光伏儲能在能源站中的應用

徐力鈞

(悉地國際設計顧問有限公司，上海 200438)

0 引言

隨著“碳達峰”“碳中和”目標的提出，中國能源結構轉型面臨諸多挑戰。 據國家統計局公布的數據，目前在我國能源產業格局中，煤炭、石油、天然氣等化石能源約占能源消耗總量的84%，而不產生碳排放的風電、水電和光伏等清潔能源僅占16%。要實現2060 年碳中和的目標，就要大幅發展可再生能源，降低化石能源的比重，因此，能源格局的重構必然是大勢所趨。

1 我國太陽能資源極為豐富

太陽能資源的分布與各地的緯度、海拔高度、地理狀況和氣候條件有關。 我國屬太陽能資源豐富的國家之一，全國總面積2/3 以上地區年日照時數大于2 000 h，具有良好的開發利用條件。 根據《太陽能資源等級-總輻射》GB/T 31155—2014，中國太陽能資源分布情況見表1。

表1 中國太陽能資源分布表

2 我國儲能裝機現狀

根據中國光伏行業協會發布的數據，截止到2020 年，我國的光伏發電系統累計總裝機容量已達到253GW，2020 年新增裝機容量為48.2 GW，同比增加60%。 2020 年光伏能源總產量2 605 億kWh，同比增長16.2%，占總發電量比重的3.5%。

由于可再生能源發電存在天然的不穩定性，需要配套儲能以解決光伏電能消納，提高配電利用效率。 近年來，多地政府要求并鼓勵可再生能源的發電項目搭配一定比重的儲能，同時對用戶側的儲能項目也給予特定的補助。 隨著可再生能源發電占比的不斷增大，同時鋰電池的生產成本近年來已持續降低，儲能的必要性與經濟性進一步顯現。

表2 為中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會(CESA)統計的2020 年我國新增投運儲能裝機容量。 在全球能源轉型深入的背景下，可再生能源的開發利用前景看好，政府和城鄉居民都在利用太陽能光伏發電積極開展光伏農業、光伏扶貧、光伏養老等多種形式的推廣和應用，金融行業也紛紛推出各種光伏貸產品來支持用戶。

表2 2020年我國新增投運儲能裝機容量

3 微電網

微電網的概念，就是將分布式發電、用電負載、儲能裝置及控制裝置結合在一起，形成一個單一可控的獨立供電系統，也可以看成是管理局部能量關系的基于分布式發電裝置的小電網。 微電網和配電網之間可以通過公共連接點進行能量交換，雙方互為備用，從而提高了供電可靠性。 在智能電網的發展過程中，配電網需要從被動式網絡向主動式網絡轉變，從而更有效地連接發電側和用戶側，微電網的入網標準只針對公共連接點，而不針對各個具體的微電源，不僅解決了分布式發電接入的問題，還充分發揮了它們的優勢，是實現主動式配電網的一種有效方式。

綜合能源系統的應用當前已成為一種趨勢，采用梯級式能源利用技術實現冷熱電一體化生產的系統，能源的綜合利用效率可高達80%～90%。

光伏系統的外部輸出功率與日照強度和電池溫度密切相關，其發電特性不僅具有隨機性和間歇性，而且無法調度，在季節、氣候變化時，光伏系統的輸出功率會有較大的波動，并入大電網后會對電網有一定的沖擊性。 當光伏系統加入儲能裝置后，可以有效利用電力設備，降低用電成本，參與調頻調壓、補償負荷波動，提高了整個供配電系統的電能質量和經濟性。 圖1 為典型光伏日出力曲線。

圖1 典型光伏日出力曲線

考慮到光伏出力的波動性及工業用電電價的分時特性，儲能系統設置相應的儲電及放電管理機制，在一天內，夜間谷時電價期間通過儲能變流器(PCS)從電網購電，為蓄電池儲電，為用電高峰時段備用；白天峰時電價期間，光伏系統在最大功率模式下運行，蓄電池也同時為系統輸出功率。 光伏系統所發的電全部在變電站內部消納，直接負荷側消納或者通過蓄電池充電后再放電。 圖2 為光伏儲能系統結構圖。

圖2 光伏儲能系統結構圖

4 項目案例

以某能源站為例，園區內建設智慧綜合能源站，通過利用余熱和開發新能源向園區內的生產企業提供清潔、經濟的能源。

4.1 系統構架

園區內設置一座10kV 變電站，采用兩路10kV市政電源進線，設兩段10kV 母線，每段10kV 母線上設兩臺2 000kVA 干式變壓器。 能源站的光伏、儲能考慮配置為:利用屋頂布置2 000kWp 的光伏組件，光伏系統分為4 個500kWp 的發電單元，每個500kWp 的發電單元配置1 MWh 的儲能，通過雙向PCS 與0.4kV 母線連接。

每個500kWp 發電單元由1 116 塊450Wp 單晶硅組件構成(28 塊組件為一串)，配置5 臺100kW 的逆變器。 儲能單元由4 臺500kW 儲能變流器(PCS)、4 MWh 磷酸鐵鋰電池、電池管控系統(BMS)、直流匯流柜組成。 4 臺雙向PCS 的交流側分別接入4 段0.4kV 母線。 圖3 為本項目的電氣主接線圖。

