光伏儲能一體化系統(tǒng)的研究及運用

謝仲華 康麗惠 上海能源研究會工業(yè)鍋爐技術專業(yè)委員會莫海寧 上海普天中科能源技術有限公司

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光伏儲能一體化系統(tǒng)的研究及運用

謝仲華 康麗惠 上海能源研究會工業(yè)鍋爐技術專業(yè)委員會
莫海寧 上海普天中科能源技術有限公司

摘要：從光伏儲能一體化系統(tǒng)的種類和應用入手，分別介紹它的技術、設計原理和示范應用, 并將相關研究成果在分布式光伏系統(tǒng)中推廣。

關鍵詞：分布式、光伏、儲能、微網(wǎng)

1 光伏儲能技術概述

由于光伏發(fā)電功率輸出不受人為控制，在時間或空間上跟用戶需求不一致，如何有效地管理光伏電能，是近幾年人們迫切關注的問題。為解決光伏并網(wǎng)電站對電網(wǎng)的影響和最大可能使發(fā)電電能自用，一是從電網(wǎng)角度，提高電網(wǎng)的靈活性，建設智能電網(wǎng)；二是從光伏電站角度，為并網(wǎng)光伏電站配置儲能裝置。

電力儲能技術屬于靈活輸電技術范疇，它在并網(wǎng)光伏電站中應用時，可以通過適當?shù)某浞烹娍刂?，解決光伏電站輸出不穩(wěn)定的問題，從而避免了由于光伏電源的輸出不穩(wěn)定引起的對電網(wǎng)的一系列不良影響。光伏電站中配置適當儲能裝置后，除了能解決上述問題外，通過采取一定的控制策略，還可以對電網(wǎng)和用戶帶來經(jīng)濟、運行以及環(huán)境上的利益。

從電網(wǎng)角度來講，儲能在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的應用技術有以下幾種。

（1）電力調峰

調峰的目的是為了盡量減少大功率負荷在峰電時段對電能的集中需求，以減少對電網(wǎng)的負荷壓力。光伏儲能系統(tǒng)可根據(jù)需要在負荷低谷時將光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能儲存起來，在負荷高峰時再釋放這部分電能為負荷供電，提高電網(wǎng)的功率峰值輸出能力和供電可靠性。

（2）電網(wǎng)電能質量控制

儲能系統(tǒng)投入并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中后，可改善光伏電源的供電特性，使供電更加穩(wěn)定。因此，通過合適的逆變控制策略，光伏儲能系統(tǒng)還可以實現(xiàn)對電能質量的控制，包括穩(wěn)定電壓、調整相角以及有源濾波等。

（3）微電網(wǎng)

微電網(wǎng)并網(wǎng)是未來輸配電系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向，它可以顯著提高供電可靠性。當微電網(wǎng)與系統(tǒng)分離時，即微電網(wǎng)運行在孤島模式時，微電網(wǎng)電源將獨立承擔負荷的供電任務。此時，在光伏電源構成的微電網(wǎng)中，儲能系統(tǒng)將是給負載安全穩(wěn)定供電的重要保證。

從用戶角度來講，儲能在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的應用技術有以下幾種。

（1）負荷轉移

從技術角度來講，負荷轉移和調峰類似，但它的實現(xiàn)應用是以光伏并網(wǎng)用戶使用分時計費市電為基礎的。許多負荷高峰并不是發(fā)生在光伏系統(tǒng)發(fā)電充足的白天，而是發(fā)生在光伏發(fā)電高峰期以后，儲能系統(tǒng)可在負荷低谷時將光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能儲存起來而不是完全送入電網(wǎng)，待到負荷高峰時再使用，這樣，儲能系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)配合使用可以減少用戶對峰時市電的需求，使用戶獲得更大的經(jīng)濟利益。

（2）負荷響應

為保證在負荷高峰時電網(wǎng)可以安全可靠地運行，電網(wǎng)會選定一些高功率的負荷進行控制，使它們在負荷高峰期時交替工作。當這些電力用戶配置光伏儲能系統(tǒng)后，則可以避免負荷響應策略對上述高功率設備的正常運行帶來的影響。負荷響應控制系統(tǒng)需要光伏儲能電站和電網(wǎng)之間至少有一條通訊線路。

