光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

解 磊，王建基，耿 敏，李子凱

（國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司，山東 臨沂 276000）

0 引 言

為了滿足現(xiàn)代人的用電需求，實(shí)現(xiàn)提高站內(nèi)清潔能源利用比率和節(jié)能減排的目的。國網(wǎng)山東省電力公司臨沂供電公司計(jì)劃在現(xiàn)有充電站上，通過增建光伏雨棚、鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)等，組成一個(gè)小型光儲(chǔ)充一體化示范充電站。該光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)項(xiàng)目對(duì)開展研究分布式發(fā)電、優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)以及建設(shè)智能電網(wǎng)具有十分重要的意義。

1 光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目為臨沂供電公司發(fā)起，計(jì)劃在現(xiàn)有充電站基礎(chǔ)上，通過增建光伏雨棚、鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)和能量管理系統(tǒng)等，建設(shè)一座小型光儲(chǔ)充一體化示范充電站。該電站主要包含以下幾個(gè)部分：20 kWp雨棚光伏發(fā)電系統(tǒng)；50 kW×2 h儲(chǔ)能系統(tǒng)；能量管理系統(tǒng)。其中，20 kWp雨棚光伏發(fā)電系統(tǒng)需改造原車位雨棚的結(jié)構(gòu)。

2 光儲(chǔ)充一體化電站的設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

光伏發(fā)電是最常見的清潔能源，由于受外界環(huán)境等因素的影響較大，所以發(fā)電具有間歇性特點(diǎn)。為此，需要利用儲(chǔ)能系統(tǒng)組成光儲(chǔ)充一體化電站，以使之變?yōu)榭烧{(diào)度的能源。在光儲(chǔ)充一體化電站具體設(shè)計(jì)中，一方面要兼顧電網(wǎng)可靠運(yùn)行需求和充電站經(jīng)濟(jì)性運(yùn)營(yíng)需求，另一方面要充分結(jié)合儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷的功能，找出最合理的用電策略，以提高經(jīng)濟(jì)效益[1]。例如，在用電高峰時(shí)段，可以由光伏發(fā)電或儲(chǔ)能系統(tǒng)向充電站運(yùn)營(yíng)提供供給；在用電平谷時(shí)段，可以由光伏發(fā)電和市電向充電站運(yùn)營(yíng)和儲(chǔ)能提供供給。

2.2 設(shè)計(jì)原理

分布式光伏并網(wǎng)發(fā)出的電經(jīng)過光伏逆變器轉(zhuǎn)變成系統(tǒng)交流電，并通過儲(chǔ)能系統(tǒng)為鋰電池充電，也可直接給電動(dòng)汽車充電。儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)雙向變流器實(shí)現(xiàn)放電，為充電樁和相關(guān)負(fù)荷提供所需功率實(shí)現(xiàn)能量交換[2]。信息采集模塊采集電網(wǎng)、光伏逆變器、電池管理系統(tǒng)以及雙向變流器等實(shí)時(shí)運(yùn)行的信息，并上傳至能量管理系統(tǒng)。能量管理系統(tǒng)通過智能控制策略智能調(diào)度電網(wǎng)、光伏、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及充電樁之間的電力。

2.3 設(shè)計(jì)原則

2.3.1 結(jié)構(gòu)合理，安全可靠

光儲(chǔ)充一體化電站在設(shè)計(jì)中要遵循結(jié)構(gòu)合理、安全可靠的原則。當(dāng)分布式電源接入電網(wǎng)后，由于電網(wǎng)從單一受電結(jié)構(gòu)變?yōu)槎嚯娫唇Y(jié)構(gòu)，會(huì)給電力系統(tǒng)的電壓、諧波以及繼電保護(hù)等帶來較大影響。應(yīng)根據(jù)電源容量合理選擇接入的電壓等級(jí)和接入方式，配合必要的控制手段，盡可能減少分布式電源接入給電網(wǎng)帶來的不利影響。由于分布式電源接入對(duì)電網(wǎng)而言是一種不可控源，針對(duì)特殊情況下的分布式電源并網(wǎng)問題，電力系統(tǒng)往往會(huì)采用隔離方式進(jìn)行處理，制約了分布式能源的消納利用，不易于提高供電的可靠性[3]。為了解決這一問題，可以采用先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)，將儲(chǔ)能系統(tǒng)和分布式電源作為一個(gè)整體。

