浅谈光伏储能系统的应用及控制策略探析

【摘要】文章对光伏储能系统的应用及控制进行研究。首先介绍了光伏储能系统的基本原理和工作方式。其次，探讨了光伏储能系统在微电网和电力系统中的应用，包括平滑功率波动、提高电网稳定性和可靠性等方面的优势。接着，简要分析了光伏储能系统的控制策略，包括功率控制、能量管理和电池管理等方面的内容。*后，总结了光伏储能系统的应用前景，为进一步研究和应用光伏储能系统提供了参考。
【关键词】光伏储能系统；功率波动；功率控制；能量管理
0 引言
光伏储能系统作为可再生能源领域的重要组成部分，具有广泛的应用前景和巨大的经济和环境效益。随着能源需求的增加和对清洁能源的追求，光伏储能系统在微电网和电力系统中的应用越来越受到关注。然而，为了实现光伏储能系统的高效运行和优化控制，需要深入了解其应用和控制策略。因此，文章旨在对光伏储能系统的应用及控制策略进行浅析，以期为相关研究和实际应用提供参考和指导，将有助于进一步推动光伏储能系统的发展，促进清洁能源的可持续利用。
1.光伏储能系统的基本原理和工作方式
光伏储能系统是一种将光伏发电和能量储存相结合的系统，通过将光能转化为电能并进行储存，实现了对太阳能的高效利用和能源的持续供应。其基本原理是利用光伏效应，将太阳辐射转化为直流电能，然后通过储能装置将电能进行存储，以备不时之需。光伏储能系统的工作方式主要包括光伏发电、能量转换和储能三个过程。在光伏发电过程中，光伏电池板将太阳光中的光子吸收并转化为电子能量。光伏电池板通常由多个光伏电池组成，这些电池由半导体材料制成，如硅、镓等。当光子被吸收时，会释放出电子，并在电场的作用下形成电流。这个直流电流经过电池板内部的金属导线，传输到光伏储能系统的逆变器。能量转换是光伏储能系统中的关键步骤。逆变器将直流电能转换为交流电能，以适应电力系统的要求。逆变器具有将直流电转换为交流电的功能，同时还可以对电流进行调节和控制，以满足不同负载的需求。在能量转换过程中，逆变器还可以将多个光伏储能系统的输出进行并联或串联，以提高系统的功率输出和电压稳定性。储能是光伏储能系统的重要环节，它可以在太阳能不可用或需求超过发电能力时提供持续的能源供应。常见的储能装置包括电池、超级电容器和储热装置等。其中，电池是*常用的储能装置之一，它可以将电能转化为化学能并进行储存。当需要使用储存的能量时，电池可以将化学能转化为电能，并通过逆变器将其转换为交流电供电。
2.光伏储能系统的应用优势
2.1平滑功率波动
光伏发电存在着天气变化和日夜周期性等因素的影响，导致输出功率波动较大。而光伏储能系统能够通过储能和放电的方式平滑功率波动，提供稳定的电力输出。当光伏发电功率较高时，多余的电力可以被储存到电池中，以供后续使用。而在光伏发电功率较低或不足时，储能系统可以释放储存的电能，弥补电力缺口，从而实现平滑功率输出。这种平滑功率波动的能力对于电力系统的稳定运行和供电质量的提升具有重要意义。
2.2提高电网稳定性和可靠性
光伏储能系统能够通过调节光伏发电的输出功率，提高电网的稳定性和可靠性。在电力系统中，光伏储能系统可以充当调峰填谷的角色，即在电网负荷高峰期储存电能，在负荷低谷期释放电能。这种灵活性可以有效平衡供需关系，减少电网的负荷压力，降低电力系统的峰谷差，提高电网的稳定性。此外，光伏储能系统还可以作为备用电源，在电力系统中发生故障或停电时，提供紧急备用电力，保障关键设备的正常运行，提高电网的可靠性。
2.3降低能源成本和环境影响
