光伏發電系統與儲能裝置的協調運行及控制

中國大唐集團有限公司寧夏分公司 曹東亮

1 引言

在“雙碳”戰略指導下，光伏發電憑借其綠色可再生而得到廣泛發展，并且備受行業重視，但太陽能存在波動性，使光伏發電電力輸出具有不可控性。為降低太陽能波動對光伏發電的影響，需接入儲能裝置對光伏發電系統進行優化。而當儲能裝置接入光伏發電系統后，為確保兩者可以協同運行，應該做好儲能裝置與光伏發電系統的協調控制。

2 儲能裝置在光伏發電系統中的協調運行接入方式

從電網接入方式及發電容量角度，可以將光伏發電系統分為兩種，即分布式與集中式，其中分布式光伏發電系統是指分散化并入配電網系統中，其發電容量相對較小，多與當地配電網負荷體系直接關聯；而集中式光伏發電系統則以光伏電站方式并入城市配電網內，其發電容量較大。但結合實際情況，光伏發電系統多為分布式并網。將儲能裝置接入到光伏發電系統中時，主要可以采用兩種方式，一是直流側接入，采用該方式接入至光伏發電系統中時，可以準備雙向DC-DC 變換器，借助變換器將儲能裝置直接接入至光伏發電系統直流母線位置；二是交流側接入，采用該方式接入至光伏發電系統中時，需借助雙向DC-DC 變換器、變壓器、逆變器，依托于此三種設備將儲能裝置良好融入至光伏發電系統內，交流側接入具體結構如圖1所示。

圖1 交流側接入結構

對上述兩種接入方式進行對比可知，與交流側接入結構相較，直流側接入方式僅需借助雙向DC-DC 變換器，無須依靠變壓器、逆變器，所需的硬件設備相對較少。因此，將儲能裝置接入至光伏發電系統中時，可以優先選用直流側接入方式，通過減少硬件設備數量而控制接入成本，并且可以在一定程度上精簡接入結構，在成套設置光伏發電儲能單元時較為常用。但現階段已有大量光伏發電系統單元已完成生產建設，若采用改造方式將儲能裝置接入至光伏發電系統中，此時交流側接入方式優于直流側接入方式[1]。因此，為保障儲能裝置可與光伏發電系統實現協調運行，需要結合實際情況選擇較為適宜的接入方式，并結合光伏發電系統并網線路結構對雙向DC-DC 變換器、變壓器、逆變器三種主要硬件設備科學設計，并在此基礎上注意均衡光伏發電系統有功功率，以此盡可能地保障儲能裝置在光伏發電系統中的接入效果。

3 儲能裝置與光伏發電系統的協調控制策略

3.1 電壓越限問題

在整個配電體系中，光伏發電系統需接入配電網，使光伏發電所得電力能源可以順利應用至配電體系中，發揮出光伏發電系統應有價值。而配電網具有一定線路電阻，且配電網線路傳輸功率與電壓分布之間存在緊密關聯。

配電網尚未接入光伏發電系統時，有功功率從配電網線路首段流動至末端，在此期間，沿線電壓逐漸降低；當光伏發電系統接入配電網后，此時光伏發電系統所產生的功率若超過配電網用戶負荷功率，則超出部分會被傳輸至配電網，由配電網末端流向首端，由此產生了反向功率流。在配電網正常運行過程中，反向功率流會使配電網末端電壓逐漸提升，逐漸引發電壓越限問題，如圖2所示。產生越限問題后，由光伏發電系統運行所產生的電力能源無法良好得到應用，阻礙了光伏發電系統電能的輸出[2]。

圖2 光伏發電系統并網后產生的電壓越限問題

3.2 協調控制方式

儲能裝置接入光伏發電系統后，可以有效應對光伏發電系統并網后產生的電壓越限問題，依托于儲能裝置調節有功功率，以免光伏發電系統受到電壓越限影響而無法正常輸出功率。

當儲能裝置接入光伏發電系統后，主要可以借助四種方式協調控制儲能裝置，分別指計劃運行、限制反向功率流運行、控制電壓運行、削峰運行。

一是計劃運行。該方式對儲能裝置（如鉛酸電池）充電功率具有較強控制效果，可使充電功率能夠保持恒定狀態。在具體控制過程中，若光伏發電系統所產生的輸出功率大于配電網用戶負荷功率，儲能裝置則進入充電狀態，此時光伏發電系統形成的輸出功率均會作用于儲能裝置，但儲能裝置充電狀態需結合輸出功率進行調整，使光伏發電系統充電功率能夠始終被控制在特定限值范圍內，以免引發電壓越限問題。若光伏發電系統受到天氣狀況影響，導致所產生的輸出功率無法滿足配電網用戶負荷功率，此時儲能裝置則會由充電狀態轉化為放電狀態，用于彌補光伏發電系統功率輸出不足問題[3]。

二是限制反向功率流運行。該控制方式的主要目的在于控制光伏發電系統，使其不再向配電網進行功率輸出。在具體控制過程中，若光伏發電系統所產生的輸出功率大于配電網用戶負荷功率，此時儲能裝置則會轉為充電狀態，且該狀態會持續到儲能裝置被充滿，借助該方式對反向功率流的運行進行限制。若光伏發電系統受到天氣狀況影響導致所產生的輸出功率無法滿足配電網用戶負荷功率，此時則可借助儲能裝置輸出功率。

