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摘要：本研究旨在優(yōu)化儲(chǔ)能型光伏電站電池容量配置與協(xié)調(diào)控制，通過(guò)分析光伏電站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、儲(chǔ)能單元的容量配置及充放電策略以及電網(wǎng)和負(fù)荷單元的設(shè)計(jì)，構(gòu)建了光伏儲(chǔ)電站可靠性模型。通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型儲(chǔ)能電池的性能參數(shù)進(jìn)行分析和比較，提出了科學(xué)合理的容量?jī)?yōu)化配置方案。此外，研究還探討了多組混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的事件觸發(fā)函數(shù)和調(diào)節(jié)機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)更的能量管理和提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，鉛酸功率密度電池在當(dāng)前技術(shù)條件下展現(xiàn)出的性能表現(xiàn)，成為光伏儲(chǔ)電站容量?jī)?yōu)化配置的理想選擇。同時(shí)，優(yōu)化后的控制策略顯著提高了儲(chǔ)能型光伏電站的整體性能，為未來(lái)類(lèi)似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)提供了重要的參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：光伏電站；電池容量?jī)?yōu)化；協(xié)調(diào)控制
儲(chǔ)能型光伏電站作為解決可再生能源間歇性和不穩(wěn)定性的有效手段，對(duì)提高能源利用率、優(yōu)化電網(wǎng)運(yùn)行和推動(dòng)綠色能源轉(zhuǎn)型具有重要意義。隨著光伏技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，光伏發(fā)電在全球能源結(jié)構(gòu)中的比重不斷上升。然而，光伏發(fā)電的波動(dòng)性和不可預(yù)測(cè)性給電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了挑戰(zhàn)。因此，如何有效配置儲(chǔ)能電池容量并協(xié)調(diào)控制儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏發(fā)電成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)儲(chǔ)能型光伏電站進(jìn)行了大量的研究工作，涉及電池容量配置優(yōu)化、能量管理策略、經(jīng)濟(jì)性分析和穩(wěn)定性評(píng)估等方面?，F(xiàn)有研究在一定程度上提高了儲(chǔ)能系統(tǒng)的使用效率和經(jīng)濟(jì)性，但仍存在一些不足之處。首先，多數(shù)研究側(cè)重于特定條件下的系統(tǒng)性能分析，缺乏對(duì)不同環(huán)境和運(yùn)行模式下適應(yīng)性的深入探討。其次，關(guān)于儲(chǔ)能與光伏系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制的研究還不夠充分，特別是在多組混合儲(chǔ)能系統(tǒng)之間的協(xié)同作用機(jī)制方面。現(xiàn)有的優(yōu)化模型和控制策略往往忽略了實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)限制和成本因素，導(dǎo)致理論成果難以應(yīng)用于實(shí)踐。針對(duì)現(xiàn)有研究的不足，本文提出了一種新的儲(chǔ)能型光伏電站電池容量?jī)?yōu)化配置與協(xié)調(diào)控制研究思路。首先，綜合考慮光伏發(fā)電的不確定性和負(fù)荷需求的動(dòng)態(tài)變化，建立一個(gè)更為通用的光伏儲(chǔ)電站可靠性模型。在此基礎(chǔ)上，引入功率滲透率和容量滲透率等關(guān)鍵指標(biāo)，分析其對(duì)光儲(chǔ)電站穩(wěn)定性的影響。進(jìn)一步，通過(guò)對(duì)不同類(lèi)型儲(chǔ)能電池的性能參數(shù)進(jìn)行細(xì)致比較，提出容量?jī)?yōu)化配置方案。同時(shí)，設(shè)計(jì)多組混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，通過(guò)事件觸發(fā)函數(shù)和調(diào)節(jié)機(jī)制實(shí)現(xiàn)的能量管理和提升系統(tǒng)穩(wěn)定性。
