電池儲能系統(tǒng)聯(lián)合光伏電站運行研究

劉浩

摘 要：電池儲能技術是種新的電能存儲技術，具備響應速度快、配置靈活性高等特點，適合應用于大規(guī)模新能源發(fā)電。儲能聯(lián)合新能源運行具有平滑功率輸出，保障電力系統(tǒng)供電穩(wěn)定性等功能，在促進新能源消納，降低棄風率、棄光率中非常重要。隨著我國對光伏電站運行的不斷發(fā)展，在發(fā)展的過程中，電池儲能系統(tǒng)聯(lián)合光伏電站運行不斷進行改革、創(chuàng)新、研究與實踐，進而得到全方位發(fā)展。文章通過對儲能系統(tǒng)的接入方式、聯(lián)合運行和安全性進行研究，論證了光儲聯(lián)合運行的可行性和可靠性。

關鍵詞：電池儲能系統(tǒng);光伏電站;聯(lián)合運行

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2020）10-050-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.10.025

光伏發(fā)電是目前應用最廣的新能源發(fā)電之一，具有綠色、環(huán)保、無污染、可循環(huán)利用等優(yōu)點。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在秒級時間內(nèi)可達10%左右，如此短時的波動給電網(wǎng)的暫態(tài)平衡帶來了不小的挑戰(zhàn)，光伏的短時劇烈波動對于電網(wǎng)較弱的地區(qū)甚至會導致大面積停電事故。在光伏電站配置儲能系統(tǒng)，通過統(tǒng)一控制調(diào)度，可實現(xiàn)不同的控制策略和運行方式下的能量搬移、削峰填谷、平滑出力、跟蹤計劃等不同功能需求。

1 電池儲能系統(tǒng)的作用

其能增加備用容量，提高電網(wǎng)的安全穩(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)遇到大的擾動時，儲能裝置可以在瞬時吸收或釋放能量，避免系統(tǒng)失穩(wěn)，恢復正常運行。

提高用電質(zhì)量。通過儲能系統(tǒng)的快速充放電調(diào)節(jié)，將被限制電量存儲起來，并在滿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)電小時數(shù)和整體收益[1]。

2 儲能系統(tǒng)接入與運行研究

2.1 儲能系統(tǒng)接入研究

現(xiàn)場光伏電站的光伏逆變器交流輸出電壓為400V。2個逆變器交流通過交流低壓柜后，接入1000/500-500kVA的分裂變壓器，升入35kV系統(tǒng)，通過并網(wǎng)開關將光伏電能送入公網(wǎng)。低壓交流母排電壓為400V，便于逆變器和儲能變流器（Power Conversion System，PCS）交流互聯(lián)，省去35kV升壓變和高壓開關柜等設備投入，也避免設備接入造成的停電影響。

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

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

儲能系統(tǒng)額定功率為0.5MW，容量為1MWh，可滿功率運行2h。儲能系統(tǒng)由2個0.25MW/0.5MWh儲能子系統(tǒng)組成，每個子系統(tǒng)包括電池組、變流器、測量、計量、保護、通信、控制等部分。儲能系統(tǒng)掛在交流低壓側，即為站內(nèi)管理、站內(nèi)運行、站內(nèi)調(diào)度，便于高效運行和管理[2]。

2.2 儲能系統(tǒng)運行研究

基于光儲系統(tǒng)整體的控制策略和算法，為充分發(fā)揮儲能在電能調(diào)節(jié)方面的優(yōu)勢和能力，儲能系統(tǒng)宜采用不同的控制運行方式。根據(jù)光伏電站自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）調(diào)控情況，儲能系統(tǒng)可實時參與AGC調(diào)度，與光伏逆變器并聯(lián)運行，通過淺充淺放實現(xiàn)對光伏發(fā)電的存儲、放出，實現(xiàn)AGC削峰填谷，達到節(jié)電效果，提高光伏電站上網(wǎng)電量。

之所以考慮淺充淺放的策略，是為了能夠更大可能地延長鉛酸蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)。淺充淺放可以極大延長鉛酸蓄電池的循環(huán)次數(shù)，有效延長蓄電池的使用壽命[3]。

同時，蓄電池室要考慮溫度問題。鉛酸蓄電池溫度升高會損壞電池，降低電池的使用壽命，當環(huán)境溫度超過25℃時，溫度每升高10℃，電池使用壽命將減少一半，如電池設計壽命在25℃為10年，在35℃下長期運行，壽命只有5年。有如下公式：

L25=LT×2（T-25）/10

其中：T為電池實際運行時的環(huán)境溫度;LT為在環(huán)境溫度為T時，電池的設計壽命;L25為在環(huán)境溫度為25℃時，電池的設計壽命。

從公式可知，環(huán)境溫度的升高，將加速電池板柵的腐蝕和電池水分的損失，從而大大縮短電池壽命。應該控制電池使用的環(huán)境溫度，當熱量積累到一定程度后會損壞電池，嚴重時會引起熱失控。若室內(nèi)溫度過高則采取通風等措施來改善環(huán)境溫度，電池安裝間距不要低于10mm，同時按電池要求調(diào)節(jié)電池的浮充電壓和均充電壓值。因此，溫度若偏高，需要采取措施控制蓄電池室溫度在最佳工作狀態(tài)。若溫度偏低，蓄電池的容量同樣會減少，在設計時需要考慮。

