儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的方案比選與優(yōu)化研究

高 曉 單亞輝 黃仁國 何紅偉 謝然然

（中國葛洲壩集團(tuán)裝備工業(yè)有限公司，湖北 武漢 430040）

1 儲(chǔ)能技術(shù)原理

光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括電池儲(chǔ)能和超級(jí)電容儲(chǔ)能[1]。其中電池儲(chǔ)能是最常見的形式，其原理為化學(xué)反應(yīng)。電池內(nèi)部通過正、負(fù)極材料間的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電子運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行電能儲(chǔ)存和釋放。電池儲(chǔ)能具有高能量密度、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但也存在充電時(shí)間長(zhǎng)、壽命短等問題。超級(jí)電容儲(chǔ)能則是一種物理儲(chǔ)能形式，其原理為電荷的吸附和釋放。超級(jí)電容通過正、負(fù)極間的介質(zhì)分離電荷，并儲(chǔ)存于極板上。超級(jí)電容儲(chǔ)能具有快速充放電、壽命長(zhǎng)且功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，但能量密度較低。

2 儲(chǔ)能技術(shù)分析與選擇

儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀呈現(xiàn)出多元化和復(fù)雜化的特點(diǎn)[2]。各種儲(chǔ)能技術(shù)都在不斷被研究和改進(jìn)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)景。首先，電池儲(chǔ)能技術(shù)是最成熟、應(yīng)用較廣泛的一種儲(chǔ)能技術(shù)。其中鋰離子電池是最常見的一種電池類型，具有能量密度高、自放電率低和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。此外，鈉硫電池、鉛酸電池和鎳鎘電池等也是常見的電池類型，應(yīng)用場(chǎng)景也比較廣泛。其次，超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)也得到了廣泛應(yīng)用，具有高功率密度、快速充電且高耐壓等優(yōu)點(diǎn)，適用于電能快速儲(chǔ)存和釋放，應(yīng)用范圍廣泛，包括電力調(diào)峰、能源回收等領(lǐng)域。

此外，物理儲(chǔ)能技術(shù)也在不斷發(fā)展中，例如抽水蓄能與壓縮空氣儲(chǔ)能等常見的物理儲(chǔ)能技術(shù)。但這類技術(shù)對(duì)選址條件苛刻，在光伏儲(chǔ)能中應(yīng)用較少。各類儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)、缺點(diǎn)見表1。

表1 各類儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)、缺點(diǎn)

儲(chǔ)能技術(shù)可以平衡光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率波動(dòng)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，主要應(yīng)用于解決光伏發(fā)電系統(tǒng)中的電能儲(chǔ)存和功率平衡問題。綜合考慮表1中各類儲(chǔ)能技術(shù)與項(xiàng)目情況，本項(xiàng)目為中能建（敦煌）清潔能源公司10萬kW 光伏電站建設(shè)項(xiàng)目，為滿足業(yè)主環(huán)保和發(fā)電量的要求，儲(chǔ)能系統(tǒng)選用鋰離子電池中的磷酸鐵鋰電池。

3 儲(chǔ)能容量?jī)?yōu)化配置

3.1 最佳儲(chǔ)能配置

3.1.1 影響因素

在大規(guī)模光伏集中式發(fā)電場(chǎng)景中，配置儲(chǔ)能系統(tǒng)的主要目標(biāo)是提高光伏發(fā)電的消納率、平抑短時(shí)間內(nèi)出力波動(dòng)以及解決跨區(qū)域供需矛盾等。這些目標(biāo)對(duì)提高可再生能源的利用率和電網(wǎng)穩(wěn)定性具有積極作用。

其中，棄光率是衡量光伏發(fā)電消納水平的重要指標(biāo)之一[3]。根據(jù)國家規(guī)定，光伏消納比例應(yīng)為5%～10%，不滿足則視為不及格。為了滿足不同階段對(duì)棄光率的要求，可以利用儲(chǔ)能進(jìn)行削峰填谷，降低棄光率，提升光伏消納水平。

波動(dòng)率也是影響電能質(zhì)量的重要因素之一。光伏電站的功率變化受多種因素影響。國家規(guī)定光伏1min內(nèi)上、下波動(dòng)不得超過光伏電站裝機(jī)總?cè)萘康?0%。為了確保光伏電站并網(wǎng)的電能安全質(zhì)量，配置儲(chǔ)能系統(tǒng)可以削減光伏有功功率的變化。

輸送容量是影響光伏電站接入電網(wǎng)條件和調(diào)峰能力的重要因素。由于光伏發(fā)電的間歇性，光伏電站出力為裝機(jī)容量80%以上的概率一般不超過10%。因此，配置一定輸送容量比的輸電線路是較好的選擇。

綜上所述，在大規(guī)模光伏集中式發(fā)電場(chǎng)景中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的影響因素為棄光率、波動(dòng)率與輸送容量，合理配置可以有效提高光伏發(fā)電的消納率、平抑短時(shí)間內(nèi)出力波動(dòng)以及解決跨區(qū)域供需矛盾等，促進(jìn)可再生能源的利用率和電網(wǎng)穩(wěn)定性的提高[4]。

3.1.2 儲(chǔ)能配置的模擬優(yōu)化

敦煌光伏項(xiàng)目將磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)類型，根據(jù)項(xiàng)目所處地理位置與相關(guān)數(shù)據(jù)支持對(duì)儲(chǔ)能相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，并根據(jù)DPC算法進(jìn)行模擬，得出最優(yōu)光伏儲(chǔ)能配置。

