含儲能的分布式光伏并網系統對配電網調峰的研究

張 明樸政國

（1.北方工業大學，北京 100144；2.北京電動車輛協同創新中心，北京 100081）

含儲能的分布式光伏并網系統對配電網調峰的研究

張 明1,2樸政國1,2

（1.北方工業大學，北京 100144；2.北京電動車輛協同創新中心，北京 100081）

針對配電網負荷需求變化引起的電力峰谷問題，本文研究了含儲能的分布式光伏并網系統對配電網削峰填谷的控制策略，設計了兩級式微型逆變系統，提出了基于并網點電壓補償的調峰控制策略。同時為保證光伏并網系統高效運行，提出了分段運行模式。并對整個系統進行了參數設計和仿真，驗證了光伏并網系統加入儲能裝置進行調峰控制的可行性，有效解決了調峰問題，以保持電網穩定運行，為儲能系統用于配電網調峰的研究應用提供了技術參考。

分布式光伏；負荷調峰；蓄電池儲能；反激逆變

光伏發電的輸出功率具有不穩定、不可預測特點，光伏發電系統并網后會影響電力系統的電能質量和安全穩定運行。另外，隨著用戶負荷不斷增加以及負荷的波動，導致電力負荷峰谷差增大[1]。為保證電網穩定運行和供用電平衡，需采取相應的削峰填谷措施。

傳統的調峰方法有火電調峰、燃氣輪機組調峰和水電調峰。這些方法都是從網側通過調整配電網的出力進行調峰，這就對配電網系統提出了較高的要求。從建設成本和能源利用角度講，通過增加發輸配電設備來進行調峰變得越來越困難。

而蓄電池儲能系統（Battery Energy Storage System，BESS）具有儲能密度大、安裝建設靈活、控制響應速度快等優點，能更方便的從負荷側對電網的峰谷進行調節。利用 BESS進行調峰控制的方法，不僅可以減少網側設備的投資，還可以減小線路損耗，提高設備利用率和經濟效益，是解決電力峰谷問題的有效途徑之一[2]。

目前關于BESS在新能源并網系統中的應用研究有很多[3-4]。BESS多數應用于平抑光伏、風電等間歇性能源發電功率波動問題[5-6]，用于負荷的削峰填谷的研究較少。文獻[7]建立了用于削峰填谷的蓄電池模型。文獻[8]探討了利用BESS進行削峰填谷減少輸電、配電損失方面的經濟意義。文獻[9]從用戶角度出發，考慮分段電價差異，對優化運行BESS進行了探討。以上對 BESS用于削峰填谷的研究，均為能量分配或能量管理的研究，沒有對實際系統運行進行有效地控制設計。

本文利用兩級式微型逆變器拓撲結構，將蓄電池并接于中間直流母線。前級 BOOST升壓電路控制光伏電池板的輸出，實現MPPT控制，以提高太陽能利用率。后級為反激逆變器，實現對蓄電池的充放電控制及并網逆變控制，使逆變器始終工作在高功率狀態，達到提高逆變器運行效率和實現電網負荷削峰填谷的目的。

1 配電網峰谷情況分析

在將中低壓配電網接入分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）后，系統潮流會出現以下幾種情況：①當DER出力大于光伏發電系統并網點（Point of Common Coupling，PCC）處本地負荷需求時，其出力會流向配電網參與潮流分配；②當DER出力等于本地負荷需求時，由于供需平衡則配電網不參與供電；③當DER出力小于本地負荷需求時，DER出力直接被本地負荷消納，同時配電網向節點負荷供電[10]。

對于一個負荷安裝容量為 80kW、同時運行系數為80%的小型配電網，裝設有20kW分布式光伏，具體配電網參數見表 1。該小型配電網的典型負荷特性、光伏輸出特性及配電網供電曲線如圖1所示。

表1 配電網參數

由圖1可知，光伏的供電功率與負荷需求功率在同一時段會出現供需不匹配的情況。當負荷功率較大而光伏供電功率較小甚至無法供電時，網側就需要給負荷提供較大的功率，出現網側電力負荷加重的用電高峰情況，降低了系統的供電可靠性。

另一方面，當負荷需求較小或者光伏供電功率與負荷需求功率匹配時，網側供電壓力減小，即電力負荷處于平穩區或谷區，此時即使光伏發電部分不參與并網或者部分功率參與并網，配電網系統也依然可以工作在正常狀態。

經過以上情況分析，若在含有分布式光伏的配電網系統中加入BESS，利用BESS的能量儲放特性對系統的峰谷問題進行調節，在負荷高峰釋放電能，在負荷平穩區和谷區用分布式光伏來補充調峰消耗的電能，就會大大提高配電網的供電可靠性。這也是本文研究含儲能裝置的分布式光伏并網系統的意義所在。

