储能技术在光伏发电系统中的方案比选与优化研究

高 晓 单亚辉 黄仁国 何红伟 谢然然

（中国葛洲坝集团装备工业有限公司，湖北 武汉 430040）

1 储能技术原理

光伏发电系统中的储能技术主要包括电池储能和超级电容储能[1]。其中电池储能是最常见的形式，其原理为化学反应。电池内部通过正、负极材料间的化学反应产生电子运动，从而进行电能储存和释放。电池储能具有高能量密度、运行稳定等优点，但也存在充电时间长、寿命短等问题。超级电容储能则是一种物理储能形式，其原理为电荷的吸附和释放。超级电容通过正、负极间的介质分离电荷，并储存于极板上。超级电容储能具有快速充放电、寿命长且功率密度高等优点，但能量密度较低。

2 储能技术分析与选择

储能技术的发展现状呈现出多元化和复杂化的特点[2]。各种储能技术都在不断被研究和改进，以适应不同的应用场景。首先，电池储能技术是最成熟、应用较广泛的一种储能技术。其中锂离子电池是最常见的一种电池类型，具有能量密度高、自放电率低和寿命长等优点。此外，钠硫电池、铅酸电池和镍镉电池等也是常见的电池类型，应用场景也比较广泛。其次，超级电容储能技术也得到了广泛应用，具有高功率密度、快速充电且高耐压等优点，适用于电能快速储存和释放，应用范围广泛，包括电力调峰、能源回收等领域。

此外，物理储能技术也在不断发展中，例如抽水蓄能与压缩空气储能等常见的物理储能技术。但这类技术对选址条件苛刻，在光伏储能中应用较少。各类储能技术优、缺点见表1。

表1 各类储能技术优、缺点

储能技术可以平衡光伏发电系统的功率波动，提高系统的稳定性，主要应用于解决光伏发电系统中的电能储存和功率平衡问题。综合考虑表1中各类储能技术与项目情况，本项目为中能建（敦煌）清洁能源公司10万kW 光伏电站建设项目，为满足业主环保和发电量的要求，储能系统选用锂离子电池中的磷酸铁锂电池。

3 储能容量优化配置

3.1 最佳储能配置

3.1.1 影响因素

在大规模光伏集中式发电场景中，配置储能系统的主要目标是提高光伏发电的消纳率、平抑短时间内出力波动以及解决跨区域供需矛盾等。这些目标对提高可再生能源的利用率和电网稳定性具有积极作用。

其中，弃光率是衡量光伏发电消纳水平的重要指标之一[3]。根据国家规定，光伏消纳比例应为5%～10%，不满足则视为不及格。为了满足不同阶段对弃光率的要求，可以利用储能进行削峰填谷，降低弃光率，提升光伏消纳水平。

波动率也是影响电能质量的重要因素之一。光伏电站的功率变化受多种因素影响。国家规定光伏1min内上、下波动不得超过光伏电站装机总容量的10%。为了确保光伏电站并网的电能安全质量，配置储能系统可以削减光伏有功功率的变化。

输送容量是影响光伏电站接入电网条件和调峰能力的重要因素。由于光伏发电的间歇性，光伏电站出力为装机容量80%以上的概率一般不超过10%。因此，配置一定输送容量比的输电线路是较好的选择。

综上所述，在大规模光伏集中式发电场景中，储能系统的影响因素为弃光率、波动率与输送容量，合理配置可以有效提高光伏发电的消纳率、平抑短时间内出力波动以及解决跨区域供需矛盾等，促进可再生能源的利用率和电网稳定性的提高[4]。

3.1.2 储能配置的模拟优化

敦煌光伏项目将磷酸铁锂电池作为储能系统类型，根据项目所处地理位置与相关数据支持对储能相关参数进行设定，并根据DPC算法进行模拟，得出最优光伏储能配置。

设定储能系统SOC（State of Charge，电池荷电状态）阈值为10%～90%，即电池的电量使用范围。电池充、放电效率设定为87%。一套储能系统的容量成本为150万元/MW·h。系统的功率成本为50万元/MW。设定储能系统的全寿命周期为70%，即储能系统的容量衰退到70%时寿命周期结束。弃光率指标选择5%、8%，线路容量比为0.3～0.8。计算结果分别如图1、图2和表2所示。

