光伏儲能電網經濟運行的優化設計研究

國網青海省電力公司 李吉群

1 引言

分布式發電能充分整合和高效利用資源，能提高電力轉化效率，并保障電力質量和可靠性，滿足各類環境下不同的用電需求。但分布式發電采用的控制模式涉及的操作較為復雜，前期投入成本較高，同時技術基礎存在的缺陷，導致其并網容易沖擊系統整體電壓，影響電流頻率。對此，有必要探索光伏儲能電網經濟運行的優化設計。

2 光伏儲能電網運行模型

通常，光伏儲能電網的建設發展與其前期投入具有密切關系。對光伏儲能電網運營模式進行統籌規劃和合理設計，可以從整體上減少系統投資，避免頻繁更換使用設備[1]。為了促進光伏電網運行實現最佳的經濟效益，需要對光伏儲能電網運行模型加以優化。

2.1 光伏儲能電網系統構成

光伏儲能電網的系統構成主要包括以下功能模塊，分別是發電功能模塊、配電功能模塊、蓄電功能模塊、負載模塊、逆變器。其中，發電功能模塊和蓄電功能模塊均與逆變器保持接通狀態，再通過導線進行連接，并實施變壓，將電流有效傳輸至配電網絡。以電網系統為依托，將光伏模塊蓄積的電能向發電功能模塊以及負載模塊進行轉移，確保電能在電網與蓄電功能模塊之間保持良好的雙向流動[2]。系統保持離網狀態運行時，依靠光伏發電產生的電能保障公網正常運行，并將額外電能儲存在電池組內。在室外環境光照充足的情況下，依靠光伏發電產生的電能，結合電池結構，向負載模塊供應電能，保證負載設備的正常運行。系統完成與電網的接入后，即由電網對負載設備和電池供應電能。當用電出現高峰時，在一定程度上依靠光伏發電對配電負載設備供應電能，據此增加經濟效益。

2.2 系統各項組成單元具備的特性

系統組成單元主要包括三部分，如圖1所示。

圖1 光伏儲能電網系統組成單元

電池板的作用在于將其接收的陽光輻射轉化為電能，并暫時對所轉化的電能加以儲存，根據系統要求，向負責發電的相關裝置設備傳輸其儲存的電量。電池板的電能輸出功率主要受兩類因素影響，一是制作材料，二是實際承受熱量的面積。當電池板面對同等強度的太陽光照時，其短路電流呈現的數值基本上不會發生變化。如果光照強度增加，其開路電壓受溫度變化的影響，會出現降低的情況。這表明對光伏電池而言，光照強度與其輸出功率在一定程度上成正比，即光照越強，電池板實際輸出功率越大；電池板實際輸出功率與其表面溫度呈負相關，當電池板表面溫度越高時，電池板實際輸出功率越低。在太陽輻射對電池板的影響下，電池板表面溫度一般比環境溫度高，因此，電池板實際功率比標準輸出功率要低，可對電池板實際輸出功率進行計算：

式中，fpv表示功率降額系數，是電池板實際功率與電池板在額定條件下標準功率的比值，該系數反映灰塵污垢等因素導致電池板輸出功率下降，一般取值為0.9；Ypv表示額定容量，kW；IT表示光照實際強度，kW/m2；IS表示光照符合標準測試條件的強度，kW/m2；ap表示溫度系數，%/℃；Tcell,STC表示當前表面溫度，℃；Tcell,STC表示標準測試條件下電池板表面溫度，一般取值為25℃。

在光伏儲能微電網中，蓄電池是使用廣泛的儲能單元。蓄電池能在一定程度上對光伏工作故障加以抑制，還能保障供電系統整體保持穩定的輸電能力。逆變器與蓄電池具有類似的組成結構，二者均接入直流電流。通過逆變器，能確保直流電流與交流電流形成良好連接。對逆變器進行配置，要考慮組成結構的具體情況，合理設置各項參數[3]。

