儲能協(xié)同的分布式光伏電站系統(tǒng)集成技術(shù)的研究

分布式光伏電站憑借清潔、高效的供能優(yōu)勢，受到了高度關(guān)注，并得到了廣泛應(yīng)用。但是，光伏發(fā)電存在間歇性和不穩(wěn)定性問題，很容易影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行。因此，研究儲能協(xié)同的分布式光伏電站系統(tǒng)集成技術(shù)，對分布式光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

一、概述分布式光伏電站

（一）分布式光伏發(fā)電原理

分布式光伏發(fā)電基于光伏效應(yīng)運(yùn)行。半導(dǎo)體材料（如硅）受光子照射時，光子能量被吸收，促使電子從價帶躍遷至導(dǎo)帶，形成電子一空穴對。在PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下，電子、空穴分別向N型、P型半導(dǎo)體區(qū)域移動，進(jìn)而產(chǎn)生電勢差。一旦外部電路連通，電流隨即產(chǎn)生[1]。以單晶硅太陽能電池為例，其光電轉(zhuǎn)換效率處于 15% 至 25% 區(qū)間，實(shí)際效率會受材料品質(zhì)、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等因素影響。

分布式光伏電站主要由光伏電池組件、逆變器、支架、電纜等組成。光伏電池組件將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電，逆變器則將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。支架用于固定光伏電池組件，使其能夠獲得最佳的光照角度。在布局方面，分布式光伏電站可以安裝在建筑物屋頂、空閑土地等地方。例如，對于屋頂分布式光伏電站，需要考慮屋頂?shù)某?、面積、承載能力等因素，以保障電站的安全和高效運(yùn)行。

（二）分布式光伏電站的輸出特性

在實(shí)際運(yùn)行過程中，分布式光伏電站的電力輸出呈現(xiàn)出明顯的間歇性和波動性特征。這類電站的發(fā)電效能完全依賴日照條件，在陰天、夜晚等缺乏日照或光照強(qiáng)度不足的情況下，電站的輸出功率會大幅下降，甚至完全停止發(fā)電。以北方地區(qū)為例，冬季日照時間短且光照強(qiáng)度較弱，這使得分布式光伏電站的發(fā)電量僅能達(dá)到夏季發(fā)電量的 60% 至80‰ （20

即便處于日照時段，光伏電站的輸出功率也并非穩(wěn)定不變。云層移動遮擋陽光、大氣透明度變化等因素，都會致使電站輸出功率出現(xiàn)快速波動。這種不穩(wěn)定的功率輸出，會對電網(wǎng)的電壓、頻率等關(guān)鍵參數(shù)產(chǎn)生干擾，增加了電網(wǎng)調(diào)度工作的難度[2]。

二、儲能技術(shù)在分布式光伏電站中的作用

（一）電能存儲與削峰填谷

儲能系統(tǒng)的運(yùn)行基于能量轉(zhuǎn)化原理，它能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為化學(xué)能、機(jī)械能等其他形式的能量進(jìn)行儲存，在需要用電時，再將儲存的能量重新轉(zhuǎn)換回電能。以鋰離子電池儲能系統(tǒng)為例，在充電過程中，鋰離子從正極材料嵌入負(fù)極材料，在放電過程中，鋰離子從負(fù)極脫嵌，重新回到正極，通過鋰離子的這種定向移動，實(shí)現(xiàn)了電能的存儲與釋放。

在分布式光伏電站的實(shí)際應(yīng)用場景中，儲能系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)削峰填谷。當(dāng)光伏發(fā)電處于高峰時段，產(chǎn)生多余電能時，儲能系統(tǒng)會及時將這些電能儲存起來；而在光伏發(fā)電低谷期，如夜間或陰天等光照不足的時段，儲能系統(tǒng)會釋放儲存的電能。通過這種方式，儲能系統(tǒng)能夠有效平滑光伏電站的輸出功率曲線，減少電站輸出功率波動對電網(wǎng)造成的沖擊。

