儲能技術在風光發電系統中的應用

王建寶 巫 卿 王 瑾 古婷婷 陳德慧

（中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院，貴陽 550081）

隨著化石能源的枯竭，風能和太陽能為代表的新能源發電以其取之不盡用之不竭的特點，得到前所未有的發展。但由于風能、太陽能發電技術受天氣變化影響較大，且具有不可控性，因此，新能源發電要取代傳統能源發電并實現大規模并網，對電網的沖擊影響是不可忽視的。儲能系統在實際運行過程中可參與電網削峰填谷、系統調頻及無功控制等，可以減小風光發電對電網穩定運行的影響。

1 儲能電池的選擇

儲能電池的選型應符合以下原則：容易實現多方式結合、安全可靠運行、快速響應及大倍率充放電能力、高效率、易于維護及符合環境保護等特點。

目前儲能方式主要有物理儲能、化學儲能和其他儲能形式3大類[1]。物理儲能主要包括抽水蓄能及飛輪儲能等；化學儲能主要包括鉛酸電池、鋰電電池、鈉硫電池及超級電容儲能等；其他儲能有超導電磁儲能等。抽水蓄能由于受地形及水文等因素制約，不適合短期及就近與風光發電相結合；飛輪儲能技術具有壽命長、無污染特點，但由于能量密度低，不適合建大型儲能電站。超導儲能技術成本高且技術不夠成熟不具備大規模推廣價值。化學儲能技術目前較成熟，應用也最為廣泛，鉛酸電池是目前成熟的電池，價格低廉，但由于其對運行穩定要求較高，且儲能密度及放電深度低，循環次數少等缺點而受限；鈉硫電池具有能量密度大、充電效率高優點，但其在高溫環境中工作具有一定的安全隱患，而且生產工藝復雜成本高，不適合大規模應用；超級電容具有壽命長，快速充放電等優點，但其能量密度只有鉛酸電池 1/10左右，從而限制了其大規模發展。磷酸鐵鋰電池是近幾年發展較為迅速的一類電池，由于其能量密度較高、循環次數較長、放電深度較大、達到電流大的特點，被廣泛的應用與儲能系統中。

2 儲能電站的設計

2.1 風光互補儲能電站結構

夏季光照強度較大，風較小；冬季太陽光照強度較弱而風大；白天光照強，晚上風力較大，風能和太陽能具有較強的互補性。風光互補系統可以有效彌補風電與光伏獨立發電系統在自然資源上的缺陷。在風光互補系統中配置一適當容量的儲能電站，通過儲能電站能量管理系統有效控制，可以有效平抑風光互補發電系統電能波動性，不僅實現風光發電大規模并網，且可以減小新能源并網對電網的沖擊。

圖1 風光儲系統結構圖

2.2 儲能容量的選擇

目前，國內外已經開展對新能源發電系統中儲能裝置容量配置的研究，但都處于起步階段。文獻[2]針對風光互補系統提出基于遺傳算法的混合儲能系統容量優化設計方法，文獻[3]提出一種基于隨機模擬遺傳算法的飛輪-蓄電池儲能容量優化配置方法；上述兩種方法均有效地提高了儲能系統的經濟性，但是研究只針對獨立負荷供電系統。根據日本研究者提出的平滑時間常數-電池容量特性和平滑時間常數-系統輸出效率特性的方法[4]，依據成本/性能比得出最佳電池容量。儲能容量占風光裝機容量15%～30%，儲能時間1.5h以上時，可以使風光發電輸出波動值小于10%。

2.3 儲能裝置設計

1）儲能模塊設計

儲能電站由若干電池陣列串并聯組成，目前國內生產的鋰電池容量從幾十Ah到幾百Ah，最小的有35Ah，最大到500Ah。電池組串聯數量根據PCS直流側輸入電壓范圍確定，而后由儲能模塊容量確定需要并聯的電池串數量，電池串并聯后構成一個儲能電池模塊。

2）儲能雙向逆變器（PCS）

PCS功率處理單元主要由 DC/AC功率模塊、EMC濾波器及控制處理單元組成。電池組單元輸出直流電壓經三相橋式變換器變換為正弦波交流電，再通過接觸器及交流 EMC濾波器送入交流控制單元。控制單元通過對電池組直流電壓及交流電網電壓進行采樣，在算法控制下輸出 PWM脈沖信號驅動逆變器橋可靠運行。拓撲結構如圖2所示。

