光伏儲(chǔ)能在能源站中的應(yīng)用

徐力鈞

(悉地國(guó)際設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司，上海 200438)

0 引言

隨著“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的提出，中國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型面臨諸多挑戰(zhàn)。 據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)，目前在我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)格局中，煤炭、石油、天然氣等化石能源約占能源消耗總量的84%，而不產(chǎn)生碳排放的風(fēng)電、水電和光伏等清潔能源僅占16%。要實(shí)現(xiàn)2060 年碳中和的目標(biāo)，就要大幅發(fā)展可再生能源，降低化石能源的比重，因此，能源格局的重構(gòu)必然是大勢(shì)所趨。

1 我國(guó)太陽(yáng)能資源極為豐富

太陽(yáng)能資源的分布與各地的緯度、海拔高度、地理狀況和氣候條件有關(guān)。 我國(guó)屬太陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家之一，全國(guó)總面積2/3 以上地區(qū)年日照時(shí)數(shù)大于2 000 h，具有良好的開(kāi)發(fā)利用條件。 根據(jù)《太陽(yáng)能資源等級(jí)-總輻射》GB/T 31155—2014，中國(guó)太陽(yáng)能資源分布情況見(jiàn)表1。

表1 中國(guó)太陽(yáng)能資源分布表

2 我國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)現(xiàn)狀

根據(jù)中國(guó)光伏行業(yè)協(xié)會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)，截止到2020 年，我國(guó)的光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)總裝機(jī)容量已達(dá)到253GW，2020 年新增裝機(jī)容量為48.2 GW，同比增加60%。 2020 年光伏能源總產(chǎn)量2 605 億kWh，同比增長(zhǎng)16.2%，占總發(fā)電量比重的3.5%。

由于可再生能源發(fā)電存在天然的不穩(wěn)定性，需要配套儲(chǔ)能以解決光伏電能消納，提高配電利用效率。 近年來(lái)，多地政府要求并鼓勵(lì)可再生能源的發(fā)電項(xiàng)目搭配一定比重的儲(chǔ)能，同時(shí)對(duì)用戶側(cè)的儲(chǔ)能項(xiàng)目也給予特定的補(bǔ)助。 隨著可再生能源發(fā)電占比的不斷增大，同時(shí)鋰電池的生產(chǎn)成本近年來(lái)已持續(xù)降低，儲(chǔ)能的必要性與經(jīng)濟(jì)性進(jìn)一步顯現(xiàn)。

表2 為中國(guó)化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會(huì)儲(chǔ)能應(yīng)用分會(huì)(CESA)統(tǒng)計(jì)的2020 年我國(guó)新增投運(yùn)儲(chǔ)能裝機(jī)容量。 在全球能源轉(zhuǎn)型深入的背景下，可再生能源的開(kāi)發(fā)利用前景看好，政府和城鄉(xiāng)居民都在利用太陽(yáng)能光伏發(fā)電積極開(kāi)展光伏農(nóng)業(yè)、光伏扶貧、光伏養(yǎng)老等多種形式的推廣和應(yīng)用，金融行業(yè)也紛紛推出各種光伏貸產(chǎn)品來(lái)支持用戶。

表2 2020年我國(guó)新增投運(yùn)儲(chǔ)能裝機(jī)容量

3 微電網(wǎng)

微電網(wǎng)的概念，就是將分布式發(fā)電、用電負(fù)載、儲(chǔ)能裝置及控制裝置結(jié)合在一起，形成一個(gè)單一可控的獨(dú)立供電系統(tǒng)，也可以看成是管理局部能量關(guān)系的基于分布式發(fā)電裝置的小電網(wǎng)。 微電網(wǎng)和配電網(wǎng)之間可以通過(guò)公共連接點(diǎn)進(jìn)行能量交換，雙方互為備用，從而提高了供電可靠性。 在智能電網(wǎng)的發(fā)展過(guò)程中，配電網(wǎng)需要從被動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)向主動(dòng)式網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變，從而更有效地連接發(fā)電側(cè)和用戶側(cè)，微電網(wǎng)的入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)只針對(duì)公共連接點(diǎn)，而不針對(duì)各個(gè)具體的微電源，不僅解決了分布式發(fā)電接入的問(wèn)題，還充分發(fā)揮了它們的優(yōu)勢(shì)，是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式配電網(wǎng)的一種有效方式。