（二）提高電能質(zhì)量

電網(wǎng)運(yùn)行中，電壓和頻率的穩(wěn)定性是保障電力可靠供應(yīng)的關(guān)鍵指標(biāo)。分布式光伏電站輸出功率的較大波動，經(jīng)常導(dǎo)致電網(wǎng)電壓和頻率脫離正常區(qū)間，影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。儲能系統(tǒng)憑借快速響應(yīng)能力，在這一環(huán)節(jié)發(fā)揮著“穩(wěn)定器”的作用。當(dāng)監(jiān)測到電網(wǎng)電壓或頻率出現(xiàn)異常波動時，儲能系統(tǒng)能迅速做出反應(yīng)，通過精準(zhǔn)控制電能的吸收或釋放，促使電壓和頻率重新回歸穩(wěn)定狀態(tài)。在多地分布式光伏電站的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)中，儲能系統(tǒng)將電壓波動嚴(yán)格控制在±2% 以內(nèi)，頻率波動維持在 ±0.05Hz 以內(nèi)，顯著提升了電網(wǎng)的穩(wěn)定性和可靠性。

除穩(wěn)定電壓頻率外，儲能系統(tǒng)還承擔(dān)著改善電能質(zhì)量的重要任務(wù)。光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器在將直流電轉(zhuǎn)換為交流電過程中，不可避免會產(chǎn)生諧波電流。這些諧波電流注入電網(wǎng)后，會干擾電力設(shè)備正常運(yùn)行。儲能系統(tǒng)通過內(nèi)置的智能控制策略，能夠有效抑制諧波污染。以搭載有源電力濾波器（APF）功能的儲能系統(tǒng)為例，其利用實(shí)時監(jiān)測技術(shù)捕捉諧波電流，通過產(chǎn)生反向電流抵消諧波成分，實(shí)現(xiàn)高次諧波的精準(zhǔn)濾除。在實(shí)際應(yīng)用場景中，此類儲能系統(tǒng)可使電網(wǎng)諧波含量大幅降低，將電能質(zhì)量提升至符合國家標(biāo)準(zhǔn)的水平，為用戶提供更穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

三、儲能協(xié)同的分布式光伏電站系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)

（一）功率控制技術(shù)

在分布式光伏電站的運(yùn)行體系中，提升發(fā)電效率是重要目標(biāo)之一，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)（MPPT）正是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心手段。該技術(shù)通過精準(zhǔn)控制光伏電池的工作點(diǎn)，促使其持續(xù)、穩(wěn)定地在最大功率點(diǎn)附近運(yùn)轉(zhuǎn)，以此最大化利用太陽能資源，提高電站整體發(fā)電效能。當(dāng)構(gòu)建儲能協(xié)同的分布式光伏電站系統(tǒng)時，MPPT控制器的工作模式需與儲能系統(tǒng)的功率控制相互深度配合。

儲能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)是保障整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。它并非隨意調(diào)整，而是基于多重因素進(jìn)行動態(tài)決策。光伏電站實(shí)時的輸出功率、電網(wǎng)當(dāng)下的用電需求以及儲能系統(tǒng)自身的荷電狀態(tài)（SOC），都是功率調(diào)節(jié)決策的重要依據(jù)。儲能系統(tǒng)會綜合分析這些參數(shù)，智能調(diào)整自身的充電和放電功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)能源的合理分配與高效利用，維持整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。例如，可以采用比例-積分-微分（PID）控制器來實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)，其控制公式為：

其中，u（t）為控制器的輸出（即儲能系統(tǒng)的功率調(diào)節(jié)指令）， 為誤差信號（如光伏電站輸出功率與目標(biāo)功率之間的差值）， （204號 k_d 分別為比例、積分、微分系數(shù)。通過合理調(diào)整這些系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)的精確功率調(diào)節(jié)。

（二）能量管理系統(tǒng)

