孫慶，何一

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都610072）

摘要：隨著電力工業(yè)發(fā)展，新能源大規(guī)模接入，輸配電系統(tǒng)面臨提高系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性，改善電能質(zhì)量，預(yù)防停電的要求，而儲(chǔ)能是最佳解決方案。該項(xiàng)目擬通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的最新技術(shù)研究，提出適合微網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置及能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，并將相關(guān)研究成果在同類(lèi)光伏電站中推廣。

1光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)簡(jiǎn)介

隨著電力工業(yè)發(fā)展，新能源大規(guī)模接入，輸配電系統(tǒng)面臨提高系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性，改善電能質(zhì)量，預(yù)防停電的要求，而儲(chǔ)能是最佳解決方案。本項(xiàng)目擬通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的最新技術(shù)研究，提出適合微網(wǎng)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置及能量管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，并將相關(guān)研究成果在同類(lèi)光伏電站中推廣。

微網(wǎng)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用主要有以下幾個(gè)方面：

（1）保證系統(tǒng)穩(wěn)定。光伏電站系統(tǒng)中，光伏輸出功率曲線(xiàn)與負(fù)荷曲線(xiàn)存在較大差異，而且均有不可預(yù)料的波動(dòng)特性，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量存儲(chǔ)和緩沖使得系統(tǒng)即使在負(fù)荷迅速波動(dòng)的情況下仍然能夠運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的輸出水平。

（2）能量備用。儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在光伏發(fā)電不能正常運(yùn)行的情況下起備用和過(guò)渡作用，如在夜間或者陰雨天電池方陣不能發(fā)電時(shí)，這時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)就起備用和過(guò)渡作用，其儲(chǔ)能容量的多少取決于負(fù)荷的需求。

（3）提高電力品質(zhì)與可靠性。儲(chǔ)能系統(tǒng)還可防止負(fù)載上的電壓尖峰、電壓下跌和其他外界干擾所引起的電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成大的影響，采用足夠多的儲(chǔ)能系統(tǒng)可以保證電力輸出的品質(zhì)與可靠性。

（4）日常能量?jī)?chǔ)存。在太陽(yáng)輻照度強(qiáng)，負(fù)載較輕的時(shí)候，將多余的太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)，充分吸收太陽(yáng)能的電能。

可見(jiàn)，儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于光伏電站的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠，還是解決諸如電壓脈沖、涌流、電壓跌落和瞬時(shí)供電中斷等動(dòng)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題的有效途徑。另外，儲(chǔ)能系統(tǒng)在電站整體投資中占有相當(dāng)大的比重，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的合理選擇及日常管理對(duì)系統(tǒng)整體經(jīng)濟(jì)性也有舉足輕重的影響，所以必須對(duì)其進(jìn)行深入分析，合理決策。

本項(xiàng)目具體針對(duì)的對(duì)象是阿里光伏電站，該電站位于西藏自治區(qū)阿里地區(qū)行署所在地獅泉河鎮(zhèn)，行政區(qū)化隸屬于西藏阿里地區(qū)噶爾縣，海拔高程4250～4300m。對(duì)外交通僅有公路相通，距拉薩市1752km，距新疆喀什1334km，交通不便。

阿里光伏電站作為西藏首個(gè)大型微網(wǎng)光伏發(fā)電項(xiàng)目，在西藏乃至全國(guó)都具有重要的示范作用，將為全國(guó)其他微網(wǎng)地區(qū)的光伏電站建設(shè)提供寶貴的參考依據(jù)，同時(shí)對(duì)少數(shù)民族地區(qū)經(jīng)濟(jì)也有一定的推動(dòng)作用。

2項(xiàng)目技術(shù)方案

2.1項(xiàng)目總體技術(shù)概述

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種發(fā)電系統(tǒng)。

當(dāng)陽(yáng)光照射到太陽(yáng)電池表面時(shí)，太陽(yáng)電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子－空穴對(duì)。在電池內(nèi)建電場(chǎng)作用下，光生電子和空穴對(duì)被分離，電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，即產(chǎn)生光生電壓。若在內(nèi)建電場(chǎng)的兩側(cè)引出電極并接上負(fù)載，則光生電流從負(fù)載上流過(guò)，從而獲得功率輸出。這樣，太陽(yáng)的光能就通過(guò)太陽(yáng)電池直接轉(zhuǎn)換成了可以付諸實(shí)用的直流電能。

目前光伏發(fā)電主要有三種方式：獨(dú)立混合發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、光伏微網(wǎng)系統(tǒng)。

