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      企業(yè)動態(tài)

      光伏并網(wǎng)柜與儲能系統(tǒng)協(xié)同控制策略

      2025-07-20

      隨著光伏發(fā)電滲透率的持續(xù)提升,其 “間歇性、波動性” 對電網(wǎng)的沖擊日益 —— 據(jù)國家電網(wǎng)數(shù)據(jù),2023 年我國分布式光伏因出力波動導致的棄光率約 2.3%,而儲能系統(tǒng)的引入為解決這一問題提供了有效路徑。光伏并網(wǎng)柜作為連接光伏陣列與電網(wǎng)的核心樞紐,與儲能系統(tǒng)的協(xié)同控制成為提升光伏消納率、優(yōu)化電能質(zhì)量的關鍵。通過 “發(fā)電 - 儲電 - 用電” 的智能調(diào)度,可將光伏自用率提升至 80% 以上,峰谷套利收益增加 20%-30%。本文將從協(xié)同目標、核心策略、技術實現(xiàn)及應用場景四個維度,系統(tǒng)解析光伏并網(wǎng)柜與儲能系統(tǒng)的協(xié)同控制方案。
      一、協(xié)同控制的核心目標與價值
      光伏并網(wǎng)柜(負責光伏功率匯流、并網(wǎng)控制)與儲能系統(tǒng)(含電池組、雙向變流器 PCS)的協(xié)同控制,本質(zhì)是通過能量流的動態(tài)調(diào)配,實現(xiàn) “平抑波動、優(yōu)化收益、保障供電” 三大核心目標,具體價值體現(xiàn)在:
      1. 平抑光伏出力波動,提升電網(wǎng)兼容性
      光伏發(fā)電受光照影響呈現(xiàn)波動性(如云層遮擋時功率 10 分鐘內(nèi)可下降 50%),通過儲能系統(tǒng)的快速充放電(響應時間<100ms),可將功率波動幅度控制在 ±5% 以內(nèi),滿足電網(wǎng)對新能源電站的 “低電壓穿越”“波動率限制” 等要求。例如,1MW 光伏電站配置 200kWh 儲能,可平抑 90% 以上的短時波動。
      2. 優(yōu)化用電結構,提升經(jīng)濟收益
      • 峰谷套利:利用電價差(如工商業(yè)峰谷電價差 0.5 元 /kWh),光伏出力低谷時(如夜間)通過電網(wǎng)充電,高峰時(如 10:00-15:00)優(yōu)先釋放儲能電力,每度電可增收 0.3-0.5 元;

      • 需量管理:針對工商業(yè)用戶的 “需量電費”,通過儲能放電降低電網(wǎng)瞬時功率(如將 1000kW 需量降至 800kW),年節(jié)省電費可達數(shù)萬元。

      3. 保障應急供電,提升系統(tǒng)可靠性
      • 離網(wǎng)運行:電網(wǎng)停電時,協(xié)同控制光伏與儲能組成微電網(wǎng),為重要負荷(如通信基站、應急照明)持續(xù)供電(續(xù)航時間≥4 小時);

      • 備電支撐:光伏并網(wǎng)柜檢測到電網(wǎng)故障時,0.5 秒內(nèi)切換至 “孤島模式”,儲能系統(tǒng)維持電壓頻率穩(wěn)定,避免負荷斷電。

      二、協(xié)同控制的核心策略與場景適配
      光伏并網(wǎng)柜與儲能系統(tǒng)的協(xié)同控制需根據(jù)應用場景(分布式屋頂、地面電站、工商業(yè)微電網(wǎng))的差異,采用差異化策略,核心包括功率平滑、經(jīng)濟調(diào)度、應急響應三大類。
      1. 功率平滑控制:平抑波動的實時調(diào)節(jié)
      適用于大型地面光伏電站或接入弱電網(wǎng)的分布式項目,控制邏輯為 “光伏實時功率 + 儲能充放電 = 目標并網(wǎng)功率”:
      • 控制算法

      采用 “低通濾波算法” 計算目標功率(濾除高頻波動),例如設定時間常數(shù) T=10 秒,當光伏功率 Ppv 波動超過閾值(如 ±10%)時,儲能系統(tǒng)通過充放電補償:
      • 當 Ppv>目標功率:儲能充電(Pbat=Ppv - 目標功率);

      • 當 Ppv<目標功率:儲能放電(Pbat = 目標功率 - Ppv)。

      • 光伏并網(wǎng)柜的角色

      實時采集光伏組串電流、電壓(采樣頻率≥1kHz),計算瞬時功率并傳輸至儲能 PCS;同時監(jiān)測并網(wǎng)點電壓 / 頻率,當電網(wǎng)異常(如電壓跌落>10%)時,立即通知儲能系統(tǒng)暫停充放電,優(yōu)先保障電網(wǎng)穩(wěn)定。
      • 案例效果