（3）斷電保護

光伏儲能系統(tǒng)一個重要的好處就是可以為用戶提供斷電保護，即在用戶無法得到正常的市電供應時，可以由光伏系統(tǒng)提供用戶所需電能。這種有意實現(xiàn)的電力孤島對用戶和電網(wǎng)來說都是有好處的，它既可以允許電網(wǎng)在用電高峰時切掉部分電力負荷，又可以使電力用戶在沒有市電供應時保持正常工作。

2 光伏系統(tǒng)的分類

（1）獨立混合發(fā)電系統(tǒng)

獨立混合發(fā)電系統(tǒng)包括電池方陣、蓄電池、電能轉化與控制裝置，還會包括柴油發(fā)電機和其他發(fā)電電源。在電能充裕時，將電池方陣及其它發(fā)電源的能量通過充電控制器存到蓄電池組中；電能缺少時，將蓄電池中的電能通過放電控制器經(jīng)電能轉化裝置轉換成滿足用戶需要的電源。柴油發(fā)電機作為冷備用，用于在緊急情況下給負載供電。

獨立混合發(fā)電是目前偏遠地區(qū)供電的主要形式，技術發(fā)展已經(jīng)非常成熟，規(guī)模從10～90 W的路燈系統(tǒng)到100～900 kW的獨立混合電站。逆變器與蓄電池充放電控制器技術也已產(chǎn)業(yè)化，已形成功率等級10～90 W到數(shù)10 kW系列產(chǎn)品。

（2）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括低壓并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和高壓并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)由電池方陣和并網(wǎng)逆變器組成。目前用于低壓及高壓并網(wǎng)逆變器已有成熟產(chǎn)品，低壓并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器最大單機容量為500 kW，而高壓并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器單機最大容量為1 MW。

并網(wǎng)逆變器為跟隨電網(wǎng)頻率和電壓變化的電流源，功率因數(shù)為1或指令調節(jié)以電網(wǎng)為支撐，無法單獨發(fā)電，在電網(wǎng)中容量受限，輸出功率由光伏輸入決定。

（3）光伏微網(wǎng)系統(tǒng)

光伏微網(wǎng)系統(tǒng)可以與其它電源或電網(wǎng)并聯(lián)運行。該系統(tǒng)包括電池方陣、常規(guī)并網(wǎng)逆變器、儲能單元、雙向變流器、柴油發(fā)電機等。柴油發(fā)電機與雙向變流器單獨或聯(lián)合組網(wǎng)，常規(guī)光伏并網(wǎng)雙向變流器可經(jīng)通訊線并聯(lián)運行，同時進行微網(wǎng)能量管理。近幾年，國內(nèi)建成幾個光伏微網(wǎng)系統(tǒng)示范項目，運行效果比較理想，如上海高等研究院的能源站，就是利用熱電聯(lián)產(chǎn)鍋爐、鉛酸儲能系統(tǒng)、風電和光伏系統(tǒng)組成的小型微網(wǎng)組網(wǎng)系統(tǒng)。

3 光伏發(fā)電中的儲能技術

（1）蓄電池儲能

蓄電池儲能是各類儲能技術中最有前途的儲能方式之一，具有可靠性高、模塊化程度高等特點，常被用于對供電質量要求較高的負荷區(qū)域的配電網(wǎng)絡中。

電池儲能主要是利用電池正負極的氧化還原反應進行充放電。蓄電池儲能可以解決系統(tǒng)高峰負荷時的電能需求，也可用蓄電池儲能來協(xié)助無功補償裝置，有利于抑制電壓波動和閃變。目前常見的蓄電池有鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鈉硫和液流電池等。

