電池儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合光伏電站運(yùn)行分析

劉志豪

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 前言

光伏發(fā)電是目前應(yīng)用最廣的新能源發(fā)電之一，具有綠色、環(huán)保、無(wú)污染、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。光伏發(fā)電的出力隨光照的變化而變化，數(shù)據(jù)顯示光伏電站的大部分出力波動(dòng)在秒級(jí)時(shí)間內(nèi)可達(dá)10%左右，如此短時(shí)的波動(dòng)給電網(wǎng)的暫態(tài)平衡帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)，光伏的短時(shí)劇烈波動(dòng)對(duì)于電網(wǎng)較弱的地區(qū)甚至?xí)?dǎo)致大面積的停電事故。由于光伏出力的不可控、難預(yù)測(cè)、波動(dòng)大等間歇性問(wèn)題[1]，光伏電站限電情況日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了電站的正常發(fā)電運(yùn)行，急需采取技術(shù)手段緩解光伏電站的限電情況。

在光伏電站配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一控制調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)不同的控制策略和運(yùn)行方式下的能量搬移、削峰填谷、平滑出力、跟蹤計(jì)劃等不同功能需求[2]。本文通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入方式、聯(lián)合運(yùn)行和安全性進(jìn)行分析和研究，論證了光儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行的可行性和可靠性。

1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)具有如下作用：

1)可平滑間歇性電源功率波動(dòng)[3]。安裝儲(chǔ)能裝置能夠提供快速的有功支撐，增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)頻、調(diào)峰能力，大幅提高電網(wǎng)接納可再生能源的能力，促進(jìn)可再生能源的集約化開(kāi)發(fā)和利用。

2)能增加備用容量，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。要保證供電安全，就要求系統(tǒng)具有足夠的備用容量。在電力系統(tǒng)遇到大的擾動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能裝置可以在瞬時(shí)吸收或釋放能量，避免系統(tǒng)失穩(wěn)，恢復(fù)正常運(yùn)行[4]。

3)提高用電質(zhì)量。通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速充放電調(diào)節(jié)，將被限制電量存儲(chǔ)起來(lái)，并在滿(mǎn)足要求的情況下放出到電網(wǎng)，從而緩解光伏電站的限電損失情況，提高電能質(zhì)量，增加電站的發(fā)電小時(shí)數(shù)和整體收益。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入與運(yùn)行

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)接入分析

現(xiàn)場(chǎng)光伏電站的光伏逆變器交流輸出電壓為400 V。2個(gè)逆變器交流通過(guò)交流低壓柜后，接入1000/500-500kVA的分裂變壓器，升入35 kV系統(tǒng)，通過(guò)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)將光伏電能送入公網(wǎng)。低壓交流母排電壓為400 V，便于逆變器和儲(chǔ)能變流器(Power Conversion System, PCS)交流互聯(lián)，省去35 kV升壓變和高壓開(kāi)關(guān)柜等設(shè)備投入，也避免設(shè)備接入造成的停電影響。光伏儲(chǔ)能聯(lián)合接入一次系統(tǒng)接線示意圖如圖1所示。

圖1 光伏儲(chǔ)能接入一次系統(tǒng)接線示意圖

1)參考原光伏電站系統(tǒng)組成，每個(gè)光伏發(fā)電單元配置1 MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)電站，子系統(tǒng)功率為250 kW/500 kWh初步選擇400 V交流低壓側(cè)接入。

2)光伏電站發(fā)電單元配置0.5 MW/1 MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)配置2套0.25 MW/0.5 MWh儲(chǔ)能子系統(tǒng)，并放在一個(gè)集裝箱內(nèi)。每套電池儲(chǔ)能子系統(tǒng)配1臺(tái)250 kW PCS，PCS出線接入至光伏逆變器交流低壓柜，與1臺(tái)光伏逆變器并聯(lián)后，經(jīng)交流低壓柜出線經(jīng)變壓器升壓后，接入電站35 kV電網(wǎng)完成并網(wǎng)。

3)儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率為0.5 MW，容量為1 MWh，可滿(mǎn)功率運(yùn)行2 h。儲(chǔ)能系統(tǒng)由2個(gè)0.25 MW/0.5 MWh儲(chǔ)能子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)包括電池組、變流器、測(cè)量、計(jì)量、保護(hù)、通信、控制等部分。儲(chǔ)能系統(tǒng)掛在交流低壓側(cè)，即為站內(nèi)管理、站內(nèi)運(yùn)行、站內(nèi)調(diào)度，便于高效運(yùn)行和管理。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行分析

