光伏储能系统有功/无功协调控制方法设计及特性分析开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1光伏储能研究背景

随着全球环境的不断恶化与化石能源的耗尽，世界各国都纷纷找寻适合人类生存发展的新型能源，而建设光伏储能项目是当下实行能源转型的重要措施。光伏实际上是利用太阳能发电系统的简称，它具有得天独厚的优势，是当下最具有开发潜力的发电技术之一，由于太阳能无处不在，所以在用其进行发电时无需考虑原料来源问题，从而极大程度上提高了电能开发的效率。

光伏发电作为一种可再生能源发电技术，使用的是清洁环保无任何污染的太阳能，近年来成为了世界上发展最快的新能源发电技术之一。在我国，青海、西藏为代表的西部地区太阳能资源非常丰富，并拥有广阔平坦的荒漠和戈壁，具备良好的规模化太阳能发电资源、环境条件。据统计，2014年中国新增光伏装机10.6GW，占全球新増装机的四分之一，位居世界第一。工信部起草的《太阳能光伏产业十二五发展规划》意见稿提出了光伏产业的发展目标，平均年增10GW的装机容量预示了我国光伏发电产业在未来几年中将继续快速发展。[1]

然而，光伏发电存在间歇性、波动性及随机性等特点。目前，光伏发电产生的功率波动由电网系统中用于调频、调峰的常规旋转备用机组进行补偿，从而保证电网的功率平衡，防止因为光伏发电功率波动而引起的电网功率失衡进而造成电网频率剧烈变化等更严重的问题。然而，随着光伏电站并网规模越来越大，大规模光伏发电所带来的功率波动对电网功率平衡和稳定运行所造成的影响也会越来越大，电网为保证功率平衡，需要更多的旋转备用容量，即需要增加备用调频调峰机组的数量，这就会造成光伏发电成本的提高，降低了光伏发电及电网运行的经济性，也限制了光伏发电的进一步发展。

我国西部地区的大规模光伏电站大都远离电网负荷中也，电网结构相对薄弱，大量波动性电源的接入将对当地电网带来较大冲击，尤其是当前光伏发电功率难准确预测，光伏电站自身稳定控制及快速调节能力较差，使得问题更加严峻。

近年来，光伏发电发展迅速。但由于光伏输出的间歇性、随机性等特点，大规模光伏并网运行时对大电网的稳定性、电能质量、电网保护等方面产生了不利影响。因此，需要将光伏发电系统与储能单元结合起来，通过协调、整合光储微电网系统中的功率变换器控制方法，使基于光伏-储能的微电网（以下简称光储微电网）根据要求向大电网提供所需的有功、无功功率，能够使光伏发电作为一个经典发电机参与电网管理，可以使光伏发电系统更加友好地接入大电网，另外，也可有效提高配电网的灵活性。

1.2光伏发电现状

从上世纪90年代以来，许多国家掀起了光伏并网发电的热潮，美国、欧盟、日本、印度等国家纷纷制定了本国的中长期发展规划以推动光伏发电及其相关产业的发展，然而世界各国发展光伏发电的原因和方向有较大差别，其相关政策及发展概况也存在一定的差异。

1.2.1国外光伏发电概况

进入本世纪以来，世界各国特别是发达国家制定了一系列的促进光伏发展的规划和政策，极大地促进了全球光伏发电产业的前进。

德国是世界上最早和最积极倡导鼓励太阳能光伏发电的国家之一。早在1990年，德国提出的“一千屋顶计划”已经在建筑物屋顶安装光伏发电装置；慕尼黑贸易展览中心在1997年安装了当时全球最大的屋顶光伏并网系统：1999年又提出了“十万屋顶计划”；2000年安装的光伏发电系统总容量超过40MW。德国政府颁布的《可再生能源法》于2000年4月1日正式开始生效。

美国从1973年开始率先制定了政府级的“阳光发电计划”，此后的几年更是不断增加投入，旨在加速美国光伏产业的发展；1997年又提出了“克林顿百万屋顶光伏计划”；在2010年美国光伏系统容量达到4.7GW；2009年，奥巴马竞选时承诺投资1500亿美元和500万个工作岗位发展光电、风电等新能源。

