光伏储能一体化系统的研究及运用

谢仲华 康丽惠 上海能源研究会工业锅炉技术专业委员会莫海宁 上海普天中科能源技术有限公司



光伏储能一体化系统的研究及运用

谢仲华 康丽惠 上海能源研究会工业锅炉技术专业委员会
莫海宁 上海普天中科能源技术有限公司

摘要：从光伏储能一体化系统的种类和应用入手，分别介绍它的技术、设计原理和示范应用, 并将相关研究成果在分布式光伏系统中推广。

关键词：分布式、光伏、储能、微网

1 光伏储能技术概述

由于光伏发电功率输出不受人为控制，在时间或空间上跟用户需求不一致，如何有效地管理光伏电能，是近几年人们迫切关注的问题。为解决光伏并网电站对电网的影响和最大可能使发电电能自用，一是从电网角度，提高电网的灵活性，建设智能电网；二是从光伏电站角度，为并网光伏电站配置储能装置。

电力储能技术属于灵活输电技术范畴，它在并网光伏电站中应用时，可以通过适当的充放电控制，解决光伏电站输出不稳定的问题，从而避免了由于光伏电源的输出不稳定引起的对电网的一系列不良影响。光伏电站中配置适当储能装置后，除了能解决上述问题外，通过采取一定的控制策略，还可以对电网和用户带来经济、运行以及环境上的利益。

从电网角度来讲，储能在光伏并网发电中的应用技术有以下几种。

（1）电力调峰

调峰的目的是为了尽量减少大功率负荷在峰电时段对电能的集中需求，以减少对电网的负荷压力。光伏储能系统可根据需要在负荷低谷时将光伏系统发出的电能储存起来，在负荷高峰时再释放这部分电能为负荷供电，提高电网的功率峰值输出能力和供电可靠性。

（2）电网电能质量控制

储能系统投入并网光伏发电系统中后，可改善光伏电源的供电特性，使供电更加稳定。因此，通过合适的逆变控制策略，光伏储能系统还可以实现对电能质量的控制，包括稳定电压、调整相角以及有源滤波等。

（3）微电网

微电网并网是未来输配电系统的一个重要发展方向，它可以显著提高供电可靠性。当微电网与系统分离时，即微电网运行在孤岛模式时，微电网电源将独立承担负荷的供电任务。此时，在光伏电源构成的微电网中，储能系统将是给负载安全稳定供电的重要保证。

从用户角度来讲，储能在光伏并网发电中的应用技术有以下几种。

（1）负荷转移

从技术角度来讲，负荷转移和调峰类似，但它的实现应用是以光伏并网用户使用分时计费市电为基础的。许多负荷高峰并不是发生在光伏系统发电充足的白天，而是发生在光伏发电高峰期以后，储能系统可在负荷低谷时将光伏系统发出的电能储存起来而不是完全送入电网，待到负荷高峰时再使用，这样，储能系统和光伏系统配合使用可以减少用户对峰时市电的需求，使用户获得更大的经济利益。

（2）负荷响应

为保证在负荷高峰时电网可以安全可靠地运行，电网会选定一些高功率的负荷进行控制，使它们在负荷高峰期时交替工作。当这些电力用户配置光伏储能系统后，则可以避免负荷响应策略对上述高功率设备的正常运行带来的影响。负荷响应控制系统需要光伏储能电站和电网之间至少有一条通讯线路。

（3）断电保护

光伏储能系统一个重要的好处就是可以为用户提供断电保护，即在用户无法得到正常的市电供应时，可以由光伏系统提供用户所需电能。这种有意实现的电力孤岛对用户和电网来说都是有好处的，它既可以允许电网在用电高峰时切掉部分电力负荷，又可以使电力用户在没有市电供应时保持正常工作。