光伏储能系统的应用可以降低能源成本和环境影响，首先，光伏储能系统可以利用光伏发电的多余电能，将其储存起来以供后续使用，避免了电力浪费。其次，通过光伏储能系统的调峰填谷功能，可以在负荷低谷期释放电能，减少对传统火力发电的需求，从而降低能源成本。此外，光伏储能系统作为清洁能源系统，减少了对传统化石能源的依赖，降低了温室气体的排放，对环境具有积极的影响。
3.光伏储能系统在电力系统中的应用方式
3.1分布式发电系统
分布式发电系统是一种将能源转化为电能并在离用户较近的地方进行供应的电力系统。光伏储能系统与分布式发电系统的结合，可以将太阳能转化为电能，并直接供应给附近的用户。传统的中央化发电系统需要将电能从发电厂输送到用户，这样会导致输电损耗和电能传输的不稳定性，而分布式发电系统将发电设备放置在用户附近，能够更有效地供应电能，减少输电损耗和传输不稳定性。另外，分布式发电系统能够降低电网的负荷压力，分布式发电系统可以将电能近距离供应给用户，减轻了传统电网的负荷压力，提高了电网的稳定性。此外，分布式发电系统还能提高能源利用效率，减少能源的浪费。传统的中央化发电系统存在输电损耗和能源浪费的问题，分布式发电系统将发电设备放置在用户附近，减少了输电过程中的能源损耗，提高了能源利用效率。
3.2微电网系统
微电网系统是一种将光伏储能系统与其他可再生能源设备和储能设备相结合的小型独立电力系统，在微电网系统中，光伏储能系统扮演着重要的角色，将太阳能转化为电能，并将其储存起来以备不时之需。光伏储能系统作为主要的电力供应设备，通过太阳能光伏板将太阳能转化为电能，不仅减少了对传统能源的依赖，还降低了对环境的影响，光伏储能系统的稳定性和可靠性使得微电网系统能够持续供应电力，满足用户的需求。光伏储能系统可以将白天充电的电能储存起来，以备不时之需。这种储能功能使得微电网系统具备了应对突发情况的能力，例如天气突变或其他紧急情况下，仍能提供稳定的电力供应。微电网系统通过将多种可再生能源设备和储能设备相结合，形成一个相对独立的电力系统，这种独立性使得微电网系统能够自给自足，减少对传统电网的需求，提高整个电力系统的可靠性和稳定性。
3.3能量调峰与储备
能量调峰与储备是光伏储能系统在电力系统中的重要应用方式。光伏储能系统通过将白天充电的电能储存起来，以满足电力系统在高峰期的需求。当电力系统负荷较高时，光伏储能系统可以释放储存的电能，为电力系统提供额外的供电能力，从而平衡电力系统的负荷。这种应用方式不仅可以提高电力系统的调峰能力，减少对传统发电设备的依赖，还能够降低能源消耗和碳排放。随着光伏储能技术的不断发展，能量调峰与储备应用方式将在电力系统中发挥越来越重要的作用。通过充分利用太阳能资源，光伏储能系统可以提供可靠的、环保的电力供应，为电力系统的可持续发展做出贡献。
4.光伏储能系统的控制策略
4.1功率控制策略
光伏阵列的输出功率与光照强度和温度等因素有关，而*大功率点则是使光伏阵列以*高效率转换太阳能为电能的工作点。因此，MPPT控制器的作用就是根据实时的光照强度和温度等参数，动态调整光伏阵列的工作点，使其始终工作在*大功率输出状态。通过实时监测和调整光伏阵列的工作点，MPPT控制器可以*大限度地提高光伏阵列的能量转换效率，从而增加系统的发电量。这对于光伏储能系统的经济性和可行性至关重要。在微电网中，光伏储能系统可以通过控制其输出功率来平滑功率波动，减少对电网的影响。当光照强度发生变化时，MPPT控制器可以根据实时的光照情况，调整光伏阵列的工作点，使其输出功率稳定在一个合适的范围内，从而减少功率波动对电网的影响。在电力系统中，光伏储能系统也可以根据电网负荷情况，调节其输出功率，以实现供需平衡和调峰填谷。当电网负荷较高时，光伏储能系统可以提供额外的电能，以满足电力需求；而当电网负荷较低时，光伏储能系统可以将多余的电能储存起来，以备不时之需。通过灵活调节输出功率，光伏储能系统可以帮助平衡电力系统的供需关系，减少对传统发电设备的依赖，同时实现能源的高效利用。