2.3.2 提高能效，綠色環(huán)保

光儲(chǔ)充一體化電站在設(shè)計(jì)中要遵循提高能效、綠色環(huán)保的原則。要充分完善和不斷優(yōu)化分布式電源的運(yùn)行和管理，使之成為電動(dòng)汽車充電站清潔電力來源的有效載體，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。優(yōu)化分布式電源可促進(jìn)能源的梯次利用，使能源結(jié)構(gòu)變得更加合理，提升充電站在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)中的功能和作用。這一設(shè)計(jì)充分體現(xiàn)了智能電網(wǎng)綠色環(huán)保的建設(shè)理念，能夠滿足國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展戰(zhàn)略的迫切要求。

3 光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè)

光伏發(fā)電系統(tǒng)主要有太陽能電池陣列、匯流箱和光伏逆變器等部分組成。為了提高裝機(jī)容量，增強(qiáng)裝機(jī)的美觀性和合理性，建設(shè)中在充電樁雨棚的表面平鋪安裝了太陽能電池組件，用來實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電。單車位雨棚的相關(guān)參數(shù)為：投影面積22.75 m2，車位和附屬組件總面積為364 m2，總功率60 kWp。將光伏組件進(jìn)行串并聯(lián)組合匯流后連接到光伏逆變器上，再輸出到380 V交流母線上。此外，需要在系統(tǒng)二次線纜處加裝計(jì)量關(guān)口表和二次測(cè)控裝置[4]。

3.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)部分組成：50 kW×2 h鋰電池、電池管理系統(tǒng)、50 kW雙向變流器等。鋰電池采用磷酸鐵鋰電池。充電站的占地面積較小，但是需要較大的瞬時(shí)功率輸出，所以要求電池儲(chǔ)能系統(tǒng)擁有較高的比能量和較好的倍率充放電性能。磷酸鐵鋰電池正滿足這一要求，且具有容量高、輸出電壓高、輸出電壓穩(wěn)定、安全可靠、充放電循環(huán)性能好以及循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。電池管理系統(tǒng)分為三級(jí)架構(gòu)，電池先由從控單元采集信息后上傳至主控單元，再由各主控單元匯總信息，并統(tǒng)一由總控單元和雙向變流器進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池組的充放電。雙向變流器采用50 kW雙極式變流器進(jìn)行電池組的充放電，其中直流側(cè)接至電池組，交流側(cè)接至380 V交流母線，通過配置負(fù)荷開關(guān)和二次測(cè)控裝置，用于采集能量管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和測(cè)控投切，并響應(yīng)能量管理系統(tǒng)的需求。儲(chǔ)能系統(tǒng)在建設(shè)時(shí)采用集裝箱安裝方式。

3.3 能量管理系統(tǒng)的建設(shè)

能量管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤微電網(wǎng)正常運(yùn)行狀態(tài)下的功率，平滑供給充電站正常用電、消峰填谷、管理儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電以及微電網(wǎng)間功率的交換。在微電網(wǎng)孤島運(yùn)行方式下，能量管理系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)儲(chǔ)能提供標(biāo)準(zhǔn)電壓和頻率，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各電源間功率的平衡分配，有效保證孤網(wǎng)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行和充電站供電的穩(wěn)定性。當(dāng)外部電網(wǎng)系統(tǒng)恢復(fù)正常后，能量管理系統(tǒng)能夠通過跟蹤系統(tǒng)的電壓和頻率，帶動(dòng)孤網(wǎng)系統(tǒng)及時(shí)并入主網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行[5]。一般的能量管理策略為：每天一個(gè)循環(huán)，延長(zhǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命；最大限度地消納光伏發(fā)電；峰值功率不超過設(shè)定值，以減小對(duì)電網(wǎng)的沖擊；盡量采用低谷或平時(shí)電量。

