一種帶蓄電池儲(chǔ)能的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉隴剛，郗復(fù)緩

（1.黃河上游水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810000；2.蘭州城市學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

1 蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用考慮

在并網(wǎng)光伏電站應(yīng)用中，由于光能的間歇性和波動(dòng)性特點(diǎn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行很難提供連續(xù)穩(wěn)定的能量輸出，成為制約光伏發(fā)電大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸[1]。儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)光伏發(fā)電功率平滑輸出十分有效，根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)蓄電池采取不同的充、放電控制策略[2-3]。通過(guò)制定光伏電站和儲(chǔ)能單元的控制策略，儲(chǔ)能蓄電池在并網(wǎng)光伏電站中得到了較大規(guī)模的應(yīng)用。

2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

并網(wǎng)光伏電站總裝機(jī)容量為20 MW。光伏組件選擇目前市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，采用72片PERC單晶340 Wp組件。目前，國(guó)內(nèi)光伏電站采用的支架形式主要有固定式和跟蹤式組件支架，本項(xiàng)目采用固定式組件支架，因?yàn)槠鋬r(jià)格較低、結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。固定支架最佳傾角經(jīng)計(jì)算確定為33°。逆變器是光伏發(fā)電系統(tǒng)中將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的主要設(shè)備。通過(guò)對(duì)各類(lèi)逆變器優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，為降低損耗提高發(fā)電量，本電站選用組串式逆變器。利用組串計(jì)算公式計(jì)算在1 000 V系統(tǒng)電壓時(shí)，單晶硅340 Wp組件串聯(lián)數(shù)量為18塊組件一串，每串容量為6.12 kW。每臺(tái)80 kW組串式逆變器直流側(cè)接入14路電池組串，直流側(cè)接入容量為85.68 kW，子方陣直流側(cè)接入容量接近組串逆變器的最大容量，組串逆變器的利用率較高。共13臺(tái)組串逆變器，接入1臺(tái)35 kV升壓變電站，組成1 MW的并網(wǎng)光伏發(fā)電方陣。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蓄電池性能的優(yōu)劣直接影響儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命、運(yùn)行和功能。因此，對(duì)儲(chǔ)能電池的選擇主要考慮兩個(gè)方面。首先，技術(shù)成熟、比能量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、成本低及應(yīng)用安全性高；其次，要結(jié)合本項(xiàng)目周?chē)淖匀画h(huán)境、施工條件、交通運(yùn)輸?shù)臓顩r，通過(guò)綜合比選，最終確定儲(chǔ)能蓄電池采用磷酸鐵鋰、三元鋰和全釩液流電池。經(jīng)計(jì)算，方案中每個(gè)光伏子方陣配套1個(gè)容量約為0.5 MW·h的儲(chǔ)能單元，采用戶(hù)外集裝箱安裝方式，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充電電源為子方陣側(cè)光伏發(fā)電。儲(chǔ)能設(shè)備與光伏發(fā)電設(shè)備共用子方陣升壓變壓器，經(jīng)升壓至35 kV后接入新建35 kV預(yù)裝式開(kāi)關(guān)站，匯集后經(jīng)電纜接入330 kV升壓站。儲(chǔ)能單元電氣接線如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)能單元電氣接線

圖1 （a）為光儲(chǔ)一體式逆變器，蓄電池與光伏組件分別接入光儲(chǔ)一體機(jī)直流側(cè)。圖1（b）為光伏子陣組件接入組串式逆變器，蓄電池接入儲(chǔ)能逆變器，儲(chǔ)能逆變器與匯流箱并聯(lián)接入升壓箱變低壓側(cè)交流側(cè)母線。儲(chǔ)能逆變器作為電網(wǎng)與儲(chǔ)能介質(zhì)之間的接口，既要將電網(wǎng)電能整流儲(chǔ)存到電池中，也要將電池儲(chǔ)能逆變成交流送入電網(wǎng)。因此，儲(chǔ)能逆變器要求雙向運(yùn)行——整流模式-電池充電儲(chǔ)能和逆變模式-電池放電釋能。

電池的充放電控制策略要充分考慮電網(wǎng)的供電能力、電池的功率需求、電池的狀態(tài)以及影響電池壽命的因素等[4]。儲(chǔ)能逆變器（PCS）可實(shí)現(xiàn)交直流雙向轉(zhuǎn)換，完成儲(chǔ)能系統(tǒng)直流與交流之間雙向的能量傳遞。通過(guò)控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)電池系統(tǒng)的充放電管理、對(duì)網(wǎng)側(cè)負(fù)荷功率的跟蹤、對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率的控制、對(duì)正常和孤島運(yùn)行方式下網(wǎng)側(cè)電壓的控制等。

圖1的兩種方案均為經(jīng)逆變器接入的儲(chǔ)能系統(tǒng)方案。該方案可充分利用光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變?cè)O(shè)備、升壓設(shè)備以及電纜。設(shè)備利用率高，設(shè)備投資和占地較少；光伏方陣到儲(chǔ)能電池之間的功率變換環(huán)節(jié)少，系統(tǒng)效率高；分散式安裝的方式使得單臺(tái)儲(chǔ)能裝置故障時(shí)對(duì)系統(tǒng)造成的影響最小；可在前期建設(shè)光伏系統(tǒng)，后期增加儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)；光伏電站考慮配置儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，可減少電纜、變壓器及升壓系統(tǒng)的投資。

