基于新型電力系統的光伏系統儲能規劃與協調控制策略研究

DOI:10.12433/zgkjtz.20251903

在“雙碳”目標下，我國能源結構轉型速度加快，新型電力系統建設規模和數量逐漸增加。得益于地理條件優越，光伏產業發展迅速，相關支持政策持續優化完善，推動能源應用技術迭代升級，為構建安全高效、清潔低碳的新型能源體系提供了關鍵支撐。但是光伏系統具有隨機性、間歇性、高功率、大容量的特征，對系統縮小負荷波動、維持供需平衡要求更高，需采取新型儲能緩解能源并網沖擊。因此，在新型電力系統框架下，需科學規劃光伏儲能系統布局，強化其協調控制能力，進而促進新能源實現廣域化、規模化發展。

一、基于新型電力系統的光伏系統儲能的影響因素（一）負荷需求

用戶不同時間用電負荷不同，具有時變性、多樣性特點，其變化規律難以匹配光伏發電特性[。例如，夜晚用戶生活用電負荷增加，光伏系統無法發電；白天用戶用電量少，光伏系統發電量卻處于高峰。這種供需不匹配，需設置恰當容量儲能系統，通過儲能充放電進行協調，用電高峰釋放電能，用電低谷存儲電能，緩解供需矛盾。

（二）電價波動

新型電力系統中，已經逐漸完善電力市場機制，使得電價波動對光伏儲能規劃造成影響。例如，較低電價時，以儲能系統存儲電能；反之，釋

放電能獲取收益。因此，光伏系統應預測電價波動趨勢，對儲能充放電方案進行規劃協調，以提高系統經濟效益。

二、基于新型電力系統的光伏系統儲能規劃與協調方案

（一）雙層規劃模型

1.總體模型

雙層規劃模型是指目標函數部分運行參數屬于相關問題最優解，即優化問題變量受其他優化問題束縛，兩個函數互相影響、彼此相關。在滿足全部約束條件下，計算最小 F(xθ，θ) 數值，卻由于 xθ 參數是 L(x，θ) 問題解函數，求解難度較高。具體流程如下：第一步，初始外層參數代入內層，以智能算法或求解器迭代求解內層目標函數，獲得其近似解；第二步，內層近似解代入外層，以相似求解模式優化外層目標函數，代入內層，更新參數；第三步，多次迭代求解，設置停止條件，直至滿足要求。

根據新型電力系統光伏儲能優化配置問題，設計動態定價機制、光強與負荷，確定最佳儲能配置[。構建“電網一光伏”雙層優化配置模型，下層以光伏最低運行成本構建涵蓋回收收益、退役處置的全周期儲能模型；上層以電網最低運行成本，結合實際負荷制定動態價格。

2.上層模型

在新型電力系統環境下，光伏儲能系統不僅需承擔調峰、調頻等輔助服務功能，還應有效降低電網運行成本，這就要求對相關電價機制進行科學優化。綜合考慮成本，以最低電網運行成本，構建目標函數如下：

minC=C_pur+C_carbon+C_PR+C_FM-F_FV

其中， C_pur 是電網購電成本； C_PR 是儲能參與調峰成本； C_carbon 是碳排放成本； C_FM 是儲能參與調頻成本； F_FV 是儲能參與填谷收益。值得注意的是，要用系統功率平衡對其進行約束，以確保運行穩定安全。

3.下層模型

上層制定填谷、削峰、調頻補償價格，對儲能充放電功率進行優化，以價格對儲能服務進行引導。考慮儲能全周期參與服務收益、成本支出、新能源收益等，以最低光伏系統成本為目標，對儲能配置與充放電功率優化。自標函數如下：

表1不同時刻動態服務電價

minF_DG，ESS=C_total-F_FM-F_DG-F_PR-F_recyle+C_FV

其中， C_total 是儲能全周期成本； F_FM 是儲能參與調頻收益； F_DG 是新能源收益； F_PR 是儲能參與調峰收益； F_recyle 是儲能回收收益； 是儲能參與填谷成本。同時以功率、容量為約束，考慮儲能充放電存在能量損失，需保證電儲能狀態始終相同。

（二）協調設計

在上下層模型構建后，確定約束條件與目標函數，制定動態服務機制對雙層模型優化，求解函數確定協同控制方案。具體步驟如下：第一步，結合上層不同階段負荷要求，對上層模型加以優化，確定不同負荷段服務價格，將其反饋至下層；第二步，將動態電價信息輸入至下層模型，對儲能容量、出力等優化配置，制定計劃上傳至上層模型；第三步，通過動態調整儲能調峰電價機制，激勵儲能系統主動參與調峰與填谷服務，如在調峰時段，由于電網整體處于用電低谷期，負荷功率需求較低，導致補償收益相應減少，從而引導儲能系統更積極地執行填谷操作以平衡電網負荷。