三是控制電壓運行。該控制方式主要作用于光伏發電系統電壓，通過對電壓的控制調節而避免其越限。在具體協調控制過程中，若光伏發電系統與配電網間的接入點電壓超出標準限值，則儲能裝置轉為充電狀態，借助儲能裝置狀態轉換對電壓參數進行協調控制，若光伏發電系統輸出功率不足，則與其他控制方式一致，將儲能裝置轉換為放電狀態，緩解光伏發電系統功率輸出不足現象。

四是削峰運行。該控制方式主要是通過控制反向功率流而避免出現電壓越限問題，在控制期間，若光伏發電系統輸出功率超出配電網負荷，同時能夠使反向功率流維持到一定范圍時，則可以將儲能裝置調節至充電狀態，以此形成削峰效果，避免電壓越限問題的產生。而當光伏發電系統無法滿足配電網負荷要求時，則儲能裝置將會轉變為放電狀態，用于代替光伏發電系統為配電網提供電力能源。

3.3 控制方式對比

對光伏發電系統與儲能裝置協調運行的四種控制策略進行對比，用于了解四種方式的適用場景，以便儲能裝置與光伏發電系統協調運行期間能夠良好選擇控制方式。因此從越限改善效果、儲能容量要求兩個方面展開對比。

3.3.1 越限改善效果對比

對計劃運行、限制反向功率流運行、控制電壓運行、削峰運行四種方式的使用特點進行總結。

一是計劃運行。應用計劃運行策略控制儲能裝置與光伏發電系統時，為避免出現電壓越限問題，要求使用該策略運行時能夠結合配電網負荷運行需求確定儲能裝置充電功率限值。

二是限制反向功率流運行。為防止電壓越限，應用限制反向功率流運行控制策略過程中，要求儲能裝置能夠具備充足儲能容量。

三是控制電壓運行。與上述兩種控制策略相較，控制電壓運行方式可以將光伏發電系統并網點電壓控制在特定區間范圍內，而該電壓區間可以根據光伏發電系統及配電網功率需求進行確定。

四是削峰運行。協調控制策略的使用目的之一在于防止電壓越限問題的產生，在具體實施期間，為確保削峰運行策略控制效果，需要結合實際情況選擇適宜的反向功率流限值。

在協調控制運行過程中，配電網電壓水平、儲能裝置輸出、負荷能夠在一定程度上影響協調控制效果。對于四種協調控制策略而言，控制電壓運行、限制反向功率流運行控制方式受上述因素的影響較小，而削峰運行與計劃運行則極易受到影響并且無法發揮出應用協調控制效果，在此情況下，難以精細化控制反向功率流限值及儲能充電功率限值。因此，若有效規避并網點電壓越限現象，需要優先選用控制電壓運行、限制反向功率流運行兩種控制方式。

3.3.2 儲能容量要求對比

光伏發電系統接入儲能裝置對電壓越限問題進行控制時，儲能裝置電池剩余容量能夠對電壓越限應對效果產生影響，為保障儲能協調控制策略能夠切實起到應用效果，需注意分析四種協調控制方式對儲能裝置容量的要求。

一是計劃運行。采用該方式進行協調控制時，儲能裝置充電功率限值能夠影響其容量需求，且兩者之間存在正比關系，即儲能裝置充電功率限值越高，則所需的儲能裝置電池容量越多。

二是限制反向功率流運行。在計劃運行、限制反向功率流運行、控制電壓運行、削峰運行四種協調控制策略中，限制反向功率流運行控制方式對儲能裝置容量要求較高，其在控制期間儲能裝置電池剩余容量將會產生較大變化，由此可見，限制反向功率流運行控制方式雖然可以對反向功率流產生較強限制效果，但儲能裝置需要在運行控制期間吸收較多電力能源。

三是控制電壓運行。該協調運行控制方式的儲能裝置電池容量要求受光伏發電系統并網點電壓限值影響，并且兩者之間具有反比關系，即光伏發電系統并網點電壓限值越小則儲能裝置電池容量要求越高。

四是削峰運行。對于該協調控制方式而言，反向功率流限值可以對儲能裝置電池容量要求產生影響，且兩者之間呈正比關系，即反向功率流限值越高則儲能裝置電池容量要求越高。

從整體情況來看，計劃運行、控制電壓運行、削峰運行三種方式能夠根據光伏發電系統及配電網負荷要求，動態化確定儲能裝置容量要求，能夠對儲能裝置電池容量要求加以控制。同時相較而言，限制反向功率流運行控制方式受其他因素影響較大，對儲能裝置電池容量要求較高。因此，僅站在儲能容量角度來看，計劃運行、控制電壓運行、削峰運行更為適合進行協調控制。

若僅考慮電壓越限改善效果，較為適宜的協調控制方式為限制反向功率流運行，若同時考慮儲能裝置電池容量要求及光伏發電系統并網電壓要求，則較為適宜的協調控制方式為控制電壓運行方式。但計劃運行、削峰運行兩種協調控制方式同樣具備其他優點。例如，計劃運行控制方式使用期間能夠便捷化計算其所需的儲能裝置電池容量，同時還可以將儲能裝置充電功率控制在一定區間范圍內，使充電功率能夠始終保持恒定狀態，避免儲能裝置受較大充電功率影響而遭受損壞，繼而起到保障裝置壽命的作用。

4 結語

在光伏發電系統并網發展期間，因配電網線路電阻過大而引發了電壓越限問題，為確保儲能裝置接入光伏發電系統后能夠呈現出優異效果，需要加強儲能裝置與光伏發電系統的協調控制工作，以越限改善效果、儲能容量要求為依據從計劃運行、限制反向功率流運行、控制電壓運行、削峰運行四種方式中選擇較為適宜的協調控制方式。