含储能的分布式光伏并网系统对配电网调峰的研究

张 明朴政国

（1.北方工业大学，北京 100144；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081）

含储能的分布式光伏并网系统对配电网调峰的研究

张 明1,2朴政国1,2

（1.北方工业大学，北京 100144；2.北京电动车辆协同创新中心，北京 100081）

针对配电网负荷需求变化引起的电力峰谷问题，本文研究了含储能的分布式光伏并网系统对配电网削峰填谷的控制策略，设计了两级式微型逆变系统，提出了基于并网点电压补偿的调峰控制策略。同时为保证光伏并网系统高效运行，提出了分段运行模式。并对整个系统进行了参数设计和仿真，验证了光伏并网系统加入储能装置进行调峰控制的可行性，有效解决了调峰问题，以保持电网稳定运行，为储能系统用于配电网调峰的研究应用提供了技术参考。

分布式光伏；负荷调峰；蓄电池储能；反激逆变

光伏发电的输出功率具有不稳定、不可预测特点，光伏发电系统并网后会影响电力系统的电能质量和安全稳定运行。另外，随着用户负荷不断增加以及负荷的波动，导致电力负荷峰谷差增大[1]。为保证电网稳定运行和供用电平衡，需采取相应的削峰填谷措施。

传统的调峰方法有火电调峰、燃气轮机组调峰和水电调峰。这些方法都是从网侧通过调整配电网的出力进行调峰，这就对配电网系统提出了较高的要求。从建设成本和能源利用角度讲，通过增加发输配电设备来进行调峰变得越来越困难。

而蓄电池储能系统（Battery Energy Storage System，BESS）具有储能密度大、安装建设灵活、控制响应速度快等优点，能更方便的从负荷侧对电网的峰谷进行调节。利用 BESS进行调峰控制的方法，不仅可以减少网侧设备的投资，还可以减小线路损耗，提高设备利用率和经济效益，是解决电力峰谷问题的有效途径之一[2]。

目前关于BESS在新能源并网系统中的应用研究有很多[3-4]。BESS多数应用于平抑光伏、风电等间歇性能源发电功率波动问题[5-6]，用于负荷的削峰填谷的研究较少。文献[7]建立了用于削峰填谷的蓄电池模型。文献[8]探讨了利用BESS进行削峰填谷减少输电、配电损失方面的经济意义。文献[9]从用户角度出发，考虑分段电价差异，对优化运行BESS进行了探讨。以上对 BESS用于削峰填谷的研究，均为能量分配或能量管理的研究，没有对实际系统运行进行有效地控制设计。

本文利用两级式微型逆变器拓扑结构，将蓄电池并接于中间直流母线。前级 BOOST升压电路控制光伏电池板的输出，实现MPPT控制，以提高太阳能利用率。后级为反激逆变器，实现对蓄电池的充放电控制及并网逆变控制，使逆变器始终工作在高功率状态，达到提高逆变器运行效率和实现电网负荷削峰填谷的目的。

1 配电网峰谷情况分析

在将中低压配电网接入分布式能源（Distributed Energy Resources，DER）后，系统潮流会出现以下几种情况：①当DER出力大于光伏发电系统并网点（Point of Common Coupling，PCC）处本地负荷需求时，其出力会流向配电网参与潮流分配；②当DER出力等于本地负荷需求时，由于供需平衡则配电网不参与供电；③当DER出力小于本地负荷需求时，DER出力直接被本地负荷消纳，同时配电网向节点负荷供电[10]。

对于一个负荷安装容量为 80kW、同时运行系数为80%的小型配电网，装设有20kW分布式光伏，具体配电网参数见表 1。该小型配电网的典型负荷特性、光伏输出特性及配电网供电曲线如图1所示。

表1 配电网参数

由图1可知，光伏的供电功率与负荷需求功率在同一时段会出现供需不匹配的情况。当负荷功率较大而光伏供电功率较小甚至无法供电时，网侧就需要给负荷提供较大的功率，出现网侧电力负荷加重的用电高峰情况，降低了系统的供电可靠性。

另一方面，当负荷需求较小或者光伏供电功率与负荷需求功率匹配时，网侧供电压力减小，即电力负荷处于平稳区或谷区，此时即使光伏发电部分不参与并网或者部分功率参与并网，配电网系统也依然可以工作在正常状态。

