光伏储能电网经济运行的优化设计研究

国网青海省电力公司 李吉群

1 引言

分布式发电能充分整合和高效利用资源，能提高电力转化效率，并保障电力质量和可靠性，满足各类环境下不同的用电需求。但分布式发电采用的控制模式涉及的操作较为复杂，前期投入成本较高，同时技术基础存在的缺陷，导致其并网容易冲击系统整体电压，影响电流频率。对此，有必要探索光伏储能电网经济运行的优化设计。

2 光伏储能电网运行模型

通常，光伏储能电网的建设发展与其前期投入具有密切关系。对光伏储能电网运营模式进行统筹规划和合理设计，可以从整体上减少系统投资，避免频繁更换使用设备[1]。为了促进光伏电网运行实现最佳的经济效益，需要对光伏储能电网运行模型加以优化。

2.1 光伏储能电网系统构成

光伏储能电网的系统构成主要包括以下功能模块，分别是发电功能模块、配电功能模块、蓄电功能模块、负载模块、逆变器。其中，发电功能模块和蓄电功能模块均与逆变器保持接通状态，再通过导线进行连接，并实施变压，将电流有效传输至配电网络。以电网系统为依托，将光伏模块蓄积的电能向发电功能模块以及负载模块进行转移，确保电能在电网与蓄电功能模块之间保持良好的双向流动[2]。系统保持离网状态运行时，依靠光伏发电产生的电能保障公网正常运行，并将额外电能储存在电池组内。在室外环境光照充足的情况下，依靠光伏发电产生的电能，结合电池结构，向负载模块供应电能，保证负载设备的正常运行。系统完成与电网的接入后，即由电网对负载设备和电池供应电能。当用电出现高峰时，在一定程度上依靠光伏发电对配电负载设备供应电能，据此增加经济效益。

2.2 系统各项组成单元具备的特性

系统组成单元主要包括三部分，如图1所示。

图1 光伏储能电网系统组成单元

电池板的作用在于将其接收的阳光辐射转化为电能，并暂时对所转化的电能加以储存，根据系统要求，向负责发电的相关装置设备传输其储存的电量。电池板的电能输出功率主要受两类因素影响，一是制作材料，二是实际承受热量的面积。当电池板面对同等强度的太阳光照时，其短路电流呈现的数值基本上不会发生变化。如果光照强度增加，其开路电压受温度变化的影响，会出现降低的情况。这表明对光伏电池而言，光照强度与其输出功率在一定程度上成正比，即光照越强，电池板实际输出功率越大；电池板实际输出功率与其表面温度呈负相关，当电池板表面温度越高时，电池板实际输出功率越低。在太阳辐射对电池板的影响下，电池板表面温度一般比环境温度高，因此，电池板实际功率比标准输出功率要低，可对电池板实际输出功率进行计算：

式中，fpv表示功率降额系数，是电池板实际功率与电池板在额定条件下标准功率的比值，该系数反映灰尘污垢等因素导致电池板输出功率下降，一般取值为0.9；Ypv表示额定容量，kW；IT表示光照实际强度，kW/m2；IS表示光照符合标准测试条件的强度，kW/m2；ap表示温度系数，%/℃；Tcell,STC表示当前表面温度，℃；Tcell,STC表示标准测试条件下电池板表面温度，一般取值为25℃。

在光伏储能微电网中，蓄电池是使用广泛的储能单元。蓄电池能在一定程度上对光伏工作故障加以抑制，还能保障供电系统整体保持稳定的输电能力。逆变器与蓄电池具有类似的组成结构，二者均接入直流电流。通过逆变器，能确保直流电流与交流电流形成良好连接。对逆变器进行配置，要考虑组成结构的具体情况，合理设置各项参数[3]。

3 光伏储能电网经济运行的优化设计

以某光伏储能电网工程为例，探究光伏储能电网经济运行的优化设计。

3.1 系统设计总方案

某建筑实际承担大约65kW 的负荷，光伏储能电网在设计预期上大约采用80kWp 的容量。考虑系统运行实况，对之加以细化，分解成4个并网单元，这样一来，每个并网单元实际分担20kWp 的容量。4个并网单元分别靠逆变器与0.4kV 交流电网进行连接。

3.2 发电系统设计

3.2.1 光伏电池阵列设计

电网使用的电池为多晶硅材质的电池组，一般有250WP 的功率。此类电池组在电网运行时，其形成的共组电压可达到29.6V，其开路电压可达到37.1V。系统配套的逆变器功率可达20kW，其MPPT 在工作状态下保持大约300～1000V 的电压。采用串联方式设计电池组，串联的电池块数为20块，对于每个逆变器实际配备的电池串联组为4个，且4个电池串联组保持并列状态，实际需要80块电池组，能形成大约20kWp的发电功率。4个逆变器总共所需电池为320块。

3.2.2 并网逆变器设计

系统实施并网发电，4台逆变器输出的总功率可达80kWp。

3.3 储能系统设计

为保障稳定的电能供应，大楼整体兼用两种方式确保电能供应，分别是储能方式下的电能供应和光伏方式下的电能供应[4]。市电供应保持正常时，结合光伏供电，保障稳定的电能供应。当市电处于断开状态时，同时使用储能供电以及光伏供电。

3.3.1 蓄电池选型、电池串联以及并联设计

系统实际承载负荷量最大可达65kW。选用蓄电池要考虑其备用时长和最大电量。对于10h 的备用时长，蓄电池最大电量需达到650kWh。若选用的蓄电池在转化电能方面的系数是0.7，其大约需消耗930kWh 的电量。以阀控方式进行密封的蓄电池，不需要对之加以额外维护。每节蓄电池在电压上应保持为2V，在电量上应保持为1500Ah。系统实际使用的电池数量达到310节。串联所有电池，其端口实际形成高达620V 的电压。从总部来看，电池组达到930kWh 的容量。

