一种带蓄电池储能的并网光伏发电系统设计

刘陇刚，郗复缓

（1.黄河上游水电开发有限责任公司，青海 西宁 810000；2.兰州城市学院，甘肃 兰州 730000）

1 蓄电池储能系统的应用考虑

在并网光伏电站应用中，由于光能的间歇性和波动性特点，光伏发电系统独立运行很难提供连续稳定的能量输出，成为制约光伏发电大规模发展的关键技术瓶颈[1]。储能系统对光伏发电功率平滑输出十分有效，根据电网的运行状态，对蓄电池采取不同的充、放电控制策略[2-3]。通过制定光伏电站和储能单元的控制策略，储能蓄电池在并网光伏电站中得到了较大规模的应用。

2 并网光伏发电系统设计

并网光伏电站总装机容量为20 MW。光伏组件选择目前市场的主流产品，采用72片PERC单晶340 Wp组件。目前，国内光伏电站采用的支架形式主要有固定式和跟踪式组件支架，本项目采用固定式组件支架，因为其价格较低、结构较稳定。固定支架最佳倾角经计算确定为33°。逆变器是光伏发电系统中将直流电转换为交流电的主要设备。通过对各类逆变器优缺点进行比较，为降低损耗提高发电量，本电站选用组串式逆变器。利用组串计算公式计算在1 000 V系统电压时，单晶硅340 Wp组件串联数量为18块组件一串，每串容量为6.12 kW。每台80 kW组串式逆变器直流侧接入14路电池组串，直流侧接入容量为85.68 kW，子方阵直流侧接入容量接近组串逆变器的最大容量，组串逆变器的利用率较高。共13台组串逆变器，接入1台35 kV升压变电站，组成1 MW的并网光伏发电方阵。

3 储能系统设计

蓄电池性能的优劣直接影响储能系统的寿命、运行和功能。因此，对储能电池的选择主要考虑两个方面。首先，技术成熟、比能量高、循环寿命长、成本低及应用安全性高；其次，要结合本项目周围的自然环境、施工条件、交通运输的状况，通过综合比选，最终确定储能蓄电池采用磷酸铁锂、三元锂和全钒液流电池。经计算，方案中每个光伏子方阵配套1个容量约为0.5 MW·h的储能单元，采用户外集装箱安装方式，储能系统的充电电源为子方阵侧光伏发电。储能设备与光伏发电设备共用子方阵升压变压器，经升压至35 kV后接入新建35 kV预装式开关站，汇集后经电缆接入330 kV升压站。储能单元电气接线如图1所示。

图1 储能单元电气接线

图1 （a）为光储一体式逆变器，蓄电池与光伏组件分别接入光储一体机直流侧。图1（b）为光伏子阵组件接入组串式逆变器，蓄电池接入储能逆变器，储能逆变器与汇流箱并联接入升压箱变低压侧交流侧母线。储能逆变器作为电网与储能介质之间的接口，既要将电网电能整流储存到电池中，也要将电池储能逆变成交流送入电网。因此，储能逆变器要求双向运行——整流模式-电池充电储能和逆变模式-电池放电释能。

电池的充放电控制策略要充分考虑电网的供电能力、电池的功率需求、电池的状态以及影响电池寿命的因素等[4]。储能逆变器（PCS）可实现交直流双向转换，完成储能系统直流与交流之间双向的能量传递。通过控制策略实现对电池系统的充放电管理、对网侧负荷功率的跟踪、对储能系统充放电功率的控制、对正常和孤岛运行方式下网侧电压的控制等。

图1的两种方案均为经逆变器接入的储能系统方案。该方案可充分利用光伏发电系统中的逆变设备、升压设备以及电缆。设备利用率高，设备投资和占地较少；光伏方阵到储能电池之间的功率变换环节少，系统效率高；分散式安装的方式使得单台储能装置故障时对系统造成的影响最小；可在前期建设光伏系统，后期增加储能系统，实现平滑升级；光伏电站考虑配置储能系统时，可减少电缆、变压器及升压系统的投资。

4 光伏储能发电系统特性

4.1 太阳能发电出力特性

（1）由于太阳能存在能量密度低、稳定性差、波动性大等弊端，使得光伏发电系统存在不稳定性、间歇性的缺点；

（2）光伏输出功率在时间、季节上具有很强的差异性，存在中午大发、早晚小发、晚上不发的出力特性；

（3）大规模的并网光伏电站直接并网运行会对电网调度和运行方式带来较大影响。不同天气对光伏出力有明显影响，见图2。

图2 不同天气下的光伏出力曲线

由图2可知，晴天时，光伏出力水平较高且出力平稳；多云时，光伏电站最高出力与晴天时一致，但整体出力水平较低，且波动性在三种天气条件下最大；阴天时，光伏电站出力水平最低，波动程度稍好于多云天气。

4.2 储能系统出力特性

储能系统出力特性与储能技术相关，本文采用电储能设备。电池储能主要涉及设备的存储容量、能量转换效率、不同类型储能系统的能量密度、功率密度、自放电/放电时间、循环寿命、储能响应时间等各不相同。电储能系统的选型需要综合考虑蓄电池充放电深度、充放电效率、充放电功率、使用寿命以及储能逆变器的功率、运行方式等。并网光伏电站加装储能系统的几种工作模式，分别如图3、图4、图5所示。

并网光伏电站中引入储能蓄电池系统后，可以有效实现需求侧管理，减少昼夜间峰谷差和平滑功率，促进系统稳定，调整电网频率，补偿负荷的波动。在并网光伏发电项目中配置储能模块，是解决电力系统变负荷和新能源发电接入电网产生各种问题的有效措施。

光伏电站和储能设施配合可实现：

图3 “削峰”工作模式下的光储电站功率曲线

图4 “削峰+平抑”工作模式下的光储电站功率曲线

图5 “削峰+转移”工作模式下的光储电站功率曲线

（1）发电期间有云遮蔽时，可平滑光伏发电的波动；

（2）在日照条件好时，在“峰”时段蓄电；在日照条件差或夜晚时，在“谷”时段放电，实现“削峰填谷”；

（3）根据电力系统需求实现调峰功能，建立辅助服务共享分担机制，提高电力系统接纳可再生能源能力；

（4）可以降低电站交流侧设备（包括电缆截面、子方阵变压器容量、升压站主变容量）和送出线路的容量及造价，提高输配电设备利用率，延缓增容需求。

储能总的作用是实现新能源电力上网，保持电网高效安全运行和电力供需平衡。

5 结 论

并网光伏电站加装储能系统后，能够将弃光电量做为储能充电电量，在中午大发受限期间吸收，在早晚非限电时段放出，将光伏电站功率曲线取直；“光伏+储能”系统能够弥补光伏发电系统在自然资源上的缺陷，通过辅助储能系统，可以解决自身引起的弃光限电问题，又可以将不连续、不稳定的光伏转化成连续、稳定的优质电能输出；并网光伏电站加装储能系统的工作模式可有效解决光伏电站弃光限电问题，通过“削峰填谷”“平滑功率曲线”以及调峰运行等方式，为并网光伏电站可持续发展提供了新的解决方案。