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光伏并網柜與儲能系統協同控制策略

2025年07月10日
隨著光伏發電滲透率的持續提升,其 “間歇性、波動性” 對電網的沖擊日益 —— 據國家電網數據,2023 年我國分布式光伏因出力波動導致的棄光率約 2.3%,而儲能系統的引入為解決這一問題提供了有效路徑。光伏并網柜作為連接光伏陣列與電網的核心樞紐,與儲能系統的協同控制成為提升光伏消納率、優化電能質量的關鍵。通過 “發電 - 儲電 - 用電” 的智能調度,可將光伏自用率提升至 80% 以上,峰谷套利收益增加 20%-30%。本文將從協同目標、核心策略、技術實現及應用場景四個維度,系統解析光伏并網柜與儲能系統的協同控制方案。
一、協同控制的核心目標與價值
光伏并網柜(負責光伏功率匯流、并網控制)與儲能系統(含電池組、雙向變流器 PCS)的協同控制,本質是通過能量流的動態調配,實現 “平抑波動、優化收益、保障供電” 三大核心目標,具體價值體現在:
1. 平抑光伏出力波動,提升電網兼容性
光伏發電受光照影響呈現波動性(如云層遮擋時功率 10 分鐘內可下降 50%),通過儲能系統的快速充放電(響應時間<100ms),可將功率波動幅度控制在 ±5% 以內,滿足電網對新能源電站的 “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. 優化用電結構,提升經濟收益
  • 峰谷套利:利用電價差(如工商業峰谷電價差 0.5 元 /kWh),光伏出力低谷時(如夜間)通過電網充電,高峰時(如 10:00-15:00)優先釋放儲能電力,每度電可增收 0.3-0.5 元;

  • 需量管理:針對工商業用戶的 “需量電費”,通過儲能放電降低電網瞬時功率(如將 1000kW 需量降至 800kW),年節省電費可達數萬元。

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

  • 備電支撐:光伏并網柜檢測到電網故障時,0.5 秒內切換至 “孤島模式”,儲能系統維持電壓頻率穩定,避免負荷斷電。

二、協同控制的核心策略與場景適配
光伏并網柜與儲能系統的協同控制需根據應用場景(分布式屋頂、地面電站、工商業微電網)的差異,采用差異化策略,核心包括功率平滑、經濟調度、應急響應三大類。
1. 功率平滑控制:平抑波動的實時調節
適用于大型地面光伏電站或接入弱電網的分布式項目,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 T=10 秒,當光伏功率 Ppv 波動超過閾值(如 ±10%)時,儲能系統通過充放電補償:
  • 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;同時監測并網點電壓 / 頻率,當電網異常(如電壓跌落>10%)時,立即通知儲能系統暫停充放電,優先保障電網穩定。
  • 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 分鐘內功率波動從 ±30% 降至 ±5%,電網調度部門對其考核罰款減少 80%。
2. 經濟調度控制:收益化的能量分配
適用于工商業屋頂光伏(電價機制靈活),核心是通過優化充放電時序,實現收益化,控制策略包括:
  • 日前優化

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:
  • 光伏大發時段(如 12:00-14:00):優先自用,余電充電(避免上網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,減少電網購電;

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

  • 實時修正

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

通過 RS485 / 以太網與儲能 PCS 通信,發送充放電指令(如 “充電功率 50kW”),同時監測并網點的有功 / 無功功率,不超過電網許可范圍(如功率因數維持在 0.95 以上)。
3. 應急與備用控制:保障供電連續性
適用于對供電可靠性要求高的場景(如醫院、數據中心),控制策略聚焦 “快速切換、穩定運行”:
  • 電網故障響應

光伏并網柜檢測到電網失壓(持續>200ms)后,立即斷開并網開關(響應時間<50ms),同時向儲能 PCS 發送 “離網模式” 指令,儲能系統在 200ms 內建立穩定電壓(380V±2%),光伏通過離網逆變器繼續向負荷供電,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),應急狀態下允許短時放電至 10%,重要負荷供電≥4 小時;恢復電網供電后,優先充電至 50% 再并網。
  • 協同保護機制

光伏并網柜與儲能系統共享保護信息(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,僅保留光伏并網功能。
三、協同控制的技術實現與關鍵組件
光伏并網柜與儲能系統的協同控制需通過 “感知 - 決策 - 執行” 三層架構實現,核心技術包括通信協議、控制算法、保護協同三大類:
1. 通信與數據交互:實時指令傳輸
  • 通信協議

采用標準化協議數據互通:
  • 光伏并網柜→儲能 PCS:Modbus-RTU(傳輸光伏功率、并網點電壓)或 MQTT(適用于云端控制);

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

通信延遲需<500ms,控制指令及時執行。
  • 數據采集點

光伏并網柜需采集的關鍵數據包括:
  • 電氣參數:光伏總電流 / 電壓、并網點有功 / 無功功率、電網頻率;

  • 狀態參數:并網開關位置、保護動作信號(如過流跳閘);

  • 儲能參數:SOC、PCS 運行模式(并網 / 離網)、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,滾動優化儲能充放電計劃,比傳統 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,通過模糊規則(如 “功率下降快→放電功率增加”)實現自適應調節,魯棒性更強。

  • 決策邏輯優先級

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

  1. 設備保護(如儲能過溫時,立即停止充放電);

  1. 經濟收益(無安全風險時,按優收益調度)。

3. 保護協同與安全機制
  • 防逆流保護

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

并網點總電流超過額定值 1.2 倍時,光伏并網柜與儲能 PCS 同時降低功率:
  • 光伏側:通過組串級優化器降低出力(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;

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

  • 需量控制:監測 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,需量電費節省 8 萬元,投資回收期約 5 年。
2. 離網光伏微電網場景(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(如礦山、海島)的供電問題,較柴油發電機方案年節省燃油成本 30 萬元,減排 CO?約 100 噸。
五、挑戰與優化建議
1. 現存挑戰
  • 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)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:工業環境的電磁干擾可能導致指令傳輸中斷,引發控制失效。

2. 優化建議
  • 提升預測精度:融合衛星云圖、歷史數據訓練 AI 預測模型(如 LSTM),將短期預測誤差降至 10% 以內;

  • 優化充放電策略: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,通信中斷時執行預設安全策略(如暫停充放電)。

結語
光伏并網柜與儲能系統的協同控制是新能源高比例接入電網的必然要求,其核心是通過動態能量調配平衡 “技術可行性” 與 “經濟合理性”。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,需根據場景特性選擇適配策略(如平抑波動優先或收益優化優先)。
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)方向發展,進一步提升新能源系統的經濟性與可靠性,為 “雙碳” 目標的實現提供有力支撐。


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