经过以上情况分析，若在含有分布式光伏的配电网系统中加入BESS，利用BESS的能量储放特性对系统的峰谷问题进行调节，在负荷高峰释放电能，在负荷平稳区和谷区用分布式光伏来补充调峰消耗的电能，就会大大提高配电网的供电可靠性。这也是本文研究含储能装置的分布式光伏并网系统的意义所在。

图1 配电网能量分布图

2 光伏并网系统结构及调峰控制策略

2.1 两级式微型逆变器

为实现调峰目的保证系统稳定高效运行，本文设计了额定功率为200W微型光伏并网系统，其拓扑结构如图2所示。

图2 光伏并网系统拓扑结构

此两级形式的微型逆变器由 Boost升压电路、交错反激电路、有源钳位电路、全桥逆变电路以及LC滤波电路组成。前级Boost电路实现最大功率点跟踪控制，输出侧接储能装置；后级反激逆变电路通过对蓄电池的充放电控制，实现配电网调峰。

反激式逆变拓扑结构优点突出，且同时采用两路反激变压器交错并联的电路拓扑[11]，使得在同样电压等级下输出的功率增倍。为提高系统逆变效率，反激拓扑中加入有源钳位电路，实现了主开关管的零电压的开通，同时吸收回馈高频变压器漏感能量，消除电压尖峰，提高了逆变效率。

反激结构将前级直流母线输出的直流经过高频变压器转换成准正弦的半波电流，再通过全桥逆变以及滤波电路，最终保证光伏并网逆变系统高效的输出高质量、低谐波、与电网同频同相的正弦并网电流。

2.2 含DER的配电网电压分析

将光伏发电系统接入配电网实现并网运行[12]，其等效电路模型如图3所示。图中，US为配电网电压，通常认为配电网系统是一个无穷大系统，电压幅值基本不变；Z=R+jX为配电网线路阻抗，其中R为电阻分量，X为电抗分量，P与Q分别为电网给本地负荷传输的有功功率和无功功率；UPCC为并网点电压；PL与QL分别为PCC点本地负荷的有功与无功功率；PG为光伏发电系统输出的有功功率。

图3 光伏发电系统并网等效电路

由图3光伏发电系统并网的等效电路可知，配电网与光伏系统并网点之间传输功率为

因此，配电网母线电压US与PCC电压UPCC之间的电压差ΔU为

式中，*表示取共轭。设 UPCC为参考电压，可将式（2）改写为

式中，P=-PG+PL，Q=-QC+QL。由于线路阻抗中电阻分量与电抗分量相当，式（3）中虚部远小于实部，可忽略不计，所以可以得到

由式（4）可以看出，鉴于线路阻抗的存在，光伏发电系统与配电网之间的功率传输将引起PCC点电压的变化，可通过监测PCC点电压得出电网负荷的变化情况。控制储能装置的充放电来PCC电压的稳定就可以保证供用电的平衡，起到调峰作用，保证配电网系统的持续稳定运行。

2.3 削峰填谷控制策略

本文的调峰控制采用基于下垂特性的PCC电压控制策略，逆变单元的输出功率和输出电压幅值特性可表达为

式中，Uref为 PCC电压参考值，Pref为对应于 Uref的有功功率率参考值，m为有功功率下垂系数，Pout为经过下垂控制得到的系统实际应输出的有功功率。通过控制蓄电池的充放电功率来跟踪 Pout，使系统供电功率跟随负载功率，达到调峰的目的。储能装置参与调峰运行的控制框图如图4所示。

图4 储能装置调峰控制框图

图4中，I*bat为蓄电池充放电参考电流，即系统实际应输出的有功功率对应的电流值，Ibat为蓄电池的实时电流，I*ref为逆变器有功电流参考值，Iac为光伏逆变器输出的电流。

在系统运行模式的控制上，本文根据实际系统情况进行了进一步的设计。由图1典型传输功率变化曲线可知，电网负荷处于高峰区域时蓄电池放电调峰，当蓄电池放电深度达到设计下限时，蓄电池停止放电；当处于平谷区域时，系统可以通过蓄电池SOC状态来判断是否需要进行充电。同时，考虑到光伏逆变效率的影响，当光伏实际输出功率较小时，系统逆变效率较低[13]。本系统设定当逆变功率小于光伏额定功率Pepv的45%时系统不进行逆变。

针对上述配电网系统处于不同工作状态时的分析，本文采用分时段动态调峰的控制方式，系统通过实时监测PCC电压来判断配电网系统的功率传输状况，确定当前是否处于调峰区段。不同时段的具体控制流程如图5所示。

