一种考虑功率波动死区的光储出力研究方法_李国欣.pdf

一种考虑功率波动死区的光储出力研究方法李国欣，李杰，祁标，丁浩，王楠，潘世瑶（中国矿业大学电气工程学院，江苏 徐州 ）摘要：为解决光伏在并网过程中功率波动的问题，首先根据国标设置功率波动的死区限值，然后对光伏控制系统进行理论分析，并且选取测试过程中功率波动较大的光伏数据，采用自适应指数移动平均算法对其优化，最后在 中搭建仿真模型，验证光伏和储能系统能够将超出死区的功率控制在一定范围内，同时维持系统电压的稳定。关键词：功率波动死区；光储出力；自适应指数移动平均算法；系统电压中图分类号：，（，）：，：；收稿日期：引言在“碳达峰、碳中和”的国际背景下，越来越多的火力发电被限制发电额度，加上煤炭原材料的价格上涨，清洁能源发电方式将会越来越受到欢迎。光伏发电作为一种主要的清洁能源发电方式，近年在我国的装机容量越来越大，尤其是分布式光伏发电，其在各种工厂、用户的屋顶装机越来越多，主要工作模式为“自发自用、余电上网”。然而分布式光伏并入系统后，改变了系统原有的潮流分布，使系统运行电压和频率受到影响，所以研究光伏并网出力情况对系统的影响具有重要的实际意义。为了解决光伏并网过程中某一时段负荷功率波动过大问题，本文提出了一种考虑功率波动死区的光储出力控制方法，通过优化模块、功率监测模块、稳压模块和储能系统的协调控制，将超出波动死区的功率控制在一定范围内，维持系统电压和频率的稳定，保证系统的安全可靠运行。考虑功率波动死区的光储出力控制方法在实际的光伏工作现场，采用专业电能质量测试仪器 测出光伏出力波动数据，同时对采集的数据根据国标要求设置波动死区范围，电磁兼容限值中、高压电力系统中波动负荷发射限值规定中压电力系统中波动负荷的发射限值见表。表波动负荷发射限值每分钟电压变化次数（）表中规定这些限值与每分钟电压变化的次数有关（在发生次电压暂降后，紧接着又恢复，则意味着发生次电压变化），多数情况下光伏每分钟电压变化次数，则可得出变化系数，进而可得出功率波动值：（）式中，为变化系数；为公共连接点母线处的小方式短路容量。光伏在一天中出力波动太大，光伏出力波动死区内的功率参考值 为：（）式中，为功率最大值；为功率最小值。电工技术新能源系统与设备 在光伏出力的过程中，光伏出力的功率因数可以达到 ，所以，结合式（）可以得出功率波动上限值为：（）功率波动下限值为：（）式中，为有功功率变化值。当测试数据（）处于功率波动死区 ，内时，储能装置不出力。在对系统能量流动控制过程中，考虑功率波动死区的光储出力系统框架如图所示。图 考虑功率波动死区的光储出力系统（）功率监测模块主要监测光伏发出功率、负载功率、蓄电池功率。（）控制管理模块主要对脉冲电荷存储装置和蓄电池组进行监测，通过控制开关 决定脉冲电荷存储装置是否为蓄电池充电，控制开关 来决定蓄电池组是否向直流母线供电。荷电状态 主要用电流积分法定义：（）式中，为初始荷电状态值；为流过电流；为电池额定容量。（）优化模块采取自适应指数移动平均法对系统功率波动进行优化，同时在 控制管理模块协同下，对光伏和储能 装 置 出 力 进 行 合 理 分 配，避 免 储 能 装 置 过 度出力。（）稳压模块主要采用 调节器对蓄电池输出电压进行调节，使系统输出电压与母线电压相同。当储能系统接入时，光伏功率仍超出波动死区上限。此模式下系统分为两种工作情况。（）当光伏功率大于负荷功率时，开关 闭合，开关 断开，光伏电池先向负荷侧供电，剩余电量给脉冲电荷存储装置和蓄电池组充电。