光伏電站儲能系統配置研究

孫慶，何一

（中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，成都610072）

摘要：隨著電力工業發展，新能源大規模接入，輸配電系統面臨提高系統可靠性、穩定性，改善電能質量，防止停電的要求，而儲能是最佳處理方案。該項目擬通過對儲能系統的最新技術研究，提出適合微網系統安全穩定運行的儲能系統配置及能量管理系統，實現電網安全穩定運行，并將相關研究成果在同類光伏電站中推廣。

1光伏電站儲能系統簡介

隨著電力工業發展，新能源大規模接入，輸配電系統面臨提高系統可靠性、穩定性，改善電能質量，防止停電的要求，而儲能是最佳處理方案。本項目擬通過對儲能系統的最新技術研究，提出適合微網系統安全穩定運行的儲能系統配置及能量管理系統，實現電網安全穩定運行，并將相關研究成果在同類光伏電站中推廣。

微網系統中的儲能系統的作用主要有以下幾個方面：

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

（2）能量備用。儲能系統可以在光伏發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電時，這時儲能系統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。

（3）提高電力品質與可靠性。儲能系統還可戒備負載上的電壓尖峰、電壓下跌和其他外界干擾所引起的電網波動對系統造成大的影響，采用足夠多的儲能系統可以保證電力輸出的品質與可靠性。

（4）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，充足吸收太陽能的電能。

可見，儲能系統對于光伏電站的穩定運行至關緊要。儲能系統不僅保證系統的穩定可靠，還是處理諸如電壓脈沖、涌流、電壓跌落和瞬時供電中斷等動態電能質量問題的有效途徑。另外，儲能系統在電站整體投資中占有相當大的比重，儲能系統容量的合理選擇及日常管理對系統整體經濟性也有舉足輕重的影響，所以非得對其進行深入分解，合理決策。

本項目詳盡針對的對象是阿里光伏電站，該電站位于西藏自治區阿里地區行署所在地獅泉河鎮，行政區化隸屬于西藏阿里地區噶爾縣，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光伏發電項目，在西藏乃至全國都具有緊要的示范作用，將為全國其他微網地區的光伏電站建設提供珍貴的參考根據，同時對少數民族地區經濟也有一定的推動作用。

2項目技術方案

2.1項目總體技術概述

光伏發電系統是利用太陽電池半導體材料的光伏效應將太陽光輻射能筆直轉換為電能的一種發電系統。

當陽光照射到太陽電池表面時，太陽電池吸收光能，萌生光生電子－空穴對。在電池內建電場作用下，光生電子和空穴對被分離，電池兩端出現異號電荷的積累，即萌生光生電壓。若在內建電場的兩側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筆直轉換成了可以付諸實用的直流電能。

目前光伏發電主要有三種方式：獨立混合發電系統、并網光伏發電系統、光伏微網系統。

（1）獨立混合發電系統

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

獨立混合發電系統是目前偏遠地區供電的主要形式，技術發展已經非常成熟，規模從是幾十W的路燈系統到幾百kW的獨立混合電站。逆變器與蓄電池充放電控制器技術也已形成產業化，功率等級已形成幾十W到幾十kW系列產品。

（2）并網光伏發電系統

并網光伏發電系統主要包括低壓并網光伏發電系統和高壓并網發電系統，系統由包括電池方陣和并網逆變器組成。目前用于低壓及高壓并網逆變器已有成熟產品，低壓并網光伏發電系統逆變器最大單機容量500kW，而高壓并網發電系統逆變器單機最大容量1MW。并網逆變器為跟隨電網頻率和電壓變化的電流源，功率因數為1或指令調節以電網為支撐，無法單獨發電，在電網中容量受限，輸出功率由光伏輸入決定。

（3）光伏微網系統

光伏微網系統可以與其它電源或電網并聯運行。該系統包括電池方陣、常規并網逆變器、儲能單元、雙向變流器、柴油發電機等。

柴油發電機與雙向變流器（頻率和電壓可調）單獨或聯合組網，常規光伏并網雙向變流器（單機最大幾十kW）可經通訊線并聯運行，同時進行微網能量管理。

目前該系統在德國、日本等國的成熟技術為100～300kW系統，分布式多能源形式互補發電微網系統是目前研究的熱點。國內還處于研究階段。

光伏微網系統中光伏電站可與水輪機發電機組、柴油發電機并聯組網運行。通過微網能量管理系統保證光伏電站與水輪機協調運行為電網輸電。光伏微網系統可以滿足西藏獅泉河電網的需求。

本電站建成投產后，將與獅泉河電網已有4×1600kW水輪發電機和4×2500kW柴油發電機成一個水/光/柴的微網系統。考慮到西藏地區的天氣變化快，對光伏電站的出力影響很大。通過對羊八井運行情況數據的采集分解，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，下面對裝機規模10MWp進行分解（由于光伏電站建成后，系統依然缺電，考慮蓄電池的配置規模按照1天只應對1～2次突變的情況分解）。