基于光儲(chǔ)系統(tǒng)整體的控制策略和算法，為充分發(fā)揮儲(chǔ)能在電能調(diào)節(jié)方面的優(yōu)勢(shì)和能力，儲(chǔ)能系統(tǒng)宜采用不同的控制運(yùn)行方式。根據(jù)光伏電站自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic Generation Control, AGC)調(diào)控情況，儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)時(shí)參與AGC調(diào)度，與光伏逆變器并聯(lián)運(yùn)行，通過(guò)充放電實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電的存儲(chǔ)、放出，實(shí)現(xiàn)AGC削峰填谷，達(dá)到節(jié)電效果，提高光伏電站上網(wǎng)電量。

2.2.1 光儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行功率特性分析

逆變器光伏功率發(fā)電趨勢(shì)曲線如圖2所示。綜合AGC實(shí)際調(diào)度控制情況，在天氣良好且光伏不限電情況下，單臺(tái)500 kW逆變器在7點(diǎn)左右開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電，此刻AGC調(diào)度將控制光伏電站整體有功功率，儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)接受站內(nèi)AGC統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)行。早上8點(diǎn)40左右，光伏逆變器即可發(fā)出有功250 kW以上，即當(dāng)AGC限電發(fā)生時(shí)，PCS即可全額滿(mǎn)功率參與AGC調(diào)峰運(yùn)行，進(jìn)行充電運(yùn)行，保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量高效利用。光伏逆變器較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在400 kW左右，大于PCS250 kW額定功率，儲(chǔ)能變流器將長(zhǎng)時(shí)間具備滿(mǎn)功率充電運(yùn)行條件，有利于提高儲(chǔ)能系統(tǒng)利用率。

圖2 光伏逆變器500 kW典型日功率曲線圖

2.2.2 光儲(chǔ)聯(lián)合AGC運(yùn)行特性分析

綜合分析光伏限電規(guī)律、限電深度、PCS運(yùn)行效率、產(chǎn)品手冊(cè)參數(shù)后，可確定儲(chǔ)能系統(tǒng)功率和容量。保證在AGC控制時(shí)，將光伏被限的電能儲(chǔ)存起來(lái)，又能保證合理利用容量，使儲(chǔ)能系統(tǒng)效能最大化，選擇儲(chǔ)能子系統(tǒng)容量為0.25 MW/0.5 MWh。當(dāng)AGC限電取消后，通過(guò)調(diào)度控制，使得光伏和儲(chǔ)能的聯(lián)合出力滿(mǎn)足功率限制要求。

2.2.2.1 光儲(chǔ)聯(lián)合AGC控制邏輯

儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后，現(xiàn)有的AGC子站在向光伏逆變器機(jī)組發(fā)送AGC調(diào)頻指令的同時(shí)，需增設(shè)調(diào)頻指令發(fā)送給儲(chǔ)能系統(tǒng)總控制單元的信號(hào)，如圖3所示(方框內(nèi)曲線為AGC調(diào)度命令目標(biāo))。同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)接入后需要將光伏逆變器出力和儲(chǔ)能系統(tǒng)出力進(jìn)行合并，并將合并后的出力信號(hào)上傳電網(wǎng)，作為調(diào)頻考核依據(jù)。

光儲(chǔ)聯(lián)合AGC控制邏輯為：電網(wǎng)調(diào)度發(fā)送AGC指令到電站AGC子站；AGC子站根據(jù)接收的電網(wǎng)調(diào)度AGC指令，并結(jié)合逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)算法計(jì)算確定優(yōu)先調(diào)度的光伏逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的相應(yīng)的AGC調(diào)度指令；逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)按各自接收的AGC調(diào)度指令進(jìn)行出力控制；儲(chǔ)能系統(tǒng)反饋狀態(tài)和運(yùn)行情況等信號(hào)。

2.2.2.2 光儲(chǔ)聯(lián)合AGC運(yùn)行模式

針對(duì)不同的限電狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)出力最大化并滿(mǎn)足電網(wǎng)功率調(diào)度技術(shù)要求，光儲(chǔ)聯(lián)合AGC運(yùn)行應(yīng)采用不同的運(yùn)行模式和控制策略。

1)限電移峰運(yùn)行。當(dāng)光伏限電后，儲(chǔ)能系統(tǒng)將轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存限發(fā)的多余光伏電量，待滿(mǎn)足外送條件且不越過(guò)限電目標(biāo)值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)再將儲(chǔ)存的電量放出，送入電網(wǎng)。此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)電池宜采用0.5C充放電的控制運(yùn)行模式，既保障全額發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，又保證儲(chǔ)能系統(tǒng)電池壽命和活性狀態(tài)。