当蓄电池荷电状态到达 时，开关 断开，多余电量由母线输送到电网侧。（）当光伏功率小于负荷功率时，开关 断开，开关 闭合，蓄电池向直流母线供电，当 控制管理模块监测到 （）时，蓄电池开关 断开，由外部电网给系统供电。实际测试案例分析 光储出力流程系统运行流程如图所示，先采用电能质量测试仪器 测出光伏出力数据，仪器设置采样间隔为，测试数据波形如图所示。图 系统运行流程图实际测试光伏出力功率趋势图图为典型的光伏出力波形图，在月 日：到月 日：时间段，无光照，光伏出力为零。在白天时间段，尤其在中午时间段，功率波动最大。选取典型的功率段（月 日：至月 日：）进行光伏出力分析。波动死区的划分确定好典型功率段，光伏出力的功率波动分为向上和向下两个死区限值。此次测试所得数据是，光伏出力最高点为，最低点出现在夜晚时刻，光伏不出力。根据式（），此次测试数据的功率参考值 。光伏接入系统的公共连接点为 母线，最小短路容量选取基准短路容量 计算，即 。通过表，变化系数取。结合式（）得出功率波动死区为 ，。由图 可 知，当 功 率不 处 于 波 动 死 区 ，内时，对超出限值处进行滤波，控制系统采用自适应指数移动平均法进行优化调整，步骤如下。（）控制系统检测过去一段时间的数据。（）对已知数据赋予不同权重，按此权重求得移动平新能源系统与设备电工技术均值，以此值为基础，确定预测值。（）权重系数是通过考虑前后数据的差异性确定的，自适应地选取权重值。是一个常量，表示加权下降速率，数值越小则权重下降越快。指数加权算法的表示公式为：（）（）（）式中，为当前时刻的预测值；为上一时刻的预测值；为当前时刻实际值；为选取的权重值；为功率段初始值。图典型功率段光伏出力趋势及波动死区的上下限值仿真验证在选取的典型功率段中，截取：时间段进行优化调整，原功率波动图和优化后的功率波动图如图所示。图控制系统优化模块作用后的功率波动图采取自适应指数移动平均法对选取功率段处理后，功率段变得平滑，与原始数据对比，超出功率波动死区的部分变少。选取：时间段，算法处理后的光伏功率仍超出波动上限，此时采用蓄电池吸收多余的光伏功率。为了验证光伏电池和蓄电池之间吸收功率协调运行情况，在 中 搭 建 相 应 模 型。选 取 型 号 光 伏 电 池，其 最 大 输 出 功 率 为 。将个该型号光伏电池串联为组，组并联。环境温度为 ，仿真时长为，直流母线电压为 ，负载为，负载功率为 。光照强度设置为 ，为 ，为 。蓄电池为常用的锂电池，标称电压为 ，额定 容 量 为 ，内 部 电 流，响 应 时 间 为。由图、图可知，蓄电池、光伏电池的输出功率呈现出一种互补的情况。当光照强度为 时，光伏机组输出功率为，不能满足负载要求，此时储能系统开始向系统侧放电，输出功率为 。时光照强度上升为 ，光伏系统以最大功率方式运行，输出功率从 上升至 ，储能系统吸收光伏电量开始充电，输出功率为 。时光照强度下降为 ，输出功率降为，不满足负载所需，因此储能系统立即放电，输出功率为 。图 光伏机组功率图 蓄电池功率由图可知，在光照强度变化过程中，直流侧母线电压只是在光伏突变的过程中发生较小波动，基本保持在 。由图可知，荷电状态 反映了蓄电池充放电的过程，通过蓄电池的运行可以将光伏的功率波动限制在波动死区内，符合实际的运行情况。图直流母线处电压图蓄电池 变化结语本文针对光伏并网过程中某一时段负荷功率波动过大的问题，提出一种考虑功率波动死区的光储出力控制方法，通过光伏发电系统和储能系统之间的协调控制，将超出波动死区的功率波动控制在一定范围内，以此维持系统电压的稳定，保证系统安全可靠运行。