新型电力系统体系下光储充一体化微电网应用研究

深圳市中电电力技术股份有限公司 赵松利 代洪兵

2021年6月20日，国家能源局综合司正式下发了《关于报送整县（市、区）屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》，引导地方政府协调更多屋顶资源，扩大屋顶分布式光伏的建设规模，各地纷纷响应，全国有二十多个省份相继下发了整县推进分布式光伏的文件，各省（自治区、直辖市）以及新疆生产建设兵团共报送试点县（市、区）676个。整县（市、区）分布式光伏规模化开发是落实习近平总书记“碳达峰碳中和”战略部署、构建以新能源为主体的新型电力系统的重要举措，在“双碳”以及国家能源局大力发展整县光伏的背景下，整县装光伏已经成为大势所趋。为了落实国家能源局要求，国家电网公司明确要求全力开拓分布式光伏市场。

2021年7月，国家发改委在《“十四五”循环经济发展规划》文件中指出“要推进园区循环化发展工程，组织园区企业实施清洁生产改造。积极利用余热余压资源，推行热电联产、分布式能源及光伏储能一体化系统应用，推动能源梯级利用。”在当前碳减排趋势不断深化的大背景下，光伏、储能等新能源产业正在成为国家经济发展的新引擎，“光储充一体化”等绿色环保型产业更是得到了国家和政府的认可。

随着国家政策相继发布，新能源发展尤其是分布式光伏会迎来蓬勃发展，而光伏发电具有随机性、波动性和不稳定性，直接接入会给电网安全运行带来一系列问题，通过配合储能实现光伏就地消纳，减少弃光率的同时也保证了电网稳定运行；因而建设由分布式光伏、储能、充电桩组成的光储充一体化微电网系统是值得研究的应用技术。

1 光储充一体化微电网技术发展分析及技术架构

据发改委能源研究所预测：到2050年光伏发电量将从目前不到4%上升到40%左右。伴随着大量分布式光伏等新能源接入，即便是小规模的县可开发的分布式光伏资源可达100～500MW，大规模的县可达GW级别，高比例新能源的接入对于电网的冲击将十分明显，极大的改变了传统配电网的潮流特性，在光伏发电峰值时会造成双向潮流，造成接入点的电压越限，增加配电网日常运行的网络损耗，恶化配电网的整体供电质量。高比例分布式光伏接入的配电网涌现了诸多问题与挑战，主要表现在以下方面：

系统电力电子化：伴随新能源等规模化接入，导致配电系统越发电力电子化，惯量低，对扰动的耐受力下降；运行方式多样化：交直流混联、源荷不确定性等，导致配电网运行方式将更加多样化，潮流双向化；故障处理复杂化：在有源配电网故障处理方面，潮流方向不再是从高压向低压的单相潮流，潮流方向、电压变化都与常规电网差异较大；感知数据异构化：感知数据不仅包含结构化的状态数据和环境数据，也包含非结构化的视频、音频、图像和文本数据等，导致多源数据具有异构性[1]；分布式资源规模化：包含可再生能源、微电网、微能源系统、虚拟电厂、储能装置、柔性负荷等海量的分布式柔性可控资源，规模大、容量小，分布在不同层级母线节点上。

因此，研究光储充一体化智能微网技术可着力解决配电网就地层控制难、台区级控制难、配网级控制难等诸多难点。按照分层、分级、就地平衡的原则，在配电网不需要重构、大规模改造的前提下，实现分布式光伏“应接尽接”，推动高比例分布式光伏的就地消纳、提高能源系统综合效率。

通过分析分布式光伏的出力特性，提出了配电网关键节点和薄弱环节的识别方法，结合应用需求提出分布式储能的布局方法；考虑到促进分布式光伏的就地消纳、电网调峰、线路拥塞管理等多个典型应用场景，提取与县域电网典型场景有关的目标函数与约束条件，建立起各典型应用场景的储能配置模型。

分析各典型应用场景发生的可能性，基于概率抽样的方法综合考虑多种应用场景，提出多场景融合的储能优化配置方法，实现满足配电网多类型应用需求的储能优化配置。研究光储充微电网运行模式下充电桩有序运行技术，通过分析微电网光伏发电特点、储能控制方式、负荷使用情况等因素，建立充电桩有序运行模型，分析制定充电桩有序运行策略。针对高强度多态噪声的快速抑制、宽频带多分量快速感知、宽频带多分量辨识、时钟同步技术等关键问题，开展分布式光伏并网点宽频域电能质量同步监测技术研究。

图1 总体技术框架

设计宽频域电能质量同步监测装置的架构，开发装置的单元模块并进行测试，研制宽频域电能质量同步监测装备，为新型配电网电能质量机理、分析、治理等技术研究提供最基础的电能质量监测数据支撑。建立光储充一体化协调控制模型，研究协调控制算法，实现电池储能、充放电桩及光伏阵列的协同控制及光储充一体化的稳定运行，促进分布式光伏出力就地消纳、削峰填谷和源荷友好互动，最大限度地利用光储充一体化的价值[2]。

