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2025年1月, Applied Energy期刊发表了一篇题为" Enhancing grid stability in PV systems: A novel ramp rate control method utilizing PV cooling technology"的研究论文。本文针对传统功率斜率控制方法存在的高成本、高环境影响以及能源利用率低等问题，提出了一种基于PV冷却技术的创新控制方法。
随着可再生能源的快速发展，太阳能光伏（PV）系统逐渐成为全球电力系统的重要组成部分。然而，由于太阳辐照度的瞬时和显著波动，PV系统的功率输出具有很大的不稳定性。这种功率波动可能导致电网频率问题，严重影响电网的稳定性。特别是随着PV系统规模的扩大，这种问题在高渗透率条件下变得更加突出。
为了应对PV功率波动问题，研究人员提出了多种方法。第一类是基于电池储能系统（BESS）的功率平滑方法。这种方法可以通过电池的充放电来调节PV输出功率，从而缓解波动对电网的影响。然而，电池系统的高初始成本和维护成本，以及其潜在的环境影响，使得这种方法在大规模应用中面临挑战。第二类方法是使用燃料发电系统（例如燃气轮机）提供快速调节能力。这种方法虽然在大规模功率调节中表现出色，但其高运营成本和高碳排放使其难以满足可持续发展的要求。第三类方法是采用卸载负载的方式，通过限制多余功率的输入来降低波动。然而，这种方法导致能源浪费，并且在负载需求波动较大时难以实现有效控制。
近年来，PV冷却技术引起了广泛关注。PV面板的功率输出与其温度密切相关，通过降低面板温度可以提高其效率。然而，大多数现有研究主要聚焦于提高PV效率，而非用于解决功率斜率控制问题。因此，如何结合PV冷却技术来同时实现功率稳定和高效利用，成为当前研究的一个热点问题。
本文针对传统功率斜率控制方法存在的高成本、高环境影响以及能源利用率低等问题，提出了一种基于PV冷却技术的创新控制方法。本文的主要创新点如下：
（1）新型功率斜率控制框架：本文提出了一种基于PV冷却的控制方法，能够动态调节冷却单元的运行以平滑功率输出波动。在波动较大的情况下，冷却单元通过消耗多余功率来降低PV面板温度，同时提高系统整体的运行效率。通过仿真验证，本文方法在最大功率斜率控制中相比传统方法减少了76.2%，而平均功率斜率减少了43.5%。
（2）低成本与环保设计：与传统依赖大容量电池或燃气轮机的控制方法不同，本方法仅需小容量电池和低COP（性能系数）的冷却单元，即可实现显著的斜率减小。这不仅降低了系统成本，还减少了环境影响。
（3）模块化与可扩展性：该方法的设计具有高度的模块化和可扩展性，可以适用于不同规模的PV系统。这种灵活性使得它能够广泛应用于微电网、商业和居民分布式能源系统。
本文提出了一种基于PV冷却的功率斜率控制框架，其核心思想是在短期内通过优化冷却单元和电池的协同运行来实现输出功率的平滑。通过调节冷却单元的运行状态，在过量发电时消耗多余功率并冷却PV面板，而在功率需求增加时减少冷却，优化面板效率。
图1 包含光伏冷却的微网架构
图2展示了所提框架的概述。其主要目标是最小化短期内PV输出功率的斜率变化，例如由瞬时云层引起的波动。该方法的输入包括负载功率信息和气象数据，气象数据涵盖温度和太阳辐照度。输出是一项计划，具体包括PV冷却单元的运行、电池的操作以及与主电网之间的功率传输与接收。该方法通过计算在有限时间范围内最小化目标函数的最优解来实现。
我们的策略涉及冷却单元和电池的详细运行计划，在PV系统连接的子系统层面上，综合考虑功率过剩和需求不足的情景。通过基于实时发电和负载数据动态调整冷却操作，既支持电力注入也支持从电网的电力提取，同时不影响电网稳定性。
图3展示了PV冷却单元的更具体应用。在情景1中，PV发电与需求相匹配，或PV输出没有显著波动。在这种状态下，冷却单元不运行。接下来，在情景2中，当太阳辐照增加导致PV发电过剩时，冷却单元启动，对面板进行冷却并消耗多余功率。这防止了电力对电网造成冲击。在情景3中，当太阳辐照突然下降或需求急剧增加需要额外的电力时，冷却单元会关闭或减弱运行，将更多功率输送到电网。此时，通过冷却，PV面板能够以更高效率发电，提供更多电力，从而防止对负载或电网电力供应的突然下降。在情景4中，由于冷却单元的停止，面板温度逐渐升高，功率提升过程结束。这种持续时间足够长，可避免因PV输出波动导致的功率斜率上升。
PV冷却单元的具体运行计划是基于当时的气象条件和负载情况，通过解决优化问题确定的，如图2所示。
图2 光伏发电制冷系统优化框架
图3 通过光伏冷却控制发电
在本节中，我们描述了若干关键仿真实验，以验证所提方法在实际假设下的有效性。此外，我们还讨论了电池容量和性能系数（COP，代表冷却单元性能）对功率斜率控制性能的影响。
图4 夏季中午200秒内太阳辐射发生显著变化时功率（a）和温度（b）的变化
我们研究了电池容量和冷却单元性能系数（COP）变化对功率斜率的影响。本次评估的电池容量分别为0（无电池）、10、20、30、40、70和100，而冷却单元的COP值分别为1、3、5、10和15。我们发现使用COP较低的冷却单元可能仅通过消耗功率来降低斜率，而无法通过冷却提高发电效率。由于这是不可取的，我们除了将功率斜率作为评价指标外，还引入了累积能量这一评价指标，即从微电网传输到主电网的总能量。如果冷却单元未能提高PV面板的发电效率，该值通常会较低。
图5 每个电池容量和COP的平均斜率（a）、最大斜率（b）、累积能量（c）
我们提出了一种基于PV冷却技术的功率斜率控制方法，用于光伏（PV）系统。该方法通过功率消耗和PV冷却单元来控制向电网的电力供应，同时提高发电效率，而无需依赖大容量电池或燃气轮机，这些传统设备通常伴随高环境影响和高系统成本。与仅使用电池而不采用PV冷却的斜率控制方法相比，实验结果表明，所提出的方法在夏季中午时段可以将最大功率斜率降低高达76.2%。
此外，我们还研究了电池容量和PV冷却单元性能系数（COP）对该方法性能的影响。结果表明，冷却单元不仅可以单独降低功率斜率，与小容量电池的组合还能在能量损失极小的情况下显著降低功率斜率。最后，我们对该方法的假设、限制条件以及可能的改进措施进行了阐明。
Iwabuchi, K., Watari, D., Zhao, D., Taniguchi, I., Catthoor, F., & Onoye, T. (2025). Enhancing grid stability in PV systems: A novel ramp rate control method utilizing PV cooling technology. Applied Energy, 378, 124737.
阅读原文：https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.124737
Koki Iwabuchi：大阪大学在读博士研究生。主要研究方向：建筑能耗预测，建筑制冷能耗控制优化。
Watari Daichi：大阪大学博士。先工作于京瓷集团先进研发部。
Dafang Zhao：大阪大学助理教授。主要研究方向：建筑能耗预测，建筑制冷能耗控制优化，建筑与AI，非传统储能技术，非线性系统建模。
Taniguchi Ittetsu：大阪大学副教授。主要研究方向：系统级设计方法、信息物理系统设计方法、智能能源管理系统、
Catthoor Francky：imec科学家, KU Leuven教授,IEEE follow
Takao Onoye：大阪大学副校长，教授。
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