4.2能量管理策略
能量管理涉及对光伏发电和储能系统的协调控制，确保光伏发电的能量优先供应负载，并将多余的能量储存到电池中，以备不时之需。在微电网中，能量管理策略的核心是根据电网负荷和光伏发电情况的实时变化，动态调整光伏发电和储能系统的工作状态，以实现能量的*优分配。当光伏发电量高于负荷需求时，多余的能量可以被储存到电池中，以备晚上或天气不佳时使用。反之，当光伏发电量不足以满足负荷需求时，系统可以通过从电池中释放储存的能量来弥补缺口，确保负荷的稳定供应。为了进一步提高能源利用效率，优化能量管理策略需要考虑多种因素。一方面，可以借助先进的预测算法，根据历史数据和实时监测信息，预测未来一段时间内的负荷需求和光照强度等因素，从而更准确地调整光伏发电和储能系统的工作状态。另一方面，还可以根据电价差异和能源市场情况，灵活调整能量管理策略，以实现经济效益的*大化。此外，能量管理策略还可以结合能源优化和节能措施，进一步提高能源利用效率。例如，合理安排负荷的使用时间和功率分配，避免能量浪费和负荷峰值，从而减少对储能系统的依赖和能源消耗。
4.3电池管理策略
电池管理策略在光伏储能系统中起着关键的作用，它涉及到电池的充放电控制和寿命管理，旨在延长电池的使用寿命并提高系统的可靠性。在充电控制方面，电池管理策略需要根据光伏发电和负荷需求情况，合理控制电池的充电速率和充电截止电压。过高的充电速率和截止电压会导致电池过充，增加电池内部压力和温度，从而降低电池的寿命甚至引发安全隐患。因此，通过合适的充电控制策略，可以避免电池的过充，保护电池的安全性和寿命。在放电控制方面，电池管理策略需要根据负荷需求和电池状态，合理控制电池的放电速率和放电截止电压。过高的放电速率和截止电压会导致电池过放，降低电池的容量和循环寿命。因此，通过合适的放电控制策略，可以避免电池的过放，保护电池的性能和寿命。另外，电池管理策略还需要进行寿命管理，以确保电池的长期稳定运行。这包括周期性的电池均衡和容量测试。电池均衡可以通过控制电池组内各个单体电池的充电和放电过程，使其电荷状态保持一致，避免电池之间的不平衡导致性能下降。容量测试则可以通过定期测量电池的容量，评估电池的健康状况，及时发现和处理电池的故障，延长电池的使用寿命。
5.光伏储能系统的应用前景
5.1可再生能源替代传统能源
随着全球对可再生能源的需求不断增长，光伏储能系统将扮演重要角色。光伏储能系统利用太阳能发电，将多余的电能储存起来以供后续使用，从而减少对传统能源的依赖。在可再生能源替代传统能源的过程中，光伏储能系统可以提供可靠的电力供应，减少对化石燃料的需求，降低温室气体排放，从而对环境产生积极影响。随着技术的不断进步和成本的降低，光伏储能系统将成为可再生能源领域的重要组成部分。
5.2微电网和离网系统的推广
光伏储能系统在微电网和离网系统中具有广泛的应用前景。微电网是一种小型的电力系统，可以独立运行或与主电网连接。光伏储能系统可以在微电网中起到关键作用，通过将太阳能转化为电能并储存起来，提供可靠的电力供应。尤其在偏远地区或发展中国家，光伏储能系统可以为无电地区提供可靠、可持续的电力，改善当地居民的生活质量。此外，光伏储能系统还可以在自然灾害或紧急情况下提供备用电力，增强离网系统的韧性和抗灾能力。
5.3能源存储和电动汽车发展的推动
随着电动汽车的普及和光伏储能系统的发展，两者之间存在着紧密的关联。光伏储能系统可以作为电动汽车充电桩的能源供应，实现清洁能源的双向流动。同时，电动汽车的电池也可以作为光伏储能系统的能源存储装置，实现能源的互补利用。这种相互促进的关系将推动电动汽车和光伏储能系统的共同发展。随着电动汽车市场的不断扩大，光伏储能系统将成为支撑可持续交通和能源存储的重要技术，进一步推动清洁能源的应用和发展。