2 光伏系统的分类

（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、电能转化与控制装置，还会包括柴油发电机和其他发电电源。在电能充裕时，将电池方阵及其它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，将蓄电池中的电能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10～90 W的路灯系统到100～900 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产业化，已形成功率等级10～90 W到数10 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为500 kW，而高压并网发电系统逆变器单机最大容量为1 MW。

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单独或联合组网，常规光伏并网双向变流器可经通讯线并联运行，同时进行微网能量管理。近几年，国内建成几个光伏微网系统示范项目，运行效果比较理想，如上海高等研究院的能源站，就是利用热电联产锅炉、铅酸储能系统、风电和光伏系统组成的小型微网组网系统。

3 光伏发电中的储能技术

（1）蓄电池储能

蓄电池储能是各类储能技术中最有前途的储能方式之一，具有可靠性高、模块化程度高等特点，常被用于对供电质量要求较高的负荷区域的配电网络中。

电池储能主要是利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电。蓄电池储能可以解决系统高峰负荷时的电能需求，也可用蓄电池储能来协助无功补偿装置，有利于抑制电压波动和闪变。目前常见的蓄电池有铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫和液流电池等。

（2） 超级电容器储能

超级电容器是由特殊材料制作的多孔介质，与普通电容器相比，它具有更高的介电常数，更大的耐压能力和更大的存储容量，又保持了传统电容器释放能量快的特点，逐渐在储能领域中被接受。根据储能原理的不同，可以把超级电容器分为双电层电容器和电化学电容器。超级电容器是一种新兴的储能元件，它与其他储能元件比较起来有很多的优势。超级电容器与蓄电池比较具有功率密度大、充放电循环寿命长、充放电效率高、充放电速率快、高低温性能好、能量储存寿命长等特点。但是超级电容器也存在不少的缺点，主要有能量密度低、端电压波动范围比较大、电容的串联后各组电压一致性问题。从蓄电池和超级电容器的特点来看，两者在技术性能上有很强的互补性。将超级电容器与蓄电池混合使用，可大大提高储能装置的性能。

经研究发现，超级电容器与蓄电池并联后，可以提高混合储能装置的功率输出能力，降低内部损耗，增加放电时间；可以减少蓄电池的充放电循环次数，延长使用寿命；还可以缩小储能装置的体积，改善供电系统的可靠性和经济性。

4 设备的选型及系统设计

（1）光伏组件选型

本项目选用255 Wp多晶组件，主要技术性能参数见表1。

表1　255Wp多晶组件性能参数1）

（2）光伏-储能控制一体机

光-储控制一体机（见图1），可以同时连接光伏组件、储能电池、负载及市电进线，具备并离网切换功能。

（3）磷酸铁锂电池

项目选用磷酸铁锂动力电池12.8 V/100 Ah模组（400 mm×360 mm×88 mm）。具有如下电池特性。

1）比能量高 电池容量实现6 Ah以上，单体最高重量比能量130 Wh/kg；单体最高体积比能量336 Wh/m³。

2）循环和使用寿命长 1C充放电，90%放电深度，2 000次循环后可保持80%以上额定容量，使用寿命最长可达10 a以上。

3）安全性能好 经过充电、过放电、短路、跌落、挤压、加热、针刺等安全测试，不爆炸、不燃烧。

4）高、低温性能好 55℃环境下充放电，可以放出95%的额定容量；-20℃环境温度下充放电，可以放出70%以上额定容量；工况使用条件为-20～60℃。

5）自放电小 半电常温搁置一个月，自放电率小于3%。

6）倍率放电性能好 可以在0.1～5C不同倍率下放电。3C 充放性能优异。

（4） 系统设计

光伏储能一体机由光伏组件、储能装置、光伏控制器、换流器及其它配电设备组成，储能装置一般安装于直流母线侧，其工作原理见图2。

在光伏发电系统中，应用磷酸铁锂储能电池系统可以在阳光充足时将多余的电能储存起来，在夜晚光伏系统不发电或电网断电时为负载供电，充分利用太阳能发电，弥补光伏发电的不足，保障充电站供电可靠性，但储能系统造价偏高。