儲能協(xié)同的分布式光伏電站系統(tǒng)中，能量管理系統(tǒng)（EMS）承擔(dān)著核心控制職能。EMS具備多項(xiàng)重要功能，負(fù)責(zé)對光伏電站和儲能系統(tǒng)開展實(shí)時監(jiān)測，完成數(shù)據(jù)采集工作，同時評估系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，執(zhí)行功率控制與能量調(diào)度任務(wù)。EMS的架構(gòu)由多個層級構(gòu)成，各層級分工明確、協(xié)同運(yùn)作。數(shù)據(jù)采集層主要采集光伏電站與儲能系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，涵蓋功率、電壓、電流以及儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)等信息；采集的數(shù)據(jù)傳輸至數(shù)據(jù)處理層，該層對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析與處理，為后續(xù)控制決策提供支撐；控制決策層依據(jù)系統(tǒng)實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)和既定目標(biāo)，制定科學(xué)的功率控制與能量調(diào)度策略；執(zhí)行層則將控制決策轉(zhuǎn)化為具體操作指令，實(shí)現(xiàn)對光伏電站和儲能系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制[3]。

EMS采用的控制策略主要分為兩類：其一，基于規(guī)則的控制策略依據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則，對功率和能量進(jìn)行調(diào)控。比如，當(dāng)光伏電站輸出功率高于特定閾值，且儲能系統(tǒng)荷電狀態(tài)低于設(shè)定值時，系統(tǒng)啟動儲能充電流程。其二，基于優(yōu)化算法的控制策略通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，以系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、可靠性等作為目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)用遺傳算法、粒子群算法等優(yōu)化算法，求解功率控制與能量調(diào)度的最優(yōu)方案。例如，在以最小化系統(tǒng)運(yùn)行成本為目標(biāo)的優(yōu)化模型中，目標(biāo)函數(shù)可以表示為：

C=C_pv+C_es+C_grid

其中，C為系統(tǒng)運(yùn)行總成本， ΔC_PV 為光伏電站的運(yùn)行成本（包括設(shè)備折舊、維護(hù)等費(fèi)用）， C_es 為儲能系統(tǒng)的運(yùn)行成本， C_grid 為與電網(wǎng)交互的成本（如購電或售電成本）。通過優(yōu)化算法求解該目標(biāo)函數(shù)，可以得到最優(yōu)的功率控制和能量調(diào)度方案，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

（三）系統(tǒng)的安全與保護(hù)技術(shù)

儲能系統(tǒng)在進(jìn)行充放電操作時，一旦發(fā)生過充或過放情況，會對儲能設(shè)備的性能和使用壽命造成嚴(yán)重?fù)p害。為避免此類問題發(fā)生，過充過放保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用非常重要。以鋰離子電池儲能系統(tǒng)為例，電池管理系統(tǒng)（BMS）發(fā)揮著關(guān)鍵作用，BMS持續(xù)監(jiān)測電池的電壓、電流以及荷電狀態(tài)，當(dāng)電池電壓觸及充電上限或SOC達(dá)到 100% 時，BMS立即下達(dá)指令停止充電；若電池電壓低于放電下限或SOC降至安全閾值（如 20% ）以下，BMS也會迅速終止放電過程，以此保障儲能設(shè)備的安全。

gt;gt;圖片來源于網(wǎng)絡(luò)。

在儲能協(xié)同的分布式光伏電站系統(tǒng)中，構(gòu)建完善的故障診斷與隔離機(jī)制不可或缺，這有助于及時發(fā)現(xiàn)并處理系統(tǒng)故障。目前，常見的故障診斷方法包括基于模型的診斷方式和基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的診斷策略。其中，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的故障診斷方法是通過深入分析系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，借助支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建精準(zhǔn)的故障診斷模型。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常狀況時，該模型能夠快速、準(zhǔn)確地判斷故障類型和故障發(fā)生位置，并及時采取隔離措施，有效防止故障范圍擴(kuò)大，為系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供堅(jiān)實(shí)保障。

四、結(jié)束語

儲能協(xié)同的分布式光伏電站系統(tǒng)集成技術(shù)是提升分布式光伏發(fā)電穩(wěn)定性、可靠性以及能源利用率的核心技術(shù)。通過應(yīng)用功率控制、能量管理及安全保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)光伏與儲能設(shè)備的深度協(xié)同?？茖W(xué)的系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)能夠顯著優(yōu)化電站電能輸出特性，降低對電網(wǎng)的不利影響，展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。

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[3]周君可。分布式光伏電站運(yùn)維中的能源管理與優(yōu)化調(diào)度研究[J].裝備維修技術(shù)，2025，（02）：74-77.作者單位：上海巨日新能源科技有限公司