3.3.2 储能变流器选型

对电能储存系统进行设计，要选用适用高效的储能变流器。在案例中，选用适用于系统的效率较高的双向逆变器，据此完成与光伏发电、蓄电池电能存储两大系统以及交流母线之间的连接。根据系统容量，将所选用的储能变流器的实际容量控制在80kW 左右，将交流输出的实际电压有效控制在400VAC 左右，将直流输出实际电压控制在500V 以上，800V以下。当系统实际处于离网的运行状态时，相关设备所保持的状态为空载，这种情况下，系统为完成充电需要借助储能变流器，并对大约20%的容量加以预留，而储能变流器实际保持96kW 左右的容量[5]。

4 系统运行说明

4.1 市电正常

当市电在正常情况下对电能进行供应时，系统实际上保持并网的运行模式，其运行过程包括如下内容。第一，检测开关上端的实际电压，如果得到的检测数值未偏离正常范围，则自动完成对开关的有效闭合。第二，对市电运行状态下电压实际情况进行检测，如果得到的检测数值未偏离正常范围，则按照相关参数，自动完成对系统的正常开机，避免其运行出现不正常的情况，保证对负载模块进行正常的电能供应，对于剩余的电能，则向电网进行输送。第三，并网保持正常运行的情况下，正确设置储能变流器的状态，完成有效充电。

4.2 市电故障

当市电出现电能供应方面的故障，要及时对系统运行的模式进行切换，通常情况下，采用离网模式继续保持运行，其主要过程包括如下内容。第一，准确检测市电的实际情况，判断是否真正出现断电情况，如果是则断开开关。同时，将模式切换的操作信号发送至储能变流器中，采用离网模式继续保持运行。第二，当确定故障发生后，开启有效的保护程序，快速停机。第三，由储能变流器实施切换操作，在此基础上检测端口电压，确定故障真实存在的情况下，先关机，再对系统加以启动，最终完成模式切换。第四，利用光伏逆变器实施检测，如果检测表明PCS 实际提供的支撑电压符合相应的电能供应要求，即自动实施开机运行。

4.3 市电恢复

当市电的电能供应恢复正常后，对故障状态下采用的离网运行模式加以切换，恢复到原来采用的并网运行模式。其过程主要包括如下内容：第一，对市电真实状态进行检测，向储能变流器准确传递检测获取的信息，自动完成对开关的有效闭合。第二，逆变器有效恢复正常的运行状态。第三，利用储能流变器对相关信息进行接收，当市电确实恢复正常后，合理调整当前电压，并完成模式切换，保持并网状态运行。当通信发生延迟时，上述转换过程会受到一定程度的不良影响。在一段时间内，PCS会受到冲击。当PCS 转变系统模式成功后，系统充电随之恢复正常，能确保负载供电保持持续不间断。

5 优化设计模型研究与展望

基于光伏储能微电网具备的系统结构，考虑其组件特性，将优化目标设置为确保微电网消耗最少的运行费用，综合考虑电网功率交互、功率平衡、荷电状态约束以及蓄电池充放电功率等因素，针对光伏储能微电网构建优化模型。该模型要对蓄电池形成的折旧成本加以考虑，并对问题规模加以有效降低。对于构建的优化模型，要基于交叉熵优化算法，对样本生成和概率分布更新两种方法进行改进，获取模型求解涉及的完整步骤，实现快速求解。与光伏储能电网系统形成的运行数据相结合，对所构建的模型和相关算法实施仿真验证。验证结果显示，能有效降低系统运行耗费的成本。考虑用电负荷以及输出功率具备的不确定性，对光伏储能电网构建鲁棒优化模型，凸显实用性，获取能良好适应各类情况的最优策略。

通过以交叉熵为基础的两阶段松弛法，对所构建的优化模型实施求解，通过光伏储能系统形成的运行数据，对优化模型和相关算法实施仿真验证。验证结果显示，鲁棒优化策略对不确定参数涉及的可能取值具有良好的适应性。

“雨流模型”能对蓄电池实际损耗进行良好反映，但无法考虑温度、端电压以及充放电电流等因素产生的影响。可选用恰当模型对蓄电池形成的折旧成本进行计算，对蓄电池具备的性能进行良好反映，获取更为实用的优化策略。同时考虑市电消耗所排放的等效污染，考虑废弃蓄电池形成的重金属污染，对多目标优化模型加以构建，促进系统充分发挥其环境效益，还要考虑系统涉及的各类不确定因素，对光伏储能电网实际运行调度实施鲁棒优化。对于复杂性较强的光伏储能微电网系统，可遵循事件逻辑，对调度优化模型加以构建，并将滚动优化机制引入其中，在出现突发性事件时，确保系统对模型涉及的参数和各项约束条件实施动态调整。在实施运行优化的同时，对系统配置加以优化，完成对双层优化模型的构建。将给定配置作为依据，按照生命周期制定各天相应的运行计划，并根据下层优化形成的结果，对系统整体效益加以计算。

6 结语

综上所述，秉持分布式发电理念构建的光伏储能电网能与配电网实现协调良好的并网运行，能优化调度和有效控制电能供应，进而取得良好的经济效益。光伏储能微电网能确保分布式电源稳定接入配电网，能促进可再生能源提高渗透率。在未来的研究应用中，要通过热电联产，为用户就近提供高效的供热服务，对能源进行高效的梯度利用，促进对化石能源的高效利用，并减少环境污染。对光伏储能微电网实施经济运行优化，要注重加强对清洁能源的利用，并对可控微电源出力加以调控，实现对不可控微电源出力的有效跟踪，进而实现对运行成本的有效降低。