制器外環(huán)使用的是MPPT算法，可以獲取最大功率點(diǎn)條件下內(nèi)環(huán)控制器電流指令值，然后內(nèi)環(huán)電流控制器可以對(duì)電流進(jìn)行跟蹤控制。光伏發(fā)電的控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 光伏發(fā)電控制系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)層控制策略

在微電網(wǎng)運(yùn)行過程中，鋰電池成本比較高，如果提高鋰電池儲(chǔ)能容量，會(huì)導(dǎo)致微電網(wǎng)的投資成本增加。而在微電網(wǎng)實(shí)踐過程中，如果僅僅使用鋰電池作為黑啟動(dòng)電源，會(huì)導(dǎo)致容量比較低或者出力不足，影響微電網(wǎng)的系統(tǒng)穩(wěn)定。而對(duì)鉛酸電池以及鋰電池進(jìn)行綜合應(yīng)用，可以充分發(fā)揮兩種電池的各自優(yōu)勢(shì)：鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度比較高，并且使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，可以對(duì)一些小幅值高頻功率波動(dòng)進(jìn)行有效抑制;而鉛酸電池的循環(huán)壽命比較短，但是其投入成本相對(duì)較低，經(jīng)濟(jì)性相對(duì)較強(qiáng)，可以在大幅值低頻功率波動(dòng)過程中進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，防止鉛酸電池出現(xiàn)頻繁充放電的情況，能夠保證光伏-混合儲(chǔ)能容量充足，保證功率穩(wěn)定。

在實(shí)際控制過程中，需要利用MPPT對(duì)光伏逆變器進(jìn)行控制，利用V/F對(duì)鋰電池進(jìn)行控制，使用鉛酸電池儲(chǔ)能跟蹤控制負(fù)荷功率以及光伏出力，可以對(duì)鉛酸電池儲(chǔ)能處理值進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行過程中，需要對(duì)系統(tǒng)功率平衡進(jìn)行計(jì)算，其表達(dá)公式如下：

Pload（t）=PPb（t）+PLi（t）+PPV（t）

該公式中PPb（t）表示的鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)出力，單位為kW;

PLi（t）表示的鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)出力，單位為kW;

PPV（t）表示的光伏有功出力，單位為kW;

Pload（t）表示的是整個(gè)系統(tǒng)的有功負(fù)荷需求，單位為kW。

根據(jù)系統(tǒng)功率平衡公式能夠?qū)夥?混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式為：

PHESS（t）=PPV（t）-Pload（t）

公式中PHESS（t）表示的是光伏-混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率。

因?yàn)楣夥?混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電功率包括鉛酸電池子儲(chǔ)能系統(tǒng)與鋰電池子儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力，還可以利用以下公式進(jìn)行計(jì)算：

PHESS（t）=PPb（t）+PLi（t）

2應(yīng)用效果與經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 應(yīng)用效果分析

將鉛酸電池-鋰電池作為光伏-混合儲(chǔ)能系統(tǒng)黑啟動(dòng)電源進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，在30秒運(yùn)行周期內(nèi)，系統(tǒng)頻率為50Hz，將環(huán)境溫度設(shè)定為25℃，MPPT控制方式對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行控制，該系統(tǒng)的輸出功率根據(jù)光照強(qiáng)度和環(huán)境的溫度變化。在實(shí)際運(yùn)行過程中，是鉛酸電池以及鋰電池可以實(shí)現(xiàn)功率支撐：一旦系統(tǒng)功率出現(xiàn)不平衡的情況，鋰電池可以在最短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)，抑制功率波動(dòng)，保證系統(tǒng)功率處于平衡狀態(tài)。而鉛酸電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率響應(yīng)比較緩慢，當(dāng)鋰電池功率逐漸下降到零時(shí)，鉛酸電池可以提供系統(tǒng)所需的全部功率。這種方法可以對(duì)系統(tǒng)功率支撐進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配，能夠有效減少鋰電池出力，降低對(duì)鋰電池容量的需求[2]。

在平衡系統(tǒng)功率、調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓的過程中，鋰電池主要是對(duì)頻率比較高的功率波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而鉛酸電池主要是對(duì)低頻功率波動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這與最初的控制算法設(shè)計(jì)目標(biāo)相一致。因?yàn)殇囯姵鼐哂袝簯B(tài)功能支撐，可以保證光伏-混合儲(chǔ)能系統(tǒng)在放電切換的過程中，鉛酸電池功率趨于平衡狀態(tài)，能夠充分發(fā)揮鉛酸電池以及鋰電池的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)光伏-混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析時(shí)，需要了解儲(chǔ)能系統(tǒng)全壽命周期成本的主要組成。通常情況下，光伏-混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的周期成本主要包括投資成本、運(yùn)行過程中的成本投入、報(bào)廢后的處理成本以及回收殘值等。在對(duì)光伏-混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析時(shí)，主要是對(duì)投資成本以及運(yùn)行過程中的投入成本進(jìn)行分析，不對(duì)回收殘值以及報(bào)廢處理成本進(jìn)行考慮。

在對(duì)該儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資成本進(jìn)行分析時(shí)，主要是對(duì)儲(chǔ)能變流器的單位功率投資成本以及電池本身的單位容量投資成本進(jìn)行分析。在對(duì)運(yùn)行過程中維護(hù)成本進(jìn)行分析時(shí)，主要是對(duì)鉛酸電池儲(chǔ)能以及鋰電池儲(chǔ)能的單位電量運(yùn)行維護(hù)成本以及充放電量進(jìn)行分析。

在對(duì)鉛酸電池-鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)進(jìn)行分析時(shí)，將24小時(shí)作為一個(gè)運(yùn)行周期進(jìn)行分析。在運(yùn)行過程中，鉛酸電池-鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量比單純使用鋰電池的容量更大，充放電電量也比單純使用鋰電池的充放電電量大。但是其投資成本更低，這主要是因?yàn)榕c鋰電池儲(chǔ)能相比，鉛酸電池的投入成本比較低，能夠在極大程度上提高鉛酸電池-鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

3結(jié)束語

總而言之，在對(duì)光伏-混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制過程中對(duì)鉛酸電池-鋰電池儲(chǔ)能策略進(jìn)行綜合應(yīng)用，可以在確保滿足光伏-混合儲(chǔ)能微電網(wǎng)黑啟動(dòng)功率以及電壓的基礎(chǔ)上，提升整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 俞雁飛.光伏—混合儲(chǔ)能直流微電網(wǎng)的電能控制技術(shù)研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.

[2] 楊赟.基于混合儲(chǔ)能的光伏直流微電網(wǎng)控制策略的研究[D].廈門：廈門大學(xué)，2016.