面向并网友好型一体化光伏-储能系统的多模式主动频率支撑策略

《Electric Power Systems Research》：A multi-mode active frequency support strategy for a grid-friendly integrated PV-ES system

　　

•为光伏-储能（PV-ES）系统提出了一种多模式主动频率支撑策略。•双级光伏拓扑结构可实现灵活的有功功率调节以支撑电网。•荷电状态（SOC）均衡增强了多台储能单元的聚合暂态功率能力。•自适应SOC阈值协调了频率支撑与分时电价（ToU）运行。•实验验证了在不同运行条件下频率响应的改善。

**引言**

近年来，可再生能源发电已成为解决全球能源危机的一个有前景的解决方案[[1], [2], [3]]。在全球各类可再生能源中，光伏（PV）的装机容量已超越风能和水电，成为最大且增长最快的清洁能源[[4], [5], [6]]。随着光伏发电的快速扩张，光伏输出的间歇性和波动性对电网的安全稳定运行构成了威胁[7,8]。具有适当容量的储能系统可以提高太阳能利用效率并增强光伏发电的电网兼容性[9,10]。在此背景下，光伏-储能一体化系统作为一种重要的解决方案应运而生。它们在确保可再生能源稳定并网中发挥着关键作用，是实现电网可靠性和支持清洁能源转型的关键方案。光伏-储能一体化系统的拓扑结构如图1所示。光伏和储能分别独立连接到直流母线电容，然后通过直流-交流变换器并入交流母线，从而实现并网并同时向本地负载供电。

在现代电力系统中，光伏-储能系统必须同时兼顾多个组件的运行特性和约束条件。对于光伏单元，最大化能量收集效率至关重要。储能系统受容量和荷电状态（SOC）的限制，这影响其使用寿命和功率输出。与此同时，本地负载需要得到可靠供电，这体现了用户侧的经济效益。此外，光伏-储能系统还要求支撑电网频率。而且，其运行受分时电价（ToU）机制的显著影响，这为经济优化引入了额外的考量因素。因此，光伏-储能系统的核心控制目标包括最大化太阳能利用效率、延长储能系统的使用寿命、提升用户效益、优化并网变换器的控制性能以及参与配电网调节[11,12]。协调实现这些目标对于实现友好的电网运行至关重要，在此过程中，光伏-储能系统不仅需要可靠、经济地在电源侧和用户侧运行，还需要在需要时主动支撑电网。然而，这些目标受多种运行因素影响，在不同条件下可能彼此冲突。因此，传统的单一运行模式不足以同时兼顾电网频率需求和用户侧经济目标。为解决这一问题，采用了多模式控制策略，根据电网频率、储能SOC、光伏/负载条件以及ToU电价时段自适应地协调光伏和储能的运行状态。通过根据系统条件在这些预定义的运行状态之间切换，光伏-储能系统可以灵活地协调频率支撑、电源侧约束和经济运行。这种协同模式适应使得系统能够在多种运行条件下应对相互冲突的目标。

已有大量关于光伏-储能系统多模式协调控制的研究，旨在提高经济性和电网兼容性。文献[13]提出了一种功率分配策略以降低系统的频率和电压偏差，但忽略了储能系统的SOC约束。参考文献[14]提出了一种适用于无通信条件下光伏-储能微网的自适应下垂控制，但未考虑储能容量限制。文献[15]引入了一种基于虚拟阻抗的混合储能功率分配策略，该策略优先利用光伏输出功率并考虑了电池的SOC约束，但无法响应电网的频率需求。文献[16]提出了一种集并网和孤岛模式于一体的光伏-储能系统，但主要应用于住宅场景。文献[17]提出了一种基于SOC均衡的光伏-储能系统自主功率管理方案，但未涉及电价和光伏输出。文献[18]提出的控制方案考虑了住宅光伏-储能系统中的电价机制，但所提方案未考虑提供电网支撑服务。文献[19]为光伏-储能微网提出了一种考虑光伏输出优先和SOC均衡的功率共享方法，其主要针对微网系统的频率和电压支撑控制。文献[20]引入了一种利用分时电价的一体化光伏-储能系统，所提方案设计了模式切换控制策略，通过在不同电价水平下切换模式实现经济运行，但该方法未从储能系统的角度考虑SOC均衡或电网支撑。Wu等人[21]为并网光伏-储能系统开发了一种多模式控制策略，协调了基于ToU的运行与主动频率支撑，但未研究多台储能单元之间的SOC均衡及其对聚合频率支撑能力的影响。

除了变换器级的光伏-储能控制之外，近期的研究也为开发更智能、更有弹性的能源管理框架提供了更广泛的视角。NSGA-III等多目标优化方法为协调相互冲突的运行目标提供了潜在工具，而关于弹性决策、数字孪生、基于物联网的监控以及人工智能辅助电池优化的研究为监督控制、实时监控、数据采集和自适应能源管理提供了有价值的见解[[22], [23], [24], [25], [26]]。这些发展还表明了多模式光伏-储能控制向更智能、数据驱动的运行方式扩展的可能性。

尽管已有上述努力，但大多数现有研究仅关注部分目标，如经济运行、SOC管理或本地电压/频率控制，其中很少有研究能完全契合光伏-储能系统的核心控制目标。更重要的是，主动电网支撑能力在现有的光伏-储能控制方案中很少被作为首要设计目标加以处理。现有的多模式控制只能使系统被动适应电网。在这样的方案中，光伏单元通常在最大功率点跟踪（MPPT）模式下运行，而储能系统仅根据实时负载和电网条件来缓解光伏功率波动或补偿短期功率不平衡。系统只是在频率波动后跟随频率变化并在扰动发生后平衡供需，而不是主动为潜在的电网事件做准备。这种被动运行仅满足最低互连要求，缺乏主动应对系统级扰动的能力。因此，在频率事件期间，系统无法有效缓冲发电与需求之间的不平衡，可能导致可再生能源脱网甚至大规模停电。

