基于分布式光伏能源微儲能的一體化應(yīng)用研究

楊 雯，楊 勇，王 崎，王月強(qiáng)，顧治君，楊佳杰

(國網(wǎng)上海市電力公司長興供電公司，上海 201913)

1 光儲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越被重視，太陽能是可再生能源中最為龐大的一種，我國對光伏能源的應(yīng)用和開發(fā)越來越重視。文獻(xiàn)[1]分析了一種光儲一體化的控制策略，但并沒有后續(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)計的微電網(wǎng)技術(shù)還不成熟；文獻(xiàn)[3]研究的是一種光儲一體化主逆變器的研究策略，針對范圍較小。其他文獻(xiàn)均在理論方面做出了貢獻(xiàn)，但還未產(chǎn)生相對成熟的應(yīng)用產(chǎn)品。我國針對光伏能源的技術(shù)及應(yīng)用研究很多，光儲結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用也在飛速發(fā)展，但在這個領(lǐng)域的研究還可以繼續(xù)深入。

本文對分布式光儲能源一體化的應(yīng)用方面展開研究，提出一種基于光儲一體化的智能微電網(wǎng)，實現(xiàn)了分布式供電的合理應(yīng)用。

2 光儲一體化的發(fā)展現(xiàn)狀和研究難點

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，但對微電網(wǎng)的定義和研究側(cè)重點均不相同，如我國就認(rèn)為分布式光儲微電網(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]。

光儲一體化最大的問題就是效率，由于逆變器本身帶載，導(dǎo)致一個光儲一體化系統(tǒng)整體效率不足90%，損耗的能量大都轉(zhuǎn)化為熱量，因為損耗較多，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，以免溫度對設(shè)備的危害過大。

3 光儲一體化技術(shù)用電形式

光儲一體化系統(tǒng)一般由光伏組件和儲能組件組成，搭配電網(wǎng)完成供電。以此系統(tǒng)作為主要供電來源，以電網(wǎng)作為后備電源。在該系統(tǒng)中，儲能電池的存在還可以完成平滑光伏發(fā)電波動、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來說簡單一些，直接由分布式儲能裝置和光伏發(fā)電系統(tǒng)通過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研究。

4 光儲一體化技術(shù)的控制策略分析

為了電網(wǎng)和光伏儲能設(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，光伏發(fā)電給負(fù)載供電，多余電量儲存于儲能電池中。甚至當(dāng)儲能電池滿電后，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，由儲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，由光伏發(fā)電向負(fù)載供電，儲能電池不充不放，維持能量不變。

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

光伏能源的采集有很大的不確定性，因此對儲能相應(yīng)的使用策略研究是非常有必要的。一般來說，光伏電池可以看作是一個恒電流源與一個正向二極管并聯(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受到光照強(qiáng)度和溫度的影響，當(dāng)這二者不變時，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)生了一個極大值，極不穩(wěn)定。如果可以高效地對光伏電池的功率極大值進(jìn)行實時采集，便可以極大地提高電能穩(wěn)定性。比較常見方法是在光伏電池后直接連接DC-DC變換模塊來實現(xiàn)，然后搭配Boost電路，以最大功率點跟蹤(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 光儲一體化的應(yīng)用控制設(shè)計

對于光儲一體化發(fā)電系統(tǒng)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用控制，除了將光儲放在直流側(cè)協(xié)調(diào)控制外，還可以利用儲能抑制出口功率波動。但這種方法會造成儲能的頻繁動作，不適合用于不宜頻繁充放電的鋰電池。光照強(qiáng)度受實時天氣影響較大，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)測系統(tǒng)，提前根據(jù)天氣變化來預(yù)測控制儲能的充放電模式和功率。使儲能電池在光伏功率較大時以較大功率充電，在光伏功率較小時以較小功率充電，減少充放電對儲能裝置壽命的影響。

