基于光伏储能系统的抽水蓄能电站备用电源的设计和研究

方创新，黄云辉

(1.湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北 黄冈 438000，2. 武汉理工大学，湖北 武汉 430070)

抽水蓄能电站在现代电力系统中承担着重要的任务，包括：削峰填谷、调频调相、事故备用以及黑启动等，对电网安全经济稳定运行有着举足轻重的作用[1-2]。当前，国网新源公司现投运和在建抽水蓄能电站50余座，其中超过半数的电站出线设计采用单回线接入电网，当发生雷击跳闸或短路等线路故障时，电站将无备用线路可用，可能导致厂用电工作电源丢失。在电站与电网失去联系的极端情况下，一旦厂用电失去备用电源，将可能导致全厂停电事故。2010年7月19日，白莲河抽水蓄能电站10 kV架空线曾遭受雷击并导致厂用电中断故障，给电站安全生产及调试工作造成一定的影响。因此，抽水蓄能电站备用电源的安全、稳定、可靠对抽水蓄能电站的安全运行意义重大。

目前，国网新源公司下辖已投运的抽蓄电站均将柴油发电机作为其厂用电事故备用电源。但是柴油发电机作为抽蓄电站厂用电备用电源有以下问题：①非在线式供电，响应时间长。从厂用电故障中断到柴油机启动，稳定带厂用电负荷运行，至少需半小时以上，响应时间较长。②存在启动不成功的可能。抽蓄电站厂用电正常运行时，柴油机处于冷备用状态，需要每月启动一次，定期测试。定期启动过程中存在启动不成功现象。③存在环境污染。柴油发电机采用柴油作为能源，发电过程中会导致有害和污染气体的排放。④后期维护成本较高。目前电站一般对柴油发电机维护均采用外委方式，定期进行设备维护保养和启动试验，外委成本及耗材投入较大[3-4]。因此，为了提高国网新源公司抽水蓄能电站厂用电的可靠性和稳定性，需要补充安全可靠、性能优越、维护成本低的备用电源来保证厂用电系统的稳定运行。

光伏储能系统控制灵活、技术成熟，将其作为电站厂用电备用电源是当前新能源技术的重要应用方向[5-6]。光伏储能系统包括分布式光伏组件、化学电池储能系统、协调控制系统和输配电系统组成[7]，其优点为：①在线式供电。并网与离网供电模式间可实现无缝切换，从厂用电出现故障到光伏储能系统开始离网供电之间无中断时间。②可靠性高。当厂用电系统出现故障时，重要负荷可立刻切换至光伏储能系统供电，控制灵活可靠[8]；在厂用电正常运行时，光伏储能系统亦可为电站办公及生活供电，降低生产成本，提高电站综合转换效率。③清洁无污染。光伏储能系统以太阳能为原始资源，通过光电效应进行并网发电，基本为零污染，符合国家清洁绿色发展大方向。④后期维护成本低。可以实现无人值守，定期维护工作量小[9-10]。

本文以白莲河抽水蓄能电站(简称莲蓄电站)为例，针对其厂用电备用电源的可靠性优化，研究光伏储能系统作为其厂用电备用电源的设计方案、光伏储能系统并网供电技术、光伏储能系统应对厂用电工作电源故障等紧急状况的工作运行模式，提出一个较为成熟的光储系统作为抽水蓄能电站备用电源的规划方案。

1 光伏储能系统的整体规划

1.1 光伏储能系统的选址

白莲河抽水蓄能电站位于湖北省黄冈市，其所处经纬度为：东经115.44°、北纬30.59°。每年平均日照总时数1 810～2 100 h，每年平均辐射在4 354～4 731 MJ/m2，属于湖北省太阳能资源的一级可利用区，是太阳能资源较好的地区，较适合光伏储能系统的建设。

白莲河抽水蓄能电站上库坡面如图1所示，西南朝向，光照充足，斜坡角度为30°至40°(接近光伏电池板的最佳安装角度)，适宜太阳能电池板的高效率发电，是理想的安装场地。并且，上库面积达数千平方米，可以铺设数百千瓦的光伏电池板，能满足厂用电重要负荷的供电需求。储能系统的可以安装在如图2所示的配电房附近，配合光伏发电的使用。因此，光伏储能系统作为白莲河抽水蓄能电站的厂用电备用电源，可以实现场地、环境、自然资源的优化配置，提高厂用电的供电可靠性。

图1 白莲河抽水蓄能电站上库坡面图

图2 白莲河抽水蓄能电站配电房图

1.2 光储系统作为莲蓄电站备用电源的电气结构及工作模式规划

光储系统作为莲蓄电站备用电源的控制方法的原理结构示意图如图3所示，该系统的基本元件包括：光伏储能系统、大电网、厂用电负荷(厂用电负荷以全厂400 V照明系统、中控楼400 V系统、上库400 V系统、厂房公用400 V系统为例)、并离网选择器、并网控制器、离网控制器、莲蓄电站调度室、黑启动控制器。其中光伏储能系统通过0.4 kV/10.5 kV升压变压器并网连接；并离网选择器用于实时采集并网点电压与频率从而判断电网是否发生暂态故障从而决定光伏储能系统应该工作在并网模式下还是离网模式下；并网控制器与离网控制器都是用于实时监测储能电池组荷电状态、光伏系统工作情况并根据情况选择光伏系统的工作模式；调度室主要负责观测电网是否发生大停电，判断是否需要进行抽蓄机组的黑启动；黑启动控制器用于接收抽水蓄能电站调度室的信号并控制光伏储能系统是否进入黑启动工作模式。

