光伏电站储能系统配置研究

孙庆，何一

（中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都610072）

　　摘要：随着电力工业发展，新能源大规模接入，输配电系统面临提高系统可靠性、稳定性，改善电能质量，预防停电的要求，而储能是最佳解决方案。该项目拟通过对储能系统的最新技术研究，提出适合微网系统安全稳定运行的储能系统配置及能量管理系统，实现电网安全稳定运行，并将相关研究成果在同类光伏电站中推广。

　　1光伏电站储能系统简介

　　随着电力工业发展，新能源大规模接入，输配电系统面临提高系统可靠性、稳定性，改善电能质量，预防停电的要求，而储能是最佳解决方案。本项目拟通过对储能系统的最新技术研究，提出适合微网系统安全稳定运行的储能系统配置及能量管理系统，实现电网安全稳定运行，并将相关研究成果在同类光伏电站中推广。

　　微网系统中的储能系统的作用主要有以下几个方面：

　　（1）保证系统稳定。光伏电站系统中，光伏输出功率曲线与负荷曲线存在较大差异，而且均有不可预料的波动特性，通过储能系统的能量存储和缓冲使得系统即使在负荷迅速波动的情况下仍然能够运行在一个稳定的输出水平。

　　（2）能量备用。储能系统可以在光伏发电不能正常运行的情况下起备用和过渡作用，如在夜间或者阴雨天电池方阵不能发电时，这时储能系统就起备用和过渡作用，其储能容量的多少取决于负荷的需求。

　　（3）提高电力品质与可靠性。储能系统还可防止负载上的电压尖峰、电压下跌和其他外界干扰所引起的电网波动对系统造成大的影响，采用足够多的储能系统可以保证电力输出的品质与可靠性。

　　（4）日常能量储存。在太阳辐照度强，负载较轻的时候，将多余的太阳能储存起来，充分吸收太阳能的电能。

　　可见，储能系统对于光伏电站的稳定运行至关重要。储能系统不仅保证系统的稳定可靠，还是解决诸如电压脉冲、涌流、电压跌落和瞬时供电中断等动态电能质量问题的有效途径。另外，储能系统在电站整体投资中占有相当大的比重，储能系统容量的合理选择及日常管理对系统整体经济性也有举足轻重的影响，所以必须对其进行深入分析，合理决策。

　　本项目具体针对的对象是阿里光伏电站，该电站位于西藏自治区阿里地区行署所在地狮泉河镇，行政区化隶属于西藏阿里地区噶尔县，海拔高程4250～4300m。对外交通仅有公路相通，距拉萨市1752km，距新疆喀什1334km，交通不便。

　　阿里光伏电站作为西藏首个大型微网光伏发电项目，在西藏乃至全国都具有重要的示范作用，将为全国其他微网地区的光伏电站建设提供宝贵的参考依据，同时对少数民族地区经济也有一定的推动作用。

　　2项目技术方案

　　2.1项目总体技术概述

　　光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的“光伏效应”将太阳光辐射能直接转换为电能的一种发电系统。

　　当阳光照射到太阳电池表面时，太阳电池吸收光能，产生光生“电子－空穴对”。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴对被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则“光生电流”从负载上流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就通过太阳电池直接转换成了可以付诸实用的直流电能。

　　目前光伏发电主要有三种方式：独立混合发电系统、并网光伏发电系统、光伏微网系统。

　　（1）独立混合发电系统

　　独立混合发电系统包括电池方阵、蓄电池、电能转化与控制，还会包括柴油发电机和其他发电电源。在电能充裕时，将电池方阵及其他发电源的能量通过充电控制器存到蓄电池组中；电能缺少时，将蓄电池中的能力通过放电控制器经电能转化装置转换成满足用户需要的电源。柴油发电机作为冷备用，用于在紧急情况下给负载供电。

　　独立混合发电系统是目前偏远地区供电的主要形式，技术发展已经非常成熟，规模从是几十W的路灯系统到几百kW的独立混合电站。逆变器与蓄电池充放电控制器技术也已形成产业化，功率等级已形成几十W到几十kW系列产品。

