光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用電峰谷差自適應(yīng)控制技術(shù)

摘" 要： 光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)（PMESS）用電峰谷差的增大會導(dǎo)致電網(wǎng)負荷波動增大，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定性。為了有效降低電網(wǎng)的峰谷差，提出一種光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用電峰谷差自適應(yīng)控制技術(shù)。通過估計光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的負荷，計算光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的充電功率和電量，并根據(jù)該計算結(jié)果計算光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的額定容量。設(shè)置用電峰谷差自適應(yīng)控制約束條件，并結(jié)合二輪迭代的方式實現(xiàn)光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用電峰谷差自適應(yīng)控制。實驗結(jié)果表明，所提技術(shù)可以準確估計光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負荷，并將用電峰谷差控制在200 kW左右，同時，可以有效提升光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的有功功率，具有良好的實際應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞： 光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)； 用電峰谷差； 自適應(yīng)控制； 負荷估計； 充放電功率； 儲能容量

中圖分類號： TN245?34； TP206" " " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2024）24?0105?04

PMESS adaptive control technology for peak valley difference in electricity consumption

LI Shuangying

（Qinghai Minzu University， Xining 810007， China）

Abstract： The increase in peak valley difference in electricity consumption of photovoltaic microgrid energy storage system （PMESS） can lead to increased load fluctuations in the power grid， affecting the stability of the power grid. In order to effectively reduce the peak valley difference of the power grid， a PMESS adaptive control technology for the peak valley difference in electricity consumption is proposed. By estimating the load of photovoltaic microgrid power generation system， the charging power and quantity of PMESS is calculated， and the rated capacity of PMESS based on the calculation results is calculated. The constraints for adaptive control of peak valley difference in electricity consumption are set， and combining with a two round iteration method， the PMESS adaptive control for peak valley difference in electricity consumption is implemented by means of two rounds of iteration. The experimental results show that the proposed technology can accurately estimate the load PMESS and control the peak valley difference in electricity consumption to around 200 kW， which can effectively improve the active power of PMESS and has good practical application effects.

Keywords： photovoltaic microgrid energy storage system; peak valley difference in electricity consumption; adaptive control; load estimation; charging and discharging power; energy storage capacity

0" 引" 言

光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)（PV?Microgrid Energy Storage System， PMESS）通過集成光伏發(fā)電技術(shù)和儲能設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)電能的自給自足和余電上網(wǎng)，有效減輕電網(wǎng)負擔。然而，光伏能源的產(chǎn)生受到日照強度、天氣變化等多種自然因素的制約，具有間歇性和波動性的特點[1]，這給光伏微網(wǎng)在實際運行中的電力供需平衡帶來了挑戰(zhàn)。特別是在用電峰谷時段，電力負荷的劇烈波動對微網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了更高要求。因此，開發(fā)一種能夠自適應(yīng)調(diào)整儲能系統(tǒng)充放電策略、實現(xiàn)用電峰谷差自適應(yīng)控制的技術(shù)，成為了解決這一問題的關(guān)鍵。

文獻[2]通過建立共享相變儲能區(qū)域聯(lián)合控制架構(gòu)，并運用非合作博弈方法，在不同場景下優(yōu)化電力供需平衡。然而，該技術(shù)在實際應(yīng)用中仍受限于儲能系統(tǒng)的技術(shù)性能、經(jīng)濟成本和維護管理等因素。文獻[3]以光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的凈負荷方差和用電支出為優(yōu)化目標，力求在不確定的光伏電網(wǎng)負荷下實現(xiàn)對用電峰谷的有效控制。然而，由于負荷預(yù)測的不準確性，該方法在實際應(yīng)用中可能面臨挑戰(zhàn)。文獻[4]通過建立多目標優(yōu)化模型并應(yīng)用量子粒子群算法，實現(xiàn)光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的優(yōu)化。然而，模型假設(shè)可能與實際情況存在偏差，影響優(yōu)化結(jié)果的實際效果。文獻[5]以最小化用戶側(cè)電費為目標，使用粒子群算法求解，旨在降低用電峰谷差。然而，粒子群算法本身存在的局限性可能會導(dǎo)致優(yōu)化結(jié)果不夠精確。

