摘要：以建设在某高速公路服务区的分布式光储电站为研究对象，详细设计了包含光伏输出控制模块、无功补偿控制模块以及储能充放电控制模块等的能量管理控制策略，能够有效的提高光储电站用户侧电压水平以及整个电站的安全稳定运行。现场试验证明了本文所提能量管理策略的可行性及有效性。
关键词：分布式发电；光储电站；能量管理
一、引言
由于传统集中式电力系统存在强耦合性，局部事故极易扩展到全网，且不能可靠、迅速的跟踪电力峰荷的变化等缺点以及难以满足越来越高的环保要求等，自上世纪80年代以来，可以靠近用电负荷的分布式发电技术备受青睐。
分布式光伏发电具有简单可靠、适用区域广、维护方便等优点，加之可以因地制宜，充分利用建筑物屋顶和闲置土地资源等特点，成为应用最为光伏广泛的分布式发电方式。由于光伏发电具有一定的随机波动性，通常分布式光伏发电配备一定容量的储能系统来实现削峰填谷、波动平抑等功能，同时提高光伏发电系统的经济效益，提升电网及用户对光伏发电的接纳能力。光伏发电、储能装置、用电负荷以及电网就构成了一个分布式光储电站。分布式光储电站本质上也是一个微电网系统，其能量管理策略近年来得到了广泛的关注，如文献[1-2]介绍了海岛风光储微电网系统运行控制方式，文献[3]介绍了基于功率预测、前馈控制的适用于工业园区的微电网控制策略。
本文以建设在某高速公路服务区的分布式光储电站项目为研究对象，详细设计了其能量管理控制策略，以提高用户侧供电质量，增强光伏发电消纳能力。该项目的长期稳定运行及现场试验证明了所设计的能量管理策略的可行性及有效性。
二、分布式光储电站
2.1 电站设计方案
该分布式光储电站建设于某高速公路服务区，原有配电网络为就近从地区10kV输电线路取电，在服务区南侧设备配电室，变压器容量为315kVA，服务区北侧由横穿高速公路地下隧道的电缆供电。受服务区位置和屋顶朝向以及经济性等条件的限制，仅能在服务区北侧进行光储电站建设，最终建设方案为光伏组件装机容量为300kWp，储能装置100kW/300kWh。由于总降压配电室位于服务区南侧，且连接北侧的供电电缆长度较长，当光储电站运行时，会对整个服务区的潮流、电压等造成较大影响，如当光储电站有功出力较大时，会改变馈电电缆上的潮流方向，导致北侧负荷电压高于电网电压，严重时甚至越限高出国标规定的限制，威胁电气设备及人生安全；又比如在夜间电价谷段储能装置进行充电，如果此时电网电压本身已经较低会造成北侧供电电压大幅度降低，导致部分电气设备不能正常运行或者低压断路器欠压脱口等。因此必须从设计、控制角度杜绝光储电站对服务区原有配电系统的影响，保证整个系统安全、稳定、经济运行。
2.2 能量管理策略
综上所示，分布式光储电站能量管理的控制目标可以概括为：（1）、保证光伏系统正常发电，在电压越限时采取必要的措施，提高光伏发电利用率，避免资源浪费，缩短投资回收期；（2）、根据光伏发电出力、负荷用电情况以及电价信息，合理的控制储能装置充放电，实现经济效益最大化；（3）、利用光伏逆变器和储能逆变器的无功能力，维持服务区电压处于合理水平，减少系统电能损耗。
因此，布置在电站现场的能量系统从软件上设计了如下功能模块：
（1）光伏输出控制模块，通过实时检测服务区电压值，并与设定的阈值相比较，超出阈值时向光伏逆变器发出无功功率指令，利用光伏逆变器的无功能力输出指定的感性无功功率以解决服务区北侧电压越限问题；
（2）无功补偿控制模块，通过将检测到的服务区电压值与设定的阈值相比较，低于阈值时模块启动，控制光储电站输出指定的容性无功功率，提升服务区电压水平，降低整个电能损耗的目的；
（3）储能充放电控制模块，工作原理为结合电价信息与用户用电负荷信息，在夜间电价谷段控制储能装置以设定功率充电，在白天电价峰段放电，放电功率等于服务区用电功率与光伏发电功率之差，直至储能电池SOC低于设定的放电截止阈值；在白天电价平段，控制储能装置补充电能，充电功率等于光伏发电功率与服务区用电功率之差，直至储能电池SOC高于设定的充电截止阈值；在夜间电价峰段再次放电，放电功率等于服务区用电功率。如此，光伏发电最大程度上用于给服务区负荷供电，而储能装置也充分利用峰谷电价差获取了收益。
三、现场试验
采用本文设计的控制策略的能量管理装置部署到该光储电站现场后至今已经稳定运行五百余日，整个光储发电量累计达到94056kwh。下图为春季某日光储电站试验波形，图中U2abc为服务区北侧三相电压幅值，PPV/QPV为光伏系统有功/无功功率，PES/QES为储能装置有功/无功功率。可以看出，储能装置在凌晨1点~5点电价谷段充电补充电能时，储能装置自身发出容性无功功率以维持电压水平在额定值附近；在白天8点~11点电价峰段时，如果光伏系统出力小于用电负荷，储能系统开始放电以获取电价差收益；在11点~12点电价平段，如果光伏系统出力大于用电负荷，储能装置充电补充了部分电能，这部分电能会在电价峰段供给给负荷，提高了新能源发电利用率；在晚间18点~23点，储能装置将存储的全部电能放掉给用户供电，获取电价差收益。同时在上述整个过程时间内，电压最高点也维持在231V（1.05p.u.）左右，小于国标规定的电压上限值。光伏系统与储能装置的动作特性完全符合设计目标。
图1 光储电站试验波形
四、结语
本文设计的分布式光储电站能量管理策略可以有效解决分布式光伏发电引起的电压越限问题，合理控制储能装置充放电获取较高经济收益的同时维持电压处于合理水平，提高了系统效率，保证了整个电站的安全稳定运行，对于分布式光储电站的广泛推广具有很大意义。
参考文献：
[1]李鹏，张雪松，赵波，等．多微网多并网点结构微网设计和模式切换控制策略[J]．电力系统自动化，2015（09）：172-178．
[2]赵波，张雪松，李鹏，等．储能系统在东福山岛独立型微电网中的优化设计和应用[J]．电力系统自动化，2013（01）：161-167．
[3]田军，刘征宇，舒军，等．适用于工业园区的微电网系统能量管理[J]．电力自动化设备，2016（11）：45-50．
可行性及有效性
论文作者:杨嘉伟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第33期
论文发表时间:2019/5/17
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