2.3 光儲聯(lián)合運行功率特性研究

逆變器光伏功率發(fā)電趨勢。綜合AGC實際調(diào)度控制情況，在天氣良好且光伏不限電情況下，單臺500 kW逆變器在7點左右開始并網(wǎng)發(fā)電，此刻AGC調(diào)度將控制光伏電站整體有功功率，儲能系統(tǒng)同時接受站內(nèi)AGC統(tǒng)一調(diào)度運行。早上8點40分左右，光伏逆變器即可發(fā)出有功250 kW以上，即當AGC限電發(fā)生時，PCS即可全額滿功率參與AGC調(diào)峰運行，進行充電運行，保證儲能系統(tǒng)的容量得到高效利用[4]。光伏逆變器較長時間運行在400 kW左右，大于PCS250 kW額定功率，儲能變流器將長時間具備滿功率充電運行條件，有利于提高儲能系統(tǒng)利用率。

光儲聯(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，并結合逆變器和儲能系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)，經(jīng)過算法計算確定優(yōu)先調(diào)度的光伏逆變器和儲能系統(tǒng)的相應AGC調(diào)度指令;逆變器和儲能系統(tǒng)按各自接收的AGC調(diào)度指令進行出力控制;儲能系統(tǒng)反饋狀態(tài)和運行情況等信號。

針對不同的限電狀態(tài)，為實現(xiàn)出力最大化并滿足電網(wǎng)功率調(diào)度技術要求，光儲聯(lián)合AGC運行應采用不同的運行模式和控制策略。

移峰運行。當光伏限電后，儲能系統(tǒng)將轉(zhuǎn)移儲存限發(fā)的多余光伏電量，待滿足外送條件且不越過限電目標值時，儲能系統(tǒng)再將儲存的電量放出，送入電網(wǎng)。此時，儲能系統(tǒng)電池宜采用0.5C充放電的控制運行模式，既能保障全額發(fā)揮儲能系統(tǒng)容量，又能保證儲能系統(tǒng)電池壽命和活性狀態(tài)。

限電跟蹤運行。當光伏限電后，出現(xiàn)多云天氣，光伏出力在限電功率上下波動，儲能系統(tǒng)跟蹤光伏發(fā)電情況進行充放電調(diào)節(jié)，使得總出力在控制后不會越過限電目標值，并最大限度減少棄光。此時，儲能系統(tǒng)電池宜采用0.5C充放電的控制運行模式，保證儲能系統(tǒng)電池活性。

2.4 儲能AGC系統(tǒng)聯(lián)合運行相關改造工作

在光伏電站加入儲能系統(tǒng)后，電能可實現(xiàn)雙向流動，為防止電能倒灌入光伏逆變器造成設備損壞，光伏逆變器需進行防逆流改造。

針對既有光伏電站的系統(tǒng)架構，綜合考慮接入的復雜性、安全性和經(jīng)濟性，儲能子系統(tǒng)宜接入箱變低壓側交流開關下端口，這樣可保證光伏和儲能的聯(lián)合總輸出功率小于變壓器功率限制，保證安全經(jīng)濟運行。

現(xiàn)有的光伏電站AGC子站也需做相應的后臺改造工作：將逆變器的出力信號和儲能裝置的出力信號疊加后作為光儲聯(lián)合出力反饋信號;儲能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)應與光伏電站內(nèi)AGC調(diào)度子站以約定的通訊協(xié)議進行通訊，獲取實時運行數(shù)據(jù)和調(diào)度數(shù)據(jù)。

3 儲能電站安全研究

3.1 故障情況

為降低光伏電站加裝儲能裝置后發(fā)生故障時對電網(wǎng)的影響，應在光儲聯(lián)合出力并網(wǎng)點處加裝1套故障解列裝置，含低頻、低壓、高頻、高壓解列功能。當光儲電站與并網(wǎng)系統(tǒng)的電網(wǎng)失壓時，能夠在規(guī)定的時限內(nèi)將該儲能電站與電網(wǎng)斷開，防止出現(xiàn)孤島效應，避免對并網(wǎng)點造成影響，保護動作后跳開儲能電站并網(wǎng)開關。

3.2 電池系統(tǒng)安全

儲能系統(tǒng)采用的磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命達到5000次以上，是目前使用最佳的理想動力能源。同時，儲能系統(tǒng)應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)等來保障儲能系統(tǒng)的安全可靠運行，并在出現(xiàn)安全事故時盡量減少損失。

3.3 電能質(zhì)量

儲能系統(tǒng)由電池組、變流器、測量通信等部分以及配電系統(tǒng)組成。由于儲能系統(tǒng)的一些特點，交直流轉(zhuǎn)變裝置接入電網(wǎng)時對系統(tǒng)有一定的不利影響。在儲能系統(tǒng)并網(wǎng)前，需完成《電能質(zhì)量評估報告》并提交電力部門審批通過，同時儲能系統(tǒng)實際并網(wǎng)時需進一步測量其諧波電流（電壓），使之滿足國家標準規(guī)定。

3.4 環(huán)境安全因素

在北方高原和海上是光能資源最多的地方，這種高原和海上的環(huán)境條件極其惡劣，所以這種惡劣的環(huán)境也要著重注意。這種惡劣壞境下，對于光伏電站的建設有很大的挑戰(zhàn)，建設完成后儲能也是一種問題。如果出現(xiàn)了問題，會很大程度導致電網(wǎng)不能正常運轉(zhuǎn)，對于這種情況要嚴加注意。

參考文獻

[1] 朱文韻.全球儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展動態(tài)綜述[J].上海節(jié)能，2018（01）：2-8.

[2] 李岱昕，張靜.首個產(chǎn)業(yè)政策發(fā)布助推中國儲能邁向商業(yè)化[J].電器工業(yè)，2017（11）：42-44.

[3] 李建林，馬會萌，惠東.儲能技術融合分布式可再生能源的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電工技術學報，2016（31）：18-20.

[4] 姜子卿，郝然，艾芊.基于冷熱電多能互補的工業(yè)園區(qū)互動機制研究[J].電力自動化設備，2017，37（06）：24-26.