為了優(yōu)化光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的運行性能，提高其對電力峰谷差的適應(yīng)能力，在光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)中引入自適應(yīng)控制技術(shù)，使得光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)更好地匹配電力負荷的需求，從而減少能源的浪費，提高能源的利用率。

1" 用電峰谷差自適應(yīng)控制

1.1" 光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負荷估計

光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)在實際運行過程中，受到天氣條件、光照度等多種因素的影響，這些因素的不確定性導(dǎo)致負荷預(yù)測存在誤差[6]。如果負荷預(yù)測不準確，那么基于預(yù)測結(jié)果進行的削峰填谷調(diào)度可能無法達到預(yù)期的效果。因此，在對光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用電峰谷差進行自適應(yīng)控制時，對光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的負荷進行估計，依據(jù)該估計結(jié)果計算光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的充電功率和電量。

光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)實時輸出功率主要由當前太陽光照度和環(huán)境溫度影響[7]，且光伏微網(wǎng)內(nèi)光伏組件的發(fā)電量和其接收到的太陽光照度成正相關(guān)關(guān)系[8]。

在標準測試STC情況下，光伏組件的額定輸出功率[PS]與其額定裝機容量相同[9]，計算公式如下：

[PS=ZrefΓSA]" " " " " " （1）

式中：[Zref]為標準光照度；[ΓS]表示標準光照度下，光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率；[A]表示光伏微網(wǎng)組件面積。

當前環(huán)境溫度是直接影響光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率的因素，[T]時刻光伏組件轉(zhuǎn)換效率計算公式如下：

[ΓT=ΓS-ΦQ（t）-Qref]" " " " " "（2）

式中：[Φ]表示光伏組件溫度系數(shù)；[Qref]為標準參考溫度，通常數(shù)值為25 ℃；[t]表示時間；[Q（t）]為[t]時光伏組件工作溫度，計算公式如下：

[Q（t）=Qa（t）+?Zeff（t）-20Zeff（t）（0.8Zref）] （3）

式中：[Qa（t）]為環(huán)境溫度；[?]為光伏組件額定工作溫度；[Zeff（t）]表示太陽光有效光照度。

聯(lián)立式（1）～式（3），則光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負荷估計公式如下：

[PPV（t）=PSZeff（t）Zref·" " " " " "1-ΦQa（t）+?-200.8Zref·Zeff（t）-Qref] （4）

將當前有效太陽光照度和環(huán)境溫度代入式（4）內(nèi)，即可得到光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負荷估計結(jié)果。

1.2" 光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)額定容量計算

在電力需求快速變化的情況下，系統(tǒng)需要能夠快速響應(yīng)并調(diào)整儲能設(shè)備的充放電策略。如果儲能系統(tǒng)的容量設(shè)計不合理，可能會導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度過慢，無法滿足實時需求。通過計算額定容量可以確保儲能系統(tǒng)具有足夠的容量來應(yīng)對電力需求的波動，避免在高峰時段出現(xiàn)電力短缺，或在低谷時段過度充放電。

在實際應(yīng)用中，光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的充放電損耗僅需考慮其中充電損耗，放電時的損耗則在充電能量變化計算時考慮。光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)存儲的電量[Rch]計算公式如下：

[Rch=RdisPPV（t）（1-γ）]" " " " " " " "（5）

式中：[Rdis]表示光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)放電電量；[γ]表示充放電損耗系數(shù)。

為使光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)存儲電量達到[Rch]，在保障光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)一定裕度情況下，計算光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)額定放電功率[Pdis，r]，公式如下：

[Pdis，r=Rch（1-ψdis）]" " " " " " " （6）

式中[ψdis]表示光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)放電裕度系數(shù)。

同樣考慮一定裕度，則光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)額定的充電功率[Pch，r]計算公式如下：

