大型光伏儲能電站系統(tǒng)拓撲架構(gòu)研究

蘇興鋒

【摘 要】隨著電力工業(yè)發(fā)展，儲能技術(shù)的日趨成熟，儲能在新能源發(fā)電中的應用越來越廣泛。目前兆瓦級以下光伏儲能電站已有不少的工程案例，而兆瓦級以上的光伏儲能電站卻極少。本文主要研究離網(wǎng)運行模式下的大型光伏儲能電站系統(tǒng)架構(gòu)，當調(diào)整運行方式和參數(shù)后，系統(tǒng)可轉(zhuǎn)為并網(wǎng)運行。

【關(guān)鍵詞】新能源 光伏 儲能 拓撲 微電網(wǎng)

隨著光伏等新能源的大規(guī)模接入系統(tǒng)，由于光伏發(fā)電的輸出功率不可控、間歇式、波動大等特點，對電網(wǎng)的影響日趨明顯。而儲能系統(tǒng)可以有效地進行削峰填谷、平滑負荷以及調(diào)峰調(diào)頻，促進可再生能源的應用。對于小型光伏儲能系統(tǒng)，如太陽能路燈、通信基站等，光伏組件發(fā)電，經(jīng)控制器對蓄電池進行充放電管理，并給直流負載提供電能，或通過逆變器給交流負載提供電能。這種拓撲結(jié)構(gòu)由于DC/DC控制器的功率等級限制，具有不易擴容的缺點，適合于小功率的應用場合。大型光伏儲能系統(tǒng)通常由儲能逆變器（Power Conversion System，簡稱PCS）、并網(wǎng)逆變器、蓄電池、配電設備及負載等組成。

1 儲能逆變器運行方式

儲能逆變器具有三種運行模式：

（1）V/F模式：為電網(wǎng)提供額定的電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)頻率。有功功率和無功功率由負載決定，不可調(diào)度。（2）P/Q模式：為電網(wǎng)提供功率支撐，能量管理系統(tǒng)可調(diào)度有功功率、無功功率。（3）恒壓恒流充放電模式：一般用于對電池滿充或電池維護，接受EMS或電池管理系統(tǒng)BMS的充放電指令，先按系統(tǒng)給定的電流進行恒流充電或放電，當達到到恒壓值時自動轉(zhuǎn)入恒壓模式。可實現(xiàn)對電池進行分段充電的目的。

2 蓄電池配置

電能儲存的形式可分為機械儲能、化學儲能和電磁儲能等，有的已經(jīng)成熟，有的仍在研究發(fā)展之中。化學儲能是目前應用最廣泛、技術(shù)最成熟的儲能形式，其中釩電池、鈉硫電池、超級電容器等尚未形成產(chǎn)業(yè)化；本文主要研究以鋰電池和鉛酸電池作為儲能介質(zhì)。鋰電池循環(huán)次數(shù)多、瞬時充放電功率較大、波動響應特性好，但價格較高，適宜承擔峰荷，在系統(tǒng)中作為V/F源，建立電網(wǎng)的電壓和頻率，吸收電網(wǎng)的短時功率波動，承擔整個系統(tǒng)的部分儲能、供能任務。鉛酸電池循環(huán)壽命較短、小功率充放電、供電時間長、穩(wěn)定性好，但價格便宜，適宜承擔基荷，在系統(tǒng)中作為P/Q源，擔任整個發(fā)電系統(tǒng)的主要儲能、供能任務。一般情況下運行在P/Q模式，當鋰電系統(tǒng)異常或不足以支撐負載波動時運行在V/F模式，當電池需要維護時工作在恒壓恒流充放電模式。當光伏發(fā)電大于負載用電時盡可能的將電能儲存起來；在白天，當光伏發(fā)電小于負載用電且鋰電光儲系統(tǒng)不足以提供負載用電時向系統(tǒng)供電；在夜晚，作為整個電網(wǎng)主要的供能系統(tǒng)。蓄電池主要用于消納多余的光電、進行區(qū)域間的電力調(diào)配、保持主電力線上供配電的穩(wěn)定性。蓄電池的配置應根據(jù)光伏裝機容量及供電連續(xù)性要求合理配置。

