光伏電站儲能系統(tǒng)配置研究

孫慶，何一

（中國水電顧問集團成都勘測設(shè)計研究院，成都610072）

　　摘要：隨著電力工業(yè)發(fā)展，新能源大規(guī)模接入，輸配電系統(tǒng)面臨提高系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性，改善電能質(zhì)量，預(yù)防停電的要求，而儲能是最佳解決方案。該項目擬通過對儲能系統(tǒng)的最新技術(shù)研究，提出適合微網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的儲能系統(tǒng)配置及能量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，并將相關(guān)研究成果在同類光伏電站中推廣。

　　1光伏電站儲能系統(tǒng)簡介

　　隨著電力工業(yè)發(fā)展，新能源大規(guī)模接入，輸配電系統(tǒng)面臨提高系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性，改善電能質(zhì)量，預(yù)防停電的要求，而儲能是最佳解決方案。本項目擬通過對儲能系統(tǒng)的最新技術(shù)研究，提出適合微網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的儲能系統(tǒng)配置及能量管理系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，并將相關(guān)研究成果在同類光伏電站中推廣。

　　微網(wǎng)系統(tǒng)中的儲能系統(tǒng)的作用主要有以下幾個方面：

　?。?）保證系統(tǒng)穩(wěn)定。光伏電站系統(tǒng)中，光伏輸出功率曲線與負荷曲線存在較大差異，而且均有不可預(yù)料的波動特性，通過儲能系統(tǒng)的能量存儲和緩沖使得系統(tǒng)即使在負荷迅速波動的情況下仍然能夠運行在一個穩(wěn)定的輸出水平。

　?。?）能量備用。儲能系統(tǒng)可以在光伏發(fā)電不能正常運行的情況下起備用和過渡作用，如在夜間或者陰雨天電池方陣不能發(fā)電時，這時儲能系統(tǒng)就起備用和過渡作用，其儲能容量的多少取決于負荷的需求。

　?。?）提高電力品質(zhì)與可靠性。儲能系統(tǒng)還可防止負載上的電壓尖峰、電壓下跌和其他外界干擾所引起的電網(wǎng)波動對系統(tǒng)造成大的影響，采用足夠多的儲能系統(tǒng)可以保證電力輸出的品質(zhì)與可靠性。

　?。?）日常能量儲存。在太陽輻照度強，負載較輕的時候，將多余的太陽能儲存起來，充分吸收太陽能的電能。

　　可見，儲能系統(tǒng)對于光伏電站的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。儲能系統(tǒng)不僅保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，還是解決諸如電壓脈沖、涌流、電壓跌落和瞬時供電中斷等動態(tài)電能質(zhì)量問題的有效途徑。另外，儲能系統(tǒng)在電站整體投資中占有相當(dāng)大的比重，儲能系統(tǒng)容量的合理選擇及日常管理對系統(tǒng)整體經(jīng)濟性也有舉足輕重的影響，所以必須對其進行深入分析，合理決策。

　　本項目具體針對的對象是阿里光伏電站，該電站位于西藏自治區(qū)阿里地區(qū)行署所在地獅泉河鎮(zhèn)，行政區(qū)化隸屬于西藏阿里地區(qū)噶爾縣，海拔高程4250～4300m。對外交通僅有公路相通，距拉薩市1752km，距新疆喀什1334km，交通不便。

　　阿里光伏電站作為西藏首個大型微網(wǎng)光伏發(fā)電項目，在西藏乃至全國都具有重要的示范作用，將為全國其他微網(wǎng)地區(qū)的光伏電站建設(shè)提供寶貴的參考依據(jù)，同時對少數(shù)民族地區(qū)經(jīng)濟也有一定的推動作用。

　　2項目技術(shù)方案

　　2.1項目總體技術(shù)概述

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池半導(dǎo)體材料的“光伏效應(yīng)”將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電系統(tǒng)。

　　當(dāng)陽光照射到太陽電池表面時，太陽電池吸收光能，產(chǎn)生光生“電子－空穴對”。在電池內(nèi)建電場作用下，光生電子和空穴對被分離，電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，即產(chǎn)生“光生電壓”。若在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負載，則“光生電流”從負載上流過，從而獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就通過太陽電池直接轉(zhuǎn)換成了可以付諸實用的直流電能。

