光伏-混合储能微电网协调控制及经济性分析

胡大佩

摘 要 在电网运行过程中如果微电网的启动电源容量较低，处理不足，会影响电网系统以及电压的稳定性。为了保证微电网的协调性与稳定性，需要对光伏-混合储能微电网协调控制策略进行分析，同时研究协调控制策略的经济效益。借此提升光伏-混合储能微电网协调控制水平，保证电网系统与电压的稳定性与安全性。这对促进我国电力行业的稳定长远发展有积极意义。

关键词 光伏-混合储能;微电网;协调控制;策略

1光伏-混合储能微电网协调控制策略

1.1 装置层控制策略

在此次控制策略设计过程中采用的电池储能系统是铅酸电池-锂电池混合储能系统，主要结果如图1所示。该电池储能系统主要包括锂电池子储能系统与铅酸电池储能系统。其中，锂电池子储能系统内有锂电池与储能变流器;而铅酸电池子储能系统中有铅酸电池与储能变流器。这两个子储能系统的并联位置是换流器交流侧。

图1 铅酸电池-锂电池混合储能系统

在对铅酸电池与锂电池储能系统变流器的控制方式进行设计时，铅酸电池储能系统为定功率控制（PQ），而锂电池储能系统为电压/频率控制（V/F）。其中定功率控制包括功率外环控制器以及电流内环控制器。在功率外环控制过程中，需要给定有功功率以及无功功率指令，然后获取内环电流的指令值，再使用内环控制器完成矢量电流跟踪，最终达到对有功功率以及无功功率进行解耦控制的目的。这种控制方式的灵活性比较强。而电压/频率控制方式在控制过程中需要利用电压外环保证系统电压的稳定性，内控制器可以完成矢量电流跟踪功能，最终使用锁相环对系统频率进行跟踪控制[1]。

在对光伏逆变器的控制方式进行设计的过程中，主要是以MPPT控制方式为主。在实际控制过程中，需要根据外界环境的光照强度以及温度对光伏阵列的运行工作点进行自动调整，这样能够在最大程度上确保输出功率处于最大值，提高光能的利用率。光伏发电控制系统中的控制器外环使用的是MPPT算法，可以获取最大功率点条件下内环控制器电流指令值，然后内环电流控制器可以对电流进行跟踪控制。光伏发电的控制系统如图2所示。

图2 光伏发电控制系统

1.2 系统层控制策略

在微电网运行过程中，锂电池成本比较高，如果提高锂电池储能容量，会导致微电网的投资成本增加。而在微电网实践过程中，如果仅仅使用锂电池作为黑启动电源，会导致容量比较低或者出力不足，影响微电网的系统稳定。而对铅酸电池以及锂电池进行综合应用，可以充分发挥两种电池的各自优势：锂电池储能系统的能量密度比较高，并且使用寿命相对较长，可以对一些小幅值高频功率波动进行有效抑制;而铅酸电池的循环寿命比较短，但是其投入成本相对较低，经济性相对较强，可以在大幅值低频功率波动过程中进行有效调节，防止铅酸电池出现频繁充放电的情况，能够保证光伏-混合储能容量充足，保证功率稳定。

在实际控制过程中，需要利用MPPT对光伏逆变器进行控制，利用V/F对锂电池进行控制，使用铅酸电池储能跟踪控制负荷功率以及光伏出力，可以对铅酸电池储能处理值进行动态调整。在微电网孤岛运行过程中，需要对系统功率平衡进行计算，其表达公式如下：

Pload（t）=PPb（t）+PLi（t）+PPV（t）

该公式中PPb（t）表示的铅酸电池储能系统出力，单位为kW;

PLi（t）表示的锂电池储能系统出力，单位为kW;

PPV（t）表示的光伏有功出力，单位为kW;

Pload（t）表示的是整個系统的有功负荷需求，单位为kW。

根据系统功率平衡公式能够对光伏-混合储能系统的充放电功率进行计算，计算公式为：

PHESS（t）=PPV（t）-Pload（t）

公式中PHESS（t）表示的是光伏-混合储能系统的充放电功率。

因为光伏-混合储能系统的充放电功率包括铅酸电池子储能系统与锂电池子储能系统的出力，还可以利用以下公式进行计算：

PHESS（t）=PPb（t）+PLi（t）

2应用效果与经济性分析

2.1 应用效果分析

将铅酸电池-锂电池作为光伏-混合储能系统黑启动电源进行应用时，在30秒运行周期内，系统频率为50Hz，将环境温度设定为25℃，MPPT控制方式对光伏发电系统进行控制，该系统的输出功率根据光照强度和环境的温度变化。在实际运行过程中，是铅酸电池以及锂电池可以实现功率支撑：一旦系统功率出现不平衡的情况，锂电池可以在最短时间内进行响应，抑制功率波动，保证系统功率处于平衡状态。而铅酸电池储能系统的功率响应比较缓慢，当锂电池功率逐渐下降到零时，铅酸电池可以提供系统所需的全部功率。这种方法可以对系统功率支撑进行动态分配，能够有效减少锂电池出力，降低对锂电池容量的需求[2]。

在平衡系统功率、调节系统电压的过程中，锂电池主要是对频率比较高的功率波动进行调节，而铅酸电池主要是对低频功率波动进行调节。这与最初的控制算法设计目标相一致。因为锂电池具有暂态功能支撑，可以保证光伏-混合储能系统在放电切换的过程中，铅酸电池功率趋于平衡状态，能够充分发挥铅酸电池以及锂电池的互补优势。

2.2 经济性分析

对光伏-混合储能微电网的经济性进行分析时，需要了解储能系统全寿命周期成本的主要组成。通常情况下，光伏-混合储能系统的周期成本主要包括投资成本、运行过程中的成本投入、报废后的处理成本以及回收残值等。在对光伏-混合储能系统的经济性进行分析时，主要是对投资成本以及运行过程中的投入成本进行分析，不对回收残值以及报废处理成本进行考虑。

在对该储能系统的投资成本进行分析时，主要是对储能变流器的单位功率投资成本以及电池本身的单位容量投资成本进行分析。在对运行过程中维护成本进行分析时，主要是对铅酸电池储能以及锂电池储能的单位电量运行维护成本以及充放电量进行分析。

在对铅酸电池-锂电池储能系统的经济性能指标进行分析时，将24小时作为一个运行周期进行分析。在运行过程中，铅酸电池-锂电池储能系统的容量比单纯使用锂电池的容量更大，充放电电量也比单纯使用锂电池的充放电电量大。但是其投资成本更低，这主要是因为与锂电池储能相比，铅酸电池的投入成本比较低，能够在极大程度上提高铅酸电池-锂电池储能系统的经济性。

3结束语

总而言之，在对光伏-混合储能微电网协调控制过程中对铅酸电池-锂电池储能策略进行综合应用，可以在确保满足光伏-混合储能微电网黑启动功率以及电压的基础上，提升整个储能系统的经济性，具有较高的应用价值。

参考文献

[1] 俞雁飞.光伏—混合储能直流微电网的电能控制技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.

[2] 杨赟.基于混合储能的光伏直流微电网控制策略的研究[D].厦门：厦门大学，2016.