电池储能系统联合光伏电站运行研究

刘浩

摘 要：电池储能技术是种新的电能存储技术，具备响应速度快、配置灵活性高等特点，适合应用于大规模新能源发电。储能联合新能源运行具有平滑功率输出，保障电力系统供电稳定性等功能，在促进新能源消纳，降低弃风率、弃光率中非常重要。随着我國对光伏电站运行的不断发展，在发展的过程中，电池储能系统联合光伏电站运行不断进行改革、创新、研究与实践，进而得到全方位发展。文章通过对储能系统的接入方式、联合运行和安全性进行研究，论证了光储联合运行的可行性和可靠性。

关键词：电池储能系统;光伏电站;联合运行

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-1064（2020）10-050-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.10.025

光伏发电是目前应用最广的新能源发电之一，具有绿色、环保、无污染、可循环利用等优点。光伏发电的出力随光照的变化而变化，数据显示光伏电站的大部分出力波动在秒级时间内可达10%左右，如此短时的波动给电网的暂态平衡带来了不小的挑战，光伏的短时剧烈波动对于电网较弱的地区甚至会导致大面积停电事故。在光伏电站配置储能系统，通过统一控制调度，可实现不同的控制策略和运行方式下的能量搬移、削峰填谷、平滑出力、跟踪计划等不同功能需求。

1 电池储能系统的作用

其能增加备用容量，提高电网的安全稳定性和供电质量。要保证供电安全，就要求系统具有足够的备用容量。在电力系统遇到大的扰动时，储能装置可以在瞬时吸收或释放能量，避免系统失稳，恢复正常运行。

提高用电质量。通过储能系统的快速充放电调节，将被限制电量存储起来，并在满足要求的情况下放出到电网，从而缓解光伏电站的限电损失情况，提高电能质量，增加电站的发电小时数和整体收益[1]。

2 储能系统接入与运行研究

2.1 储能系统接入研究

现场光伏电站的光伏逆变器交流输出电压为400V。2个逆变器交流通过交流低压柜后，接入1000/500-500kVA的分裂变压器，升入35kV系统，通过并网开关将光伏电能送入公网。低压交流母排电压为400V，便于逆变器和储能变流器（Power Conversion System，PCS）交流互联，省去35kV升压变和高压开关柜等设备投入，也避免设备接入造成的停电影响。

参考原光伏电站系统组成，每个光伏发电单元配置1MWh储能系统电站，子系统功率为250kW/500kWh，初步选择400V交流低压侧接入。

光伏电站发电单元配置0.5MW/1MWh储能系统，储能系统配置2套0.25MW/0.5MWh储能子系统，并放在一个集装箱内。每套电池储能子系统配1台250kW PCS，PCS出线接入至光伏逆变器交流低压柜，与1台光伏逆变器并联后，经交流低压柜出线经变压器升压后，接入电站35kV电网完成并网。

储能系统额定功率为0.5MW，容量为1MWh，可满功率运行2h。储能系统由2个0.25MW/0.5MWh储能子系统组成，每个子系统包括电池组、变流器、测量、计量、保护、通信、控制等部分。储能系统挂在交流低压侧，即为站内管理、站内运行、站内调度，便于高效运行和管理[2]。

2.2 储能系统运行研究

基于光储系统整体的控制策略和算法，为充分发挥储能在电能调节方面的优势和能力，储能系统宜采用不同的控制运行方式。根据光伏电站自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）调控情况，储能系统可实时参与AGC调度，与光伏逆变器并联运行，通过浅充浅放实现对光伏发电的存储、放出，实现AGC削峰填谷，达到节电效果，提高光伏电站上网电量。

之所以考虑浅充浅放的策略，是为了能够更大可能地延长铅酸蓄电池的充放电循环次数。浅充浅放可以极大延长铅酸蓄电池的循环次数，有效延长蓄电池的使用寿命[3]。

同时，蓄电池室要考虑温度问题。铅酸蓄电池温度升高会损坏电池，降低电池的使用寿命，当环境温度超过25℃时，温度每升高10℃，电池使用寿命将减少一半，如电池设计寿命在25℃为10年，在35℃下长期运行，寿命只有5年。有如下公式：

L25=LT×2（T-25）/10

其中：T为电池实际运行时的环境温度;LT为在环境温度为T时，电池的设计寿命;L25为在环境温度为25℃时，电池的设计寿命。

从公式可知，环境温度的升高，将加速电池板栅的腐蚀和电池水分的损失，从而大大缩短电池寿命。应该控制电池使用的环境温度，当热量积累到一定程度后会损坏电池，严重时会引起热失控。若室内温度过高则采取通风等措施来改善环境温度，电池安装间距不要低于10mm，同时按电池要求调节电池的浮充电压和均充电压值。因此，温度若偏高，需要采取措施控制蓄电池室温度在最佳工作状态。若温度偏低，蓄电池的容量同样会减少，在设计时需要考虑。

