大型光伏儲(chǔ)能電站系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)研究

蘇興鋒

【摘 要】隨著電力工業(yè)發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)的日趨成熟，儲(chǔ)能在新能源發(fā)電中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。目前兆瓦級(jí)以下光伏儲(chǔ)能電站已有不少的工程案例，而兆瓦級(jí)以上的光伏儲(chǔ)能電站卻極少。本文主要研究離網(wǎng)運(yùn)行模式下的大型光伏儲(chǔ)能電站系統(tǒng)架構(gòu)，當(dāng)調(diào)整運(yùn)行方式和參數(shù)后，系統(tǒng)可轉(zhuǎn)為并網(wǎng)運(yùn)行。

【關(guān)鍵詞】新能源 光伏 儲(chǔ)能 拓?fù)?微電網(wǎng)

隨著光伏等新能源的大規(guī)模接入系統(tǒng)，由于光伏發(fā)電的輸出功率不可控、間歇式、波動(dòng)大等特點(diǎn)，對(duì)電網(wǎng)的影響日趨明顯。而儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效地進(jìn)行削峰填谷、平滑負(fù)荷以及調(diào)峰調(diào)頻，促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用。對(duì)于小型光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，如太陽(yáng)能路燈、通信基站等，光伏組件發(fā)電，經(jīng)控制器對(duì)蓄電池進(jìn)行充放電管理，并給直流負(fù)載提供電能，或通過(guò)逆變器給交流負(fù)載提供電能。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由于DC/DC控制器的功率等級(jí)限制，具有不易擴(kuò)容的缺點(diǎn)，適合于小功率的應(yīng)用場(chǎng)合。大型光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)通常由儲(chǔ)能逆變器（Power Conversion System，簡(jiǎn)稱PCS）、并網(wǎng)逆變器、蓄電池、配電設(shè)備及負(fù)載等組成。

1 儲(chǔ)能逆變器運(yùn)行方式

儲(chǔ)能逆變器具有三種運(yùn)行模式：

（1）V/F模式：為電網(wǎng)提供額定的電網(wǎng)電壓、電網(wǎng)頻率。有功功率和無(wú)功功率由負(fù)載決定，不可調(diào)度。（2）P/Q模式：為電網(wǎng)提供功率支撐，能量管理系統(tǒng)可調(diào)度有功功率、無(wú)功功率。（3）恒壓恒流充放電模式：一般用于對(duì)電池滿充或電池維護(hù)，接受EMS或電池管理系統(tǒng)BMS的充放電指令，先按系統(tǒng)給定的電流進(jìn)行恒流充電或放電，當(dāng)達(dá)到到恒壓值時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)入恒壓模式?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)電池進(jìn)行分段充電的目的。

2 蓄電池配置

電能儲(chǔ)存的形式可分為機(jī)械儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能等，有的已經(jīng)成熟，有的仍在研究發(fā)展之中。化學(xué)儲(chǔ)能是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的儲(chǔ)能形式，其中釩電池、鈉硫電池、超級(jí)電容器等尚未形成產(chǎn)業(yè)化；本文主要研究以鋰電池和鉛酸電池作為儲(chǔ)能介質(zhì)。鋰電池循環(huán)次數(shù)多、瞬時(shí)充放電功率較大、波動(dòng)響應(yīng)特性好，但價(jià)格較高，適宜承擔(dān)峰荷，在系統(tǒng)中作為V/F源，建立電網(wǎng)的電壓和頻率，吸收電網(wǎng)的短時(shí)功率波動(dòng)，承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的部分儲(chǔ)能、供能任務(wù)。鉛酸電池循環(huán)壽命較短、小功率充放電、供電時(shí)間長(zhǎng)、穩(wěn)定性好，但價(jià)格便宜，適宜承擔(dān)基荷，在系統(tǒng)中作為P/Q源，擔(dān)任整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的主要儲(chǔ)能、供能任務(wù)。一般情況下運(yùn)行在P/Q模式，當(dāng)鋰電系統(tǒng)異常或不足以支撐負(fù)載波動(dòng)時(shí)運(yùn)行在V/F模式，當(dāng)電池需要維護(hù)時(shí)工作在恒壓恒流充放電模式。當(dāng)光伏發(fā)電大于負(fù)載用電時(shí)盡可能的將電能儲(chǔ)存起來(lái)；在白天，當(dāng)光伏發(fā)電小于負(fù)載用電且鋰電光儲(chǔ)系統(tǒng)不足以提供負(fù)載用電時(shí)向系統(tǒng)供電；在夜晚，作為整個(gè)電網(wǎng)主要的供能系統(tǒng)。蓄電池主要用于消納多余的光電、進(jìn)行區(qū)域間的電力調(diào)配、保持主電力線上供配電的穩(wěn)定性。蓄電池的配置應(yīng)根據(jù)光伏裝機(jī)容量及供電連續(xù)性要求合理配置。