綜合能源系統(tǒng)的應(yīng)用當(dāng)前已成為一種趨勢(shì)，采用梯級(jí)式能源利用技術(shù)實(shí)現(xiàn)冷熱電一體化生產(chǎn)的系統(tǒng)，能源的綜合利用效率可高達(dá)80%～90%。

光伏系統(tǒng)的外部輸出功率與日照強(qiáng)度和電池溫度密切相關(guān)，其發(fā)電特性不僅具有隨機(jī)性和間歇性，而且無(wú)法調(diào)度，在季節(jié)、氣候變化時(shí)，光伏系統(tǒng)的輸出功率會(huì)有較大的波動(dòng)，并入大電網(wǎng)后會(huì)對(duì)電網(wǎng)有一定的沖擊性。 當(dāng)光伏系統(tǒng)加入儲(chǔ)能裝置后，可以有效利用電力設(shè)備，降低用電成本，參與調(diào)頻調(diào)壓、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)，提高了整個(gè)供配電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性。 圖1 為典型光伏日出力曲線。

圖1 典型光伏日出力曲線

考慮到光伏出力的波動(dòng)性及工業(yè)用電電價(jià)的分時(shí)特性，儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)的儲(chǔ)電及放電管理機(jī)制，在一天內(nèi)，夜間谷時(shí)電價(jià)期間通過(guò)儲(chǔ)能變流器(PCS)從電網(wǎng)購(gòu)電，為蓄電池儲(chǔ)電，為用電高峰時(shí)段備用；白天峰時(shí)電價(jià)期間，光伏系統(tǒng)在最大功率模式下運(yùn)行，蓄電池也同時(shí)為系統(tǒng)輸出功率。 光伏系統(tǒng)所發(fā)的電全部在變電站內(nèi)部消納，直接負(fù)荷側(cè)消納或者通過(guò)蓄電池充電后再放電。 圖2 為光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 項(xiàng)目案例

以某能源站為例，園區(qū)內(nèi)建設(shè)智慧綜合能源站，通過(guò)利用余熱和開(kāi)發(fā)新能源向園區(qū)內(nèi)的生產(chǎn)企業(yè)提供清潔、經(jīng)濟(jì)的能源。

4.1 系統(tǒng)構(gòu)架

園區(qū)內(nèi)設(shè)置一座10kV 變電站，采用兩路10kV市政電源進(jìn)線，設(shè)兩段10kV 母線，每段10kV 母線上設(shè)兩臺(tái)2 000kVA 干式變壓器。 能源站的光伏、儲(chǔ)能考慮配置為:利用屋頂布置2 000kWp 的光伏組件，光伏系統(tǒng)分為4 個(gè)500kWp 的發(fā)電單元，每個(gè)500kWp 的發(fā)電單元配置1 MWh 的儲(chǔ)能，通過(guò)雙向PCS 與0.4kV 母線連接。

每個(gè)500kWp 發(fā)電單元由1 116 塊450Wp 單晶硅組件構(gòu)成(28 塊組件為一串)，配置5 臺(tái)100kW 的逆變器。 儲(chǔ)能單元由4 臺(tái)500kW 儲(chǔ)能變流器(PCS)、4 MWh 磷酸鐵鋰電池、電池管控系統(tǒng)(BMS)、直流匯流柜組成。 4 臺(tái)雙向PCS 的交流側(cè)分別接入4 段0.4kV 母線。 圖3 為本項(xiàng)目的電氣主接線圖。