在光伏發(fā)電單元的設(shè)計(jì)上，它主要由光伏電池組件以串并聯(lián)的方式構(gòu)成。為了優(yōu)化光伏控制策略，對(duì)光伏電池的特性進(jìn)行深入分析。這涉及到考慮光伏電池在不同環(huán)境條件下的性能表現(xiàn)，通過(guò)對(duì)這些特性的深入理解，可以更地預(yù)測(cè)和調(diào)整光伏發(fā)電單元的輸出，以匹配儲(chǔ)能單元的需求和電網(wǎng)的負(fù)載情況儲(chǔ)能單元的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于其容量配置和充放電策略。鑒于光伏發(fā)電的間歇性和不確定性，儲(chǔ)能單元需要具備足夠的容量來(lái)存儲(chǔ)過(guò)剩的能量，并在光伏發(fā)電不足時(shí)釋放能量以滿足負(fù)荷需求。
對(duì)于電網(wǎng)和負(fù)荷單元的設(shè)計(jì)，則需要考慮到與外部電網(wǎng)的交互作用以及內(nèi)部負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化。這意味著系統(tǒng)需要能夠根據(jù)電網(wǎng)的需求和負(fù)荷的實(shí)際情況靈活調(diào)整其輸出，同時(shí)保證電網(wǎng)的穩(wěn)定性和負(fù)荷的供電質(zhì)量。
2.1光伏儲(chǔ)電站可靠性模型建立
通過(guò)深入研究和數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)光伏滲透率對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響不容忽視，當(dāng)光伏裝機(jī)容量超過(guò)一定閾值時(shí)，區(qū)域配電網(wǎng)可能面臨無(wú)法吸納其產(chǎn)生的電力的挑戰(zhàn)，導(dǎo)致光伏向電網(wǎng)倒送功率的現(xiàn)象加劇。特別是在高滲透率光伏電站并入電網(wǎng)的情況下，這種現(xiàn)象更為顯著。一旦凈負(fù)荷超出系統(tǒng)出力范圍，局域電網(wǎng)機(jī)組可能會(huì)被迫停止運(yùn)行，從而對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。
為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，本研究提出了將光伏滲透率作為評(píng)估光伏電站儲(chǔ)能配置的關(guān)鍵指標(biāo)。通過(guò)綜合考慮光伏裝機(jī)容量、區(qū)域配電網(wǎng)的吸納能力以及電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求，可以合理規(guī)劃光伏電站的儲(chǔ)能配置，以確保在高滲透率情況下電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，這也為光伏電站的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)提供了科學(xué)依據(jù)，有助于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益與電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的雙贏局面。
在構(gòu)建光伏與儲(chǔ)能一體化模型的過(guò)程中，本研究將光伏系統(tǒng)和儲(chǔ)能裝置視為一個(gè)整合的單元進(jìn)行考量。模型構(gòu)建時(shí)特別關(guān)注了兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：功率滲透率（PP）和容量滲透率（Cp）。
功率滲透率定義為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在某一特定時(shí)刻所產(chǎn)生的電力與該時(shí)刻總負(fù)荷之間的比值。若該比值超過(guò)100%，則表明在該時(shí)刻光伏發(fā)電量超出了即時(shí)的負(fù)荷需求，多余的電能將被輸送回電網(wǎng)。
容量滲透率則是評(píng)估一個(gè)區(qū)域內(nèi)配電網(wǎng)中光伏發(fā)電全年累計(jì)發(fā)電量與全年負(fù)荷量之比。此指標(biāo)反映了光伏系統(tǒng)安裝的潛在飽和程度，即光伏發(fā)電能力相對(duì)于區(qū)域電負(fù)荷的比例。
在開(kāi)展光伏滲透率分析及儲(chǔ)能配置研究的過(guò)程中，這項(xiàng)工作是建立在一系列假設(shè)之上的。首先，假定光伏電能在傳輸過(guò)程中不存在損耗。這一假設(shè)旨在簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，使得能量傳輸效率達(dá)到100%。其次，研究忽略了不同光伏變流器制造商之間的差異以及環(huán)境變化對(duì)光伏系統(tǒng)輸出的影響。