　　目前光伏發(fā)電主要有三種方式：獨立混合發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、光伏微網(wǎng)系統(tǒng)。

　　（1）獨立混合發(fā)電系統(tǒng)

　　獨立混合發(fā)電系統(tǒng)包括電池方陣、蓄電池、電能轉(zhuǎn)化與控制，還會包括柴油發(fā)電機和其他發(fā)電電源。在電能充裕時，將電池方陣及其他發(fā)電源的能量通過充電控制器存到蓄電池組中；電能缺少時，將蓄電池中的能力通過放電控制器經(jīng)電能轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)換成滿足用戶需要的電源。柴油發(fā)電機作為冷備用，用于在緊急情況下給負載供電。

　　獨立混合發(fā)電系統(tǒng)是目前偏遠地區(qū)供電的主要形式，技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，規(guī)模從是幾十W的路燈系統(tǒng)到幾百kW的獨立混合電站。逆變器與蓄電池充放電控制器技術(shù)也已形成產(chǎn)業(yè)化，功率等級已形成幾十W到幾十kW系列產(chǎn)品。

　?。?）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

　　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括低壓并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和高壓并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)由包括電池方陣和并網(wǎng)逆變器組成。目前用于低壓及高壓并網(wǎng)逆變器已有成熟產(chǎn)品，低壓并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器最大單機容量500kW，而高壓并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器單機最大容量1MW。并網(wǎng)逆變器為跟隨電網(wǎng)頻率和電壓變化的電流源，功率因數(shù)為1或指令調(diào)節(jié)以電網(wǎng)為支撐，無法單獨發(fā)電，在電網(wǎng)中容量受限，輸出功率由光伏輸入決定。

　?。?）光伏微網(wǎng)系統(tǒng)

　　光伏微網(wǎng)系統(tǒng)可以與其它電源或電網(wǎng)并聯(lián)運行。該系統(tǒng)包括電池方陣、常規(guī)并網(wǎng)逆變器、儲能單元、雙向變流器、柴油發(fā)電機等。

　　柴油發(fā)電機與雙向變流器（頻率和電壓可調(diào)）單獨或聯(lián)合組網(wǎng)，常規(guī)光伏并網(wǎng)雙向變流器（單機最大幾十kW）可經(jīng)通訊線并聯(lián)運行，同時進行微網(wǎng)能量管理。

　　目前該系統(tǒng)在德國、日本等國的成熟技術(shù)為100～300kW系統(tǒng)，分布式多能源形式互補發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)是目前研究的熱點。國內(nèi)還處于研究階段。

　　光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中光伏電站可與水輪機發(fā)電機組、柴油發(fā)電機并聯(lián)組網(wǎng)運行。通過微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)保證光伏電站與水輪機協(xié)調(diào)運行為電網(wǎng)輸電。光伏微網(wǎng)系統(tǒng)可以滿足西藏獅泉河電網(wǎng)的需求。

　　本電站建成投產(chǎn)后，將與獅泉河電網(wǎng)已有4×1600kW水輪發(fā)電機和4×2500kW柴油發(fā)電機成一個水/光/柴的微網(wǎng)系統(tǒng)?？紤]到西藏地區(qū)的天氣變化快，對光伏電站的出力影響很大。通過對羊八井運行情況數(shù)據(jù)的采集分析，由于天氣突變，光伏電站的出力最大突降會至額定出力的35%左右，下面對裝機規(guī)模10MWp進行分析（由于光伏電站建成后，系統(tǒng)仍然缺電，考慮蓄電池的配置規(guī)模按照1天只應(yīng)對1～2次突變的情況分析）。

　　儲能系統(tǒng)在電站整體投資中占有相當(dāng)大的比重，儲能系統(tǒng)容量的合理選擇、設(shè)備選型、主要技術(shù)參數(shù)的確定、運行管理等對儲能系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性有舉足輕重的影響，所以必須對其進行深入分析，合理選擇。儲能系統(tǒng)工作原理如圖1所示。（電網(wǎng)交流母線上方為光伏電站電池方陣及常規(guī)并網(wǎng)逆變器，下方為蓄電池及雙向逆變器，左側(cè)為水電機組和柴油發(fā)電機組，右側(cè)是負荷端。）

