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光伏并網(wǎng)柜與儲能系統協(xié)同控制策略

2025年07月10日
隨著(zhù)光伏發(fā)電滲透率的持續提升，其 “間歇性、波動(dòng)性” 對電網(wǎng)的沖擊日益 —— 據國家電網(wǎng)數據，2023 年我國分布式光伏因出力波動(dòng)導致的棄光率約 2.3%，而儲能系統的引入為解決這一問(wèn)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(guān)鍵。通過(guò) “發(fā)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(xié)同目標、核心策略、技術(shù)實(shí)現及應用場(chǎng)景四個(gè)維度，系統解析光伏并網(wǎng)柜與儲能系統的協(xié)同控制方案。
一、協(xié)同控制的核心目標與價(jià)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（含電池組、雙向變流器 PCS）的協(xié)同控制，本質(zhì)是通過(guò)能量流的動(dòng)態(tài)調配，實(shí)現 “平抑波動(dòng)、優(yōu)化收益、保障供電” 三大核心目標，具體價(jià)值體現在：
1. 平抑光伏出力波動(dòng)，提升電網(wǎng)兼容性
光伏發(fā)電受光照影響呈現波動(dòng)性（如云層遮擋時(shí)功率 10 分鐘內可下降 50%），通過(guò)儲能系統的快速充放電（響應時(shí)間＜100ms），可將功率波動(dòng)幅度控制在 ±5% 以?xún)?，滿(mǎn)足電網(wǎng)對新能源電站的 “低電壓穿越”“波動(dòng)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(shí)波動(dòng)。
2. 優(yōu)化用電結構，提升經(jīng)濟收益

  • 峰谷套利：利用電價(jià)差（如工商業(yè)峰谷電價(jià)差 0.5 元 /kWh），光伏出力低谷時(shí)（如夜間）通過(guò)電網(wǎng)充電，高峰時(shí)（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(hù)的 “需量電費”，通過(guò)儲能放電降低電網(wǎng)瞬時(shí)功率（如將 1000kW 需量降至 800kW），年節省電費可達數萬(wàn)元。

3. 保障應急供電，提升系統可靠性

  • 離網(wǎng)運行：電網(wǎng)停電時(shí)，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）持續供電（續航時(shí)間≥4 小時(shí)）；

  • 備電支撐：光伏并網(wǎng)柜檢測到電網(wǎng)故障時(shí)，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(xié)同控制的核心策略與場(chǎng)景適配
光伏并網(wǎng)柜與儲能系統的協(xié)同控制需根據應用場(chǎng)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)濟調度、應急響應三大類(lèi)。
1. 功率平滑控制：平抑波動(dòng)的實(shí)時(shí)調節
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(shí)時(shí)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(dòng)），例如設定時(shí)間常數 T=10 秒，當光伏功率 Ppv 波動(dòng)超過(guò)閾值（如 ±10%）時(shí)，儲能系統通過(guò)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(shí)時(shí)采集光伏組串電流、電壓（采樣頻率≥1kHz），計算瞬時(shí)功率并傳輸至儲能 PCS；同時(shí)監測并網(wǎng)點(diǎn)電壓 / 頻率，當電網(wǎng)異常（如電壓跌落＞10%）時(shí)，立即通知儲能系統暫停充放電，優(yōu)先保障電網(wǎng)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(dòng)從 ±30% 降至 ±5%，電網(wǎng)調度部門(mén)對其考核罰款減少 80%。
2. 經(jīng)濟調度控制：收益化的能量分配
適用于工商業(yè)屋頂光伏（電價(jià)機制靈活），核心是通過(guò)優(yōu)化充放電時(shí)序，實(shí)現收益化，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(jià)曲線(xiàn)，制定次日充放電計劃：

  • 光伏大發(fā)時(shí)段（如 12:00-14:00）：優(yōu)先自用，余電充電（避免上網(wǎng)電價(jià)低于儲能放電成本）；

  • 電價(jià)高峰時(shí)段（如 8:00-10:00）：儲能滿(mǎn)功率放電，減少電網(wǎng)購電；

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

  • 實(shí)時(shí)修正：

光伏并網(wǎng)柜每 5 分鐘更新實(shí)際出力，與計劃偏差超過(guò) 10% 時(shí)，動(dòng)態(tài)調整儲能充放電功率（如預測出力 100kW，實(shí)際 80kW，則減少儲能充電 20kW）。

  • 光伏并網(wǎng)柜的協(xié)同動(dòng)作：

通過(guò) 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(shí)監測并網(wǎng)點(diǎn)的有功 / 無(wú)功功率，不超過(guò)電網(wǎng)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(chǎng)景（如醫院、數據中心），控制策略聚焦 “快速切換、穩定運行”：