在時(shí)間尺度上，不涉及光伏出力的瞬態(tài)問(wèn)題，而是以小時(shí)作為計(jì)量單位來(lái)評(píng)估光伏輸出。此外，配電網(wǎng)模型被簡(jiǎn)化為單一負(fù)荷節(jié)點(diǎn)，不考慮饋線間的相互作用。這種簡(jiǎn)化能夠有效地減少模型的復(fù)雜性，使得分析和計(jì)算更加，同時(shí)確保研究結(jié)果具有標(biāo)準(zhǔn)化的語(yǔ)言表達(dá)。
2.2光伏儲(chǔ)電站系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化
通過(guò)對(duì)光儲(chǔ)電站系統(tǒng)的運(yùn)行功率進(jìn)行深入研究發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠滿足每小時(shí)平均負(fù)荷為198.54kWh的需求，本文需要配置837kW的光伏裝機(jī)容量和2998kW·h的儲(chǔ)能裝機(jī)容量。在這種配置下，光伏系統(tǒng)平均每小時(shí)發(fā)電量為198.78kWh，足以滿足配電網(wǎng)的負(fù)荷需求。
在實(shí)際操作中，由于季度變化導(dǎo)致光伏發(fā)電量與負(fù)荷電量之間存在差異，因此有必要進(jìn)行光伏滲透率分析以?xún)?yōu)化光儲(chǔ)電站的配置。根據(jù)全年滲透率曲線，在晴朗天氣狀況下，光伏在滿足配電網(wǎng)負(fù)荷用電的同時(shí)，還會(huì)向電網(wǎng)倒送能量。此外，四季的光伏滲透率基本上都略高于典型曲線下計(jì)算的光伏滲透率，這表明實(shí)際運(yùn)行中的光伏電站性能優(yōu)于預(yù)期，但同時(shí)也凸顯出對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的依賴(lài)性以及在不同季節(jié)中對(duì)能量管理策略進(jìn)行調(diào)整的需求。
通過(guò)對(duì)這些不同類(lèi)型儲(chǔ)能電池的性能參數(shù)進(jìn)行分析和比較可以更好地了解它們?cè)诓煌瑧?yīng)用場(chǎng)景下的表現(xiàn)，并據(jù)此進(jìn)行科學(xué)合理的容量?jī)?yōu)化配置。綜合考量各種電池的能量密度、循環(huán)壽命、成本以及環(huán)境影響等因素，研究發(fā)現(xiàn)鉛酸功率密度電池在當(dāng)前的技術(shù)條件下展現(xiàn)出的性能表現(xiàn)。這種電池不僅在功率輸出方面具有優(yōu)勢(shì)，而且在經(jīng)濟(jì)性和成熟度上也較為突出，使其成為光伏儲(chǔ)電站容量?jī)?yōu)化配置的理想選擇。
在儲(chǔ)能型光伏電站電池容量?jī)?yōu)化配置與協(xié)調(diào)控制研究中，多組混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略是核心內(nèi)容之一。由于單個(gè)儲(chǔ)能單元的容量和電力電子變換器的限制，單組混合儲(chǔ)能往往無(wú)法滿足較大的能量調(diào)控需求。因此，通過(guò)多組混合儲(chǔ)能的共同參與和協(xié)調(diào)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)更的能量管理。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，本文首先設(shè)計(jì)了一個(gè)多混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)事件觸發(fā)函數(shù)。這個(gè)函數(shù)的主要目的是合理地分配不同混合儲(chǔ)能單元的充放電功率，以確保系統(tǒng)的整體性能達(dá)到狀態(tài)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了下垂控制原理，通過(guò)這種原理可以計(jì)算出多組混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出電壓參考值以及輸出電流。本文引入平均電壓觀測(cè)器的概念，通過(guò)觀測(cè)器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)儲(chǔ)能單元的電壓變化情況，并根據(jù)這些信息來(lái)調(diào)整輸出電壓參考值。此外，本文還采用了比例電流調(diào)節(jié)機(jī)制。這種機(jī)制可以根據(jù)實(shí)際電流的變化情況來(lái)調(diào)整輸出電壓參考值，使得輸出電壓更接近額定值。