70年代日本制定了“阳光计划”；1993年将“月光计划”、“环境计划”、“阳光计划”合并成为“新阳光计划”；后在1997年给“屋顶光伏计划”补贴9200万美元；于1999年末，在3万户建筑屋顶装备了120MW的太阳能光伏发电系统；到2002年，日本的光伏电池生产总量达到254.5MW，并且以世界最快的速度48.6％增长，2010年一半以上的新居屋顶安装太阳能光伏系统，光伏发电装机总容量达5GW。

1997年11月26日欧盟发表有关能源的战略和行动白皮书一《能源的未来：再生能源》。此书中指出，到2010年欧盟全境内将安装100万套太阳能光伏系统，其中给乡村供电的独立式光伏发电系统约占50万套。希腊政府也对外宣布发展计划：准备建设全球最大的太阳能光伏发电厂。西班牙、法国、瑞士、芬兰、意大利等国，都陆续制定出光伏发电计划，并投资进行技术开发和推动工业化进程。《全球新能源发展报告2014》2014年6月7日在京发布。报告指出，2013年全球光伏市场的新增装机容量达到38.7GW，累计装机容量达到140.6GW，其中中国新增装机容量为12.17GW，同比增长了232％，接近欧洲2013年新增装机容量总和。近年来全球装机容量增加和2013各国光伏装机容量所占比例如图1.1和1.2所示。

图1.1全球装机容量增加示意图

图1.22013年全球装机容量分布示意图

从世界范围来讲，光伏发电己经完成了初期开发和规模应用发展，其应用范围几乎遍及所有用电领域，并且光伏集中发电、光伏．建筑等发展迅速，已逐渐成为市场主力。

1.2.2国内光伏发电发展概况

虽然我国光伏发电产业发展开始较晚，但是在世界经济以及太阳能光伏发展趋势的促进下，已经取得了巨大进步。到2010年，中国光伏电池产量超过8000MW，约占世界总量的一半，雄居世界首位；进入21世纪，我国的光伏市场在政府的推动下开始有了比较快的发展，先后实施了“西藏无电县建设”、“我国光明工程”、“西藏阿里光电计划”、“送电到乡工程”以及“无电地区电力建设”等国家级计划；奥运申办成功后，为了实现“绿色奥运”的承诺，北京市已经建成多项光伏。建筑一体化工程和太阳能路灯13．5万盏，总功率10MW；2014年我国首次成为全球第一大光伏市场，光伏融资额也达到235.6亿美元，占全球比重的21.1％，相当于整个欧洲的融资额，位居全球首位；我国光伏发电自1980年以来的市场发展状况见表1.1所示。

表1.1 1980年以来国内光伏市场的发展单位：MW

我国太阳能资源丰富，在西部地区年满发电小时数在1500以上，在东部地区平均年满发电小时数可达到1100-1200h，是全球太阳能资源最好的国家之一。我国对太阳能发电项目予以财政补贴，并详细制定出补贴的使用条件和范围。2009年补贴标准定为20/W，国家支出100~200亿元的财政补贴，形成了200~300亿元的市场化规模。这些举措有助于减小过度依赖国际市场的风险，极大的改善了国内市场需求不足的状况，促进了国内光伏发电产业的快速发展。2010年以前中国太阳能电池多数是用于独立光伏发电系统，但近些年在国家以及地方光伏政策的扶持下，已建成了众多大型兆瓦级太阳能光伏电站，如深圳国际园林花卉博览园总量为1MW的太阳能光伏电站，已在2004年8月投入并网发电；位于云南的大型光伏电站，设计总容量为166MW，已建成66MW，于2010年1月成功并网运行；建成于杭州能源与环境产业园的建筑屋顶光伏一体化发电站，是目前国内最大的光伏．建筑一体化电站，规划总容量为20MW，早于2009年9月份成功并网；等等。这些成功并网发电的兆瓦级光伏电站证明我国在太阳能光伏发电技术领域实现了新的突破性进展。

我国正在制定的“十二五”新能源专项规划确定，“十二五”太阳能发电装机容量将达到10GW，比此前的规划翻了一番；到2020年，装机容量将达到50GW。在各种国家优惠政策的刺激下，未来十年，我国光伏发电建设必将得到长足发展。

1.3光伏储能研究现状

储能技术可以实现对可再生清洁能源的高效利用，且具有灵活、智能控制的特点，能在一定程度上解决负荷的持续增长、环保与节能减排、能源的利用效率、电力系统结构的不断老化和用户对电能质量与可靠性越来越高的标准等问题，鉴于以上因素，储能技术必然成为未来电力工业发展的重点领域之一。