在分析了所提控制方法的基本原理之后，结合实际测试数据和具体仿真验证（下转第 页）电工技术新能源系统与设备 能源大数据生态。建立源网荷储协同服务业务体系，开展规模化共享储能推广应用、拓展源网荷储协同服务业务范畴、扩大源网荷储协同服务市场化交易规模。（）创新能源市场机制，着力推进“两深化两拓展”重点工作。持续深化电力基础资源商业化运营，深化外部企业需求对接力度、推进基础资源运营平台及生态建设。持续深化电力产业数据商业化运营，构建大数据运营平台、打造对内对外系列大数据产品。以“能源市场”为抓手拓展价值创造渠道，搭建技术领先、交互友好的电力交易业务中台，构建业务协同、数据共享的数据交互机制，建立中长期交易和现货交易融合的市场服务体系，建立全业务形态的电力交易生态圈。以“能源金融”为手段拓展价值创造载体，发挥中国电财内部金融优势，为公司新兴产业投资提供资金保障；依托英大集团保险“定制化”服务，通过专项保险提升新兴产业单位风险转移能力；积极向新兴产业上下游企业推广应收账款融资、保理业务，通过“电金服”平台，为上下游企业提供国网品牌融资渠道与信用支持。（）创新能源业务生态，着力推进“两建立一升级”重点工作。建立多向发展、多维增值的综合能源业务生态，建设省级智慧能源服务平台，将能源、电网、用户等信息深度融合应用；推广能源托管、智慧运维等服务，深入挖掘客户综合能效提升潜力，积极开展楼宇用能优化业务、企业综合能效提升业务等增值业务；积极对接城市新区、银行等企事业单位以及部队后勤等单位，推广电采暖改造、运维等服务；提前布局分布式新能源发电与储能领域，探索可行商业模式，提供清洁能源相关服务。建立全面部署、功能完善的电动汽车业务生态，全面提升青海公司电动汽车服务水平，构建“一圈一平台一业务体系”的电动汽车业务生态圈，打造充电设施服务圈，优化电动汽车业务体系。数字技术应用助推能源服务业务智慧升级，通过地理信息与电力时空、区块链、人工智能、数字孪生等技术升级，提升业务应用智能化水平。结语基于上述分析研究，可得出一般性结论。（）从资源、用能、电源、电网、智能化、数字化、价值与特色实践全面梳理发展基础；从外部形势至内部形势无死角梳理能源互联网发展面临的形势。（）能源网架体系实践路径研究过程采用能源供需、能源结构、能源平衡层层递进方式，为能源网架体系实践路径的实现提供合理可靠的依据。（）价值创造体系实现由“虚”转“实”，通过制定切实合理的实施路径，创造出实际可量化的“价值”。参考文献 欧阳羿，杨杰能源互联网技术实现路径及实践中国能源，（）：国家电网发展 号 关于印发能源互联网规划工作方案的通知（上接第 页）了其有效性。参考文献 张智刚，康重庆碳中和目标下构建新型电力系统的挑战与展望中国电机工程学报，（）：卢纯开启我国能源体系重大变革和清洁可再生能源创新发展新时代 深刻理解碳达峰、碳中和目标的重大历史意义人民论坛学术前沿，（）：孙波，廖强强，刘宇，等 分布式光伏储能电池混合系统的经济性分析电力建设，（）：，（）：王当邦分布式光伏并网的不确定性谐波潮流研究徐州：中国矿业大学，电磁兼容限值中、高压电力系统中波动负荷发射限值 肖瑶锂离子电池 估计和循环寿命预测方法研究成都：电子科技大学，沈乃君，高杰，何新一种基于混合储能系统的风光功率平滑控制策略研究电器与能效管理技术，（）：梅康，刘小勤，沐超，等 基于自适应指数加权移动平均滤波的快速去雾算法中国激光，（）：新能源系统与设备电工技术