（三）算例分析

例如，某地區新型電力系統光伏儲能項目年均光照 2000h ，配置 100kW 光伏，負荷典型日與新能源場站曲線如圖1所示。

圖1負荷典型日與新能源場站曲線以鋰電池構建雙層配置模型，確定谷時段

為 1:00～6:00 與 23:00～24:00 ，電價0.7461元／kW?h^-1 ；峰時段為 9:00～11:00 與 19:00～22:00 ，電價1.1863元 /kW?h^-1 ；平時段為 7:00～8:00 與12:00～18:00 ，電價0.9582元 /kW?h^-1 。通過上下層迭代優化，采集各時段6個節點，確定最佳填谷、削峰補償電價，詳見表1。

可知，負荷高峰階段上層制定補償最高價格，促使儲能滿功率放電；反之，光伏系統對儲能充電無需額外費用。隨負荷高低對價格進行設定，高峰放電高于填谷補償價格。以此確定儲能充放電功率、光伏輸送功率、電網購電功率，見圖2。

圖2電網、光伏、儲能功率輸出曲線

根據動態電價，儲能積極削峰填谷，負荷最低時儲能參與力度最大，10、11、21時以滿功率儲能放電；19時次高峰充電，新能源站功率輸送驟減，使其從光伏電站補充電量，確保最高負荷階段能夠有效放電，優化調峰效果。對比動態電價與動態電價儲能規劃收益，詳見表2。可見，在動態電價機制下，儲能系統因運營成本低、收益回報高，尤其在參與調頻、填谷及調峰服務時可獲得更高收益，充分體現了其服務調節能力的優勢，最終實現電網與儲能主體的互利共贏。

此外，儲能容量不同配置，確定其最低聯合成本時，最佳儲能配置 450kW?h/160kW ，達到雙方利益最大化。

三、基于新型電力系統的光伏系統儲能的規劃與協調控制策略

(一)分頻協調控制

低通濾波器設計差異、截止頻率誤差，使得儲能電池響應不及時，特別是電池控制器、電池動力學與雙向直流變換器構成的儲能系統，響應速度緩慢。對此，可利用超級電容對其進行補償，以減輕瞬態響應振蕩。為緩解儲能電池運行負荷并延長其使用壽命，采用分頻協調控制策略：當光伏電源與負載總功率發生波動時，系統可將功率信號分解為瞬態分量與平均分量。基于此分解結果，建立儲能系統所需電流與整體功率的關聯模型，進而計算直流母線與參考電壓間的誤差值。該電壓誤差信號經傳統比例控制器處理后生成參考電流，并進一步分離出高頻分量與平均電流分量，據此測算儲能系統的補償功率需求，最終提升儲能系統的整體利用效率。

表2不同定價機制收益

（二）復合控制措施

復合控制策略通過融合閉環控制的高精度特性與開環控制的快速響應優勢，有效提升了系統整體控制精度。該方案將輸入參數設定為前饋目標值，使控制誤差信號不僅作為常規輸入，還能增強系統抗干擾能力；同時，采用開環控制器可在不改變系統階數的前提下，降低閉環控制結構的復雜程度。系統輸出量由電壓、電流補償傳遞函數、誤差量、開環傳遞函數、前饋補償傳遞函數構成，計算系統誤差，以拉氏變換求解，確定雙向變換器升降壓傳遞函數。之后，以Boost設計電壓外環、電流內環，如系統 20kHz 開關頻率，相角裕度 75^° ，內環穿越頻率 2kHz ，將其代入控制系統，求解補償系數0.395與753.3，以此改善低頻段系統控制性能，穩定閉環電流。

四、結論

綜上所述，針對新型電力系統光伏系統儲能影響因素探討，構建雙層規劃模型開展協調設計，以算例驗證方案有效性。并提出智能調控、優化控制與協同控制策略，獲得以下結論：一是光伏系統受光照強度輸出功率存在波動，需立足用戶負荷、電價等引入儲能，使其參與新型電力系統供能服務；二是在電力系統調頻調峰運行中，構建動態化的輔助服務定價機制，通過上層決策價格向下游傳導的價格信號，引導儲能系統基于實時價格動態優化其運行計劃與容量配置，以增加儲能設備參與調頻和調峰服務的持續時長；三是光伏系統儲能協調控制中，可采取復合分頻協調控制方法，動態調控，從而保證新型電力系統運行穩定。

參考文獻：

[1]秦柯，胡江，劉小江，等.多能互補風光水火儲一體化系統裝機容量規劃及協調控制方法研究U].太陽能，2025(5):81-87.

[2]李建林，孫新喆，武亦文，等.考慮低碳需求的園區光伏及儲能多目標聯合容量規劃方法研究Ⅲ].北方工業大學學報，2025，37(2):1-12.

[3]肖凌超，邱乾勝，錢其峰.“雙碳\"背景下新型分布式光伏系統的儲能規劃與運行控制技術研究[J].自動化應用，2024，65(S2)：157-159+163.

[4]劉向龍，蔡文斌，于源，等.基于系統調度成本和儲能經濟收益規劃的“源一網一儲\"協同互動優化調度策略[].科學技術與工程，2024，24(35):15065-15073.

（作者單位：華能西藏雅魯藏布江水電開發投資有限公司新能源分公司）