（2） 超級電容器儲能

超級電容器是由特殊材料制作的多孔介質，與普通電容器相比，它具有更高的介電常數(shù)，更大的耐壓能力和更大的存儲容量，又保持了傳統(tǒng)電容器釋放能量快的特點，逐漸在儲能領域中被接受。根據(jù)儲能原理的不同，可以把超級電容器分為雙電層電容器和電化學電容器。超級電容器是一種新興的儲能元件，它與其他儲能元件比較起來有很多的優(yōu)勢。超級電容器與蓄電池比較具有功率密度大、充放電循環(huán)壽命長、充放電效率高、充放電速率快、高低溫性能好、能量儲存壽命長等特點。但是超級電容器也存在不少的缺點，主要有能量密度低、端電壓波動范圍比較大、電容的串聯(lián)后各組電壓一致性問題。從蓄電池和超級電容器的特點來看，兩者在技術性能上有很強的互補性。將超級電容器與蓄電池混合使用，可大大提高儲能裝置的性能。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，超級電容器與蓄電池并聯(lián)后，可以提高混合儲能裝置的功率輸出能力，降低內(nèi)部損耗，增加放電時間；可以減少蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)，延長使用壽命；還可以縮小儲能裝置的體積，改善供電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。

4 設備的選型及系統(tǒng)設計

（1）光伏組件選型

本項目選用255 Wp多晶組件，主要技術性能參數(shù)見表1。

表1　255Wp多晶組件性能參數(shù)1）

（2）光伏-儲能控制一體機

光-儲控制一體機（見圖1），可以同時連接光伏組件、儲能電池、負載及市電進線，具備并離網(wǎng)切換功能。

（3）磷酸鐵鋰電池

項目選用磷酸鐵鋰動力電池12.8 V/100 Ah模組（400 mm×360 mm×88 mm）。具有如下電池特性。

1）比能量高 電池容量實現(xiàn)6 Ah以上，單體最高重量比能量130 Wh/kg；單體最高體積比能量336 Wh/m3。

2）循環(huán)和使用壽命長 1C充放電，90%放電深度，2 000次循環(huán)后可保持80%以上額定容量，使用壽命最長可達10 a以上。

3）安全性能好 經(jīng)過充電、過放電、短路、跌落、擠壓、加熱、針刺等安全測試，不爆炸、不燃燒。

4）高、低溫性能好 55℃環(huán)境下充放電，可以放出95%的額定容量；-20℃環(huán)境溫度下充放電，可以放出70%以上額定容量；工況使用條件為-20～60℃。

5）自放電小 半電常溫擱置一個月，自放電率小于3%。

6）倍率放電性能好 可以在0.1～5C不同倍率下放電。3C 充放性能優(yōu)異。

（4） 系統(tǒng)設計

光伏儲能一體機由光伏組件、儲能裝置、光伏控制器、換流器及其它配電設備組成，儲能裝置一般安裝于直流母線側，其工作原理見圖2。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，應用磷酸鐵鋰儲能電池系統(tǒng)可以在陽光充足時將多余的電能儲存起來，在夜晚光伏系統(tǒng)不發(fā)電或電網(wǎng)斷電時為負載供電，充分利用太陽能發(fā)電，彌補光伏發(fā)電的不足，保障充電站供電可靠性，但儲能系統(tǒng)造價偏高。

儲能可以抑制光伏發(fā)電的短期波動（min級或s級）和長期波動（h級），從而提高可再生能源輸出的穩(wěn)定性；或根據(jù)電網(wǎng)功率需求, 控制儲能電池的充放電功率，使得電站的實際功率輸出盡可能接近電網(wǎng)功率需求值，從而增加可再生能源輸出的確定性。儲能技術方案是解決具有間歇性、波動性和不可準確預測性的可再生能源接入電網(wǎng)的一種重要方案，可顯著提高電網(wǎng)對大規(guī)?？稍偕茉吹慕蛹{能力。

這樣編排不僅能夠把分數(shù)除法計算法則與整數(shù)除法計算法則統(tǒng)一起來（如圖2），還可以把四則運算的計算方法統(tǒng)一起來（如圖3）．

儲能可與電網(wǎng)調度系統(tǒng)相配合，根據(jù)系統(tǒng)負荷的峰谷特性，在負荷低谷期儲存多余的發(fā)電量，在負荷高峰期釋放出電池中儲存的能量，從而減少電網(wǎng)負荷的峰谷差，降低電網(wǎng)的供電負擔，實現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷。同時利用峰谷差價，提高電能利用的經(jīng)濟性。

圖1　光-儲控制一體機

圖2　直流母線型分布式儲能系統(tǒng)