3 光伏儲能電網經濟運行的優化設計

以某光伏儲能電網工程為例，探究光伏儲能電網經濟運行的優化設計。

3.1 系統設計總方案

某建筑實際承擔大約65kW 的負荷，光伏儲能電網在設計預期上大約采用80kWp 的容量。考慮系統運行實況，對之加以細化，分解成4個并網單元，這樣一來，每個并網單元實際分擔20kWp 的容量。4個并網單元分別靠逆變器與0.4kV 交流電網進行連接。

3.2 發電系統設計

3.2.1 光伏電池陣列設計

電網使用的電池為多晶硅材質的電池組，一般有250WP 的功率。此類電池組在電網運行時，其形成的共組電壓可達到29.6V，其開路電壓可達到37.1V。系統配套的逆變器功率可達20kW，其MPPT 在工作狀態下保持大約300～1000V 的電壓。采用串聯方式設計電池組，串聯的電池塊數為20塊，對于每個逆變器實際配備的電池串聯組為4個，且4個電池串聯組保持并列狀態，實際需要80塊電池組，能形成大約20kWp的發電功率。4個逆變器總共所需電池為320塊。

3.2.2 并網逆變器設計

系統實施并網發電，4臺逆變器輸出的總功率可達80kWp。

3.3 儲能系統設計

為保障穩定的電能供應，大樓整體兼用兩種方式確保電能供應，分別是儲能方式下的電能供應和光伏方式下的電能供應[4]。市電供應保持正常時，結合光伏供電，保障穩定的電能供應。當市電處于斷開狀態時，同時使用儲能供電以及光伏供電。

3.3.1 蓄電池選型、電池串聯以及并聯設計

系統實際承載負荷量最大可達65kW。選用蓄電池要考慮其備用時長和最大電量。對于10h 的備用時長，蓄電池最大電量需達到650kWh。若選用的蓄電池在轉化電能方面的系數是0.7，其大約需消耗930kWh 的電量。以閥控方式進行密封的蓄電池，不需要對之加以額外維護。每節蓄電池在電壓上應保持為2V，在電量上應保持為1500Ah。系統實際使用的電池數量達到310節。串聯所有電池，其端口實際形成高達620V 的電壓。從總部來看，電池組達到930kWh 的容量。

3.3.2 儲能變流器選型

對電能儲存系統進行設計，要選用適用高效的儲能變流器。在案例中，選用適用于系統的效率較高的雙向逆變器，據此完成與光伏發電、蓄電池電能存儲兩大系統以及交流母線之間的連接。根據系統容量，將所選用的儲能變流器的實際容量控制在80kW 左右，將交流輸出的實際電壓有效控制在400VAC 左右，將直流輸出實際電壓控制在500V 以上，800V以下。當系統實際處于離網的運行狀態時，相關設備所保持的狀態為空載，這種情況下，系統為完成充電需要借助儲能變流器，并對大約20%的容量加以預留，而儲能變流器實際保持96kW 左右的容量[5]。

4 系統運行說明

4.1 市電正常

當市電在正常情況下對電能進行供應時，系統實際上保持并網的運行模式，其運行過程包括如下內容。第一，檢測開關上端的實際電壓，如果得到的檢測數值未偏離正常范圍，則自動完成對開關的有效閉合。第二，對市電運行狀態下電壓實際情況進行檢測，如果得到的檢測數值未偏離正常范圍，則按照相關參數，自動完成對系統的正常開機，避免其運行出現不正常的情況，保證對負載模塊進行正常的電能供應，對于剩余的電能，則向電網進行輸送。第三，并網保持正常運行的情況下，正確設置儲能變流器的狀態，完成有效充電。

4.2 市電故障

當市電出現電能供應方面的故障，要及時對系統運行的模式進行切換，通常情況下，采用離網模式繼續保持運行，其主要過程包括如下內容。第一，準確檢測市電的實際情況，判斷是否真正出現斷電情況，如果是則斷開開關。同時，將模式切換的操作信號發送至儲能變流器中，采用離網模式繼續保持運行。第二，當確定故障發生后，開啟有效的保護程序，快速停機。第三，由儲能變流器實施切換操作，在此基礎上檢測端口電壓，確定故障真實存在的情況下，先關機，再對系統加以啟動，最終完成模式切換。第四，利用光伏逆變器實施檢測，如果檢測表明PCS 實際提供的支撐電壓符合相應的電能供應要求，即自動實施開機運行。