圖3 電氣主接線圖

針對(duì)本項(xiàng)目，一方面先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)在用戶側(cè)可“峰放谷充”，減少用戶變壓器容量，節(jié)省電費(fèi)，達(dá)到峰谷價(jià)差獲利的目的；另一方面，儲(chǔ)能可消納部分光伏發(fā)電的電量，對(duì)微電網(wǎng)起消納平衡作用。 本工程的光伏發(fā)電、電能儲(chǔ)存、交流母線與各用電負(fù)荷組成了微電網(wǎng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行模式，分布式電源及儲(chǔ)能裝置可以采用各種運(yùn)行控制策略來(lái)維持整個(gè)微電網(wǎng)的功率平衡。 在主電網(wǎng)發(fā)生故障或其他情況下，可主動(dòng)與主網(wǎng)斷開(kāi)，轉(zhuǎn)入孤島獨(dú)立工作模式，并協(xié)助主網(wǎng)快速恢復(fù)，降低損失。

4.2 電池組件的選型

電池組件是光伏發(fā)電系統(tǒng)最重要的組成部件，約占整個(gè)系統(tǒng)建設(shè)總成本的50%，并且直接影響到系統(tǒng)的質(zhì)量、發(fā)電效率、收益率等。 本項(xiàng)目選用單晶硅電池組件。

單從每瓦電池組件的成本來(lái)看，單晶硅比多晶硅高5%左右，但由于單晶硅組件發(fā)電效率高，同樣的裝機(jī)容量占地面積更小，基礎(chǔ)、支架、電纜等系統(tǒng)周邊器材使用量也相應(yīng)減少，二者的綜合投入成本基本相當(dāng)。 根據(jù)測(cè)算，按目前行業(yè)普遍承諾的25 年使用年限計(jì)算，一個(gè)相同規(guī)模的電站，使用單晶硅電池產(chǎn)生的電能比使用多晶硅電池多13%，所以，綜合考慮光伏發(fā)電系統(tǒng)的長(zhǎng)期發(fā)電量和投資收益率，單晶硅電池組件更具有度電成本的優(yōu)勢(shì)。 本項(xiàng)目選用的電池組件參數(shù)詳見(jiàn)表3。

表3 單晶硅電池組件性能參數(shù)表

4.3 并網(wǎng)逆變器的選型

并網(wǎng)逆變器分為集中式和組串式，就其本身的效率而言已經(jīng)達(dá)到了比較高的水平，兩種逆變器的效率基本相當(dāng)，都可以達(dá)到98%以上，系統(tǒng)效率的主要差別在系統(tǒng)優(yōu)化和線路損耗方面。 集中式逆變器系統(tǒng)可集中并網(wǎng)，便于管理；組串式逆變器系統(tǒng)可以分散就近并網(wǎng)，系統(tǒng)損耗小，且有冗余運(yùn)行能力。

本項(xiàng)目選用多組串式逆變器(技術(shù)參數(shù)詳見(jiàn)表4)，可以最大效率地跟蹤輸入每一路的MPPT，確保每組串或每幾組串產(chǎn)生最多的電量，即使某一組串由于太陽(yáng)能輻射不足或因故障斷開(kāi)，也不會(huì)影響其他組串繼續(xù)發(fā)電，使整個(gè)系統(tǒng)的能量輸出實(shí)現(xiàn)最大化。

表4 逆變器技術(shù)參數(shù)表

4.4 微電網(wǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)

本項(xiàng)目的光伏儲(chǔ)能控制系統(tǒng)采用分層分布式方案，通過(guò)不同層級(jí)控制保護(hù)的協(xié)調(diào)配合，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)，提高分布式清潔能源發(fā)電效益和并網(wǎng)安全性。

微電網(wǎng)控制保護(hù)系統(tǒng)分為就地、協(xié)調(diào)和優(yōu)化三個(gè)控制層級(jí)。

(1)就地控制層

包含儲(chǔ)能變流器、分布式發(fā)電并網(wǎng)接口裝置以及保護(hù)裝置，裝置之間不依賴(lài)于通信，響應(yīng)速度快。在系統(tǒng)發(fā)生輕微中斷或短路故障時(shí)，通過(guò)PCS 的自我調(diào)節(jié)或保護(hù)裝置的快速動(dòng)作，能夠快速平抑系統(tǒng)波動(dòng)，恢復(fù)穩(wěn)定的供電。