圖3 電氣主接線圖

針對本項目，一方面先進的儲能技術在用戶側可“峰放谷充”，減少用戶變壓器容量，節省電費，達到峰谷價差獲利的目的；另一方面，儲能可消納部分光伏發電的電量，對微電網起消納平衡作用。 本工程的光伏發電、電能儲存、交流母線與各用電負荷組成了微電網系統，實現并網運行模式，分布式電源及儲能裝置可以采用各種運行控制策略來維持整個微電網的功率平衡。 在主電網發生故障或其他情況下，可主動與主網斷開，轉入孤島獨立工作模式，并協助主網快速恢復，降低損失。

4.2 電池組件的選型

電池組件是光伏發電系統最重要的組成部件，約占整個系統建設總成本的50%，并且直接影響到系統的質量、發電效率、收益率等。 本項目選用單晶硅電池組件。

單從每瓦電池組件的成本來看，單晶硅比多晶硅高5%左右，但由于單晶硅組件發電效率高，同樣的裝機容量占地面積更小，基礎、支架、電纜等系統周邊器材使用量也相應減少，二者的綜合投入成本基本相當。 根據測算，按目前行業普遍承諾的25 年使用年限計算，一個相同規模的電站，使用單晶硅電池產生的電能比使用多晶硅電池多13%，所以，綜合考慮光伏發電系統的長期發電量和投資收益率，單晶硅電池組件更具有度電成本的優勢。 本項目選用的電池組件參數詳見表3。

表3 單晶硅電池組件性能參數表

4.3 并網逆變器的選型

并網逆變器分為集中式和組串式，就其本身的效率而言已經達到了比較高的水平，兩種逆變器的效率基本相當，都可以達到98%以上，系統效率的主要差別在系統優化和線路損耗方面。 集中式逆變器系統可集中并網，便于管理；組串式逆變器系統可以分散就近并網，系統損耗小，且有冗余運行能力。

本項目選用多組串式逆變器(技術參數詳見表4)，可以最大效率地跟蹤輸入每一路的MPPT，確保每組串或每幾組串產生最多的電量，即使某一組串由于太陽能輻射不足或因故障斷開，也不會影響其他組串繼續發電，使整個系統的能量輸出實現最大化。

表4 逆變器技術參數表

4.4 微電網控制保護系統

本項目的光伏儲能控制系統采用分層分布式方案，通過不同層級控制保護的協調配合，實現微電網系統的穩定可靠、經濟運轉，提高分布式清潔能源發電效益和并網安全性。

微電網控制保護系統分為就地、協調和優化三個控制層級。

(1)就地控制層

包含儲能變流器、分布式發電并網接口裝置以及保護裝置，裝置之間不依賴于通信，響應速度快。在系統發生輕微中斷或短路故障時，通過PCS 的自我調節或保護裝置的快速動作，能夠快速平抑系統波動，恢復穩定的供電。

(2)協調控制層

包含微電網協調控制裝置，需要通過控制通信網絡采集風光、儲能以及重要負荷的信息。 在發生重大微電網絡中斷時，如網絡意外斷電、孤島運行時大容量的跳閘等，微電網協調控制裝置通過對儲能以及風光系統的控制，確保電壓、頻率均維持在允許的范圍內，保證微電網系統的穩定安全運行。

(3)優化控制層

包含微電網能量管理系統，可實現對特定應用情景進行運行數據分析、用電負荷管理、電能預測、優化調度運行等功能，提高系統的運行效率。

分層分布式控制系統的設計，通過不同層次的控制和保護之間的協調，使微電網系統能夠穩定、經濟地運行；控制層網絡采用冗余設計，相互獨立，更加安全可靠；高性能微電網協調控制裝置，具有毫秒級的響應速度，可實現不同運行方式間的快速切換。

4.5 系統運行

帶儲能的光伏發電系統，預先設定不同工況的供用電管理模式，可起到調峰和減少對電網沖擊的作用。 在夜晚的用電低谷時段和白天的用電平谷時段，對電池進行充電，主要目的是為了增加功率谷值；在白天用電高峰時段完成放電，在一定程度上降低了最大用電高峰，從而實現電能的經濟調度，提高配電網的負荷率，切實保障電網的安全平穩運行。

儲能系統是微電網中的能源緩沖環節，對微電網起著提高控制穩定性、提升電能質量、改善抗干擾能力等重要作用。 通過經濟規劃和優化能源管理，可以讓電能得到更充分、更合理的利用。 電網中的開關可以自動將微電網切換到并網運行或離網狀態下的孤島運行模式。 分布式發電和儲能裝置可以采取多種控制策略，以維持微電網的功率平衡，儲能系統在電網供電終端的情況下還可作應急備用，幫助電網快速恢復。

可以看出，在穩定的電力負荷需求的工況下，盡可能提高光伏發電和儲能的裝機規模，可以獲得更好的投資收益。

5 結束語

2021 年4 月，國家發改委發布了《關于加快推動新型儲能發展的指導意見(征求意見稿)》。 積極支持用戶側儲能多元化發展，鼓勵圍繞分布式新能源、微電網、大數據中心、5 G 基站、充電設施等其他終端用戶，探索儲能融合發展新場景。 鼓勵聚合利用不間斷電源、電動汽車、用戶側儲能等分散式儲能設施，依托大數據、人工智能、區塊鏈等技術，探索智慧能源、虛擬電廠等多種新商業模式。

光伏和儲能技術隨著持續革新，成本不斷下降，應用范圍逐步擴大，都將成為“碳達峰”“碳中和”目標實現及“光伏+儲能”產業壯大的重要助力。光伏儲能的前景十分廣闊，必將在能源站中得到越來越廣泛的應用。