在這種復(fù)雜的運(yùn)行模式下，多組混合儲(chǔ)能系統(tǒng)會(huì)處于不斷的動(dòng)態(tài)變化之中，這就需要上層控制器進(jìn)行周期性調(diào)節(jié)，以確保整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)與穩(wěn)定。為了降低上層控制器的通信負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，建立了相應(yīng)的混合儲(chǔ)能調(diào)節(jié)觸發(fā)事件函數(shù)。這一函數(shù)的設(shè)計(jì)旨在減少不必要的調(diào)節(jié)操作，通過(guò)智能判斷系統(tǒng)狀態(tài)，僅在必要時(shí)觸發(fā)調(diào)節(jié)指令。這不僅優(yōu)化了通信資源的使用，還提升了系統(tǒng)的整體響應(yīng)速度和可靠性。
相比傳統(tǒng)的控制方法，該策略在多個(gè)方面表現(xiàn)出了顯著的優(yōu)勢(shì)。首先，它有效地減少了系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率波動(dòng)，提高了電能質(zhì)量。其次，由于該策略能夠優(yōu)化儲(chǔ)能單元的工作狀態(tài)，使得多組混合儲(chǔ)能協(xié)調(diào)控制的觸發(fā)次數(shù)減少，進(jìn)而延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命并降低了維護(hù)成本。
此外，通過(guò)減少不必要的頻繁充放電循環(huán)，該策略還提高了系統(tǒng)的整體效率和可靠性。最終，這些改進(jìn)使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定，能夠更好地應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的工況和負(fù)載需求，為用戶提供更加的電力服務(wù)。
4.1安科瑞智慧能源管理平臺(tái)
AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)是針對(duì)企業(yè)微電網(wǎng)的能效管理平臺(tái)，對(duì)企業(yè)微電網(wǎng)分布式電源、市政電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、充電設(shè)施以及各類(lèi)交直流負(fù)荷的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)視、智能預(yù)測(cè)、動(dòng)態(tài)調(diào)配，優(yōu)化策略，診斷告警，可調(diào)度源荷有序互動(dòng)、能源全景分析，滿足企業(yè)微電網(wǎng)能效管理數(shù)字化、安全分析智能化、調(diào)整控制動(dòng)態(tài)化、全景分析可視化的需求，完成不同策略下光儲(chǔ)充資源之間的靈活互動(dòng)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，為用戶降低能源成本，提高微電網(wǎng)運(yùn)行效率。AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)可以接受虛擬電廠的調(diào)度指令和需求響應(yīng)，是虛擬電廠平臺(tái)的企業(yè)級(jí)子系統(tǒng)。
圖1 AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)主界面
4.2平臺(tái)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)-充"各環(huán)節(jié)，通過(guò)智能網(wǎng)關(guān)采集測(cè)控裝置、光伏、儲(chǔ)能、充電樁、常規(guī)負(fù)荷數(shù)據(jù)，根據(jù)負(fù)荷變化和電網(wǎng)調(diào)度進(jìn)行優(yōu)化控制，促進(jìn)新能源消納的同時(shí)降低對(duì)電網(wǎng)的至大需量，使之運(yùn)行安全。
圖2 AcrelEMS 智慧能源管理平臺(tái)結(jié)構(gòu)
4.3平臺(tái)功能
4.3.1.能源數(shù)字化展示
通過(guò)展示大屏實(shí)時(shí)顯示市電、光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能、充電樁以及其它負(fù)荷數(shù)據(jù)，快速了解能源運(yùn)行情況。
4.3.2.優(yōu)化控制
直觀顯示能源生產(chǎn)及流向，包括市電、光伏、儲(chǔ)能充電及消耗過(guò)程，通過(guò)優(yōu)化控制儲(chǔ)能和可控負(fù)載提升新能源消納，削峰填谷，平滑系統(tǒng)出力，并顯示優(yōu)化前和優(yōu)化后能源曲線對(duì)比等。