图3 光储系统作为莲蓄电站备用电源的结构原理图

2 光伏储能系统的选型及电气设计

2.1 光伏组件的电气接线设计

本项目光伏组件分布在水库坡面上，初步设计在白莲河抽水蓄能电站上库坡面安装光伏组件。采用组串式接线方式，共安装多晶硅组件2 904块，每块的容量为275 Wp，共计安装容量为800 kWp。

本项目光伏系统所采用Growatt-60000KTL3-S 60 kW的AC/DC并网变换器的输入直流电压最高值为1 100 V，直流电压在最大功率跟踪的工作模式中保持为450～800 V。容量为275 Wp的多晶硅光伏电池的额定峰值功率电压为32 V，额定开路电压为39.1 V，电流温度系数和电压温度系数分别为0.055%/℃和-0.330%/℃，其允许系统电压最大值为900 V。经过计算，确定22块光伏组件串联组成一个组串。

根据光伏组件串联的计算，一个光伏组串的额定容量为22×275 Wp=6 050 Wp。针对60 kW的AC/DC变换器的额定容量计算，应并联10路。可以用10个光伏组串汇总于一个60 kW的AC/DC变换器，5个AC/DC变换器接入1个6汇1交流的汇流箱，将3个汇流箱组成一个汇流单元，汇流单元接入到光伏系统的配电室。

2.2 储能系统容量和功率配置

本项目的储能系统有两个关键作用：①在电网暂态故障下，为厂用电负荷提供紧急备用电源，保证厂用电负荷的不间断供电。②在全网停电的极端情况下，作为抽水蓄能电站黑启动电源，为黑启动所需的负荷提供电能，实现黑启动。可见，储能系统作为黑启动电源的容量和功率配置要求更高，因此以黑启动所需的负荷作为参考来设计储能系统的容量和功率配置。

根据白莲河抽水蓄能电站提供的黑启动所需负荷分配情况统计表显示：其黑启动所需负荷为565 kW。为了保证黑启动的顺利进行，建议储能系统至少要保证565 kW负荷运行1.5 h，建议储能系统容量配置大于565 kWh。并且，黑启动过程中考虑到负荷的冲击问题，建议储能系统功率配置大于800 kW。考虑到光伏系统为800 kWp，本项目设计的储能系统容量为容量1 600 kWh，额定功率800 kW，理想充电时间2 h，理想放电时间1.5 h。

关于储能系统蓄电池的选型，从投资成本的角度上看，锂电池具备较强的竞争力，液流电池和钠硫电池技术不够成熟，还没有形成产业化，成本较高。从维护成本的角度上看，液流电池需要动力泵持续控制流体，钠硫电池需要加热装置控制供热，导致运营和维护成本较高，而锂电池维护成本较低。因此，根据国内外储能电站应用情况和储能电池投资及维护成本的考虑，本文选用锂电池作为储能系统的化学电池。

2.3 光伏储能系统的总体设计

光伏储能系统为厂用电负载供电的总体设计如图4所示。光伏系统额定功率800 kW，占地约8 000 m2，储能系统容量1 600 kWh，额定功率为800 kW，占地约200 m2，充电时间为2 h，放电时间为1.5 h，厂用电重要负荷为564 kW。光伏系统和储能系统在交流端并联形成光伏储能系统，为厂用电负荷提供稳定的电能。能量管理系统(EMS)负责协调光伏系统和储能系统之间的控制和工作模式的选择。

图4 光伏储能系统为厂用电负载供电的总体设计图

3 光伏储能系统接入白莲河抽水蓄能电站厂用电系统的仿真分析

为了验证以上方案设计，在Matlab/Simulink中对光伏储能系统为厂用电负荷供电的运行模式进行时域仿真。仿真设置如下：厂用电负荷等效为阻感性负载，有功负载设置为564 kW，无功负载设置为400 Var，光伏系统容量为800 kW，储能系统容量为800 kW。

电网电压跌落时光伏储能系统为厂用电负载供电仿真：系统正常运行时，给系统施加一个两相接地故障，故障持续时间从0.5～0.55 s，仿真时间设置为1.5 s，为了方便观察三相电压电流变化情况，截取0.45～0.6 s的波形仿真图如图5和图6所示。从以上仿真可以看出，电网在0.5 s发生两相接地故障时，三相电压瞬间恢复，保持稳定运行，三相电流在电压跌落后有轻微失稳现象，故障消失后恢复稳定。

图5 电压跌落时三相电流波形图

图6 电压跌落时有功功率波形图

厂用电负载突增和突减下光伏储能系统为厂用电负载供电仿真，在1 s时增加300 kW的负载，如图7和图8所示；在1 s时减少300 kW的负载，仿真结果如图9和图10所示。从以上仿真结果可以看出，系统达到稳态运行后，当厂用电负载突增或突减时，三相交流电流迅速响应，随后保持稳定，光伏储能系统的有功输出可以跟随负载的变化，整个系统能够稳定运行。

图7 负载突增下三相电流波形图

图8 负载突增下有功功率波形图

4 结 语

本文研究了光伏储能系统作为白莲河抽水蓄能电站备用电源的设计方案。首先，对白莲河抽水蓄能电站厂用电备用电源优化的整体规划进行了设计，具体包括自然资源的评估、场地的选址、工作模式的设计。然后，针对光伏系统，进行了光伏电池组件的串、并联的设计，光伏容量的规划设计，交流汇流箱的选型，控制及传输线缆的设计。接着，针对储能系统，进行了储能系统容量和功率的配置，储能电池的选型，储能逆变器的设计。最后，在Matlab/Simulink中对光伏储能系统为厂用电负荷供电的运行模式进行了仿真验证。研究结果显示：本文设计所选场址的工程条件能够满足所规划的容量需求，对光伏和储能系统的电气结构设计和选型从投资、运行、维护等方面均具备可行性。

图9 负载突减下三相电流波形图

图10 负载突减下有功功率波形图