[Pch，r=Pch（1-ψch）]" " " " " " " " " "（7）

式中[ψch]表示光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)充電裕度系數(shù)。

由式（5）～式（7）可知，光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的充電功率限值要大于放電功率，其在放電過程中存在電能損耗。在保障光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)供電穩(wěn)定情況下，其額定存儲能量大于放電電量，則光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的額定容量[Ress]計算公式如下：

[Ress=（1+δ）Rdis（1-γ）]" " " " " " " "（8）

式中[δ]表示光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)電量裕度系數(shù)。

在用電峰谷差自適應(yīng)控制過程中，系統(tǒng)需要根據(jù)實時的電力需求和負荷變化來調(diào)整儲能系統(tǒng)的充放電策略。通過計算光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的額定容量可以使得系統(tǒng)更加準確地評估當前的電力需求和負荷變化，幫助系統(tǒng)實現(xiàn)用電峰谷差自適應(yīng)控制。

1.3" 用電峰谷差自適應(yīng)控制實現(xiàn)

額定容量是一個相對保守的估計，它沒有考慮到所有可能的優(yōu)化條件。通過設(shè)置用電峰谷差自適應(yīng)控制約束條件，并結(jié)合二輪迭代的方式，可以根據(jù)實時的用電負荷情況調(diào)整儲能系統(tǒng)的充放電策略，從而最大限度地提高系統(tǒng)的運行效率，完成對光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的用電峰谷差的自適應(yīng)控制。其詳細實現(xiàn)過程如下。

1.3.1" 首輪迭代

在首輪迭代用電峰谷差自適應(yīng)控制中，僅考慮光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)電量約束，以光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)最大可充放電容量[Emax]與儲能系統(tǒng)實際充放電電量相等作為原則，則首輪迭代用電峰谷差自適應(yīng)控制需要滿足的約束條件如下：

[Rch-Rdis≤εRmax≥Rch≥RdisRmax-Rch≤μ]" " " " " " " "（9）

式中：[ε]、[μ]均表示用戶設(shè)置的儲能系統(tǒng)電量閾值；[Rmax]表示光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)存儲的最大電量。

依據(jù)公式（9）約束條件，首輪用電峰谷差自適應(yīng)控制步驟如下。

Step1：設(shè)定光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)初始電量值和[μ]、[ε]數(shù)值，迭代步長設(shè)置為[ΔP1]。

Step2：將一天作為一個周期，在該周期內(nèi)將充放電[Pch]、[Pdis]的峰值和谷值的均值作為迭代初始值，以步長[ΔP1]向下迭代，利用公式（5）計算當前光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)存儲電量[Rch]，直至其滿足公式（9）約束條件后，計算光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)充電邊際功率[PH1]。[PH1]公式為：

[PH1=Pch-χ·ΔP1]" " " " " "（10）

式中[χ]為光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)功率負荷標準差。

Step3：運用Step2相同方法，計算光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)放電邊際功率[PH2]。

1.3.2" 二輪迭代

在二輪迭代用電峰谷差自適應(yīng)控制過程中，以電量恒定作為原則，以光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)額定充放電功率[Pch，r]、[Pdis，r]和額定容量[Ress]作為約束，在步長為[ΔP2]的情況下，對首輪迭代用電峰谷差自適應(yīng)控制中得到的光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)充放電邊際功率進行約束，實現(xiàn)光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用電峰谷差自適應(yīng)控制。其詳細步驟如下。

Step1：將首輪迭代過程中得到的光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)充放電邊際功率[PH1]、[PH2]和光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負荷估計[PPV（t）]作為基礎(chǔ)[10?11]，從[PPV（t）]曲線峰值開始，按照步長[ΔP2]逐級向下尋找光伏微網(wǎng)儲能放電功率不滿足約束條件情況，即發(fā)生越限情況。