储能可以抑制光伏发电的短期波动（min级或s级）和长期波动（h级），从而提高可再生能源输出的稳定性；或根据电网功率需求, 控制储能电池的充放电功率，使得电站的实际功率输出尽可能接近电网功率需求值，从而增加可再生能源输出的确定性。储能技术方案是解决具有间歇性、波动性和不可准确预测性的可再生能源接入电网的一种重要方案，可显著提高电网对大规模可再生能源的接纳能力。

这样编排不仅能够把分数除法计算法则与整数除法计算法则统一起来（如图2），还可以把四则运算的计算方法统一起来（如图3）．

储能可与电网调度系统相配合，根据系统负荷的峰谷特性，在负荷低谷期储存多余的发电量，在负荷高峰期释放出电池中储存的能量，从而减少电网负荷的峰谷差，降低电网的供电负担，实现电网的削峰填谷。同时利用峰谷差价，提高电能利用的经济性。

图1　光-储控制一体机

图2　直流母线型分布式储能系统

5 并离网光伏-储能系统实用介绍

5.1深圳市电动汽车充电站光伏-储能一体化项目

拟在深圳市各汽车充电站开发100套分布式光伏-储能一体机系统，项目总投资为5 500万元人民币。采用光伏-储能-负荷-电网一体机，每套系统容量为20 kW/100 kWh，配备20kW的高效多晶硅光伏组件、100 kWh的磷酸铁锂电池和1台控制一体机等。

（1）设计方案

图3为充电站光伏储能一体机电气主接线图

本系统配备光伏组件、磷酸铁锂电池、并离网切换单元、光伏-储能一体机及计量单元等。白天光伏系统发电，光伏电能优先供充电站负载使用，如光伏发电单元功率大于充电站负载功率，则多余电能给电池储能系统充电，当储能电池电量充满时，方可将多余电能送向电网。如光伏发电功率小于负载功率，则光伏电源和储能系统同时给充电站供电，当储能系统电量放完（放电保护时），则由市电提供电能补充。同时，根据用户需求，储能系统还可以储存电网低谷时段的廉价电能。

（2）基本工作流程

1）白天

2）夜晚

光伏系统不发电时，储能系统为负载提供电能，欠缺的电能由电网供给，当储能系统电能用完（达到最低设定值）时，可由电网对其进行充电，储能系统充放电时间可设定。控制系统的功率匹配功能可为储能系统匹配相应的负载功率，保证储能系统电能不输送至电网。

3）系统离网运行时，充电桩负载由光伏系统和储能系统供电，当储能系统电能用完（达到最低设定值）时停止供电，供电时间由所选储能电池容量大小和光伏系统发电量决定。

具备远程/本地监控功能，用户可以查收充电站光伏-储能一体机系统的实时运行状态信息，也可以根据需求在设备控制板上进行个性化设置。图4为控制界面效果图。

（3）系统具备的特性。

1）减少电动汽车充电站对电网电能的依赖，进一步达到节能减排的效果；

2）减少电动汽车充电站对电网的冲击，同时在电网停电时，该系统可以采用离网模式给电动汽车等负载供电，确保充电站的正常运行；

3）采用双向计量设备，可以单独计量各单元输入/输出的总电量（含向电网公司购电电量和返送给电网电量的计量）；

4）具备自动控制和保护功能，合理优化电能的分配，通过GPRS无线通信技术把系统运行状态数据实时发送给系统的管理者；

5）光伏系统单元效率高达80%以上，电池储能系统单元充/放电整体效率高达88%以上。

（4）经济性介绍

100套标配系统容量为20 kW/100 kWh的光伏-储能一体机系统可发电约220万kWh/a，可节约726 t标杆煤；电池储能系统可存储10 000kWh/循环，按每天1个充放电循环计算，可存储电量高达365万kWh/a。按每辆车每次充60 kWh电量计算，每年光伏发电电能可满足38666 辆/次电动汽车充电；每年储能电能可满足60833辆/次电动汽车充电。每年至少可节省电费580万元人民币（按光伏发电节省电量、光伏发电补贴及电池储能峰谷差价计算）。5.2武汉普天园区光伏-储能一体项目

