储能技术在风光发电系统中的应用

王建宝 巫 卿 王 瑾 古婷婷 陈德慧

（中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院，贵阳 550081）

随着化石能源的枯竭，风能和太阳能为代表的新能源发电以其取之不尽用之不竭的特点，得到前所未有的发展。但由于风能、太阳能发电技术受天气变化影响较大，且具有不可控性，因此，新能源发电要取代传统能源发电并实现大规模并网，对电网的冲击影响是不可忽视的。储能系统在实际运行过程中可参与电网削峰填谷、系统调频及无功控制等，可以减小风光发电对电网稳定运行的影响。

1 储能电池的选择

储能电池的选型应符合以下原则：容易实现多方式结合、安全可靠运行、快速响应及大倍率充放电能力、高效率、易于维护及符合环境保护等特点。

目前储能方式主要有物理储能、化学储能和其他储能形式3大类[1]。物理储能主要包括抽水蓄能及飞轮储能等；化学储能主要包括铅酸电池、锂电电池、钠硫电池及超级电容储能等；其他储能有超导电磁储能等。抽水蓄能由于受地形及水文等因素制约，不适合短期及就近与风光发电相结合；飞轮储能技术具有寿命长、无污染特点，但由于能量密度低，不适合建大型储能电站。超导储能技术成本高且技术不够成熟不具备大规模推广价值。化学储能技术目前较成熟，应用也最为广泛，铅酸电池是目前成熟的电池，价格低廉，但由于其对运行稳定要求较高，且储能密度及放电深度低，循环次数少等缺点而受限；钠硫电池具有能量密度大、充电效率高优点，但其在高温环境中工作具有一定的安全隐患，而且生产工艺复杂成本高，不适合大规模应用；超级电容具有寿命长，快速充放电等优点，但其能量密度只有铅酸电池 1/10左右，从而限制了其大规模发展。磷酸铁锂电池是近几年发展较为迅速的一类电池，由于其能量密度较高、循环次数较长、放电深度较大、达到电流大的特点，被广泛的应用与储能系统中。

2 储能电站的设计

2.1 风光互补储能电站结构

夏季光照强度较大，风较小；冬季太阳光照强度较弱而风大；白天光照强，晚上风力较大，风能和太阳能具有较强的互补性。风光互补系统可以有效弥补风电与光伏独立发电系统在自然资源上的缺陷。在风光互补系统中配置一适当容量的储能电站，通过储能电站能量管理系统有效控制，可以有效平抑风光互补发电系统电能波动性，不仅实现风光发电大规模并网，且可以减小新能源并网对电网的冲击。

图1 风光储系统结构图

2.2 储能容量的选择

目前，国内外已经开展对新能源发电系统中储能装置容量配置的研究，但都处于起步阶段。文献[2]针对风光互补系统提出基于遗传算法的混合储能系统容量优化设计方法，文献[3]提出一种基于随机模拟遗传算法的飞轮-蓄电池储能容量优化配置方法；上述两种方法均有效地提高了储能系统的经济性，但是研究只针对独立负荷供电系统。根据日本研究者提出的平滑时间常数-电池容量特性和平滑时间常数-系统输出效率特性的方法[4]，依据成本/性能比得出最佳电池容量。储能容量占风光装机容量15%～30%，储能时间1.5h以上时，可以使风光发电输出波动值小于10%。

2.3 储能装置设计

1）储能模块设计

储能电站由若干电池阵列串并联组成，目前国内生产的锂电池容量从几十Ah到几百Ah，最小的有35Ah，最大到500Ah。电池组串联数量根据PCS直流侧输入电压范围确定，而后由储能模块容量确定需要并联的电池串数量，电池串并联后构成一个储能电池模块。

2）储能双向逆变器（PCS）

PCS功率处理单元主要由 DC/AC功率模块、EMC滤波器及控制处理单元组成。电池组单元输出直流电压经三相桥式变换器变换为正弦波交流电，再通过接触器及交流 EMC滤波器送入交流控制单元。控制单元通过对电池组直流电压及交流电网电压进行采样，在算法控制下输出 PWM脉冲信号驱动逆变器桥可靠运行。拓扑结构如图2所示。

