光伏发电系统与储能装置协调管控：策略剖析、仿真验证及微电网能量管理应用

安科瑞鲁一扬15821697760

摘要：本文着力探究光伏发电系统与储能装置的协调运行与控制事宜，旨在攻克以往并网点电压越限难题。经深入剖析配电网线路特性，明晰电压越限成因，即光伏发电输出的波动性与配电网线路电阻相互作用，致反向功率流引发电压超限，影响电能输出与系统利用率。为此提出四种储能协调控制策略，涵盖限制反向功率流、计划运行控制、削峰运行控制及控制电压运行，详述各策略原理，并设计对应算法以获取有功功率参考值。借助仿真建模，多组实验验证各策略可行性，结果显示均能缓解电压越限问题。对比分析各策略，从处理电压越限效率看，控制电压运行与反功率流限制表现突出；考量储能容量需求，后三种策略优势显著，综合权衡，以降低储能容量并契合并网电压要求为导向，控制电压运行当属当前最优协调控制策略。此外，介绍安科瑞Acrel - 2000MG微电网能量管理系统，阐述其功能、适用场景及系统架构，罗列配套硬件产品，为储能系统高效安全运行提供支撑。文末总结研究过程，凸显控制电压运行策略优势，助力光伏发电储能协同作业优化。

关键词：光伏发电系统；储能装置；控制电压运行

0引言

光伏发电借助太阳电池利用光生伏打效应，将太阳光能转化为电能，然太阳能辐射天然的波动性，致使光伏发电系统输出难以把控，对光伏渗透率产生负面影响。为增强光伏发电系统可控性，引入储能装置，其可调节功率差额，削减对敏感负荷的不良冲击，提升供电品质。

1电压越限问题

以含储能装置的分布式光伏发电系统为研究对象，剖析其电压越限根源。分布式光伏发电系统多接入配电网，配电网线路电阻不可忽视，电压分布与线路传输功率紧密关联，常规配电网电压幅值沿线递减。接入光伏发电系统后，当系统输出功率高于负荷功率，超出部分形成反向功率流注入电网，致电网末端电压剧增，一旦达限值，便出现电压越限状况，阻碍电能输出，造成功率损失，降低光伏系统利用率。

2制定完善的协调控制策略

为化解光伏发电系统与储能装置协同运行中的电压越限困境，消除输出功率受限情形，需借储能装置调节并网功率，存储光伏冗余功率，保障光伏电池最大化输出。为此制定如下四种控制策略：
(1) 限制反向功率流：核心是规避光伏系统向电网过量输出功率。当系统输出功率大于负荷功率时，储能模块即刻充电；反之则放电，补充光伏功率缺额。
(2) 计划运行控制：旨在维持储能电池功率恒定。系统输出大于负荷时，储能充电，直至充电功率临近限值；输出小于负荷时，储能放电补足功率。
(3) 削峰运行控制：确保反向功率流不超设定限值。系统输出大于负荷且反向功率流可控时，储能充电；反之放电。
(4) 控制电压运行：聚焦保证光伏系统接入点电压在容许区间。接入点电压超限，储能充电；反之放电，把控从电网获取功率不超限值。

3仿真实现

3.1算法设计

具备储能装置的分布式光伏发电系统如图1所示。

图1 具备储能设备的光伏发电系统

鉴于有功功率具备调控特性，四种储能协调控制策略皆依此设计算法求有功功率参考值。
- 反向功率流限制算法：依系统输出与负荷功率大小及储能充电状态，灵活设定有功功率参考值，精准调配光伏与储能功率，保障供电并管控储能充放电。
- 计划运行控制算法：预设充电功率限值，依系统输出、负荷及储能状态，规范有功功率参考值设定，平衡光伏、储能功率分配与储能充电节奏。
- 削峰运行控制算法：设定反向功率流限值，结合系统输出、负荷与储能情形，合理界定有功功率参考值，稳控反向功率流，协同光伏与储能运作。
- 控制电压运行算法：预设并网点电压与电网获取功率限值，考量系统输出、负荷及储能状况，科学确定有功功率参考值，严守并网点电压规范，精细调节储能充放电。

3.2 仿真验证详情
构建仿真模型，设定光伏电池额定功率、铅酸蓄电池工作范围及线路参数。设五组实验：

图2 仿真实验模型

- 无储能组（参照）：光伏功率直输，负荷匹配不佳时，并网有功功率正负波动，反向功率流致电压超限。
- 反向功率流限制组：验证算法可行，依规则充放电，限制反向功率流，储能足时稳控电压，容量够可解电压越限。
- 计划运行控制组（两组不同限值）：依限值调控储能充电，反向功率流低、电压稳，限值高则储能容量需求升。
- 削峰运行控制组：达反向功率流限值储能充电，维持恒定，与计划运行有相似放电逻辑。

4协调控制策略的对比分析

对比聚焦两维度：
- 电压越限处理效率：反功率流限制需高储能保电压，计划与削峰运行分别依充电、反向功率流限值控电压，易受负荷等因素干扰；控制电压运行精准把控并网点电压，与反功率流限制在防越限上较优。
- 储能容量需求：反功率流限制因强限反向流，储能容量需求大；计划与削峰运行分别随充电、反向功率流限值升而增容；控制电压运行与电压限值关联，限值小则容量要求高，但后三者总体容量需求低于反功率流限制。综合考量，控制电压运行契合低储能、稳电压需求，是最优选择，实际应用需综合权衡多因素选最佳运行式。