文献【2】中研究了传统电网中光伏系统的渗透率极限，并分析了负荷转移和储能技术等对提高其渗透率的作用。该文献表明，能量存储是突破光伏发电和传统发电技术间界限的根本解决方案。研究指出，存储能力小于维持一天平均负荷量的储能装置可将光伏渗透率提高到50％。

1.2.1有功控制现状

文献【3】提出在光伏电站中加入储能系统，可以实现光伏电站的柔性并网。文献【4】提出基于电池储能和超级电容的混合储能平抑方法，结果表明在光伏电池输出功率波动时，储能系统可以迅速提供瞬时功率，维持系统可靠运行，但控制复杂，成本高。文献【5】基于混合整数规划方法求解微网经济调度问题，仅考虑了微电网内有功功率平衡与控制，忽略无功功率控制问题。以电力电子逆变器接入微电网的DG具备无功调节能力，微电网运行还对电压运行范围有一定的要求，因此，无功–电压控制在微电网优化调度中必不可少。

1.2.2无功控制现状

文献【6】实现了光伏并网发电与无功补偿一体化，提出了光伏并网功率调节系统，从而提高供电质量和减少功率损耗。文献[211着眼于光伏逆变器的结构及其控制方法，重点研究了光伏逆变器的输出无功能力，该控制策略使电网故障时不发生“弃光”现象，并且光伏系统还向电网发送无功功率，支撑并网点电压，维持电网电压的稳定。然而以上诸多研究中的无功补偿和储能装置是独立的，对光伏电站输出功率的调节能力有限。

1.2.3有功无功协调控制

配电网线路的R/X比值较大，有功、无功功率的耦合性较强，二者对线路损耗、电压质量均有极大的影响，尤其是对于光伏渗透率较高的配电网，基于有功、无功解耦的优化控制方法已不适用，需考虑有功功率—无功功率协调优化控制。文献【7】建立了一种配电网有功功率—无功功率协调多时段优化模型，通过调节分布式电源、储能装置、电容器组实现优化控制。文献【8】提出了鲁棒区间电压控制方法，在计算出最优无功补偿决策的同时给出光伏电站的有功出力区间。文献【9】利用分布式电源及储能装置，建立了综合调度有功、无功优化控制模型，以提高分布式电源的并网水平、改善节点电压水平。但这些文献没有考虑光伏出力及负荷需求的随机性和波动性，而是将其作为确定量进行处理，而且通过智能逆变器接入配电网的分布式光伏具有一定的无功调节能力，在这些文献中也并未对此进行充分利用。

2. 研究的基本内容与方案

1.3本文研究内容

因此，有关光伏储能系统有功/无功协调控制方法设计及特性分析的研究成为目前电力系统领域关心的重要课题，本文在借鉴前述已有成果的基础上，开展了光伏储能系统有功/无功协调控制的研究。本文首先在matlab／simulink中搭建含pv-ess的低压配电网仿真模型;然后在此基础上进行pv逆变器无功调节和ess设备对光伏消纳能力的影响仿真分析，对电压偏移、网络损耗、功率因数等指标参数进行对比，得出相关结论；最后，提出一种结合pv逆变器无功调节和ess设备的控制策略，通过进一步的仿真分析比较加入该控制策略对电网技术指标的改善效果。本文对系统的拓扑结构、工作原理、控制策略进了分析，并通过硬件电路的设计完成系统的工程实现，最后通过实验验证了系统的有效性。有功无功协调控制流程图如图1.3所示。

3. 研究计划与安排

第1周 撰写并完成开题报告，无错字、别字，格式规范；

第2周 修改、完善开题报告，进行开题答辩，主要对研究意义、目标内容、技术路线，进行讲解；

第3周 撰写毕业设计论文目录，需要获得指导老师认可；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]朱劭璇. 能源协调控制系统中光伏电站有功无功控制研究[d].华北电力大学,2015.

[2]paul denholm，robert m．margolis evaluating the limits of solar photovoltaic(pv)in traditional electric power systems[j]．energy policy,2007，35：2852—2861

[3]张卫东，刘祖明，申兰先．利用储能平抑波动的光伏柔性并网研究【j】．电力自动化设备，2013，33(5)：107-111．