2)限電跟蹤運(yùn)行。當(dāng)光伏限電后，出現(xiàn)多云天氣，光伏出力在限電功率上下波動(dòng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)跟蹤光伏發(fā)電情況進(jìn)行充放電調(diào)節(jié)，使得總出力在控制后不會(huì)越過(guò)限電目標(biāo)值，并最大限度減少棄光。此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)電池宜采用0.5C充放電的控制運(yùn)行模式，保證儲(chǔ)能系統(tǒng)電池活性。

2.2.3 光儲(chǔ)AGC系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行相關(guān)改造工作

1)在光伏電站加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，電能可實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，為防止電能倒灌入光伏逆變器，造成設(shè)備損壞，光伏逆變器需進(jìn)行防逆流改造。

2)針對(duì)既有光伏電站的系統(tǒng)架構(gòu)，綜合考慮接入的復(fù)雜性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，儲(chǔ)能子系統(tǒng)宜接入箱變低壓側(cè)交流開(kāi)關(guān)下端口，這樣可保證光伏和儲(chǔ)能的聯(lián)合總輸出功率小于變壓器功率限制，保證安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

3)現(xiàn)有的光伏電站AGC子站也需做相應(yīng)的后臺(tái)改造工作：將逆變器的出力信號(hào)和儲(chǔ)能裝置的出力信號(hào)疊加后作為光儲(chǔ)聯(lián)合出力反饋信號(hào)；儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)應(yīng)與光伏電站內(nèi)AGC調(diào)度子站以約定的通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，獲取實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和調(diào)度數(shù)據(jù)。

3 儲(chǔ)能電站安全分析

3.1 故障情況

為降低光伏電站加裝儲(chǔ)能裝置后發(fā)生故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響，應(yīng)在光儲(chǔ)聯(lián)合出力并網(wǎng)點(diǎn)處加裝1套故障解列裝置，含低頻、低壓、高頻、高壓解列功能。當(dāng)光儲(chǔ)電站與并網(wǎng)系統(tǒng)的電網(wǎng)失壓時(shí)，能夠在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)將該儲(chǔ)能電站與電網(wǎng)斷開(kāi)，防止出現(xiàn)孤島效應(yīng)，避免對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)造成影響，保護(hù)動(dòng)作后跳開(kāi)儲(chǔ)能電站并網(wǎng)開(kāi)關(guān)。

3.2 電池系統(tǒng)安全

儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的磷酸鐵鋰電池，不會(huì)因過(guò)充、溫度過(guò)高、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒[5]，保證了電池使用過(guò)程中的高安全性。磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命達(dá)到5 000次以上，是目前使用最佳的理想動(dòng)力能源。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)配置合適的消防系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)和安防系統(tǒng)等來(lái)保障儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，并在出現(xiàn)安全事故時(shí)盡量減少損失。

3.3 電能質(zhì)量

儲(chǔ)能系統(tǒng)由電池組、變流器、測(cè)量通信等部分以及配電系統(tǒng)組成。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，交直流轉(zhuǎn)變裝置接入電網(wǎng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)有一定不利影響。在儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)前，需完成《電能質(zhì)量評(píng)估報(bào)告》并提交電力部門(mén)審批通過(guò)，同時(shí)在儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際并網(wǎng)時(shí)需對(duì)其諧波電流(電壓)進(jìn)行進(jìn)一步測(cè)量，確保其滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。

3.4 信息網(wǎng)絡(luò)安全

為保證儲(chǔ)能電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的安全穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，防止站內(nèi)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)因網(wǎng)絡(luò)黑客攻擊而引起電網(wǎng)故障，需要參照電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)實(shí)施方案要求配置防火墻、縱向加密認(rèn)證裝置等安全防護(hù)設(shè)[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

儲(chǔ)能系統(tǒng)的科學(xué)配置和可靠運(yùn)行，可有效改善光伏的波動(dòng)性問(wèn)題。利用儲(chǔ)能“可充可放”的特性，在光伏輸出突然增大時(shí)，儲(chǔ)能充電吸收光伏出力，降低突增量；在光伏輸出突然降低時(shí)，儲(chǔ)能放電補(bǔ)充光伏出力，降低突減量。通過(guò)儲(chǔ)能與光伏的協(xié)調(diào)控制運(yùn)行，并參與電網(wǎng)AGC調(diào)度，可有效實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏輸出的波動(dòng)平抑，減少棄光限電帶來(lái)的影響，并改善光伏發(fā)電的電能質(zhì)量，形成網(wǎng)源友好型能源系統(tǒng)。