从图5中可以看出，在调峰时段，采用图4所设计的基于下垂特性的PCC电压控制策略实现调峰控制。在非调峰时段，通过监测蓄电池荷电量以及光伏发电功率，判断执行控制流程中不同条件下对应的控制措施。

图5 系统全天运行控制流程图

3 仿真分析

本文为了验证所提出的调峰控制策略，通过Matlab搭建了该小型配电网系统，负荷安装容量为80kW，光伏额定功率为20kW，由100个200W微型光伏发电系统并联组成，根据图1中典型负荷变化曲线以及光伏供电曲线，进行全时段仿真分析。

含储能装置的分布式光伏并网系统参与调峰控制的全天能量分布如图6所示。

图6 调峰后能量分布图

从图6中可知，夜间到上午的时段负荷功率较低，配电网传输功率波动较小，系统处于非调峰时段；随着光伏功率逐渐增加，效率较小时只对蓄电池充电，补充前一天调峰消耗的电能，当光伏输出功率达到45%以上时，开始以45%额定功率逆变并网，使蓄电池继续充电至充满；当中午时段出现第一个负荷高峰时，光伏输出功率同样较大，供用电处于一个相对平衡的状态，PCC电压波动并不大，不需要进行调峰控制。

傍晚时段负荷又出现高峰，而光伏功率较小，此时段供用电不平衡，需要蓄电池放电，系统处于调峰时段。蓄电池放电使PCC电压稳定在设定的参考电压 Uref附近。最后，当光伏输出功率为零而蓄电池放电深度达到预定值时，蓄电池停止放电，由电网继续给负荷供电。对调峰前后电网传输功率进行对比的波形如图7所示。

图7 调峰前后电网传输功率分布图

由于调峰控制的作用，在负荷处于高峰的情况下，PCC电压始终稳定在参考电压处，所以控制系统具有很快的动态响应，达到了调峰目的。

储能装置根据负荷变化实施充放电的控制过程如图8所示。图中上部分为根据负荷变化的蓄电池充放电曲线，下部分为对应的充放电过程中蓄电池SOC变化情况。

图8 根据负荷变化的蓄电池充放电控制图

在蓄电池容量配置的设计方面，蓄电池容量主要为满足调峰过程中的能量需要。在蓄电池的放电深度要求上，考虑到充放电深度对电池使用寿命的影响，蓄电池充放电最大深度设计为电池荷电量的30%。由此可以确定系统调峰能力为

式中，维持天数 D=2，温度修正系数 K=1.2，逆变器效率η1=0.93，蓄电池容量 4000Ah，蓄电池充放电效率η2=0.9，蓄电池充放电深度S=0.3，蓄电池额定工作电压为 48V。经计算得出系统日调峰能力Q=20.1kWh。

4 结论

本文通过对含分布式光伏发电系统的配电网中的负荷特性及能量流动的分析，设计了含储能装置的两级式微型逆变系统，提出了基于电网电压补偿控制的调峰控制策略和逆变系统的分段运行模式。同时对储能装置的容量和调峰能力进行了定量设计，最终通过仿真实验，验证了光伏并网系统加入储能装置进行调峰控制的可行性，有效解决了调峰和保持电网稳定运行的问题，为分布式光伏发电系统接入配电网运行提供了技术参考。

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Research of Distribution Network Peak Shaving for Distributed Grid-connected PV System with Energy Storage Device

Zhang Ming1,2Piao Zhengguo1,2
(1.North China University of Technology,Beijing 100144; 2.Collaborative Innovation Center of Electric Vehicles,Beijing 100081)

Aiming at the problem of electricity peak valley when the distribution network load demand changes,peak shaving control strategy for distributed Grid-connected photovoltaic (PV) system with energy storage devices is researched in this paper.A two-stage type micro inverter system is designed,peak shaving control strategy based on Point of Common Coupling voltage compensation control strategy is proposed.Meanwhile,in order to guarantee operating efficiency of the Grid-connected PV system,the piecewise operation mode is proposed.The whole system parameters is designed and simulated,the feasibility of the control strategy about Grid-connected PV system with energy storage devices for peak shaving is verified,peak shaving problem is efficiently solved and the stability of the grid is maintained.This paper provides technical reference for the design of peak shaving control with energy storage system.

distributed photovoltaic; peak load shaving; battery energy storage; flyback inverter

北京市教育委员会科技计划项目（KM201510009003）

张 明（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向为分布式光伏发电、电力电子和逆变器。