暫態(tài)運(yùn)行時，光儲發(fā)電系統(tǒng)對微電網(wǎng)的滲透率最高可達(dá)80%，對微電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性將是巨大考驗。光儲發(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。實際運(yùn)行中，儲能壽命會受光伏影響，不宜進(jìn)行實時無差調(diào)頻，所以儲能的調(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，以保證儲能穩(wěn)態(tài)控制策略的需求。

6 光儲一體化系統(tǒng)和電化學(xué)儲能系統(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，通過電化學(xué)儲能調(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的情況。

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

(1)

(2)

式中Z——線路阻抗，一般情況下Z可忽略不計；X——線路電抗；E——光伏輸出電壓幅值；V——儲能系統(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)可簡化：

(3)

(4)

(5)

由此可得，有功功率和相位差相關(guān)，無功功率和電壓幅值相關(guān)，控制頻率可理解為動態(tài)地控制相位角，可以通過分別調(diào)節(jié)光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)輸出頻率和電壓，分別對有功和無功功率進(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功功率；ωmin，Emin——光伏微網(wǎng)允許的最低頻率和電壓的大?。籔*，Q*——儲能系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)下輸出有功和無功功率；ω*，E*——實測頻率和電壓；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，若發(fā)生光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出波動或負(fù)載波動，光伏微網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)部功率發(fā)生變化，頻率會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 光儲一體化的應(yīng)用研究

7.1 結(jié)合光儲一體化的智能微電網(wǎng)

結(jié)合光儲一體化技術(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)直接利用太陽能，減少大電網(wǎng)用電量以及用電地區(qū)對電網(wǎng)的依賴，當(dāng)電力供應(yīng)不足或出現(xiàn)故障時可確保地區(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，實現(xiàn)新能源和大電網(wǎng)的無障礙協(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)，無需專職人員管理，從而不會增加人力成本。

為此目標(biāo)設(shè)計一個光伏能源微網(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)簡圖如圖4所示。

圖4 光伏能源微網(wǎng)系統(tǒng)簡圖

(1)光伏能源微網(wǎng)中加入檢測裝置和通信裝置，監(jiān)測微網(wǎng)系統(tǒng)中各項數(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，用于儲存監(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、削弱分布式發(fā)電對電網(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，減輕能源動力系統(tǒng)對環(huán)境的影響,推動分布式電源上網(wǎng)，降低大電網(wǎng)的負(fù)擔(dān),改善可靠安全性，并促進(jìn)社會向綠色,環(huán)保、節(jié)能方向發(fā)展。

7.2 實際應(yīng)用中的電能質(zhì)量監(jiān)測與治理

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

分布式電源在并網(wǎng)點處對電能質(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率Tmax可按計算為

(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。

對于10/0.4 kV配變來說，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，儲能系統(tǒng)用于平穩(wěn)電壓功率按10%計算，負(fù)載最大注入功率ΔP：

ΔP=256×60%-200×10%=133.6(kW)

光儲微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)點最大相對電壓波動率：

該電壓波動已可以滿足關(guān)于分布式能源接入電壓波動值的規(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)生的諧波問題；無功補(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)荷的無功消耗。

8 結(jié)語

為了解決日益嚴(yán)重的能源危機(jī)和環(huán)境問題，大力發(fā)展清潔能源的發(fā)電技術(shù)勢在必行。近年來光伏發(fā)電技術(shù)日新月異，光伏發(fā)電的應(yīng)用也越來越多。在這種背景下，針對光伏發(fā)電不穩(wěn)定的缺點，研究了光儲一體化的技術(shù)優(yōu)化以及應(yīng)用思路，主要為：①光儲一體化技術(shù)、控制策略、應(yīng)用控制設(shè)計以及與電化學(xué)儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制；②研究了一種結(jié)合光儲一體化的智能微電網(wǎng)，并且依據(jù)這個智能微電網(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一體化的智能微電網(wǎng)應(yīng)用，并解析了其技術(shù)要點、控制策略以及電能治理手段等。實現(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，實用性極強(qiáng)。