3 系統(tǒng)拓撲架構(gòu)

大型光伏儲能電站可分為儲能子系統(tǒng)和光伏發(fā)電子系統(tǒng)。光伏發(fā)電子系統(tǒng)與常規(guī)光伏電站的系統(tǒng)架構(gòu)一樣，僅在能量管理控制策略上有較大差異。儲能子系統(tǒng)由蓄電池、電池管理系統(tǒng)BMS、儲能逆變器PCS、升壓及配電設備、能量管理系統(tǒng)EMS構(gòu)成。考慮國內(nèi)外主流儲能逆變器采用不同的V/F并機方式，提出一種系統(tǒng)拓撲方案。針對進行V/F多機并聯(lián)的PCS，PCS可通過變壓器在中壓側(cè)并聯(lián)。若干臺PCS交流側(cè)并聯(lián)，通過一臺雙繞組升壓變壓器接到中壓母線上，V/F源容量可任意擴展，不受單臺變壓器容量的限制。

對于該方案的系統(tǒng)拓撲架構(gòu)，光伏發(fā)電系統(tǒng)按常規(guī)模式以1MW的單元并接在中壓母線上。鋰電和鉛酸儲能部分拓撲架構(gòu)也可按照光伏發(fā)電部分，以1MW為一個單元，這種拓撲結(jié)構(gòu)靈活，適合擴展，但設備較多。儲能逆變器的容量配比，應考慮負荷、光伏發(fā)電容量和蓄電池允許的充放電倍率等多方面因素。一般儲能逆變器與光伏并網(wǎng)逆變器容量配比可按1：1設計，同時應能滿足負荷的過載要求，并保證鋰電池和鉛酸電池都處在合理的充放電倍率范圍內(nèi)。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設計大型離網(wǎng)光伏儲能電站，應盡量增大系統(tǒng)中V/F源的容量，以應對負荷波動和光功率波動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

4 能量管控系統(tǒng)

光儲能量管控系統(tǒng)是發(fā)電、儲電、供電綜合能量管理控制系統(tǒng)，根據(jù)光儲電站的構(gòu)造和資源配置，合理有效進行系統(tǒng)資源管理，并通過管控單元與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)通信，報告其發(fā)電、儲電、供電參數(shù)，并接受調(diào)度計劃與指令。

正常情況下：鋰電光儲系統(tǒng)工作于V/F模式下，鉛酸儲能系統(tǒng)工作于P/Q模式下，光伏發(fā)電系統(tǒng)可進行功率限制。

（1）通過對鉛酸儲能系統(tǒng)的功率調(diào)度和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功率限制，結(jié)合“水缸”原理，預留一部分容量用于實時吸收電網(wǎng)上不可預知功率波動。（2）在白天盡可能的讓鉛酸儲能系統(tǒng)處于滿電狀態(tài)，盡量讓鉛酸系統(tǒng)白天只充、晚上只放電，以提高其使用壽命。（3）盡量避免在各個電池之間出現(xiàn)“倒電現(xiàn)象”。異常情況下，可對各系統(tǒng)進行靈活配置，鋰電光儲系統(tǒng)、鉛酸儲能系統(tǒng)均可工作于V/F模式、P/Q模式、恒壓恒流充放電模式，根據(jù)需要可在線實時配置。如在鋰電光儲系統(tǒng)發(fā)生異常時，可將鉛酸儲能系統(tǒng)作為電壓源；電池需要進行沖放維護時可分時將各臺PCS切換到恒壓恒流充放電模式。

5 結(jié)語

大型離網(wǎng)光伏儲能電站在我國西部無電區(qū)及海島上有極大的應用前景。并在拓展應用方面，具有較高的推廣價值。當與風電等其他形式能源結(jié)合就構(gòu)成了微電網(wǎng)系統(tǒng)；當改變電站的運行方式，就變成了光伏并網(wǎng)儲能系統(tǒng)。

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