上述局限性凸显了需要根本性的转变：光伏-储能系统不应仅仅适应或被动跟随电网条件，而应具备主动支撑电网的能力[27,28]。具体来说，系统应主动预留可控功率裕度以应对潜在的电网频率事件[29,30]，并协调其控制以根据电网频率需求提供最大可用功率支撑[19]。本质上，系统旨在最大化功率支撑的幅值和持续时间。这种主动支撑能力使光伏-储能系统能够作为响应式电网资产运行，直接为电网建设做出贡献[31,32]。这种主动支撑是确保由可再生能源主导的未来电力系统韧性的必要条件[33]。

基于上述背景，本文突破了传统方法的局限，充分利用光伏和储能系统的主动支撑能力。通过最大化其利用率，释放额外的功率裕度，从而增强系统的主动电网支撑能力。本文提出了一种面向一体化光伏-储能系统的多模式主动频率支撑策略。该策略提高了系统可靠性并改善了运行效益，为光伏和储能系统与电网的整合提供了新的思路和方法。主要贡献如下：

1）建立了主动频率支撑的拓扑级设计基础。从稳定运行范围和主动功率可控性的角度分析了单级和双级光伏系统的频率支撑特性。结果表明，双级拓扑提供了更宽的允许运行区域和更大的光伏侧主动功率调节灵活性，为主动频率支撑提供了更有利的依据。

2）建立了SOC均衡与储能系统最大暂态支撑能力之间的理论关系。本文没有仅仅将SOC均衡视为电池管理目标，而是分析了SOC分布对聚合可用有功功率的影响。对于同质储能单元，均衡分配可达到Jensen上界，因此构成最优分配，尽管最优解不一定唯一；对于异质单元，则在明确的能量、SOC和功率约束下刻画了最大聚合持续支撑功率。该分析为利用SOC协调来改善电网频率事件期间可用支撑能力提供了理论依据。

3）提出了一种多模式主动频率支撑策略，以实现一体化光伏-储能系统的友好并网。基于对电网频率需求、本地负载需求和储能SOC的实时感知，光伏源在最大功率点跟踪（MPPT）和功率待机模式之间灵活切换，而储能单元自适应地工作在放电、充电或停止状态。考虑分时电价后，模式选择与SOC阈值自适应与电价耦合，使该策略同时满足电源侧、电网侧和经济目标，将经济运行与频率支撑储备统一协调而非分别处理。

为展示光伏-储能系统的代表性控制方案并考虑所提方法的多种场景，表1总结了文献中报道的典型方法。与现有的光伏-储能系统多模式控制相比，本文所提方法综合考虑了一体化光伏-储能系统的电源侧、电网侧、本地负载需求和经济运行。

本文其余部分组织如下：第二节从主动支撑的角度介绍光伏系统拓扑的选择与比较。第三节从理论上证明SOC均衡能够增强系统的主动电网支撑能力。第四节基于前述理论分析推导出所提控制方案。第五节基于实验平台测试验证所提控制方法。第六节总结全文。

**章节摘要**

**不同拓扑下光伏系统的频率响应性能**

随着太阳能渗透率的不断提高，光伏-储能系统越来越被期望不仅能提供能源，还能参与系统频率调节、维持功率储备并快速响应电网频率波动。这些辅助服务功能对光伏接口提出了严格要求：它必须在宽范围的功率点上稳定运行，允许有意偏离最大功率点（MPP），并能够实现快速有功功率……

**基于SOC均衡的光伏-储能系统主动支撑能力分析**

本节将通过定量分析揭示SOC均衡最大化储能系统暂态有功功率输出的机制。这为最大化一体化光伏-储能系统的支撑能力和构建频率支撑控制提供了理论依据。SOC均衡控制在先前的多单元储能系统中也有研究[17,36]。本分析特别关注其与聚合暂态支撑……的关系。

**多模式主动频率支撑策略**

基于上述对光伏和储能系统的分析，本节为一体化光伏-储能系统开发了一种多模式主动频率支撑策略。所提控制策略的控制框图如图7所示。该策略由三个控制模块组成：光伏侧直流-直流控制器、储能侧直流-直流控制器和变换器侧直流-交流控制器，其中Lf和Cf构成输出滤波器，电网由连接至线路的无限电压源表示……

**实验验证**

实验基于控制硬件在环（CHIL）平台进行，如图11所示。该平台由OPAL-RT 4510实时仿真器和RT-BOX控制器组成：光伏-储能功率电路在OPAL-RT 4510上执行，而所提的多模式控制器在RT-BOX上实现。RT-BOX采样模拟电压/电流信号，执行控制算法，并将PWM信号返回给OPAL-RT 4510，后者更新电气状态……

**结论**

本文提出了一种面向一体化光伏-储能系统的综合多场景、多模式控制策略，以实现增强的主动电网频率支撑。本文评估了系统的主动功率支撑能力，并从理论上证明了SOC均衡控制可以优化储能系统的主动支撑性能。

所提出的控制策略通过协调光伏（PV）和储能系统（ES）的输出，使系统能够在多种运行模式之间自适应、灵活地切换。CRediT作者贡献声明：张龙正：撰写—初稿。韩华：概念构想。陈世苗：监督、方法论。侯晓超：数据整理。刘章杰：形式分析。李瑾：调查研究。苏梅：项目管理。张龙正 | 韩华 | 陈世苗 | 侯晓超 | 刘章杰 | 李瑾 | 苏梅