图3　充电站光伏储能一体机电气主接线图

图4　控制界面效果图

（1）项目背景

中国普天一直致力于新能源开发，尤其在分布式光伏发电领域，不断探索新的能源管理模式。由于分布式光伏系统输出功率和用户负荷功率不同步，存在部分光伏电能上网的可能，而在负荷高峰期时，光伏电能又不能满足负荷的要求。武汉市地区标煤上网电价为0.458 2元人民币/kWh，而一般工商业电价为0.983元人民币/kWh，买电和卖电的价格差距超过1倍。作为一个高用能企业，从经济效率方面考虑，应最大程度利用光伏电能，减少分布式光伏系统电能上网的量。

（2）项目建设概况

武汉普天工业园分布式光伏并网发电系统静态投资总计377.44万元人民币，其中光伏发电部分277.44万元人民币，蓄电储能系统部分100.00万元人民币。该发电系统总装机容量为326.4kW，建成后其光伏发电系统年均发电量约为30.458万kWh；储能系统蓄电容量为1 000 kWh，可满足工业园全负荷工作2 h的用电量。储能系统除了存储光伏余电，还相当于将工业园的电力负荷等级提升到一级负荷（基本不断电），同时对公司内部电网具备调峰作用。

光伏系统所发电量绝大部分用于工业园的自身用电，盈余电量将储存在储能系统中，可在峰值电价时释放出电能，以减少从电网购电成本，储能系统充满时，多余能源也可反馈到市电电网。图5为武汉普天园区光伏系统安装效果图。

（3）设计方案

图6为光伏-储能一体机电气主接线图。

本系统配备光伏组件、磷酸铁锂电池、并离网切换单元、光伏-储能一体机及计量单元等。白天光伏系统发电，光伏电能优先供充电站负载使用，如光伏发电单元功率大于充电站负载功率，则多余电能给电池储能系统充电，当储能电池电量充满时，方可将多余电能送向电网。如光伏发电功率小于负载功率，则光伏电源和储能系统同时给充电站供电，当储能系统电量放完（放电保护时），则由市电提供电能补充。同时，根据用户需求，储能系统还可以储存电网低谷时段的廉价电能。

图5　武汉普天园区光伏系统安装效果图

图6　光伏-储能一体机电气主接线图

（4）经济性介绍

工程装机容量为326.4 kWp，年均发电量约34万kWh，在太阳能电池组件寿命期内可节约标准煤约2 345 t，而且粉尘、SO2及NOX的零排放，耗水指标也接近于零；实现了名副其实的低碳经济可再生能源利用，为能源供应的安全可持续发展做出了贡献。

电池储能系统可存储1 000 kWh/循环，按每天1个充放电循环计算，每年可存储电量高达36.5万kWh。

每年预计可收益约48万元人民币（含国家对分布式能源的补贴）。

7 结语

随着新能源产业的快速发展，光伏发电在电力系统中所占的比重越来越高，由于新能源发电功率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。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。

Research and Application of Photovoltaic Energy Storage Integrated System

Xie Zhonghua, Kang Lihui
Shanghai Energy Research Association Industrial Boilers Technology Commission
Mo Haining
Shanghai Potevio Energy Science and Technology Co.,Ltd

Abstract:The article is based on typies and application of photovoltaic energy storage integrated system to introduce its technology, design principle and demonstration application.It also popularizes related research results in distributed photovoltaic system.

Key words:Distributed, Photovoltaic, Energy Storage, Micro Grid

DOI:10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2016.03.003