儲能系統在電站整體投資中占有相當大的比重，儲能系統容量的合理選擇、設備選型、主要技術參數的確定、運行管理等對儲能系統安全性、穩定性及經濟性有舉足輕重的影響，所以非得對其進行深入分解，合理選擇。儲能系統工作原理如圖1所示。（電網交流母線上方為光伏電站電池方陣及常規并網逆變器，下方為蓄電池及雙向逆變器，左側為水電機組和柴油發電機組，右側是負荷端。）

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

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

2.2儲能系統方案策劃

目前全球電力儲能技術主要有物理儲能、化學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，其能量轉換效率約為75%，主要用于電力系統的削峰填谷、調頻調相等。抽水蓄能電站的建設對當地地形、水文等有較高的要求，針對獅泉河地區，建設周期、成本及難度均偏大，不能適應短期內與光伏電站協同運行的要求。

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。

電磁儲能目前發展較受成本制約，如超導電磁儲能等，成本高且技術不夠成熟，不具備大規模推廣的價值。

化學儲能是目前針對該項目較為成熟的方案，化學儲能主要有鈉硫電池儲能、液流電池儲能、磷酸鐵鋰離子電池儲能、鉛酸蓄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、充電效率高的優勢，但是由于需要在高溫下工作，具有一定的安全隱患，而且加工工藝復雜，目前專利權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%的優勢，但是由于正負極電解液容易交織污染，對環境影響較大，目前還需處理一些問題后方可大規模推廣。

超級電容器儲能一般作為快速應和的儲能系統，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配置，可作為大型儲能系統的補充。

鉛酸電池是目前最為成熟的儲能系統方案，具有技術成熟、成本低廉、可構建大規模儲能系統的優勢。但是其對運行溫度要求較高，且儲能密度低，放電深度低（常規放電深度應不超過30%，特殊運用也不應超過50%），充放電次數有限的缺點，制約了在大型儲能系統，特別是氣候惡劣、交通不便的西部微網系統中的使用。鉛酸電池在制作過程中萌生的酸霧也對環境造成污染，不利于環保方面的要求。

磷酸鐵鋰離子電池是近幾年發展較為迅速的一類電池，由于其具有能量密度較高、循環壽命較長、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，首先將其用于電動車的儲能系統里，并逐步推廣至電力系統的大規模儲能系統中。磷酸鐵鋰離子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也能達到1500次以上，非常適合作為需要頻繁充放電的系統。但是磷酸鐵鋰離子電池對充放電系統控制的要求較高，這也在一定程度上制約了其發展。

依據本工程的實際情況，若選擇鉛酸電池作為儲能元件，按放電深度40%分解，同時考慮適當的余量，需配置7000kVAh的單體蓄電池。若選擇磷酸鐵鋰離子電池作為儲能元件，放電深度按80%算，只需配置3500kVAh的磷酸鐵鋰離子電池，鑒于目前磷酸鐵鋰離子電池與鉛酸電池的價格比約為2︰1，初始投資相當。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，磷酸鐵鋰離子電池的優點較為分明。本工程推薦采用磷酸鐵鋰離子電池構建儲能系統。

2.3儲能系統運行方式確定

依據本工程對儲能系統的要求，在光伏電站出力下降時，儲能系統應能輸出足夠多的電能，并支撐系統電壓。目前針對儲能系統配套的逆變器均為電流源型雙向逆變器，此類逆變器僅能依據系統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，而且不能并聯運行的缺點，僅能滿足小規模電站的使用，無法使用于阿里地區的大型微網項目中。

由于工程建設周期要求緊迫，在目前大容量可并聯電壓源型雙向逆變器技術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，儲能系統僅作為提供電能的電源。待大容量可并聯電壓源型雙向逆變器技術成熟后，進行技術改造，以保證獅泉河電網的運行穩定，同時還需對調度中心進行改造，以滿足多種電源模式同時調度的要求。

3結論

隨著新能源產業的快速發展，風電、光電等新能源在電力系統中所占的比重越來越高，由于新能源發電出力的不確定性及不可調度性，對電力系統穩定帶來了一定的隱患。世界各國對新能源發電容量在電網所占的比例提出了要求，一般規定不得超過整個電網容量的10%～15%。由于我國風、光資源較好的地區，恰好是電網較為薄弱的地區，這使得新能源在這些地區的發展遇到了技術瓶頸。大規模儲能系統的研究，對于新能源與電網穩定的問題，提出了一個切實可行的處理之道，對于未來智能電網的構建，也起到了關鍵的作用。隨著各類型儲能系統的發展，必將使今后的電網更環保、更穩定、更可靠。

參考文獻

[1]李青蕓．使用于微網的不間斷電力變電站功率協調策略[J]．四川電力技術，2008，（6）：11-15．

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