5 并離網(wǎng)光伏-儲能系統(tǒng)實用介紹

5.1深圳市電動汽車充電站光伏-儲能一體化項目

擬在深圳市各汽車充電站開發(fā)100套分布式光伏-儲能一體機系統(tǒng)，項目總投資為5 500萬元人民幣。采用光伏-儲能-負荷-電網(wǎng)一體機，每套系統(tǒng)容量為20 kW/100 kWh，配備20kW的高效多晶硅光伏組件、100 kWh的磷酸鐵鋰電池和1臺控制一體機等。

（1）設計方案

圖3為充電站光伏儲能一體機電氣主接線圖

本系統(tǒng)配備光伏組件、磷酸鐵鋰電池、并離網(wǎng)切換單元、光伏-儲能一體機及計量單元等。白天光伏系統(tǒng)發(fā)電，光伏電能優(yōu)先供充電站負載使用，如光伏發(fā)電單元功率大于充電站負載功率，則多余電能給電池儲能系統(tǒng)充電，當儲能電池電量充滿時，方可將多余電能送向電網(wǎng)。如光伏發(fā)電功率小于負載功率，則光伏電源和儲能系統(tǒng)同時給充電站供電，當儲能系統(tǒng)電量放完（放電保護時），則由市電提供電能補充。同時，根據(jù)用戶需求，儲能系統(tǒng)還可以儲存電網(wǎng)低谷時段的廉價電能。

（2）基本工作流程

1）白天

2）夜晚

光伏系統(tǒng)不發(fā)電時，儲能系統(tǒng)為負載提供電能，欠缺的電能由電網(wǎng)供給，當儲能系統(tǒng)電能用完（達到最低設定值）時，可由電網(wǎng)對其進行充電，儲能系統(tǒng)充放電時間可設定?？刂葡到y(tǒng)的功率匹配功能可為儲能系統(tǒng)匹配相應的負載功率，保證儲能系統(tǒng)電能不輸送至電網(wǎng)。

3）系統(tǒng)離網(wǎng)運行時，充電樁負載由光伏系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)供電，當儲能系統(tǒng)電能用完（達到最低設定值）時停止供電，供電時間由所選儲能電池容量大小和光伏系統(tǒng)發(fā)電量決定。

具備遠程/本地監(jiān)控功能，用戶可以查收充電站光伏-儲能一體機系統(tǒng)的實時運行狀態(tài)信息，也可以根據(jù)需求在設備控制板上進行個性化設置。圖4為控制界面效果圖。

（3）系統(tǒng)具備的特性。

1）減少電動汽車充電站對電網(wǎng)電能的依賴，進一步達到節(jié)能減排的效果；

2）減少電動汽車充電站對電網(wǎng)的沖擊，同時在電網(wǎng)停電時，該系統(tǒng)可以采用離網(wǎng)模式給電動汽車等負載供電，確保充電站的正常運行；

3）采用雙向計量設備，可以單獨計量各單元輸入/輸出的總電量（含向電網(wǎng)公司購電電量和返送給電網(wǎng)電量的計量）；

4）具備自動控制和保護功能，合理優(yōu)化電能的分配，通過GPRS無線通信技術把系統(tǒng)運行狀態(tài)數(shù)據(jù)實時發(fā)送給系統(tǒng)的管理者；

5）光伏系統(tǒng)單元效率高達80%以上，電池儲能系統(tǒng)單元充/放電整體效率高達88%以上。

（4）經(jīng)濟性介紹

100套標配系統(tǒng)容量為20 kW/100 kWh的光伏-儲能一體機系統(tǒng)可發(fā)電約220萬kWh/a，可節(jié)約726 t標桿煤；電池儲能系統(tǒng)可存儲10 000kWh/循環(huán)，按每天1個充放電循環(huán)計算，可存儲電量高達365萬kWh/a。按每輛車每次充60 kWh電量計算，每年光伏發(fā)電電能可滿足38666 輛/次電動汽車充電；每年儲能電能可滿足60833輛/次電動汽車充電。每年至少可節(jié)省電費580萬元人民幣（按光伏發(fā)電節(jié)省電量、光伏發(fā)電補貼及電池儲能峰谷差價計算）。5.2武漢普天園區(qū)光伏-儲能一體項目