3 系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)

大型光伏儲(chǔ)能電站可分為儲(chǔ)能子系統(tǒng)和光伏發(fā)電子系統(tǒng)。光伏發(fā)電子系統(tǒng)與常規(guī)光伏電站的系統(tǒng)架構(gòu)一樣，僅在能量管理控制策略上有較大差異。儲(chǔ)能子系統(tǒng)由蓄電池、電池管理系統(tǒng)BMS、儲(chǔ)能逆變器PCS、升壓及配電設(shè)備、能量管理系統(tǒng)EMS構(gòu)成?？紤]國(guó)內(nèi)外主流儲(chǔ)能逆變器采用不同的V/F并機(jī)方式，提出一種系統(tǒng)拓?fù)浞桨?。針?duì)進(jìn)行V/F多機(jī)并聯(lián)的PCS，PCS可通過(guò)變壓器在中壓側(cè)并聯(lián)。若干臺(tái)PCS交流側(cè)并聯(lián)，通過(guò)一臺(tái)雙繞組升壓變壓器接到中壓母線上，V/F源容量可任意擴(kuò)展，不受單臺(tái)變壓器容量的限制。

對(duì)于該方案的系統(tǒng)拓?fù)浼軜?gòu)，光伏發(fā)電系統(tǒng)按常規(guī)模式以1MW的單元并接在中壓母線上。鋰電和鉛酸儲(chǔ)能部分拓?fù)浼軜?gòu)也可按照光伏發(fā)電部分，以1MW為一個(gè)單元，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活，適合擴(kuò)展，但設(shè)備較多。儲(chǔ)能逆變器的容量配比，應(yīng)考慮負(fù)荷、光伏發(fā)電容量和蓄電池允許的充放電倍率等多方面因素。一般儲(chǔ)能逆變器與光伏并網(wǎng)逆變器容量配比可按1：1設(shè)計(jì)，同時(shí)應(yīng)能滿足負(fù)荷的過(guò)載要求，并保證鋰電池和鉛酸電池都處在合理的充放電倍率范圍內(nèi)。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)大型離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能電站，應(yīng)盡量增大系統(tǒng)中V/F源的容量，以應(yīng)對(duì)負(fù)荷波動(dòng)和光功率波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

4 能量管控系統(tǒng)

光儲(chǔ)能量管控系統(tǒng)是發(fā)電、儲(chǔ)電、供電綜合能量管理控制系統(tǒng)，根據(jù)光儲(chǔ)電站的構(gòu)造和資源配置，合理有效進(jìn)行系統(tǒng)資源管理，并通過(guò)管控單元與電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)通信，報(bào)告其發(fā)電、儲(chǔ)電、供電參數(shù)，并接受調(diào)度計(jì)劃與指令。

正常情況下：鋰電光儲(chǔ)系統(tǒng)工作于V/F模式下，鉛酸儲(chǔ)能系統(tǒng)工作于P/Q模式下，光伏發(fā)電系統(tǒng)可進(jìn)行功率限制。

（1）通過(guò)對(duì)鉛酸儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率調(diào)度和光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功率限制，結(jié)合“水缸”原理，預(yù)留一部分容量用于實(shí)時(shí)吸收電網(wǎng)上不可預(yù)知功率波動(dòng)。（2）在白天盡可能的讓鉛酸儲(chǔ)能系統(tǒng)處于滿電狀態(tài)，盡量讓鉛酸系統(tǒng)白天只充、晚上只放電，以提高其使用壽命。（3）盡量避免在各個(gè)電池之間出現(xiàn)“倒電現(xiàn)象”。異常情況下，可對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行靈活配置，鋰電光儲(chǔ)系統(tǒng)、鉛酸儲(chǔ)能系統(tǒng)均可工作于V/F模式、P/Q模式、恒壓恒流充放電模式，根據(jù)需要可在線實(shí)時(shí)配置。如在鋰電光儲(chǔ)系統(tǒng)發(fā)生異常時(shí)，可將鉛酸儲(chǔ)能系統(tǒng)作為電壓源；電池需要進(jìn)行沖放維護(hù)時(shí)可分時(shí)將各臺(tái)PCS切換到恒壓恒流充放電模式。

5 結(jié)語(yǔ)

大型離網(wǎng)光伏儲(chǔ)能電站在我國(guó)西部無(wú)電區(qū)及海島上有極大的應(yīng)用前景。并在拓展應(yīng)用方面，具有較高的推廣價(jià)值。當(dāng)與風(fēng)電等其他形式能源結(jié)合就構(gòu)成了微電網(wǎng)系統(tǒng)；當(dāng)改變電站的運(yùn)行方式，就變成了光伏并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

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