（1）獨(dú)立混合發(fā)電系統(tǒng)

獨(dú)立混合發(fā)電系統(tǒng)包括電池方陣、蓄電池、電能轉(zhuǎn)化與控制，還會(huì)包括柴油發(fā)電機(jī)和其他發(fā)電電源。在電能充裕時(shí)，將電池方陣及其他發(fā)電源的能量通過(guò)充電控制器存到蓄電池組中；電能缺少時(shí)，將蓄電池中的能力通過(guò)放電控制器經(jīng)電能轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)換成滿(mǎn)足用戶(hù)需要的電源。柴油發(fā)電機(jī)作為冷備用，用于在緊急情況下給負(fù)載供電。

獨(dú)立混合發(fā)電系統(tǒng)是目前偏遠(yuǎn)地區(qū)供電的主要形式，技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，規(guī)模從是幾十W的路燈系統(tǒng)到幾百kW的獨(dú)立混合電站。逆變器與蓄電池充放電控制器技術(shù)也已形成產(chǎn)業(yè)化，功率等級(jí)已形成幾十W到幾十kW系列產(chǎn)品。

（2）并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括低壓并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和高壓并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)由包括電池方陣和并網(wǎng)逆變器組成。目前用于低壓及高壓并網(wǎng)逆變器已有成熟產(chǎn)品，低壓并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器最大單機(jī)容量500kW，而高壓并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器單機(jī)最大容量1MW。并網(wǎng)逆變器為跟隨電網(wǎng)頻率和電壓變化的電流源，功率因數(shù)為1或指令調(diào)節(jié)以電網(wǎng)為支撐，無(wú)法單獨(dú)發(fā)電，在電網(wǎng)中容量受限，輸出功率由光伏輸入決定。

（3）光伏微網(wǎng)系統(tǒng)

光伏微網(wǎng)系統(tǒng)可以與其它電源或電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行。該系統(tǒng)包括電池方陣、常規(guī)并網(wǎng)逆變器、儲(chǔ)能單元、雙向變流器、柴油發(fā)電機(jī)等。

柴油發(fā)電機(jī)與雙向變流器（頻率和電壓可調(diào)）單獨(dú)或聯(lián)合組網(wǎng)，常規(guī)光伏并網(wǎng)雙向變流器（單機(jī)最大幾十kW）可經(jīng)通訊線(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行，同時(shí)進(jìn)行微網(wǎng)能量管理。

目前該系統(tǒng)在德國(guó)、日本等國(guó)的成熟技術(shù)為100～300kW系統(tǒng)，分布式多能源形式互補(bǔ)發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)是目前研究的熱點(diǎn)。國(guó)內(nèi)還處于研究階段。

光伏微網(wǎng)系統(tǒng)中光伏電站可與水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組、柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)組網(wǎng)運(yùn)行。通過(guò)微網(wǎng)能量管理系統(tǒng)保證光伏電站與水輪機(jī)協(xié)調(diào)運(yùn)行為電網(wǎng)輸電。光伏微網(wǎng)系統(tǒng)可以滿(mǎn)足西藏獅泉河電網(wǎng)的需求。

本電站建成投產(chǎn)后，將與獅泉河電網(wǎng)已有4×1600kW水輪發(fā)電機(jī)和4×2500kW柴油發(fā)電機(jī)成一個(gè)水/光/柴的微網(wǎng)系統(tǒng)?？紤]到西藏地區(qū)的天氣變化快，對(duì)光伏電站的出力影響很大。通過(guò)對(duì)羊八井運(yùn)行情況數(shù)據(jù)的采集分析，由于天氣突變，光伏電站的出力最大突降會(huì)至額定出力的35%左右，下面對(duì)裝機(jī)規(guī)模10MWp進(jìn)行分析（由于光伏電站建成后，系統(tǒng)仍然缺電，考慮蓄電池的配置規(guī)模按照1天只應(yīng)對(duì)1～2次突變的情況分析）。

儲(chǔ)能系統(tǒng)在電站整體投資中占有相當(dāng)大的比重，儲(chǔ)能系統(tǒng)容量的合理選擇、設(shè)備選型、主要技術(shù)參數(shù)的確定、運(yùn)行管理等對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性有舉足輕重的影響，所以必須對(duì)其進(jìn)行深入分析，合理選擇。儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理如圖1所示。（電網(wǎng)交流母線(xiàn)上方為光伏電站電池方陣及常規(guī)并網(wǎng)逆變器，下方為蓄電池及雙向逆變器，左側(cè)為水電機(jī)組和柴油發(fā)電機(jī)組，右側(cè)是負(fù)荷端。）