　　（2）并网光伏发电系统

　　并网光伏发电系统主要包括低压并网光伏发电系统和高压并网发电系统，系统由包括电池方阵和并网逆变器组成。目前用于低压及高压并网逆变器已有成熟产品，低压并网光伏发电系统逆变器最大单机容量500kW，而高压并网发电系统逆变器单机最大容量1MW。并网逆变器为跟随电网频率和电压变化的电流源，功率因数为1或指令调节以电网为支撑，无法单独发电，在电网中容量受限，输出功率由光伏输入决定。

　　（3）光伏微网系统

　　光伏微网系统可以与其它电源或电网并联运行。该系统包括电池方阵、常规并网逆变器、储能单元、双向变流器、柴油发电机等。

　　柴油发电机与双向变流器（频率和电压可调）单独或联合组网，常规光伏并网双向变流器（单机最大几十kW）可经通讯线并联运行，同时进行微网能量管理。

　　目前该系统在德国、日本等国的成熟技术为100～300kW系统，分布式多能源形式互补发电微网系统是目前研究的热点。国内还处于研究阶段。

　　光伏微网系统中光伏电站可与水轮机发电机组、柴油发电机并联组网运行。通过微网能量管理系统保证光伏电站与水轮机协调运行为电网输电。光伏微网系统可以满足西藏狮泉河电网的需求。

　　本电站建成投产后，将与狮泉河电网已有4×1600kW水轮发电机和4×2500kW柴油发电机成一个水/光/柴的微网系统。考虑到西藏地区的天气变化快，对光伏电站的出力影响很大。通过对羊八井运行情况数据的采集分析，由于天气突变，光伏电站的出力最大突降会至额定出力的35%左右，下面对装机规模10MWp进行分析（由于光伏电站建成后，系统仍然缺电，考虑蓄电池的配置规模按照1天只应对1～2次突变的情况分析）。

　　储能系统在电站整体投资中占有相当大的比重，储能系统容量的合理选择、设备选型、主要技术参数的确定、运行管理等对储能系统安全性、稳定性及经济性有举足轻重的影响，所以必须对其进行深入分析，合理选择。储能系统工作原理如图1所示。（电网交流母线上方为光伏电站电池方阵及常规并网逆变器，下方为蓄电池及双向逆变器，左侧为水电机组和柴油发电机组，右侧是负荷端。）

　　考虑在满发的情况下，由于天气变化，出力突降至额定的35%，需要柴油发电机或者水电站承担的负荷波动为10MWp的65%，即6.5MW（详见图2），考虑此时狮泉河水电站和系统柴油发电机均为冷备用、无法提供旋转备用容量。所以6.5MW的负荷均需要由储能系统补充，在不低频减载的情况下，考虑一定的裕量，按照7MW的负荷来分析。

　　考虑由储能系统负责水轮发电机启动期间的电能输出，储能系统从光伏电站出力掉落至35%开始输出直到水轮发电机满载满足7000kW的负荷需要，由于水轮发电机从停机到满载约需6min左右时间，需要储能系统能持续输出7000kW的能量，并维持10min。考虑最恶劣的工作状态，需要储能系统在未能进行充电的条件下进行连续2次放电，并且考虑到项目所处地交通不便，不宜经常进行储能元件的维护和更换，使得方案对储能系统配置容量及运行寿命提出了较高的要求。

　　2.2储能系统方案策划

　　目前全球电力储能技术主要有物理储能、化学储能和电磁储能三大类。

　　物理储能中最成熟的方案是抽水蓄能，其能量转换效率约为75%，主要用于电力系统的削峰填谷、调频调相等。抽水蓄能电站的建设对当地地形、水文等有较高的要求，针对狮泉河地区，建设周期、成本及难度均偏大，不能适应短期内与光伏电站协同运行的要求。