圖3　充電站光伏儲能一體機電氣主接線圖

圖4　控制界面效果圖

（1）項目背景

中國普天一直致力于新能源開發(fā)，尤其在分布式光伏發(fā)電領域，不斷探索新的能源管理模式。由于分布式光伏系統(tǒng)輸出功率和用戶負荷功率不同步，存在部分光伏電能上網(wǎng)的可能，而在負荷高峰期時，光伏電能又不能滿足負荷的要求。武漢市地區(qū)標煤上網(wǎng)電價為0.458 2元人民幣/kWh，而一般工商業(yè)電價為0.983元人民幣/kWh，買電和賣電的價格差距超過1倍。作為一個高用能企業(yè)，從經(jīng)濟效率方面考慮，應最大程度利用光伏電能，減少分布式光伏系統(tǒng)電能上網(wǎng)的量。

（2）項目建設概況

武漢普天工業(yè)園分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)靜態(tài)投資總計377.44萬元人民幣，其中光伏發(fā)電部分277.44萬元人民幣，蓄電儲能系統(tǒng)部分100.00萬元人民幣。該發(fā)電系統(tǒng)總裝機容量為326.4kW，建成后其光伏發(fā)電系統(tǒng)年均發(fā)電量約為30.458萬kWh；儲能系統(tǒng)蓄電容量為1 000 kWh，可滿足工業(yè)園全負荷工作2 h的用電量。儲能系統(tǒng)除了存儲光伏余電，還相當于將工業(yè)園的電力負荷等級提升到一級負荷（基本不斷電），同時對公司內(nèi)部電網(wǎng)具備調峰作用。

光伏系統(tǒng)所發(fā)電量絕大部分用于工業(yè)園的自身用電，盈余電量將儲存在儲能系統(tǒng)中，可在峰值電價時釋放出電能，以減少從電網(wǎng)購電成本，儲能系統(tǒng)充滿時，多余能源也可反饋到市電電網(wǎng)。圖5為武漢普天園區(qū)光伏系統(tǒng)安裝效果圖。

（3）設計方案

圖6為光伏-儲能一體機電氣主接線圖。

本系統(tǒng)配備光伏組件、磷酸鐵鋰電池、并離網(wǎng)切換單元、光伏-儲能一體機及計量單元等。白天光伏系統(tǒng)發(fā)電，光伏電能優(yōu)先供充電站負載使用，如光伏發(fā)電單元功率大于充電站負載功率，則多余電能給電池儲能系統(tǒng)充電，當儲能電池電量充滿時，方可將多余電能送向電網(wǎng)。如光伏發(fā)電功率小于負載功率，則光伏電源和儲能系統(tǒng)同時給充電站供電，當儲能系統(tǒng)電量放完（放電保護時），則由市電提供電能補充。同時，根據(jù)用戶需求，儲能系統(tǒng)還可以儲存電網(wǎng)低谷時段的廉價電能。

圖5　武漢普天園區(qū)光伏系統(tǒng)安裝效果圖

圖6　光伏-儲能一體機電氣主接線圖

（4）經(jīng)濟性介紹

工程裝機容量為326.4 kWp，年均發(fā)電量約34萬kWh，在太陽能電池組件壽命期內(nèi)可節(jié)約標準煤約2 345 t，而且粉塵、SO2及NOX的零排放，耗水指標也接近于零；實現(xiàn)了名副其實的低碳經(jīng)濟可再生能源利用，為能源供應的安全可持續(xù)發(fā)展做出了貢獻。

電池儲能系統(tǒng)可存儲1 000 kWh/循環(huán)，按每天1個充放電循環(huán)計算，每年可存儲電量高達36.5萬kWh。

每年預計可收益約48萬元人民幣（含國家對分布式能源的補貼）。

7 結語

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，光伏發(fā)電在電力系統(tǒng)中所占的比重越來越高，由于新能源發(fā)電功率的不確定性及不可調度性，對電力系統(tǒng)穩(wěn)定帶來了一定的隱患。大規(guī)模儲能系統(tǒng)的研究，對于新能源與電網(wǎng)穩(wěn)定的問題，提出了一個切實可行的解決之道，對于將來智能電網(wǎng)的構建，也起到了關鍵的作用。隨著各類型儲能系統(tǒng)的發(fā)展，必將使今后的電網(wǎng)更環(huán)保、更穩(wěn)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