Step2：當光伏微網(wǎng)儲能在[t]時刻發(fā)生越限時，則將該時間點的光伏微網(wǎng)儲能放電功率當作額定功率[12?13]，在該額定功率基礎(chǔ)上繼續(xù)逐級向下尋找放電功率越限情況。在該過程中，[PH1]和[PH2]同時逐級向下迭代，直至放電電量滿足公式（9）約束條件為止，再利用公式（10）確定當前光伏微網(wǎng)儲能放電邊際功率數(shù)值。在該放電邊際功率約束下，獲得光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)不同時刻放電功率，利用該放電功率控制光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)在不同時刻放電，縮小光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用電峰谷差。

Step3：同理，運用上述步驟可計算光伏儲能系統(tǒng)不同時刻的充電功率，可控制光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)在不同時刻充電。

利用上述二輪迭代用電峰谷差自適應(yīng)控制技術(shù)可以實現(xiàn)對光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用電峰谷差的控制。

2" 實驗分析

2.1" 實驗設(shè)置

以某區(qū)域光伏微電網(wǎng)作為實驗對象，光伏微電網(wǎng)見圖1。

該光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)光伏峰值功率為210 W，儲能系統(tǒng)蓄電池最大充放電電流均為200 A，充電效率為0.921 5。運用本文技術(shù)對該區(qū)域光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用點峰谷差進行控制，驗證本文技術(shù)的應(yīng)用性。

對光伏微網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負荷進行估計是構(gòu)建光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎(chǔ)，以該光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)某時間段作為實驗對象，使用本文技術(shù)對其負荷進行估計，估計結(jié)果如圖2所示。分析圖2可知，該光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)在不同時間點的負荷均不同，但整體負荷呈現(xiàn)峰狀分布。本文技術(shù)對該光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)負荷的估計結(jié)果與其實際負荷曲線完全吻合，說明本文技術(shù)可準確獲得光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)當前負荷數(shù)值，將該數(shù)值作為光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

2.2" 結(jié)果與分析

以該光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)某時段作為實驗對象，使用本文技術(shù)對該時段光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的用電峰谷差進行自適應(yīng)控制，控制結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，應(yīng)用本文方法后，可以將功率負荷控制在3 000 kW以內(nèi)，其中，波谷數(shù)值為2 780 kW左右，波峰數(shù)值為2 980 kW左右，其用電峰谷差為200 kW左右。該數(shù)值表明：應(yīng)用本文技術(shù)可有效實現(xiàn)光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用電峰谷差自適應(yīng)控制，降低其峰谷差數(shù)值，應(yīng)用效果較為顯著。以該光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)8個電池荷電狀態(tài)（SOC）作為衡量本文技術(shù)自適應(yīng)控制光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用電峰谷差效果指標，應(yīng)用本文技術(shù)后，測試該8個電池荷電狀態(tài)是否滿足應(yīng)用需求。該光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)為保障穩(wěn)定供電，電池荷電狀態(tài)（SOC）閾值為65%，測試結(jié)果見圖4。分析圖4可知，應(yīng)用本文技術(shù)對光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用電峰谷差進行自適應(yīng)控制后，該光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)的電池荷電狀態(tài)均超過65%閾值。該數(shù)值表明本文系統(tǒng)對光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用電峰谷差進行自適應(yīng)控制后，可保障儲能系統(tǒng)電池處于穩(wěn)定荷電狀態(tài)并滿足電池荷電狀態(tài)閾值，為用戶提供穩(wěn)定的電源供應(yīng)。

3" 結(jié)" 論

為提升微網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定性，本文提出一種光伏微網(wǎng)儲能系統(tǒng)用電峰谷差自適應(yīng)控制技術(shù)。結(jié)果表明，該技術(shù)可自適應(yīng)調(diào)整儲能系統(tǒng)充放電策略，有效平抑了電力負荷的峰谷波動，顯著提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量和供電可靠性。

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作者簡介：李雙營（1977—）， 男，山西方山人，博士研究生，副教授，研究方向為遙感測量。