設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC（State of Charge，電池荷電狀態(tài)）閾值為10%～90%，即電池的電量使用范圍。電池充、放電效率設(shè)定為87%。一套儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量成本為150萬元/MW·h。系統(tǒng)的功率成本為50萬元/MW。設(shè)定儲(chǔ)能系統(tǒng)的全壽命周期為70%，即儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量衰退到70%時(shí)壽命周期結(jié)束。棄光率指標(biāo)選擇5%、8%，線路容量比為0.3～0.8。計(jì)算結(jié)果分別如圖1、圖2和表2所示。

圖1 電站全年功率輸出曲線

圖2 電站典型日出力曲線

表2 不同參數(shù)下的儲(chǔ)能配置結(jié)果

圖1、圖2是根據(jù)敦煌光伏項(xiàng)目設(shè)定容量進(jìn)行模擬得出的數(shù)據(jù)。由圖1可以看出，2500h～4500h受日照影響輸出功率較高，圖2的曲線表示晴天占比為52.88%，此時(shí)功率是典型的增長(zhǎng)曲線。

敦煌光伏項(xiàng)目設(shè)定容量為10萬kW，由表1可知，當(dāng)聯(lián)絡(luò)線占比為0.5、棄光率為5%、典型日配置容量為24000kW且典型日配置功率為8000kW時(shí)，全年配置容量為114000kW·h，為最優(yōu)配置。

3.2 能量管理系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)

能量管理系統(tǒng)是儲(chǔ)能電站的核心組件，對(duì)儲(chǔ)能電站的高效、安全、穩(wěn)定并可靠運(yùn)行至關(guān)重要。能量管理系統(tǒng)不僅能夠協(xié)調(diào)、控制儲(chǔ)能電站的各子系統(tǒng)，還能最大化利用可再生能源。

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)光儲(chǔ)荷一體化管理，本文將能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3個(gè)層級(jí)。位于第三層的是組網(wǎng)裝置物理層，主要由硬件組成，可對(duì)電壓、電流進(jìn)行基本控制。第二層為設(shè)備級(jí)控制，主要控制第三層，使其電壓穩(wěn)定并平衡系統(tǒng)能量，通過采集信息達(dá)到控制目的。第一層為系統(tǒng)級(jí)控制，通過通信方式對(duì)第二層進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，并對(duì)功率進(jìn)行合理分配，完成能量調(diào)度與最優(yōu)控制。其設(shè)計(jì)框架如圖3所示。通過消除信息孤島，能量管理系統(tǒng)能夠提高儲(chǔ)能電站的運(yùn)營(yíng)效率和可靠性[5]。

圖3 能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

3.2.2 系統(tǒng)阻抗模型設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)光儲(chǔ)系統(tǒng)的阻抗模型時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮單支路的阻抗特性與多支路協(xié)調(diào)工作的阻抗特性，才能實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)工況下的多線路系統(tǒng)控制。系統(tǒng)中單支路與多支路分別對(duì)應(yīng)直流與交流負(fù)荷，為恒功率負(fù)載，如公式（1）所示。

式中：vlo為等效電壓；ilo為等效電流；Plo為等效功率。

由公式（1）可得出系統(tǒng)總阻抗模型，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總阻抗模型

由圖4可以看出，系統(tǒng)的總阻抗模型可對(duì)功率進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。對(duì)阻抗模型與系統(tǒng)的軟、硬件配置進(jìn)行測(cè)試、分析，確定系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，見表3。

表3 系統(tǒng)參數(shù)

3.2.3 功率參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響特性

由表3可以看出，恒功率負(fù)載支路的等效功率Pload為3kW，選取0.5kW、1kW和3kW這3個(gè)梯度繪制環(huán)路增益Tm的伯德圖與奈奎斯特曲線，根據(jù)Middle brook穩(wěn)定性判據(jù)研究Pload參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響。其中Tm為輸出與輸入阻抗的比值，系統(tǒng)穩(wěn)定的判斷依據(jù)是Tm奈奎斯特曲線不包圍（-1，0）點(diǎn)，同時(shí)伯德圖上幅值應(yīng)＜0，結(jié)果如圖5所示。

圖5 恒功率負(fù)載對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定的影響曲線

由圖5（a）可知，當(dāng)Pload由0.5kW升至3kW時(shí)，曲線幅值呈上升趨勢(shì)，表明輸入阻抗與輸出阻抗的比值在減少，此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定富裕度降低。由圖5（b）可知，當(dāng)Pload由0.5kW升至3kW時(shí)，曲線向左側(cè)擴(kuò)展，更接近（-1，0）點(diǎn)，此時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定富裕度降低。綜合分析可知，恒功率負(fù)載的Ceq和Leq為一個(gè)低阻尼的LC環(huán)節(jié)時(shí)，電源裝置與其產(chǎn)生相互作用，Pload的增加會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，因此設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免Pload過高造成的系統(tǒng)穩(wěn)定裕度過低的情況。

4 結(jié)論

本文對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了深入研究，根據(jù)研究情況所得結(jié)論如下。1）各類儲(chǔ)蓄技術(shù)均有各自的優(yōu)、缺點(diǎn)，應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目情況綜合考慮，本項(xiàng)目?jī)?chǔ)能系統(tǒng)選用鋰離子電池中的磷酸鐵鋰電池。2）針對(duì)不同類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)和地理環(huán)境，選擇合適的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行配置。經(jīng)過計(jì)算聯(lián)絡(luò)線占比為0.5，棄光率為5%，典型日配置容量為24000kW，典型日配置功率為8000kW，此時(shí)全年配置容量可達(dá)114000kW·h，為最優(yōu)配置。3）恒功率負(fù)載的和為一個(gè)低阻尼的LC環(huán)節(jié)時(shí)，電源裝置會(huì)與其產(chǎn)生相互作用，Pload的增加會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。