4 光伏儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)特性

4.1 太陽(yáng)能發(fā)電出力特性

（1）由于太陽(yáng)能存在能量密度低、穩(wěn)定性差、波動(dòng)性大等弊端，使得光伏發(fā)電系統(tǒng)存在不穩(wěn)定性、間歇性的缺點(diǎn)；

（2）光伏輸出功率在時(shí)間、季節(jié)上具有很強(qiáng)的差異性，存在中午大發(fā)、早晚小發(fā)、晚上不發(fā)的出力特性；

（3）大規(guī)模的并網(wǎng)光伏電站直接并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)對(duì)電網(wǎng)調(diào)度和運(yùn)行方式帶來(lái)較大影響。不同天氣對(duì)光伏出力有明顯影響，見(jiàn)圖2。

圖2 不同天氣下的光伏出力曲線

由圖2可知，晴天時(shí)，光伏出力水平較高且出力平穩(wěn)；多云時(shí)，光伏電站最高出力與晴天時(shí)一致，但整體出力水平較低，且波動(dòng)性在三種天氣條件下最大；陰天時(shí)，光伏電站出力水平最低，波動(dòng)程度稍好于多云天氣。

4.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)出力特性

儲(chǔ)能系統(tǒng)出力特性與儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)，本文采用電儲(chǔ)能設(shè)備。電池儲(chǔ)能主要涉及設(shè)備的存儲(chǔ)容量、能量轉(zhuǎn)換效率、不同類(lèi)型儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度、功率密度、自放電/放電時(shí)間、循環(huán)壽命、儲(chǔ)能響應(yīng)時(shí)間等各不相同。電儲(chǔ)能系統(tǒng)的選型需要綜合考慮蓄電池充放電深度、充放電效率、充放電功率、使用壽命以及儲(chǔ)能逆變器的功率、運(yùn)行方式等。并網(wǎng)光伏電站加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)的幾種工作模式，分別如圖3、圖4、圖5所示。

并網(wǎng)光伏電站中引入儲(chǔ)能蓄電池系統(tǒng)后，可以有效實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，減少晝夜間峰谷差和平滑功率，促進(jìn)系統(tǒng)穩(wěn)定，調(diào)整電網(wǎng)頻率，補(bǔ)償負(fù)荷的波動(dòng)。在并網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目中配置儲(chǔ)能模塊，是解決電力系統(tǒng)變負(fù)荷和新能源發(fā)電接入電網(wǎng)產(chǎn)生各種問(wèn)題的有效措施。

光伏電站和儲(chǔ)能設(shè)施配合可實(shí)現(xiàn)：

圖3 “削峰”工作模式下的光儲(chǔ)電站功率曲線

圖4 “削峰+平抑”工作模式下的光儲(chǔ)電站功率曲線

圖5 “削峰+轉(zhuǎn)移”工作模式下的光儲(chǔ)電站功率曲線

（1）發(fā)電期間有云遮蔽時(shí)，可平滑光伏發(fā)電的波動(dòng)；

（2）在日照條件好時(shí)，在“峰”時(shí)段蓄電；在日照條件差或夜晚時(shí)，在“谷”時(shí)段放電，實(shí)現(xiàn)“削峰填谷”；

（3）根據(jù)電力系統(tǒng)需求實(shí)現(xiàn)調(diào)峰功能，建立輔助服務(wù)共享分擔(dān)機(jī)制，提高電力系統(tǒng)接納可再生能源能力；

（4）可以降低電站交流側(cè)設(shè)備（包括電纜截面、子方陣變壓器容量、升壓站主變?nèi)萘浚┖退统鼍€路的容量及造價(jià)，提高輸配電設(shè)備利用率，延緩增容需求。

儲(chǔ)能總的作用是實(shí)現(xiàn)新能源電力上網(wǎng)，保持電網(wǎng)高效安全運(yùn)行和電力供需平衡。

5 結(jié) 論

并網(wǎng)光伏電站加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)后，能夠?qū)壒怆娏孔鰹閮?chǔ)能充電電量，在中午大發(fā)受限期間吸收，在早晚非限電時(shí)段放出，將光伏電站功率曲線取直；“光伏+儲(chǔ)能”系統(tǒng)能夠彌補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)在自然資源上的缺陷，通過(guò)輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以解決自身引起的棄光限電問(wèn)題，又可以將不連續(xù)、不穩(wěn)定的光伏轉(zhuǎn)化成連續(xù)、穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)電能輸出；并網(wǎng)光伏電站加裝儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作模式可有效解決光伏電站棄光限電問(wèn)題，通過(guò)“削峰填谷”“平滑功率曲線”以及調(diào)峰運(yùn)行等方式，為并網(wǎng)光伏電站可持續(xù)發(fā)展提供了新的解決方案。