5安科瑞Acrel-2000MG微电网能量管理系统

5.1概述

专为工商业储能电站定制，集成数据采集处理、存储查询、可视化监控等多功能，策略管理涵盖多控制策略，实现下级储能统一管理，与上级交互，保障储能系统稳、安、经济运行。

5.2应用场景

适用于工商业储能电站、新能源配储电站。

5.3系统结构

5.4系统功能

（1）实时监管

对微电网的运行进行实时监管，包含市电、光伏、风电、储能、充电桩及用电负荷，同时也包括收益数据、天气状况、节能减排等信息。

（2）智能监控

对系统环境、光伏组件、光伏逆变器、风电控制逆变一体机、储能电池、储能变流器、用电设备等进行实时监测，掌握微电网系统的运行状况。

（3）功率预测

对分布式发电系统进行短期、超短期发电功率预测，并展示合格率及误差分析。

（4）电能质量

实现整个微电网系统范围内的电能质量和电能可靠性状况进行持续性的监测。如电压谐波、电压闪变、电压不平衡等稳态数据和电压暂升/暂降、电压中断暂态数据进行监测分析及录波展示，并对电压、电流瞬变进行监测。

（5）可视化运行

实现微电网无人值守，实现数字化、智能化、便捷化管理;对重要负荷与设备进行不间断监控。

（6）优化控制

通过分析历史用电数据、天气条件对负荷进行功率预测，并结合分布式电源出力与储能状态，实现经济优化调度，以降低尖峰或者高峰时刻的用电量，降低企业综合用电成本。

（7）收益分析

用户可以查看光伏、储能、充电桩三部分的每天电量和收益数据，同时可以切换年报查看每个月的电量和收益。

（8）能源分析

通过分析光伏、风电、储能设备的发电效率、转化效率，用于评估设备性能与状态。
 

（9）策略配置

微电网配置主要对微电网系统组成、基础参数、运行策略及统计值进行设置。其中策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制、新能源消纳、逆功率控制等。

6硬件及其配套产品

序号	设备	型号	图片	说明
1	能量管理系统	Acrel-2000MG		内部设备的数据采集与监控，由通信管理机、工业平板电脑、串口服务器、遥信模块及相关通信辅件组成。 数据采集、上传及转发至服务器及协同控制装置 策略控制:计划曲线、需量控制、削峰填谷、备用电源等
2	显示器	25.1英寸液晶显示器		系统软件显示载体
3	UPS电源	UPS2000-A-2-KTTS		为监控主机提供后备电源
4	打印机	HP108AA4		用以打印操作记录，参数修改记录、参数越限、复限，系统事故，设备故障，保护运行等记录，以召唤打印为主要方式
5	音箱	R19U		播放报警事件信息
6	工业网络交换机	D-LINKDES-1016A16		提供16口百兆工业网络交换机解决了通信实时性、网络安全性、本质安全与安全防爆技术等技术问题
7	GPS时钟	ATS1200GB		利用gps同步卫星信号，接收1pps和串口时间信息，将本地的时钟和gps卫星上面的时间进行同步
8	交流计量电表	AMC96L-E4/KC		电力参数测量(如单相或者三相的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率,频率、功率因数等)、复费率电能计量、 四象限电能计量、谐波分析以及电能监测和考核管理。多种外围接口功能:带有RS485/MODBUS-RTU协议:带开关量输入和继电器输出可实现断路器开关的"遜信“和“遥控”的功能
9	直流计量电表	PZ96L-DE		可测量直流系统中的电压、电流、功率、正向与反向电能。可带RS485通讯接口、模拟量数据转换、开关量输入/输出等功能
10	电能质量监测	APView500		实时监测电压偏差、频率俯差、三相电压不平衡、电压波动和闪变、诺波等电能质量，记录各类电能质量事件,定位扰动源。
11	防孤岛装置	AM5SE-IS		防孤岛保护装置，当外部电网停电后断开和电网连接
12	箱变测控装置	AM6-PWC		置针对光伏、风能、储能升压变不同要求研发的集保护，测控，通讯一体化装置，具备保护、通信管理机功能、环网交换机功能的测控装置
13	通信管理机	ANet-2E851		能够根据不同的采集规的进行水表、气表、电表、微机保护等设备终端的数据果集汇总: 提供规约转换、透明转发、数据加密压缩、数据转换、边缘计算等多项功能:实时多任务并行处理数据采集和数据转发，可多链路上送平台据:
14	串口服务器	Aport		功能:转换“辅助系统"的状态数据，反馈到能量管理系统中。 1)空调的开关，调温，及完全断电(二次开关实现) 2)上传配电柜各个空开信号 3)上传UPS内部电量信息等 4)接入电表、BSMU等设备
15	遥信模块	ARTU-K16		1)反馈各个设备状态，将相关数据到串口服务器: 读消防VO信号，并转发给到上层(关机、事件上报等) 2)采集水浸传感器信息，并转发3)给到上层(水浸信号事件上报) 4)读取门禁程传感器信息，并转发

7结语

综合剖析配电网特性、电压越限应对、储能策略设计验证及对比，彰显控制电压运行策略在处理光伏发电与储能协调难题上的优势，结合微电网能量管理系统及硬件配套，为提升光伏发电储能协同效能筑牢根基，推动新能源电力应用优化升级。

参考文献

[1]马丽,庞秀岚,付少杰.并网光伏发电系统配置储能技术选型研究 [J].机电信息

[2]王振,吴继宗,郝杨.分布式光伏发电系统接入煤矿配电网设计与研究[J]. 煤炭工程，2022,54(11):53-56.

[3]郭子兴.储能技术在光伏发电系统中的应用[J]. 电子产品世界 ,2021,28(11):83-85.

[4]沈继宝.光伏发电系统与储能装置的协调运行以及控制研究[J].能源科技，2020.09（08）:381

审核编辑 黄宇