图1 电站全年功率输出曲线

图2 电站典型日出力曲线

表2 不同参数下的储能配置结果

图1、图2是根据敦煌光伏项目设定容量进行模拟得出的数据。由图1可以看出，2500h～4500h受日照影响输出功率较高，图2的曲线表示晴天占比为52.88%，此时功率是典型的增长曲线。

敦煌光伏项目设定容量为10万kW，由表1可知，当联络线占比为0.5、弃光率为5%、典型日配置容量为24000kW且典型日配置功率为8000kW时，全年配置容量为114000kW·h，为最优配置。

3.2 能量管理系统

3.2.1 系统框架设计

能量管理系统是储能电站的核心组件，对储能电站的高效、安全、稳定并可靠运行至关重要。能量管理系统不仅能够协调、控制储能电站的各子系统，还能最大化利用可再生能源。

为实现风光储荷一体化管理，本文将能量管理系统设计为3个层级。位于第三层的是组网装置物理层，主要由硬件组成，可对电压、电流进行基本控制。第二层为设备级控制，主要控制第三层，使其电压稳定并平衡系统能量，通过采集信息达到控制目的。第一层为系统级控制，通过通信方式对第二层进行协调控制，并对功率进行合理分配，完成能量调度与最优控制。其设计框架如图3所示。通过消除信息孤岛，能量管理系统能够提高储能电站的运营效率和可靠性[5]。

图3 能量管理系统设计框图

3.2.2 系统阻抗模型设计

设计光储系统的阻抗模型时应同时考虑单支路的阻抗特性与多支路协调工作的阻抗特性，才能实现瞬时工况下的多线路系统控制。系统中单支路与多支路分别对应直流与交流负荷，为恒功率负载，如公式（1）所示。

式中：vlo为等效电压；ilo为等效电流；Plo为等效功率。

由公式（1）可得出系统总阻抗模型，如图4所示。

图4 系统总阻抗模型

由图4可以看出，系统的总阻抗模型可对功率进行调节控制。对阻抗模型与系统的软、硬件配置进行测试、分析，确定系统的相关参数，见表3。

表3 系统参数

3.2.3 功率参数对系统稳定的影响特性

由表3可以看出，恒功率负载支路的等效功率Pload为3kW，选取0.5kW、1kW和3kW这3个梯度绘制环路增益Tm的伯德图与奈奎斯特曲线，根据Middle brook稳定性判据研究Pload参数变化对系统稳定的影响。其中Tm为输出与输入阻抗的比值，系统稳定的判断依据是Tm奈奎斯特曲线不包围（-1，0）点，同时伯德图上幅值应＜0，结果如图5所示。

图5 恒功率负载对系统稳定的影响曲线

由图5（a）可知，当Pload由0.5kW升至3kW时，曲线幅值呈上升趋势，表明输入阻抗与输出阻抗的比值在减少，此时系统稳定富裕度降低。由图5（b）可知，当Pload由0.5kW升至3kW时，曲线向左侧扩展，更接近（-1，0）点，此时系统稳定富裕度降低。综合分析可知，恒功率负载的Ceq和Leq为一个低阻尼的LC环节时，电源装置与其产生相互作用，Pload的增加会降低系统的稳定裕度，因此设计时应避免Pload过高造成的系统稳定裕度过低的情况。

4 结论

本文对储能技术在光伏发电系统中的应用进行了深入研究，根据研究情况所得结论如下。1）各类储蓄技术均有各自的优、缺点，应结合项目情况综合考虑，本项目储能系统选用锂离子电池中的磷酸铁锂电池。2）针对不同类型的光伏发电系统和地理环境，选择合适的储能技术进行配置。经过计算联络线占比为0.5，弃光率为5%，典型日配置容量为24000kW，典型日配置功率为8000kW，此时全年配置容量可达114000kW·h，为最优配置。3）恒功率负载的和为一个低阻尼的LC环节时，电源装置会与其产生相互作用，Pload的增加会降低系统的稳定裕度。