　　

　　考慮在滿發(fā)的情況下，由于天氣變化，出力突降至額定的35%，需要柴油發(fā)電機或者水電站承擔(dān)的負荷波動為10MWp的65%，即6.5MW（詳見圖2），考慮此時獅泉河水電站和系統(tǒng)柴油發(fā)電機均為冷備用、無法提供旋轉(zhuǎn)備用容量。所以6.5MW的負荷均需要由儲能系統(tǒng)補充，在不低頻減載的情況下，考慮一定的裕量，按照7MW的負荷來分析。

　　考慮由儲能系統(tǒng)負責(zé)水輪發(fā)電機啟動期間的電能輸出，儲能系統(tǒng)從光伏電站出力掉落至35%開始輸出直到水輪發(fā)電機滿載滿足7000kW的負荷需要，由于水輪發(fā)電機從停機到滿載約需6min左右時間，需要儲能系統(tǒng)能持續(xù)輸出7000kW的能量，并維持10min?？紤]最惡劣的工作狀態(tài)，需要儲能系統(tǒng)在未能進行充電的條件下進行連續(xù)2次放電，并且考慮到項目所處地交通不便，不宜經(jīng)常進行儲能元件的維護和更換，使得方案對儲能系統(tǒng)配置容量及運行壽命提出了較高的要求。

　　2.2儲能系統(tǒng)方案策劃

　　目前全球電力儲能技術(shù)主要有物理儲能、化學(xué)儲能和電磁儲能三大類。

　　物理儲能中最成熟的方案是抽水蓄能，其能量轉(zhuǎn)換效率約為75%，主要用于電力系統(tǒng)的削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相等。抽水蓄能電站的建設(shè)對當(dāng)?shù)氐匦巍⑺牡扔休^高的要求，針對獅泉河地區(qū)，建設(shè)周期、成本及難度均偏大，不能適應(yīng)短期內(nèi)與光伏電站協(xié)同運行的要求。

　　物理儲能中還有一種類型是飛輪儲能，其特定是壽命長、無污染，但是能量密度較低，不適合單獨作為大型儲能系統(tǒng)。

　　電磁儲能目前發(fā)展較受成本制約，如超導(dǎo)電磁儲能等，成本高且技術(shù)不夠成熟，不具備大規(guī)模推廣的價值。

　　化學(xué)儲能是目前針對該項目較為成熟的方案，化學(xué)儲能主要有鈉硫電池儲能、液流電池儲能、磷酸鐵鋰電池儲能、鉛酸電池儲能及超級電容器等多種形式。

　　鈉硫電池具有能量密度大、充電效率高的優(yōu)點，但是由于需要在高溫下工作，具有一定的安全隱患，而且生產(chǎn)工藝復(fù)雜，目前專利權(quán)主要掌握在日本公司手中，成本相對較高。

　　液流礬電池具有能量密度較高，放電深度可達100%的優(yōu)點，但是由于正負極電解液容易交叉污染，對環(huán)境影響較大，目前還需解決一些問題后方可大規(guī)模推廣。

　　超級電容器儲能一般作為快速響應(yīng)的儲能系統(tǒng)，由于能量密度低及單位成本高，不適合整體作為大型儲能系統(tǒng)配置，可作為大型儲能系統(tǒng)的補充。

　　鉛酸蓄電池是目前最為成熟的儲能系統(tǒng)方案，具有技術(shù)成熟、成本低廉、可構(gòu)建大規(guī)模儲能系統(tǒng)的優(yōu)點。但是其對運行溫度要求較高，且儲能密度低，放電深度低（常規(guī)放電深度應(yīng)不超過30%，特殊運用也不應(yīng)超過50%），充放電次數(shù)有限的缺點，制約了在大型儲能系統(tǒng)，特別是氣候惡劣、交通不便的西部微網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。鉛酸蓄電池在制作過程中產(chǎn)生的酸霧也對環(huán)境造成污染，不利于環(huán)保方面的要求。