4.3 市電恢復

當市電的電能供應恢復正常后，對故障狀態下采用的離網運行模式加以切換，恢復到原來采用的并網運行模式。其過程主要包括如下內容：第一，對市電真實狀態進行檢測，向儲能變流器準確傳遞檢測獲取的信息，自動完成對開關的有效閉合。第二，逆變器有效恢復正常的運行狀態。第三，利用儲能流變器對相關信息進行接收，當市電確實恢復正常后，合理調整當前電壓，并完成模式切換，保持并網狀態運行。當通信發生延遲時，上述轉換過程會受到一定程度的不良影響。在一段時間內，PCS會受到沖擊。當PCS 轉變系統模式成功后，系統充電隨之恢復正常，能確保負載供電保持持續不間斷。

5 優化設計模型研究與展望

基于光伏儲能微電網具備的系統結構，考慮其組件特性，將優化目標設置為確保微電網消耗最少的運行費用，綜合考慮電網功率交互、功率平衡、荷電狀態約束以及蓄電池充放電功率等因素，針對光伏儲能微電網構建優化模型。該模型要對蓄電池形成的折舊成本加以考慮，并對問題規模加以有效降低。對于構建的優化模型，要基于交叉熵優化算法，對樣本生成和概率分布更新兩種方法進行改進，獲取模型求解涉及的完整步驟，實現快速求解。與光伏儲能電網系統形成的運行數據相結合，對所構建的模型和相關算法實施仿真驗證。驗證結果顯示，能有效降低系統運行耗費的成本。考慮用電負荷以及輸出功率具備的不確定性，對光伏儲能電網構建魯棒優化模型，凸顯實用性，獲取能良好適應各類情況的最優策略。

通過以交叉熵為基礎的兩階段松弛法，對所構建的優化模型實施求解，通過光伏儲能系統形成的運行數據，對優化模型和相關算法實施仿真驗證。驗證結果顯示，魯棒優化策略對不確定參數涉及的可能取值具有良好的適應性。

“雨流模型”能對蓄電池實際損耗進行良好反映，但無法考慮溫度、端電壓以及充放電電流等因素產生的影響。可選用恰當模型對蓄電池形成的折舊成本進行計算，對蓄電池具備的性能進行良好反映，獲取更為實用的優化策略。同時考慮市電消耗所排放的等效污染，考慮廢棄蓄電池形成的重金屬污染，對多目標優化模型加以構建，促進系統充分發揮其環境效益，還要考慮系統涉及的各類不確定因素，對光伏儲能電網實際運行調度實施魯棒優化。對于復雜性較強的光伏儲能微電網系統，可遵循事件邏輯，對調度優化模型加以構建，并將滾動優化機制引入其中，在出現突發性事件時，確保系統對模型涉及的參數和各項約束條件實施動態調整。在實施運行優化的同時，對系統配置加以優化，完成對雙層優化模型的構建。將給定配置作為依據，按照生命周期制定各天相應的運行計劃，并根據下層優化形成的結果，對系統整體效益加以計算。

6 結語

綜上所述，秉持分布式發電理念構建的光伏儲能電網能與配電網實現協調良好的并網運行，能優化調度和有效控制電能供應，進而取得良好的經濟效益。光伏儲能微電網能確保分布式電源穩定接入配電網，能促進可再生能源提高滲透率。在未來的研究應用中，要通過熱電聯產，為用戶就近提供高效的供熱服務，對能源進行高效的梯度利用，促進對化石能源的高效利用，并減少環境污染。對光伏儲能微電網實施經濟運行優化，要注重加強對清潔能源的利用，并對可控微電源出力加以調控，實現對不可控微電源出力的有效跟蹤，進而實現對運行成本的有效降低。