(2)協(xié)調(diào)控制層

包含微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制裝置，需要通過(guò)控制通信網(wǎng)絡(luò)采集風(fēng)光、儲(chǔ)能以及重要負(fù)荷的信息。 在發(fā)生重大微電網(wǎng)絡(luò)中斷時(shí)，如網(wǎng)絡(luò)意外斷電、孤島運(yùn)行時(shí)大容量的跳閘等，微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制裝置通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能以及風(fēng)光系統(tǒng)的控制，確保電壓、頻率均維持在允許的范圍內(nèi)，保證微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

(3)優(yōu)化控制層

包含微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定應(yīng)用情景進(jìn)行運(yùn)行數(shù)據(jù)分析、用電負(fù)荷管理、電能預(yù)測(cè)、優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行等功能，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

分層分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)不同層次的控制和保護(hù)之間的協(xié)調(diào)，使微電網(wǎng)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行；控制層網(wǎng)絡(luò)采用冗余設(shè)計(jì)，相互獨(dú)立，更加安全可靠；高性能微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制裝置，具有毫秒級(jí)的響應(yīng)速度，可實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)行方式間的快速切換。

4.5 系統(tǒng)運(yùn)行

帶儲(chǔ)能的光伏發(fā)電系統(tǒng)，預(yù)先設(shè)定不同工況的供用電管理模式，可起到調(diào)峰和減少對(duì)電網(wǎng)沖擊的作用。 在夜晚的用電低谷時(shí)段和白天的用電平谷時(shí)段，對(duì)電池進(jìn)行充電，主要目的是為了增加功率谷值；在白天用電高峰時(shí)段完成放電，在一定程度上降低了最大用電高峰，從而實(shí)現(xiàn)電能的經(jīng)濟(jì)調(diào)度，提高配電網(wǎng)的負(fù)荷率，切實(shí)保障電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

儲(chǔ)能系統(tǒng)是微電網(wǎng)中的能源緩沖環(huán)節(jié)，對(duì)微電網(wǎng)起著提高控制穩(wěn)定性、提升電能質(zhì)量、改善抗干擾能力等重要作用。 通過(guò)經(jīng)濟(jì)規(guī)劃和優(yōu)化能源管理，可以讓電能得到更充分、更合理的利用。 電網(wǎng)中的開(kāi)關(guān)可以自動(dòng)將微電網(wǎng)切換到并網(wǎng)運(yùn)行或離網(wǎng)狀態(tài)下的孤島運(yùn)行模式。 分布式發(fā)電和儲(chǔ)能裝置可以采取多種控制策略，以維持微電網(wǎng)的功率平衡，儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)供電終端的情況下還可作應(yīng)急備用，幫助電網(wǎng)快速恢復(fù)。

可以看出，在穩(wěn)定的電力負(fù)荷需求的工況下，盡可能提高光伏發(fā)電和儲(chǔ)能的裝機(jī)規(guī)模，可以獲得更好的投資收益。

5 結(jié)束語(yǔ)

2021 年4 月，國(guó)家發(fā)改委發(fā)布了《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)(征求意見(jiàn)稿)》。 積極支持用戶側(cè)儲(chǔ)能多元化發(fā)展，鼓勵(lì)圍繞分布式新能源、微電網(wǎng)、大數(shù)據(jù)中心、5 G 基站、充電設(shè)施等其他終端用戶，探索儲(chǔ)能融合發(fā)展新場(chǎng)景。 鼓勵(lì)聚合利用不間斷電源、電動(dòng)汽車(chē)、用戶側(cè)儲(chǔ)能等分散式儲(chǔ)能設(shè)施，依托大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術(shù)，探索智慧能源、虛擬電廠等多種新商業(yè)模式。

光伏和儲(chǔ)能技術(shù)隨著持續(xù)革新，成本不斷下降，應(yīng)用范圍逐步擴(kuò)大，都將成為“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)及“光伏+儲(chǔ)能”產(chǎn)業(yè)壯大的重要助力。光伏儲(chǔ)能的前景十分廣闊，必將在能源站中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。