  • 電網(wǎng)故障響應：

光伏并網(wǎng)柜檢測到電網(wǎng)失壓（持續＞200ms）后，立即斷開(kāi)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)（響應時(shí)間＜50ms），同時(shí)向儲能 PCS 發(fā)送 “離網(wǎng)模式” 指令，儲能系統在 200ms 內建立穩定電壓（380V±2%），光伏通過(guò)離網(wǎng)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(guò)充過(guò)放），應急狀態(tài)下允許短時(shí)放電至 10%，重要負荷供電≥4 小時(shí)；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)柜與儲能系統共享保護信息（如過(guò)流、過(guò)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(shù)實(shí)現與關(guān)鍵組件
光伏并網(wǎng)柜與儲能系統的協(xié)同控制需通過(guò) “感知 - 決策 - 執行” 三層架構實(shí)現，核心技術(shù)包括通信協(xié)議、控制算法、保護協(xié)同三大類(lèi)：
1. 通信與數據交互：實(shí)時(shí)指令傳輸

  • 通信協(xié)議：

采用標準化協(xié)議數據互通：

  • 光伏并網(wǎng)柜→儲能 PCS：Modbus-RTU（傳輸光伏功率、并網(wǎng)點(diǎn)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(guò)溫報警”）。

通信延遲需＜500ms，控制指令及時(shí)執行。

  • 數據采集點(diǎn)：

光伏并網(wǎng)柜需采集的關(guān)鍵數據包括：

  • 電氣參數：光伏總電流 / 電壓、并網(wǎng)點(diǎn)有功 / 無(wú)功功率、電網(wǎng)頻率；

  • 狀態(tài)參數：并網(wǎng)開(kāi)關(guān)位置、保護動(dòng)作信號（如過(guò)流跳閘）；

  • 儲能參數：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(lái) 15 分鐘的光伏出力預測和負荷需求，滾動(dòng)優(yōu)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(guò)模糊規則（如 “功率下降快→放電功率增加”）實(shí)現自適應調節，魯棒性更強。

  • 決策邏輯優(yōu)先級：

當多目標沖突時(shí)（如平抑波動(dòng)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(shí)，優(yōu)先穩定電網(wǎng)）；

  1. 設備保護（如儲能過(guò)溫時(shí)，立即停止充放電）；

  1. 經(jīng)濟收益（無(wú)安全風(fēng)險時(shí)，按優(yōu)收益調度）。

3. 保護協(xié)同與安全機制

  • 防逆流保護：

光伏并網(wǎng)柜內置防逆流裝置，當儲能放電導致電流反向（上網(wǎng)功率＜0）且超過(guò)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(wǎng) “禁止逆流” 規定。

  • 過(guò)載協(xié)同保護：

并網(wǎng)點(diǎn)總電流超過(guò)額定值 1.2 倍時(shí)，光伏并網(wǎng)柜與儲能 PCS 同時(shí)降低功率：

  • 光伏側：通過(guò)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(guò)充 / 過(guò)放” 信號后，禁止向儲能充電或限制放電，同時(shí)觸發(fā)聲光告警（如 “電池 SOC＜10%，請停止放電”）。
四、典型應用場(chǎng)景與效益分析
1. 工商業(yè)屋頂光伏 + 儲能場(chǎng)景（1MW 光伏 + 200kWh 儲能）

  • 控制策略：峰谷套利 + 需量管理

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

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

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

  • 效益：

年峰谷套利收益約 12 萬(wàn)元，需量電費節省 8 萬(wàn)元，投資回收期約 5 年。
2. 離網(wǎng)光伏微電網(wǎng)場(chǎng)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(shí)：多余功率充電（SOC≤90%）；

  • 光伏出力＜負荷時(shí)：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(wèn)題，較柴油發(fā)電機方案年節省燃油成本 30 萬(wàn)元，減排 CO?約 100 噸。
五、挑戰與優(yōu)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(huán)）會(huì )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?xún)龋?/span>

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

  • 冗余通信設計：關(guān)鍵指令采用 “無(wú)線(xiàn) + 有線(xiàn)” 雙鏈路傳輸，通信中斷時(shí)執行預設安全策略（如暫停充放電）。

結語(yǔ)
光伏并網(wǎng)柜與儲能系統的協(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(guò)動(dòng)態(tài)能量調配平衡 “技術(shù)可行性” 與 “經(jīng)濟合理性”。在技術(shù)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(chǎng)景特性選擇適配策略（如平抑波動(dòng)優(yōu)先或收益優(yōu)化優(yōu)先）。
未來(lái)，隨著(zhù)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(dòng)化、自適應、多能互補”（融合光伏、儲能、充電樁）方向發(fā)展，進(jìn)一步提升新能源系統的經(jīng)濟性與可靠性，為 “雙碳” 目標的實(shí)現提供有力支撐。


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