      某 5MW 地面光伏電站配置 1MWh 儲能,采用功率平滑控制后,1 分鐘內(nèi)功率波動從 ±30% 降至 ±5%,電網(wǎng)調(diào)度部門對其考核罰款減少 80%。
      2. 經(jīng)濟調(diào)度控制:收益化的能量分配
      適用于工商業(yè)屋頂光伏(電價機制靈活),核心是通過優(yōu)化充放電時序,實現(xiàn)收益化,控制策略包括:
      • 日前優(yōu)化

      基于天氣預報(光伏出力預測誤差≤15%)和電價曲線,制定次日充放電計劃:
      • 光伏大發(fā)時段(如 12:00-14:00):優(yōu)先自用,余電充電(避免上網(wǎng)電價低于儲能放電成本);

      • 電價高峰時段(如 8:00-10:00):儲能滿功率放電,減少電網(wǎng)購電;

      • 電價低谷時段(如 0:00-6:00):若儲能 SOC(荷電狀態(tài))<20%,通過電網(wǎng)補電至 50%。

      • 實時修正

      光伏并網(wǎng)柜每 5 分鐘更新實際出力,與計劃偏差超過 10% 時,動態(tài)調(diào)整儲能充放電功率(如預測出力 100kW,實際 80kW,則減少儲能充電 20kW)。
      • 光伏并網(wǎng)柜的協(xié)同動作

      通過 RS485 / 以太網(wǎng)與儲能 PCS 通信,發(fā)送充放電指令(如 “充電功率 50kW”),同時監(jiān)測并網(wǎng)點的有功 / 無功功率,不超過電網(wǎng)許可范圍(如功率因數(shù)維持在 0.95 以上)。
      3. 應急與備用控制:保障供電連續(xù)性
      適用于對供電可靠性要求高的場景(如醫(yī)院、數(shù)據(jù)中心),控制策略聚焦 “快速切換、穩(wěn)定運行”:
      • 電網(wǎng)故障響應

      光伏并網(wǎng)柜檢測到電網(wǎng)失壓(持續(xù)>200ms)后,立即斷開并網(wǎng)開關(響應時間<50ms),同時向儲能 PCS 發(fā)送 “離網(wǎng)模式” 指令,儲能系統(tǒng)在 200ms 內(nèi)建立穩(wěn)定電壓(380V±2%),光伏通過離網(wǎng)逆變器繼續(xù)向負荷供電,儲能補充差額功率。
      • 儲能 SOC 管理

      日常維持儲能 SOC 在 30%-70%(避免過充過放),應急狀態(tài)下允許短時放電至 10%,重要負荷供電≥4 小時;恢復電網(wǎng)供電后,優(yōu)先充電至 50% 再并網(wǎng)。
      • 協(xié)同保護機制

      光伏并網(wǎng)柜與儲能系統(tǒng)共享保護信息(如過流、過壓),當檢測到電池組故障(如單體電壓>3.7V),立即閉鎖儲能充放電,僅保留光伏并網(wǎng)功能。
      三、協(xié)同控制的技術實現(xiàn)與關鍵組件
      光伏并網(wǎng)柜與儲能系統(tǒng)的協(xié)同控制需通過 “感知 - 決策 - 執(zhí)行” 三層架構實現(xiàn),核心技術包括通信協(xié)議、控制算法、保護協(xié)同三大類:
      1. 通信與數(shù)據(jù)交互:實時指令傳輸
      • 通信協(xié)議

      采用標準化協(xié)議數(shù)據(jù)互通:
      • 光伏并網(wǎng)柜→儲能 PCS:Modbus-RTU(傳輸光伏功率、并網(wǎng)點電壓)或 MQTT(適用于云端控制);

      • 儲能 PCS→光伏并網(wǎng)柜:反饋 SOC、充放電功率、故障狀態(tài)(如 “過溫報警”)。

      通信延遲需<500ms,控制指令及時執(zhí)行。
      • 數(shù)據(jù)采集點

      光伏并網(wǎng)柜需采集的關鍵數(shù)據(jù)包括:
      • 電氣參數(shù):光伏總電流 / 電壓、并網(wǎng)點有功 / 無功功率、電網(wǎng)頻率;

      • 狀態(tài)參數(shù):并網(wǎng)開關位置、保護動作信號(如過流跳閘);

      • 儲能參數(shù):SOC、PCS 運行模式(并網(wǎng) / 離網(wǎng))、充放電功率限值。

      2. 控制算法與決策邏輯
      • 核心算法

      • 模型預測控制(MPC):基于未來 15 分鐘的光伏出力預測和負荷需求,滾動優(yōu)化儲能充放電計劃,比傳統(tǒng) PID 控制提升 10%-15% 的收益;