圖2 PCS拓撲結構圖

2.4 儲能電站能量管理系統

1）電池管理系統功能[5]

（1）均衡管理功能

多個電池串聯在一起使用時，如果電池之間的容量失配將會影響整個電池串的容量，當電池不均衡時，電池串的可用容量將減少，其中容量最低的電池將決定電池串的總容量，為此需要對失配的電池進行均衡。

（2）絕緣檢測功能

每套電池管理系統均配備了絕緣檢測設備（IMD），該設備主要用于檢測直流系統動力回路與大地之間的絕緣特性，當系統動力回路對地出現絕緣等級降低的情況時，絕緣檢測設備能及時向BSMU發出相應的報警信號，BSMU則禁止電池串進行充電或放電。

（3）檢測功能

（4）統計存儲功能

（5）充放電管理功能

電池管理系統根據電池串當前的溫度、SOC、SOH判斷電池狀態，決定電池最大允許的充電電流和放電電流，同時將信息發送給充放電設備 PCS，使PCS根據接收的信息判斷和控制運行功率，達到對電池性能的安全的保護。

2）電池管理系統設計

BMS電池管理系統包括：電池管理單元（BMU）、電池管理系統網關單元（BGU）、電池管理系統控制單元（BECU）、電池管理系統堆電池管理單元（BSMU）。實現電池狀態監視、運行控制、絕緣監測、均衡管理、保護報警及通訊功能，確保系統正常、可靠、穩定的運行。

3）電池管理系統原理及特點

電池管理系統實時檢測電池串內單體電池電壓和溫度、電池組電流以及計算電池組的SOC，SOH，檢測絕緣狀況，與上位機通信、發送告警信息、進行保護動作，電池均衡等功能，其結構示意圖如圖3所示。

圖3 電池管理系統拓撲示意圖

3 應用結果

國家電網張北風光儲示范電站，風機裝機容量98.5MW，光伏容量 40MW，儲能電站設計為功率20WM，容量95WMh。平滑出力、跟蹤計劃、儲能調頻及削峰填谷幾種運行結果如圖4所示，圖中①（風力發電曲線）、②（光伏發電曲線）、③（風光互補發電曲線）、④（儲能裝置出力曲線）、⑤（風光儲電站運行曲線），由圖可見，在儲能電站的調節作用下，風光發電系統輸出波形平穩，且可以跟蹤設計功率曲線并達到削峰填谷的目的。

圖4 風光儲電站運行結果圖

4 結論

隨著新能源產業快速發展，風電及光伏發電將在電網中比例逐步增大，為了降低其發電出力的不確定性及不可調度性給電網帶來的沖擊，加強大規模儲能系統的研究，對于風光發電技術的發展及電網穩定的問題，能起到很大的促進作用，對于將來構建智能電網也可以起到關鍵的作用。

由張北風光儲示范電站及我院設計的西藏阿特斯20MW光伏項目可以得到，在儲能電站容量按照新能源電站20%裝機，儲能時間1.5h設計，及可以滿足風光發電系統輸出波形平穩，且可以跟蹤設計功率曲線并達到削峰填谷的目的。如果儲能電池功率小于20%，則可以將儲能時間延長，使得儲能電站滿足要求。

[1] 張文亮,丘明,來小康.儲能技術在電力系統中的應用[J].電網技術,2008(7).

[2] 吳紅斌,陳斌,郭彩云.風光互補發電系統中混合儲能單元的容量優化[J].農業工程學報, 2011(4).

[3] 程苗苗, 康龍云,徐大明, 孫耀杰.風光復合發電系統中儲能單元的容量優化設計[J].電氣應用,2006(6).

[4] SHIJI W, RYOHEI O.An investigation on optimal battery capacity in wind power generation system[R].Dept.of EE&Bioscience Waseda University,Tokyo,Japan.

[5] 李娜,白愷.磷酸鐵鋰電池均衡技術綜述[J].華北電力技術,2012(2).