考慮在滿(mǎn)發(fā)的情況下，由于天氣變化，出力突降至額定的35%，需要柴油發(fā)電機(jī)或者水電站承擔(dān)的負(fù)荷波動(dòng)為10MWp的65%，即6.5MW（詳見(jiàn)圖2），考慮此時(shí)獅泉河水電站和系統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)均為冷備用、無(wú)法提供旋轉(zhuǎn)備用容量。所以6.5MW的負(fù)荷均需要由儲(chǔ)能系統(tǒng)補(bǔ)充，在不低頻減載的情況下，考慮一定的裕量，按照7MW的負(fù)荷來(lái)分析。

考慮由儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)責(zé)水輪發(fā)電機(jī)啟動(dòng)期間的電能輸出，儲(chǔ)能系統(tǒng)從光伏電站出力掉落至35%開(kāi)始輸出直到水輪發(fā)電機(jī)滿(mǎn)載滿(mǎn)足7000kW的負(fù)荷需要，由于水輪發(fā)電機(jī)從停機(jī)到滿(mǎn)載約需6min左右時(shí)間，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)能持續(xù)輸出7000kW的能量，并維持10min?？紤]最?lèi)毫拥墓ぷ鳡顟B(tài)，需要儲(chǔ)能系統(tǒng)在未能進(jìn)行充電的條件下進(jìn)行連續(xù)2次放電，并且考慮到項(xiàng)目所處地交通不便，不宜經(jīng)常進(jìn)行儲(chǔ)能元件的維護(hù)和更換，使得方案對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)配置容量及運(yùn)行壽命提出了較高的要求。

2.2儲(chǔ)能系統(tǒng)方案策劃

目前全球電力儲(chǔ)能技術(shù)主要有物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能和電磁儲(chǔ)能三大類(lèi)。

物理儲(chǔ)能中最成熟的方案是抽水蓄能，其能量轉(zhuǎn)換效率約為75%，主要用于電力系統(tǒng)的削峰填谷、調(diào)頻調(diào)相等。抽水蓄能電站的建設(shè)對(duì)當(dāng)?shù)氐匦?、水文等有較高的要求，針對(duì)獅泉河地區(qū)，建設(shè)周期、成本及難度均偏大，不能適應(yīng)短期內(nèi)與光伏電站協(xié)同運(yùn)行的要求。

物理儲(chǔ)能中還有一種類(lèi)型是飛輪儲(chǔ)能，其特定是壽命長(zhǎng)、無(wú)污染，但是能量密度較低，不適合單獨(dú)作為大型儲(chǔ)能系統(tǒng)。

電磁儲(chǔ)能目前發(fā)展較受成本制約，如超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能等，成本高且技術(shù)不夠成熟，不具備大規(guī)模推廣的價(jià)值。

化學(xué)儲(chǔ)能是目前針對(duì)該項(xiàng)目較為成熟的方案，化學(xué)儲(chǔ)能主要有鈉硫電池儲(chǔ)能、液流電池儲(chǔ)能、磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能、鉛酸電池儲(chǔ)能及超級(jí)電容器等多種形式。

鈉硫電池具有能量密度大、充電效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是由于需要在高溫下工作，具有一定的安全隱患，而且生產(chǎn)工藝復(fù)雜，目前專(zhuān)利權(quán)主要掌握在日本公司手中，成本相對(duì)較高。

液流礬電池具有能量密度較高，放電深度可達(dá)100%的優(yōu)點(diǎn)，但是由于正負(fù)極電解液容易交叉污染，對(duì)環(huán)境影響較大，目前還需解決一些問(wèn)題后方可大規(guī)模推廣。

超級(jí)電容器儲(chǔ)能一般作為快速響應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，由于能量密度低及單位成本高，不適合整體作為大型儲(chǔ)能系統(tǒng)配置，可作為大型儲(chǔ)能系統(tǒng)的補(bǔ)充。