　　物理储能中还有一种类型是飞轮储能，其特定是寿命长、无污染，但是能量密度较低，不适合单独作为大型储能系统。

　　电磁储能目前发展较受成本制约，如超导电磁储能等，成本高且技术不够成熟，不具备大规模推广的价值。

　　化学储能是目前针对该项目较为成熟的方案，化学储能主要有钠硫电池储能、液流电池储能、磷酸铁锂电池储能、铅酸电池储能及超级电容器等多种形式。

　　钠硫电池具有能量密度大、充电效率高的优点，但是由于需要在高温下工作，具有一定的安全隐患，而且生产工艺复杂，目前专利权主要掌握在日本公司手中，成本相对较高。

　　液流矾电池具有能量密度较高，放电深度可达100%的优点，但是由于正负极电解液容易交叉污染，对环境影响较大，目前还需解决一些问题后方可大规模推广。

　　超级电容器储能一般作为快速响应的储能系统，由于能量密度低及单位成本高，不适合整体作为大型储能系统配置，可作为大型储能系统的补充。

　　铅酸蓄电池是目前最为成熟的储能系统方案，具有技术成熟、成本低廉、可构建大规模储能系统的优点。但是其对运行温度要求较高，且储能密度低，放电深度低（常规放电深度应不超过30%，特殊运用也不应超过50%），充放电次数有限的缺点，制约了在大型储能系统，特别是气候恶劣、交通不便的西部微网系统中的应用。铅酸蓄电池在制作过程中产生的酸雾也对环境造成污染，不利于环保方面的要求。

　　磷酸铁锂电池是近几年发展较为迅速的一类电池，由于其具有能量密度较高、循环寿命较长、放电深度较大、放电电流大的特点，被大家所看好。目前如比亚迪等公司，首先将其用于电动汽车的储能系统里，并逐步推广至电力系统的大规模储能系统中。磷酸铁锂电池正常运行时放电深度可达80%以上，其成组后的充放电次数也能达到1500次以上，非常适合作为需要频繁充放电的系统。但是磷酸铁锂电池对充放电系统控制的要求较高，这也在一定程度上制约了其发展。

　　根据本工程的实际情况，若选择铅酸蓄电池作为储能元件，按放电深度40%分析，同时考虑适当的余量，需配置7000kVAh的单体蓄电池。若选择磷酸铁锂电池作为储能元件，放电深度按80%算，只需配置3500kVAh的磷酸铁锂电池，鉴于目前磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的价格比约为2︰1，初始投资相当。但考虑到运行方式每天一至两次深度放电的要求，并综合考虑维护及更换蓄电池的费用，磷酸铁锂电池的优势较为明显。本工程推荐采用磷酸铁锂电池构建储能系统。

　　2.3储能系统运行方式确定

　　根据本工程对储能系统的要求，在光伏电站出力下降时，储能系统应能输出足够多的电能，并支撑系统电压。目前针对储能系统配套的逆变器均为电流源型双向逆变器，此类逆变器仅能根据系统电压模拟出与之相同的电压波形，输出电流，而无法支撑系统电压。而电压源型双向逆变器目前存在单体容量过小，而且不能并联运行的缺点，仅能满足小规模电站的使用，无法应用于阿里地区的大型微网项目中。

　　由于工程建设周期要求紧迫，在目前大容量可并联电压源型双向逆变器技术瓶颈尚未攻克的客观条件下，只能先期采用电流源型双向逆变器作为备用方案，在光伏电站出力下降时，由狮泉河水电站提供电压支撑，储能系统仅作为提供电能的电源。待大容量可并联电压源型双向逆变器技术成熟后，进行技术改造，以保证狮泉河电网的运行稳定，同时还需对调度中心进行改造，以满足多种电源模式同时调度的要求。

　　3结论

　　随着新能源产业的快速发展，风电、光电等新能源在电力系统中所占的比重越来越高，由于新能源发电出力的不确定性及不可调度性，对电力系统稳定带来了一定的隐患。世界各国对新能源发电容量在电网所占的比例提出了要求，一般规定不得超过整个电网容量的10%～15%。由于我国风、光资源较好的地区，恰好是电网较为薄弱的地区，这使得新能源在这些地区的发展遇到了技术瓶颈。大规模储能系统的研究，对于新能源与电网稳定的问题，提出了一个切实可行的解决之道，对于将来智能电网的构建，也起到了关键的作用。随着各类型储能系统的发展，必将使今后的电网更环保、更稳定、更可靠。

　　参考文献

　　[1]李青芸．应用于微网的不间断电力变电站功率协调策略[J]．四川电力技术，2008，（6）：11-15．