2.3 光储联合运行功率特性研究

逆变器光伏功率发电趋势。综合AGC实际调度控制情况，在天气良好且光伏不限电情况下，单台500 kW逆变器在7点左右开始并网发电，此刻AGC调度将控制光伏电站整体有功功率，储能系统同时接受站内AGC统一调度运行。早上8点40分左右，光伏逆变器即可发出有功250 kW以上，即当AGC限电发生时，PCS即可全额满功率参与AGC调峰运行，进行充电运行，保证储能系统的容量得到高效利用[4]。光伏逆变器较长时间运行在400 kW左右，大于PCS250 kW额定功率，储能变流器将长时间具备满功率充电运行条件，有利于提高储能系统利用率。

光储联合AGC控制逻辑为：电网调度发送AGC指令到电站AGC子站;AGC子站根据接收的电网调度AGC指令，并结合逆变器和储能系统的运行数据，经过算法计算确定优先调度的光伏逆变器和储能系统的相应AGC调度指令;逆变器和储能系统按各自接收的AGC调度指令进行出力控制;储能系统反馈状态和运行情况等信号。

针对不同的限电状态，为实现出力最大化并满足电网功率调度技术要求，光储联合AGC运行应采用不同的运行模式和控制策略。

移峰運行。当光伏限电后，储能系统将转移储存限发的多余光伏电量，待满足外送条件且不越过限电目标值时，储能系统再将储存的电量放出，送入电网。此时，储能系统电池宜采用0.5C充放电的控制运行模式，既能保障全额发挥储能系统容量，又能保证储能系统电池寿命和活性状态。

限电跟踪运行。当光伏限电后，出现多云天气，光伏出力在限电功率上下波动，储能系统跟踪光伏发电情况进行充放电调节，使得总出力在控制后不会越过限电目标值，并最大限度减少弃光。此时，储能系统电池宜采用0.5C充放电的控制运行模式，保证储能系统电池活性。

2.4 储能AGC系统联合运行相关改造工作

在光伏电站加入储能系统后，电能可实现双向流动，为防止电能倒灌入光伏逆变器造成设备损坏，光伏逆变器需进行防逆流改造。

针对既有光伏电站的系统架构，综合考虑接入的复杂性、安全性和经济性，储能子系统宜接入箱变低压侧交流开关下端口，这样可保证光伏和储能的联合总输出功率小于变压器功率限制，保证安全经济运行。

现有的光伏电站AGC子站也需做相应的后台改造工作：将逆变器的出力信号和储能装置的出力信号叠加后作为光储联合出力反馈信号;储能系统的控制系统应与光伏电站内AGC调度子站以约定的通讯协议进行通讯，获取实时运行数据和调度数据。

3 储能电站安全研究

3.1 故障情况

为降低光伏电站加装储能装置后发生故障时对电网的影响，应在光储联合出力并网点处加装1套故障解列装置，含低频、低压、高频、高压解列功能。当光储电站与并网系统的电网失压时，能够在规定的时限内将该储能电站与电网断开，防止出现孤岛效应，避免对并网点造成影响，保护动作后跳开储能电站并网开关。

3.2 电池系统安全

储能系统采用的磷酸铁锂电池的循环寿命达到5000次以上，是目前使用最佳的理想动力能源。同时，储能系统应配置合适的消防系统、散热系统、防雷接地系统和安防系统等来保障储能系统的安全可靠运行，并在出现安全事故时尽量减少损失。

3.3 电能质量

储能系统由电池组、变流器、测量通信等部分以及配电系统组成。由于储能系统的一些特点，交直流转变装置接入电网时对系统有一定的不利影响。在储能系统并网前，需完成《电能质量评估报告》并提交电力部门审批通过，同时储能系统实际并网时需进一步测量其谐波电流（电压），使之满足国家标准规定。

3.4 环境安全因素

在北方高原和海上是光能资源最多的地方，这种高原和海上的环境条件极其恶劣，所以这种恶劣的环境也要着重注意。这种恶劣坏境下，对于光伏电站的建设有很大的挑战，建设完成后储能也是一种问题。如果出现了问题，会很大程度导致电网不能正常运转，对于这种情况要严加注意。

参考文献

[1] 朱文韵.全球储能产业发展动态综述[J].上海节能，2018（01）：2-8.

[2] 李岱昕，张静.首个产业政策发布助推中国储能迈向商业化[J].电器工业，2017（11）：42-44.

[3] 李建林，马会萌，惠东.储能技术融合分布式可再生能源的现状及发展趋势[J].电工技术学报，2016（31）：18-20.

[4] 姜子卿，郝然，艾芊.基于冷热电多能互补的工业园区互动机制研究[J].电力自动化设备，2017，37（06）：24-26.