4.3.3.智能預(yù)測(cè)
結(jié)合氣象數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)對(duì)光伏、風(fēng)力發(fā)電功率和負(fù)荷功率進(jìn)行預(yù)測(cè)，并與實(shí)際功率進(jìn)行對(duì)比分析，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷控制實(shí)現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度，降低需量和用電成本。
4.3.4.能耗分析
采集企業(yè)電、水、天然氣、冷/熱量等各種能源介質(zhì)消耗量，進(jìn)行同環(huán)比比較，顯示能源流向，能耗對(duì)標(biāo)，并折算標(biāo)煤或碳排放等。
4.3.5.有序充電
系統(tǒng)支持接入交直流充電樁，并根據(jù)企業(yè)負(fù)荷和變壓器容量，并和變壓器負(fù)荷率進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，引導(dǎo)用戶有序充電，保障企業(yè)微電網(wǎng)運(yùn)行安全。
4.3.6.運(yùn)維巡檢
系統(tǒng)支持任務(wù)管理、巡檢/缺陷/消警/搶修記錄以及通知工單管理，并通過(guò)北斗定位跟蹤運(yùn)維人員軌跡，實(shí)現(xiàn)運(yùn)維流程閉環(huán)管理。
4.4設(shè)備選型
除了智慧能源管理平臺(tái)外，還具備現(xiàn)場(chǎng)傳感器、智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備，組成了完整的“云-邊-端"能源數(shù)字化體系，具體包括高低壓配電綜合保護(hù)和監(jiān)測(cè)產(chǎn)品、電能質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)裝置、電能質(zhì)量治理、照明控制、充電樁、電氣消防類(lèi)解決方案等，可以為虛擬電廠企業(yè)級(jí)的能源管理系統(tǒng)提供一站式服務(wù)能力。
安科瑞系統(tǒng)解決方案還包含電力運(yùn)維云平臺(tái)、能源綜合計(jì)費(fèi)管理平臺(tái)、環(huán)保用電監(jiān)管云平臺(tái)、充電樁運(yùn)營(yíng)管理云平臺(tái)、智慧消防云平臺(tái)、電力監(jiān)控系統(tǒng)、微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)、智能照明控制系統(tǒng)、電能質(zhì)量治理系統(tǒng)、電氣消防系統(tǒng)、隔離電源絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等系統(tǒng)解決方案，覆蓋企業(yè)微電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)，打造準(zhǔn)確感知、邊緣智能、智慧運(yùn)行的企業(yè)微電網(wǎng)智慧能源管理系統(tǒng)。
經(jīng)過(guò)深入的研究和分析，本研究在儲(chǔ)能型光伏電站電池容量?jī)?yōu)化配置與協(xié)調(diào)控制方面取得了顯著成果。通過(guò)構(gòu)建考慮光伏發(fā)電不確定性和負(fù)荷需求動(dòng)態(tài)變化的光伏儲(chǔ)電站可靠性模型，并引入功率滲透率和容量滲透率等關(guān)鍵指標(biāo)，有效評(píng)估了光儲(chǔ)電站的穩(wěn)定性。同時(shí)，針對(duì)不同類(lèi)型儲(chǔ)能電池的性能參數(shù)進(jìn)行細(xì)致比較，提出了一種科學(xué)合理的容量?jī)?yōu)化配置方案。此外還設(shè)計(jì)了多組混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，通過(guò)事件觸發(fā)函數(shù)和調(diào)節(jié)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了的能量管理和系統(tǒng)穩(wěn)定性提升。這些研究成果不僅為儲(chǔ)能型光伏電站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了而實(shí)用的指導(dǎo)，也為可再生能源在能源系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。結(jié)合實(shí)際情況，未來(lái)還需考慮更多的技術(shù)限制和成本因素，如何平衡經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性以達(dá)到配置仍需深入研究。
