光伏储能并网过程中电气自动化控制策略优化

引言

“双碳”目标下，我国光伏发电装机容量快速上升，光伏储能并网系统成为新型电力系统的关键技术路线。电气自动化控制是保证光伏储能系统安全高效并网的关键技术，其控制策略的好坏直接关系到系统运行的稳定、经济和可靠，光伏储能并网面临功率波动大、储能协调困难、多源控制复杂等问题，需要通过优化控制策略提高系统性能。

一、光伏储能并网系统电气自动化控制现状分析

（一）​并网功率波动及电能质量控制挑战

光伏发电受天气变化影响明显，输出功率存在很强的随机性和间歇性，云层遮挡、温度改变等要素造成光伏功率短时间内剧烈波动，这给电网频率和电压稳定性带来冲击。当前控制系统反应速度不能完全跟上功率的快速变动，从而造成并网点电能质量降低。此外，逆变器所引发的谐波污染，功率因数过低等情况同样对电网安全稳定运行形成干扰，因此，需要更为精确快速的控制策略，以保证电能质量达到并网标准[1]。

（二）​储能系统充放电策略的协调性问题研究

储能系统是平抑光伏功率波动的重要设备，充放电策略决定着储能系统的效果。当前储能控制大多采用简单的阈值控制或固定时段充放电策略，没有考虑光伏出力预测和电网需求，储能容量配置和充放电深度控制不当，会导致储能设备过充过放，缩短电池寿命，储能系统与光伏发电的协调配合也不够紧密，无法实现能量的最优调度，降低系统整体经济效益[2]。

（三）​多源协同控制的实时性难题

光伏储能并网系统包含光伏阵列、储能装置、并网逆变器等众多控制对象，各子系统之间信息交流与协同控制的要求非常高。传统的集中式控制架构存在通信延迟大、计算负担重的问题，很难达到毫秒级的实时控制需求，分布式控制虽然提升了响应速度，但是各个控制单元之间的协调机制不完善，很容易发生控制冲突，在电网故障或者扰动的时候，多源协同控制的实时性与可靠性就变得非常严峻，因此，必须要有更智能更高效的控制架构。

二、光伏储能并网电气自动化控制策略优化方案

（一）​预测算法驱动的功率平滑控制策略

功率平滑控制的关键点是对光伏出力改变趋势作出精确判断，然后预先调整个储能系统的工作情况，借助形成神经网络预测模型，将过往的发电资料，气象信息以及即时监测资讯融合起来，就能完成对将来的短期功率作出精准预测。依照预测所得设立起多目标化函数，综合衡量功率变动比率，储能消耗还有电网方面的需求等状况，利用智能优化算法来求解出最合适化的控制参数，该系统采取了滚动优化的形式，按照实际情况的差异不停修改控制策略，保证发出的电功率稳定均衡。

例如，某个光伏电站安装功率预测系统，每5 分钟收集一次辐照度、温度、云量等气象数据。输入训练好的神经网络模型，开展 15 分钟超短期功率预测，当预测到 10 分钟后功率下降 30% 时，控制系统提前 5 分钟开始储能放电，填补功率缺口，调整储能放电功率曲线，让其平滑过渡，防止功率突变，利用这样的预测控制，这个电站的并网功率波动率由原来的 15% 降到 4% ，提升了并网电能品质。

（二）​分层分布式能量管理优化方案

分层分布式架构把复杂的能量管理任务分配给不同的层级，每层承担特定功能，层级之间协调合作来达成整体优化。顶层做全局优化决策，按照电网调度指令和市场电价来制订发电计划，中间层执行区域协调，平衡光伏发电和储能充放电，底层执行具体控制指令，做到设备级精确控制，各层级之间依靠高速通信网络展开信息交流，采用边缘计算技术削减数据传输时延，加快系统反应速度。

例如，某工业园区光伏储能系统使用三层管理结构，顶层能量管理系统在每日凌晨依照第二天天气预报和用电规划，制订一整天24 小时的发电调度规划，中层区域控制器每隔 15 分钟调整一次。根据当前光伏供应量与负载需求来改变各个储能单元的充放电功率，底层设备控制器拥有毫秒级响应速度，执行功率指令并且上传运作数据，当园区出现突然的大量负载增长时，底层立即响应，中层于 1 秒之内重新调配功率，顶层在 1 分钟之内重新调整总体策略，做到即时准确的能量管理。

（三）​自适应虚拟同步发电机的控制策略研究

虚拟同步发电机技术模仿传统同步发电机的运行特性，给光伏储能系统赋予惯性支撑和频率调节能力，控制系统依照电网运行情况随时改变虚拟惯量和阻尼系数。在正常运行期间维持一定的惯性，在扰动出现时，立刻加大惯性反应速度，通过塑造自适应控制算法，系统可以按照频率偏差，功率变化速率等参数随时改进控制参数，做到并网稳定又提升动态反应性能。

例如，某光伏电站逆变器采用虚拟同步机控制，设置基础虚拟惯量为3 秒，阻尼系数为 20 。当检测到电网频率下降 0.1Hz 时，控制系统在 20ms 内将虚拟惯量提升到 6 秒，增加有功功率输出支撑频率，并根据频率变化率将阻尼系数调整到 35 以抑制功率振荡，待频率恢复正常后，参数逐步恢复到初始值，通过自适应调节，该电站在电网扰动时的频率支撑能力提升 40% ，提高了新能源并网友好性。为了更清晰地展示光伏储能并网电气自动化控制策略优化的整体架构和各模块之间的协调关系，图 1 描绘了三种核心控制策略的集成流程及其相互作用机制。

光伏储能并网电气自动化控制策略优化集成流程图

图一：光伏储能并网电气自动化控制策略优化集成流程图结语

光伏储能并网系统电气自动化控制策略优化属于改善新能源消纳能力的重要技术手段。本文提出的依靠预测算法的功率平滑控制，分层分散的能量管理以及自适应虚拟同步发电控制等策略，有效地解决了功率波动，储能协同与多源控制等关键问题，伴随人工智能，大数据等新技术不断改进，光伏储能并网控制将会朝着更为智能化、自适应的自适应方向发展。

参考文献：

[1] 李嘉琛 . 并网光伏电站中混合储能的控制与容量优化策略的研究 [D]. 山西省 ： 太原理工大学 ，2014.

[2] 马伟 ， 王玮 ， 吴学智 ， 等 . 平抑光伏并网功率波动的混合储能系统优化调度策略 [J]. 电力系统自动化 ，2019，43（03）：58-66.