      • 模糊控制:針對光照突變等不確定因素,通過模糊規(guī)則(如 “功率下降快→放電功率增加”)實現(xiàn)自適應調(diào)節(jié),魯棒性更強。

      • 決策邏輯優(yōu)先級

      當多目標沖突時(如平抑波動與峰谷套利沖突),按優(yōu)先級處理:
      1. 電網(wǎng)安全(如頻率偏差>0.5Hz 時,優(yōu)先穩(wěn)定電網(wǎng));

      1. 設備保護(如儲能過溫時,立即停止充放電);

      1. 經(jīng)濟收益(無安全風險時,按優(yōu)收益調(diào)度)。

      3. 保護協(xié)同與安全機制
      • 防逆流保護

      光伏并網(wǎng)柜內(nèi)置防逆流裝置,當儲能放電導致電流反向(上網(wǎng)功率<0)且超過設定值(如 - 5% 額定功率),100ms 內(nèi)降低儲能放電功率,避免違反電網(wǎng) “禁止逆流” 規(guī)定。
      • 過載協(xié)同保護

      并網(wǎng)點總電流超過額定值 1.2 倍時,光伏并網(wǎng)柜與儲能 PCS 同時降低功率:
      • 光伏側:通過組串級優(yōu)化器降低出力(如切斷部分組串);

      • 儲能側:立即停止充電或降低放電功率,總降額速度≥20%/ 秒。

      • 電池安全防護

      光伏并網(wǎng)柜接收儲能 PCS 的 “電池過充 / 過放” 信號后,禁止向儲能充電或限制放電,同時觸發(fā)聲光告警(如 “電池 SOC<10%,請停止放電”)。
      四、典型應用場景與效益分析
      1. 工商業(yè)屋頂光伏 + 儲能場景(1MW 光伏 + 200kWh 儲能)
      • 控制策略:峰谷套利 + 需量管理

      • 高峰時段(8:00-22:00,電價 1.2 元 /kWh):儲能放電,光伏余電上網(wǎng);

      • 低谷時段(22:00-8:00,電價 0.6 元 /kWh):光伏無出力時,電網(wǎng)充電至 SOC 80%;

      • 需量控制:監(jiān)測 15 分鐘需量,接近閾值時儲能放電,將需量從 1200kVA 降至 1000kVA。

      • 效益

      年峰谷套利收益約 12 萬元,需量電費節(jié)省 8 萬元,投資回收期約 5 年。
      2. 離網(wǎng)光伏微電網(wǎng)場景(50kW 光伏 + 100kWh 儲能)
      • 控制策略:恒定電壓頻率控制

      • 光伏出力>負荷時:多余功率充電(SOC≤90%);

      • 光伏出力<負荷時:儲能放電補充,維持電壓 380V±5%,頻率 50Hz±0.2Hz。

      • 效益

      解決偏遠地區(qū)(如礦山、海島)的供電問題,較柴油發(fā)電機方案年節(jié)省燃油成本 30 萬元,減排 CO?約 100 噸。
      五、挑戰(zhàn)與優(yōu)化建議
      1. 現(xiàn)存挑戰(zhàn)
      • 預測精度不足:光伏出力預測誤差(尤其多云天氣)導致充放電計劃不合理,收益損失 5%-10%;

      • 電池壽命影響:頻繁充放電(如每天 2 次循環(huán))會縮短電池壽命(從 10 年降至 8 年),增加更換成本;

      • 通信可靠性:工業(yè)環(huán)境的電磁干擾可能導致指令傳輸中斷,引發(fā)控制失效。

      2. 優(yōu)化建議
      • 提升預測精度:融合衛(wèi)星云圖、歷史數(shù)據(jù)訓練 AI 預測模型(如 LSTM),將短期預測誤差降至 10% 以內(nèi);

      • 優(yōu)化充放電策略:采用 “淺充淺放”(SOC 維持 30%-80%),可延長電池壽命 30% 以上;

      • 冗余通信設計:關鍵指令采用 “無線 + 有線” 雙鏈路傳輸,通信中斷時執(zhí)行預設安全策略(如暫停充放電)。

      結語
      光伏并網(wǎng)柜與儲能系統(tǒng)的協(xié)同控制是新能源高比例接入電網(wǎng)的必然要求,其核心是通過動態(tài)能量調(diào)配平衡 “技術可行性” 與 “經(jīng)濟合理性”。在技術層面,需突破預測精度、通信可靠性、電池壽命管理等瓶頸;在應用層面,需根據(jù)場景特性選擇適配策略(如平抑波動優(yōu)先或收益優(yōu)化優(yōu)先)。
      未來,隨著電池成本下降(2030 年預計降至 0.5 元 / Wh)和智能算法升級,協(xié)同控制將向 “全自動化、自適應、多能互補”(融合光伏、儲能、充電樁)方向發(fā)展,進一步提升新能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性與可靠性,為 “雙碳” 目標的實現(xiàn)提供有力支撐。


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