　　磷酸鐵鋰電池是近幾年發(fā)展較為迅速的一類電池，由于其具有能量密度較高、循環(huán)壽命較長、放電深度較大、放電電流大的特點，被大家所看好。目前如比亞迪等公司，首先將其用于電動汽車的儲能系統(tǒng)里，并逐步推廣至電力系統(tǒng)的大規(guī)模儲能系統(tǒng)中。磷酸鐵鋰電池正常運行時放電深度可達80%以上，其成組后的充放電次數(shù)也能達到1500次以上，非常適合作為需要頻繁充放電的系統(tǒng)。但是磷酸鐵鋰電池對充放電系統(tǒng)控制的要求較高，這也在一定程度上制約了其發(fā)展。

　　根據(jù)本工程的實際情況，若選擇鉛酸蓄電池作為儲能元件，按放電深度40%分析，同時考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，需配?000kVAh的單體蓄電池。若選擇磷酸鐵鋰電池作為儲能元件，放電深度按80%算，只需配置3500kVAh的磷酸鐵鋰電池，鑒于目前磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的價格比約為2︰1，初始投資相當(dāng)。但考慮到運行方式每天一至兩次深度放電的要求，并綜合考慮維護及更換蓄電池的費用，磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢較為明顯。本工程推薦采用磷酸鐵鋰電池構(gòu)建儲能系統(tǒng)。

　　2.3儲能系統(tǒng)運行方式確定

　　根據(jù)本工程對儲能系統(tǒng)的要求，在光伏電站出力下降時，儲能系統(tǒng)應(yīng)能輸出足夠多的電能，并支撐系統(tǒng)電壓。目前針對儲能系統(tǒng)配套的逆變器均為電流源型雙向逆變器，此類逆變器僅能根據(jù)系統(tǒng)電壓模擬出與之相同的電壓波形，輸出電流，而無法支撐系統(tǒng)電壓。而電壓源型雙向逆變器目前存在單體容量過小，而且不能并聯(lián)運行的缺點，僅能滿足小規(guī)模電站的使用，無法應(yīng)用于阿里地區(qū)的大型微網(wǎng)項目中。

　　由于工程建設(shè)周期要求緊迫，在目前大容量可并聯(lián)電壓源型雙向逆變器技術(shù)瓶頸尚未攻克的客觀條件下，只能先期采用電流源型雙向逆變器作為備用方案，在光伏電站出力下降時，由獅泉河水電站提供電壓支撐，儲能系統(tǒng)僅作為提供電能的電源。待大容量可并聯(lián)電壓源型雙向逆變器技術(shù)成熟后，進行技術(shù)改造，以保證獅泉河電網(wǎng)的運行穩(wěn)定，同時還需對調(diào)度中心進行改造，以滿足多種電源模式同時調(diào)度的要求。

　　3結(jié)論

　　隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電、光電等新能源在電力系統(tǒng)中所占的比重越來越高，由于新能源發(fā)電出力的不確定性及不可調(diào)度性，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定帶來了一定的隱患。世界各國對新能源發(fā)電容量在電網(wǎng)所占的比例提出了要求，一般規(guī)定不得超過整個電網(wǎng)容量的10%～15%。由于我國風(fēng)、光資源較好的地區(qū)，恰好是電網(wǎng)較為薄弱的地區(qū)，這使得新能源在這些地區(qū)的發(fā)展遇到了技術(shù)瓶頸。大規(guī)模儲能系統(tǒng)的研究，對于新能源與電網(wǎng)穩(wěn)定的問題，提出了一個切實可行的解決之道，對于將來智能電網(wǎng)的構(gòu)建，也起到了關(guān)鍵的作用。隨著各類型儲能系統(tǒng)的發(fā)展，必將使今后的電網(wǎng)更環(huán)保、更穩(wěn)定、更可靠。

　　參考文獻

　　[1]李青蕓．應(yīng)用于微網(wǎng)的不間斷電力變電站功率協(xié)調(diào)策略[J]．四川電力技術(shù)，2008，（6）：11-15．