能量管理系統(tǒng)的運(yùn)行模式主要有三種。第一種，并網(wǎng)運(yùn)行。由光伏系統(tǒng)將發(fā)電量并入電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)清潔能源并網(wǎng)發(fā)電；儲(chǔ)能系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)光伏發(fā)電峰值功率進(jìn)行平抑，以確保母線電壓、頻率符合相關(guān)要求。第二種，離網(wǎng)運(yùn)行。由儲(chǔ)能系統(tǒng)作為主電源建立電壓和頻率，在能量管理系統(tǒng)的控制下，保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行。合理調(diào)節(jié)電量的使用，當(dāng)光伏發(fā)電量大于站內(nèi)負(fù)荷時(shí)，可以將多余的電量作為儲(chǔ)能存儲(chǔ)，有效提高能源的利用率。第三種，分時(shí)段離并網(wǎng)主動(dòng)切換運(yùn)行。系統(tǒng)根據(jù)用電的高、低峰時(shí)段進(jìn)行離并網(wǎng)定時(shí)切換，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分時(shí)段運(yùn)行，降低用電成本。

4 光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)的安全保障措施

4.1 設(shè)備安全

確保光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)過程中使用的一切設(shè)備都選自正規(guī)廠家，質(zhì)量合格，性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且具備相關(guān)檢測(cè)報(bào)告。廠家必須按照相關(guān)要求提供設(shè)備說明書、故障排查維修手冊(cè)和質(zhì)量合格證書等。所有設(shè)備操作人員都必須要經(jīng)過專業(yè)培訓(xùn)，具備上崗資格，且嚴(yán)格遵守操作規(guī)范進(jìn)行操作。此外，要對(duì)設(shè)備進(jìn)行定期檢修和維護(hù)。

4.2 系統(tǒng)安全

光伏發(fā)電系統(tǒng)的雨棚需進(jìn)行特殊加固處理，確保其滿足承重、防風(fēng)等要求。要加強(qiáng)無功調(diào)度和諧波治理工作，減少光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)的污染。要重點(diǎn)維護(hù)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的電池組，按要求配套消防系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)，做好防火、降溫等工作。充電系統(tǒng)必須滿足國網(wǎng)相關(guān)典設(shè)方案。另外，要建立健全微電網(wǎng)運(yùn)行、監(jiān)控系統(tǒng)，從而有效地監(jiān)控能量管理系統(tǒng)。

4.3 施工安全

在光儲(chǔ)充一體化電站項(xiàng)目的實(shí)際施工過程中，要明確責(zé)任主體，加強(qiáng)對(duì)方案設(shè)計(jì)、設(shè)備采購、施工過程、安裝調(diào)試以及驗(yàn)收交接等環(huán)節(jié)的監(jiān)管，并嚴(yán)格審核項(xiàng)目設(shè)計(jì)單位、土建施工單位、電氣施工單位等各相關(guān)單位的資質(zhì)，簽訂安全責(zé)任書，嚴(yán)格監(jiān)督執(zhí)行安全保障方案。

4.4 運(yùn)維安全

在光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)完畢后，要成立專業(yè)的運(yùn)維團(tuán)隊(duì)對(duì)其進(jìn)行有效運(yùn)營(yíng)維護(hù)。積極開展安全教育宣傳工作，提高工作人員的安全生產(chǎn)理念，做好設(shè)備巡檢維護(hù)工作，并加強(qiáng)安全消防演練。

5 結(jié) 論

綜上所述，光儲(chǔ)充一體化電站主要包含20 kWp雨棚光伏發(fā)電系統(tǒng)、50 kW×2 h儲(chǔ)能系統(tǒng)以及能量管理系統(tǒng)等。目前，在光儲(chǔ)充一體化電站建設(shè)中，宜采用磷酸鐵鋰電池，各系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足經(jīng)濟(jì)和節(jié)能的要求，能量管理策略應(yīng)根據(jù)相關(guān)政策進(jìn)行合理制定。