圖1 配電網能量分布圖

2 光伏并網系統結構及調峰控制策略

2.1 兩級式微型逆變器

為實現調峰目的保證系統穩定高效運行，本文設計了額定功率為200W微型光伏并網系統，其拓撲結構如圖2所示。

圖2 光伏并網系統拓撲結構

此兩級形式的微型逆變器由 Boost升壓電路、交錯反激電路、有源鉗位電路、全橋逆變電路以及LC濾波電路組成。前級Boost電路實現最大功率點跟蹤控制，輸出側接儲能裝置；后級反激逆變電路通過對蓄電池的充放電控制，實現配電網調峰。

反激式逆變拓撲結構優點突出，且同時采用兩路反激變壓器交錯并聯的電路拓撲[11]，使得在同樣電壓等級下輸出的功率增倍。為提高系統逆變效率，反激拓撲中加入有源鉗位電路，實現了主開關管的零電壓的開通，同時吸收回饋高頻變壓器漏感能量，消除電壓尖峰，提高了逆變效率。

反激結構將前級直流母線輸出的直流經過高頻變壓器轉換成準正弦的半波電流，再通過全橋逆變以及濾波電路，最終保證光伏并網逆變系統高效的輸出高質量、低諧波、與電網同頻同相的正弦并網電流。

2.2 含DER的配電網電壓分析

將光伏發電系統接入配電網實現并網運行[12]，其等效電路模型如圖3所示。圖中，US為配電網電壓，通常認為配電網系統是一個無窮大系統，電壓幅值基本不變；Z=R+jX為配電網線路阻抗，其中R為電阻分量，X為電抗分量，P與Q分別為電網給本地負荷傳輸的有功功率和無功功率；UPCC為并網點電壓；PL與QL分別為PCC點本地負荷的有功與無功功率；PG為光伏發電系統輸出的有功功率。

圖3 光伏發電系統并網等效電路

由圖3光伏發電系統并網的等效電路可知，配電網與光伏系統并網點之間傳輸功率為

因此，配電網母線電壓US與PCC電壓UPCC之間的電壓差ΔU為

式中，*表示取共軛。設 UPCC為參考電壓，可將式（2）改寫為

式中，P=-PG+PL，Q=-QC+QL。由于線路阻抗中電阻分量與電抗分量相當，式（3）中虛部遠小于實部，可忽略不計，所以可以得到

由式（4）可以看出，鑒于線路阻抗的存在，光伏發電系統與配電網之間的功率傳輸將引起PCC點電壓的變化，可通過監測PCC點電壓得出電網負荷的變化情況?？刂苾δ苎b置的充放電來PCC電壓的穩定就可以保證供用電的平衡，起到調峰作用，保證配電網系統的持續穩定運行。

2.3 削峰填谷控制策略

本文的調峰控制采用基于下垂特性的PCC電壓控制策略，逆變單元的輸出功率和輸出電壓幅值特性可表達為

式中，Uref為 PCC電壓參考值，Pref為對應于 Uref的有功功率率參考值，m為有功功率下垂系數，Pout為經過下垂控制得到的系統實際應輸出的有功功率。通過控制蓄電池的充放電功率來跟蹤 Pout，使系統供電功率跟隨負載功率，達到調峰的目的。儲能裝置參與調峰運行的控制框圖如圖4所示。

圖4 儲能裝置調峰控制框圖

圖4中，I*bat為蓄電池充放電參考電流，即系統實際應輸出的有功功率對應的電流值，Ibat為蓄電池的實時電流，I*ref為逆變器有功電流參考值，Iac為光伏逆變器輸出的電流。

在系統運行模式的控制上，本文根據實際系統情況進行了進一步的設計。由圖1典型傳輸功率變化曲線可知，電網負荷處于高峰區域時蓄電池放電調峰，當蓄電池放電深度達到設計下限時，蓄電池停止放電；當處于平谷區域時，系統可以通過蓄電池SOC狀態來判斷是否需要進行充電。同時，考慮到光伏逆變效率的影響，當光伏實際輸出功率較小時，系統逆變效率較低[13]。本系統設定當逆變功率小于光伏額定功率Pepv的45%時系統不進行逆變。

針對上述配電網系統處于不同工作狀態時的分析，本文采用分時段動態調峰的控制方式，系統通過實時監測PCC電壓來判斷配電網系統的功率傳輸狀況，確定當前是否處于調峰區段。不同時段的具體控制流程如圖5所示。