图2 PCS拓扑结构图

2.4 储能电站能量管理系统

1）电池管理系统功能[5]

（1）均衡管理功能

多个电池串联在一起使用时，如果电池之间的容量失配将会影响整个电池串的容量，当电池不均衡时，电池串的可用容量将减少，其中容量最低的电池将决定电池串的总容量，为此需要对失配的电池进行均衡。

（2）绝缘检测功能

每套电池管理系统均配备了绝缘检测设备（IMD），该设备主要用于检测直流系统动力回路与大地之间的绝缘特性，当系统动力回路对地出现绝缘等级降低的情况时，绝缘检测设备能及时向BSMU发出相应的报警信号，BSMU则禁止电池串进行充电或放电。

（3）检测功能

（4）统计存储功能

（5）充放电管理功能

电池管理系统根据电池串当前的温度、SOC、SOH判断电池状态，决定电池最大允许的充电电流和放电电流，同时将信息发送给充放电设备 PCS，使PCS根据接收的信息判断和控制运行功率，达到对电池性能的安全的保护。

2）电池管理系统设计

BMS电池管理系统包括：电池管理单元（BMU）、电池管理系统网关单元（BGU）、电池管理系统控制单元（BECU）、电池管理系统堆电池管理单元（BSMU）。实现电池状态监视、运行控制、绝缘监测、均衡管理、保护报警及通讯功能，确保系统正常、可靠、稳定的运行。

3）电池管理系统原理及特点

电池管理系统实时检测电池串内单体电池电压和温度、电池组电流以及计算电池组的SOC，SOH，检测绝缘状况，与上位机通信、发送告警信息、进行保护动作，电池均衡等功能，其结构示意图如图3所示。

图3 电池管理系统拓扑示意图

3 应用结果

国家电网张北风光储示范电站，风机装机容量98.5MW，光伏容量 40MW，储能电站设计为功率20WM，容量95WMh。平滑出力、跟踪计划、储能调频及削峰填谷几种运行结果如图4所示，图中①（风力发电曲线）、②（光伏发电曲线）、③（风光互补发电曲线）、④（储能装置出力曲线）、⑤（风光储电站运行曲线），由图可见，在储能电站的调节作用下，风光发电系统输出波形平稳，且可以跟踪设计功率曲线并达到削峰填谷的目的。

图4 风光储电站运行结果图

4 结论

随着新能源产业快速发展，风电及光伏发电将在电网中比例逐步增大，为了降低其发电出力的不确定性及不可调度性给电网带来的冲击，加强大规模储能系统的研究，对于风光发电技术的发展及电网稳定的问题，能起到很大的促进作用，对于将来构建智能电网也可以起到关键的作用。

由张北风光储示范电站及我院设计的西藏阿特斯20MW光伏项目可以得到，在储能电站容量按照新能源电站20%装机，储能时间1.5h设计，及可以满足风光发电系统输出波形平稳，且可以跟踪设计功率曲线并达到削峰填谷的目的。如果储能电池功率小于20%，则可以将储能时间延长，使得储能电站满足要求。

[1] 张文亮,丘明,来小康.储能技术在电力系统中的应用[J].电网技术,2008(7).

[2] 吴红斌,陈斌,郭彩云.风光互补发电系统中混合储能单元的容量优化[J].农业工程学报, 2011(4).

[3] 程苗苗, 康龙云,徐大明, 孙耀杰.风光复合发电系统中储能单元的容量优化设计[J].电气应用,2006(6).

[4] SHIJI W, RYOHEI O.An investigation on optimal battery capacity in wind power generation system[R].Dept.of EE&Bioscience Waseda University,Tokyo,Japan.

[5] 李娜,白恺.磷酸铁锂电池均衡技术综述[J].华北电力技术,2012(2).