2 光储充一体化微电网系统关键技术

2.1 分布式储能容量配置技术

通过时序生产模拟方法，对配电网运行情况进行模拟计算，充分考虑了电网实际运行中的各种约束条件的影响以及光伏的出力特性，提出配电网关键节点和薄弱环节的识别方法。依据县域电网分布式光伏并网接入方式、网架信息、关键节点的地理位置信息和实际应用需求，提出分布式储能的布局方法。考虑到配电网促进分布式光伏的就地消纳、电网调峰、线路拥塞管理等多个典型场景的目标函数和约束条件，分别构建其储能优化配置模型。分析各典型应用场景发生的可能性，基于概率抽样的方法，考虑不同场景发生的概率，在模型中计以及多种应用场景的目标函数与约束条件，并且考虑了不同电源的运行约束，电网约束以及储能的运行约束等，构建多场景融合的储能优化配置模型并提出其求解方法。

2.2 充电桩有序运行技术

首先根据微网光伏发电情况分析其发电特点，建立光伏、其他基础用电负荷和储能设备的微电网能量管理模型，以光伏弃电量最低为目标，基于分时电价引导策略，提出一种光储充电站的储能充放电控制方法；其次，基于电动汽车接入充电桩时的剩余电量、电池容量、停车时长、充电需求及充放电功率分析电动汽车充放电行为，以电动汽车充电成本最低及放电收益最大为优化目标建立电动汽车充电负荷模型和用户价格模型。

最后，通过微网光储充放电控制策略制定的分时充电服务价格，将优化后的充电时段划分为引导峰时段、引导平时段和引导谷时段，建立引导峰平谷时段模型，通过数值表示充电时段的引导峰平谷属性，在此基础上解和用户价格响应模型，建立引导后电动汽车充电负荷模型，提出电动汽车充电桩有序充电运行策略[3]。

2.3 并网点电能质量监测技术

通过局部回归平滑滤波等方法对同步采样波形数据进行随机脉冲噪声检测与快速抑制；研究基于频谱门槛值的感知方法等技术，实现宽频带多分量快速感知，为其辨识提供先验信息；研究基于离散傅里叶变换等辨识方法，实现宽频带多分量快速辨识[4]；综合现有同步授时技术，设计适用于宽频域电能质量监测装置的高可靠性、高精度、满足泛在接入需求的同步授时方式。设计宽频域电能质量同步监测装置的架构，主要包括软件架构、硬件架构、数据存储、数据接口等；研制宽频域电能质量同步监测装备，开发装置内电能质量监测模块、实时录波模块、存储模块等各单元模块，测试单元模块及集成的整机，并将该宽频域电能质量同步监测装备应用至黄州区的示范项目。

2.4 光储充就地协调控制技术

首先，综合分析光伏发电情况、储能系统运行情况及电动汽车充放电情况等多方面的运行特性，提出考虑购电费用和蓄电池循环电量的多目标优化调度数学模型。一方面需尽最大可能保证光伏发出的电量全部自己消纳；另一方面，储能在配合光伏进行电量自消纳时尽量减少储能充放电循环次数以延长使用寿命；其次，考虑电动车充放电的时间、电动车电池充放电功率和电池所剩容量大小、市电网供电功率、系统负荷功率平衡的约束条件；结合非支配排序遗传算法NSGA-II算法对建立的多目标优化模型进行求解[5]。

最后，结合具体算例，在不同光照和电动车电池初始容量大小条件下，求解出多组最优解集；从中选取具有典型性的调度方案，分析光伏各组件功率调节范围的合理性，实现分布式光伏就地消纳、削峰填谷，最大限度地利用光储充一体化微网系统的价值。

3 光储充一体化微电网系统创新点

考虑多场景融合的储能优化配置策略分析：光伏发电具有较大的波动性、间歇性以及不确定性，尤其是在高比例光伏接入的配电网中，光伏对电网的影响就更为突出，使电网同时面临促进分布式光伏就地消纳、电网调峰、线路拥塞管理等多个场景。然而现有的储能优化配置方法大多针对单一场景，鲜有考虑多场景融合的储能综合优化配置策略，无法满足配电网不同应用场景的需求。因此，计及配电网光伏出力特性，基于配电网多典型应用场景，研究配电网多应用场景融合技术，提出考虑多场景融合的储能优化配置策略，是本课题的关键点和难点之一。

图2 光储充就地协调控制技术路线

多光伏协调控制技术：对于多光伏微网，受外界环境因素的影响，光伏的输出功率容易存在较大的波动，导致系统功率存在不平衡，仅靠电动汽车充放电协同控制策略平抑光伏波动仍有较大的不确定性。随着配电网中多组光伏的接入，多个光伏间的协调与互补可有效平抑光伏的整体功率波动。对于微网中的多光伏系统，为减小光伏输出波动对系统可靠性的影响，势必需要各个光伏协调控制在不同的运行模式。但目前的大部分研究都仅针对单个光伏自身的控制，较少直接研究多个光伏间协调控制策略。

4 结语

通过建设光储充一体化智能微网系统，促进可再生能源就地消纳，提高能源利用效率，降低用能成本，提高用电可靠性，达到大楼用电自给自足，余量上网的目的，与大电网灵活互动，实现备用、调峰、需求侧响应等双向服务，助力多能互补与能源互联网发展，促进节能减排。