6.Acrel-2000ES储能柜能量管理系统
6.1系统概述
安科瑞储能能量管理系统Acrel-2000ES，专门针对工商业储能柜、储能集装箱研发的一款储能EMS，具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视化监控、报警管理、统计报表等功能。在高级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、防逆流等控制功能。
6.2系统结构
Acrel-2000ES，可通过直采或者通过通讯管理或串口服务器将储能柜或者储能集装箱内部的设备接入系统。系统结构如下： 6.3系统功能
6.3.1实时监测
系统人机界面友好，能够显示储能柜的运行状态，实时监测PCS、BMS以及环境参数信息，如电参量、温度、湿度等。实时显示有关故障、告警、收益等信息。 6.3.2设备监控
系统能够实时监测PCS、BMS、电表、空调、消防、除湿机等设备的运行状态及运行模式。 PCS监控：满足储能变流器的参数与限值设置；运行模式设置；实现储能变流器交直流侧电压、电流、功率及充放电量参数的采集与展示；实现PCS通讯状态、启停状态、开关状态、异常告警等状态监测。 BMS监控：满足电池管理系统的参数与限值设置；实现储能电池的电芯、电池簇的温度、电压、电流的监测；实现电池充放电状态、电压、电流及温度异常状态的告警。 空调监控：满足环境温度的监测，可根据设置的阈值进行空调温度的联动调节，并实时监测空调的运行状态及温湿度数据，以曲线形式进行展示。 UPS监控：满足UPS的运行状态及相关电参量监测。
6.3.3曲线报表
系统能够对PCS充放电功率曲线、SOC变换曲线、及电压、电流、温度等历史曲线的查询与展示。 6.3.4策略配置
满足储能系统设备参数的配置、电价参数与时段的设置、控制策略的选择。目前支持的控制策略包含计划曲线、削峰填谷、需量控制等。 6.3.5实时报警
储能能量管理系统具有实时告警功能，系统能够对储能充放电越限、温度越限、设备故障或通信故障等事件发出告警。 6.3.6事件查询统计
储能能量管理系统能够对遥信变位，温湿度、电压越限等事件记录进行存储和管理，方便用户对系统事件和报警进行历史追溯，查询统计、事故分析。 6.3.7遥控操作
可以通过每个设备下面的红色按钮对PCS、风机、除湿机、空调控制器、照明等设备进行相应的控制，但是当设备未通信上时，控制按钮会显示无效状态。 6.3.8用户权限管理
储能能量管理系统为保障系统安全稳定运行，设置了用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作（如遥控的操作，数据库修改等）。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限，为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。 7.结束语
综上所述，光伏储能系统能够平滑功率波动、提高电网的稳定性和可靠性，同时实现供需平衡和调峰填谷。然而，光伏储能系统的应用还面临一些挑战，如成本高、技术难题等。因此，未来需要进一步研究和改进控制策略，以提高光伏储能系统的效率和经济性。同时，政策支持和市场推动也是推动光伏储能系统发展的重要因素。相信通过不断的努力和创新，光伏储能系统将在清洁能源领域发挥更加重要的作用，实现可持续能源的可靠供应。