從圖5中可以看出，在調峰時段，采用圖4所設計的基于下垂特性的PCC電壓控制策略實現調峰控制。在非調峰時段，通過監測蓄電池荷電量以及光伏發電功率，判斷執行控制流程中不同條件下對應的控制措施。

圖5 系統全天運行控制流程圖

3 仿真分析

本文為了驗證所提出的調峰控制策略，通過Matlab搭建了該小型配電網系統，負荷安裝容量為80kW，光伏額定功率為20kW，由100個200W微型光伏發電系統并聯組成，根據圖1中典型負荷變化曲線以及光伏供電曲線，進行全時段仿真分析。

含儲能裝置的分布式光伏并網系統參與調峰控制的全天能量分布如圖6所示。

圖6 調峰后能量分布圖

從圖6中可知，夜間到上午的時段負荷功率較低，配電網傳輸功率波動較小，系統處于非調峰時段；隨著光伏功率逐漸增加，效率較小時只對蓄電池充電，補充前一天調峰消耗的電能，當光伏輸出功率達到45%以上時，開始以45%額定功率逆變并網，使蓄電池繼續充電至充滿；當中午時段出現第一個負荷高峰時，光伏輸出功率同樣較大，供用電處于一個相對平衡的狀態，PCC電壓波動并不大，不需要進行調峰控制。

傍晚時段負荷又出現高峰，而光伏功率較小，此時段供用電不平衡，需要蓄電池放電，系統處于調峰時段。蓄電池放電使PCC電壓穩定在設定的參考電壓 Uref附近。最后，當光伏輸出功率為零而蓄電池放電深度達到預定值時，蓄電池停止放電，由電網繼續給負荷供電。對調峰前后電網傳輸功率進行對比的波形如圖7所示。

圖7 調峰前后電網傳輸功率分布圖

由于調峰控制的作用，在負荷處于高峰的情況下，PCC電壓始終穩定在參考電壓處，所以控制系統具有很快的動態響應，達到了調峰目的。

儲能裝置根據負荷變化實施充放電的控制過程如圖8所示。圖中上部分為根據負荷變化的蓄電池充放電曲線，下部分為對應的充放電過程中蓄電池SOC變化情況。

圖8 根據負荷變化的蓄電池充放電控制圖

在蓄電池容量配置的設計方面，蓄電池容量主要為滿足調峰過程中的能量需要。在蓄電池的放電深度要求上，考慮到充放電深度對電池使用壽命的影響，蓄電池充放電最大深度設計為電池荷電量的30%。由此可以確定系統調峰能力為

式中，維持天數 D=2，溫度修正系數 K=1.2，逆變器效率η1=0.93，蓄電池容量 4000Ah，蓄電池充放電效率η2=0.9，蓄電池充放電深度S=0.3，蓄電池額定工作電壓為 48V。經計算得出系統日調峰能力Q=20.1kWh。

4 結論

本文通過對含分布式光伏發電系統的配電網中的負荷特性及能量流動的分析，設計了含儲能裝置的兩級式微型逆變系統，提出了基于電網電壓補償控制的調峰控制策略和逆變系統的分段運行模式。同時對儲能裝置的容量和調峰能力進行了定量設計，最終通過仿真實驗，驗證了光伏并網系統加入儲能裝置進行調峰控制的可行性，有效解決了調峰和保持電網穩定運行的問題，為分布式光伏發電系統接入配電網運行提供了技術參考。

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Research of Distribution Network Peak Shaving for Distributed Grid-connected PV System with Energy Storage Device

Zhang Ming1,2Piao Zhengguo1,2
(1.North China University of Technology,Beijing 100144; 2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles,Beijing 100081)

Aiming at the problem of electricity peak valley when the distribution network load demand changes,peak shaving control strategy for distributed Grid-connected photovoltaic (PV) system with energy storage devices is researched in this paper.A two-stage type micro inverter system is designed,peak shaving control strategy based on Point of Common Coupling voltage compensation control strategy is proposed.Meanwhile,in order to guarantee operating efficiency of the Grid-connected PV system,the piecewise operation mode is proposed.The whole system parameters is designed and simulated,the feasibility of the control strategy about Grid-connected PV system with energy storage devices for peak shaving is verified,peak shaving problem is efficiently solved and the stability of the grid is maintained.This paper provides technical reference for the design of peak shaving control with energy storage system.

distributed photovoltaic; peak load shaving; battery energy storage; flyback inverter

北京市教育委員會科技計劃項目（KM201510009003）

張 明（1988-），男，碩士研究生，主要研究方向為分布式光伏發電、電力電子和逆變器。