鉛酸蓄電池是目前最為成熟的儲(chǔ)能系統(tǒng)方案，具有技術(shù)成熟、成本低廉、可構(gòu)建大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。但是其對(duì)運(yùn)行溫度要求較高，且儲(chǔ)能密度低，放電深度低（常規(guī)放電深度應(yīng)不超過(guò)30%，特殊運(yùn)用也不應(yīng)超過(guò)50%），充放電次數(shù)有限的缺點(diǎn)，制約了在大型儲(chǔ)能系統(tǒng)，特別是氣候惡劣、交通不便的西部微網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用。鉛酸蓄電池在制作過(guò)程中產(chǎn)生的酸霧也對(duì)環(huán)境造成污染，不利于環(huán)保方面的要求。

磷酸鐵鋰電池是近幾年發(fā)展較為迅速的一類(lèi)電池，由于其具有能量密度較高、循環(huán)壽命較長(zhǎng)、放電深度較大、放電電流大的特點(diǎn)，被大家所看好。目前如比亞迪等公司，首先將其用于電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能系統(tǒng)里，并逐步推廣至電力系統(tǒng)的大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中。磷酸鐵鋰電池正常運(yùn)行時(shí)放電深度可達(dá)80%以上，其成組后的充放電次數(shù)也能達(dá)到1500次以上，非常適合作為需要頻繁充放電的系統(tǒng)。但是磷酸鐵鋰電池對(duì)充放電系統(tǒng)控制的要求較高，這也在一定程度上制約了其發(fā)展。

根據(jù)本工程的實(shí)際情況，若選擇鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能元件，按放電深度40%分析，同時(shí)考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，需配?000kVAh的單體蓄電池。若選擇磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能元件，放電深度按80%算，只需配置3500kVAh的磷酸鐵鋰電池，鑒于目前磷酸鐵鋰電池與鉛酸蓄電池的價(jià)格比約為2︰1，初始投資相當(dāng)。但考慮到運(yùn)行方式每天一至兩次深度放電的要求，并綜合考慮維護(hù)及更換蓄電池的費(fèi)用，磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢(shì)較為明顯。本工程推薦采用磷酸鐵鋰電池構(gòu)建儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2.3儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行方式確定

根據(jù)本工程對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的要求，在光伏電站出力下降時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)能輸出足夠多的電能，并支撐系統(tǒng)電壓。目前針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)配套的逆變器均為電流源型雙向逆變器，此類(lèi)逆變器僅能根據(jù)系統(tǒng)電壓模擬出與之相同的電壓波形，輸出電流，而無(wú)法支撐系統(tǒng)電壓。而電壓源型雙向逆變器目前存在單體容量過(guò)小，而且不能并聯(lián)運(yùn)行的缺點(diǎn)，僅能滿(mǎn)足小規(guī)模電站的使用，無(wú)法應(yīng)用于阿里地區(qū)的大型微網(wǎng)項(xiàng)目中。

由于工程建設(shè)周期要求緊迫，在目前大容量可并聯(lián)電壓源型雙向逆變器技術(shù)瓶頸尚未攻克的客觀(guān)條件下，只能先期采用電流源型雙向逆變器作為備用方案，在光伏電站出力下降時(shí)，由獅泉河水電站提供電壓支撐，儲(chǔ)能系統(tǒng)僅作為提供電能的電源。待大容量可并聯(lián)電壓源型雙向逆變器技術(shù)成熟后，進(jìn)行技術(shù)改造，以保證獅泉河電網(wǎng)的運(yùn)行穩(wěn)定，同時(shí)還需對(duì)調(diào)度中心進(jìn)行改造，以滿(mǎn)足多種電源模式同時(shí)調(diào)度的要求。

3結(jié)論

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，風(fēng)電、光電等新能源在電力系統(tǒng)中所占的比重越來(lái)越高，由于新能源發(fā)電出力的不確定性及不可調(diào)度性，對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定帶來(lái)了一定的隱患。世界各國(guó)對(duì)新能源發(fā)電容量在電網(wǎng)所占的比例提出了要求，一般規(guī)定不得超過(guò)整個(gè)電網(wǎng)容量的10%～15%。由于我國(guó)風(fēng)、光資源較好的地區(qū)，恰好是電網(wǎng)較為薄弱的地區(qū)，這使得新能源在這些地區(qū)的發(fā)展遇到了技術(shù)瓶頸。大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究，對(duì)于新能源與電網(wǎng)穩(wěn)定的問(wèn)題，提出了一個(gè)切實(shí)可行的解決之道，對(duì)于將來(lái)智能電網(wǎng)的構(gòu)建，也起到了關(guān)鍵的作用。隨著各類(lèi)型儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展，必將使今后的電網(wǎng)更環(huán)保、更穩(wěn)定、更可靠。

參考文獻(xiàn)

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