分布式光伏/儲能一體化并網技術研究及開發

孫廣慶，張賽娜，楊 海，任艷棟

（1.湖州源興能源有限公司，浙江 湖州 313000；2.京能源深（蘇州）能源科技有限公司，江蘇 蘇州 215021）

0 引 言

分布式光伏技術在我國新能源行業發展中發揮著非常重要的作用，因為它裝機規模小、占地面積小，能夠采取靈活形式進行儲能及供能，非常適合我國一些偏遠村落、海島等國家電網建設沒有達到的區域進行電能供應與生產。而在分布式光伏供能的技術體系中儲能技術占據非常重要的地位。為了保證分布式光伏技術及其儲能、并網系統的運行效果，在其布置中要做好前期設計，保證光伏及其儲能系統的運行效率，為其能夠有效并網供能、儲能提供基礎條件。

1 分布式光伏發電技術

所謂分布式光伏發電就是利用太陽能發電系統進行電能生產的一種技術，它的發電系統可以有效利用分散資源，并且整體裝機規模非常小，通常會配置在用電戶周圍區域，其通常供電電壓為35 kV以下，會接入相應等級的電網，目前進行城市建筑物相應屋頂光伏發電項目的建設較為普遍，這也是當前應用最廣的一種分布式光伏系統。通常這一供電系統會接入公共電網中，兩者形成互補共同為附近用電戶提供穩定電能。由于任何區域的太陽能都不能保證穩定，因此如果不與公共電網相接就會導致純粹光伏供能的區域電能供應在可靠性方面表現較差[1]。

2 分布式光伏系統的運行特點分析

首先，分布式光伏發電系統的輸出功率非常小，無法像公共電網那樣帶動大規模機械設備運轉；其次，光伏發電具有較強的環保性能，不需要消耗礦產資源，也不會造成污染，對于周圍環境非常友好，并且在部分地區通過科學設計可以將光伏發電系統與周圍建筑景觀融合起來，形成特有的旅游觀光資源；最后，它可以有效緩解一定區域內的用電緊張情況。由于光伏發電的主要產能時間段為白天，通常在一些區域白天的用電量較大，合理運用光伏發電以及儲能技術能夠對白天及其他時間段的用電需求進行滿足。不過由于光伏發電本身電能轉化效率并不高，基本能量密度在100 W/m2左右，且由于建筑物屋頂面積較小[2]，在這些區域進行光伏發電系統的安裝存在較大的環境制約影響，對于區域內的用電緊張情況難以有效解決。此外，光伏發電系統可以在一些民宅及廠房、樓宇等區域的屋頂及露臺等場地進行布設。分布式光伏發電系統的發電模塊具有設計靈活的特點，并且其電能可以就地消納。光伏設備的投資回收期也非常短。由于集中光伏發電所需土地面積較大，并且長距離進行電能運輸后電能損耗較為嚴重，加上一些區域棄光限電情況較多，因此分布式光伏發電受到了關注。將分散式光伏發電及其儲能系統與公共電網進行連接能夠有效保障區域內用電戶的電能穩定供應。

3 分布式光伏發電的現狀及其儲能需求

在我國各地積極進行城市建設的大環境下，各地區土地資源日益緊張，而過去集中開展光伏發電系統建設的西部地區也出現了土地資源銳減的情況，加上光伏系統用電負荷能力較低，導致很多區域都在棄光限電，尤其光伏發電還有一定的波動性，會隨著日夜、季節變化發生供電能力的變化，因此并不適合開展大規模電能輸送，所以在近些年我國更注重分布式光伏系統的建設，能源局更是在2013年提出到2020年我國分布式光伏裝機量要達到100 GW的發展目標，在光伏行業的裝機量要達到56%以上的占比，比大型地面光伏電站的裝機量還要高。在近些年搭建的光伏發電系統中，除了存在部分胡勇光伏系統以外，大多數的分布式光伏系統都是在一些面積廣大的工業或者商業園區內建設的。一般是利用園區內的空地或者廠房屋頂進行光伏系統建設，不過由于光伏發電系統在夜間是不能夠產生電能的，并且光伏發電的效率會受到氣候及溫度的影響，因此在光伏發電系統配置時應做好儲能技術的應用。這樣就能夠為夜間園區用電供能，將使園區生產的外部電網購電成本降低，同時也能夠降低光伏發電的波動性，為園區穩定供電提供保障。因此，在當前進行光儲一體化設計是非常必要的。

4 光伏發電系統常用的儲能技術分類

4.1 磷酸鐵鋰電池儲能技術

在我國電能儲存技術中，鋰電池的應用較為普遍，當前很多電子設備都是用鋰電池進行儲能與供能。磷酸鐵鋰電池是一種正極材料使用磷酸鐵鋰的光伏鋰電池，這種鋰電池具有如下優點：（1）運用的安全性較高；（2）使用壽命特別長；（3）高溫性能較好，并且容量較大；（4）電池的重量較小；（5）環保價值較高，且適用于動力驅動環境。

4.2 釩電池

通常，釩電池也被叫做氧化還原液流電池，是一種當前研發力度較大且容量較大的電化學儲能電池。它不同于其他電池的特點是正負極處都使用了釩鹽溶液，作為當前很多儲能領域的首選，釩電池的優勢也是非常明顯的：其系統運行安全性較高。

4.3 飛輪儲能技術

這種技術在當前的應用范圍相對廣泛，就是利用飛輪動能儲存的形式進行電能轉化及儲存，也是一種較為新穎的分布式光伏系統儲能技術。由于飛輪儲能技術在實際應用中能量密度較大，并且為純物理方式儲能，因此在穩定性方面表現較好，并且對于環境本身的穩定性要求也最低，不過它的造價也相對更高。當前應用較為普遍的飛輪儲能技術就是單沖程柴油機飛輪儲能[4]。

5 分布式光伏以及儲能體系設計的具體做法分析

分布式光伏+儲能系統一般安裝在配電側，具有削峰填谷、電力調頻、電網電能質量控制的功能，還具有微電網和智能電網功能IZI。系統結構通常采用共交流母線的連接形式，交流母線電壓等級分為380 V和10kV。儲能系統與分布式光伏發電系統聯合運行可實現的功能主要有4種。

（1）平滑可再生能源輸出，可降低可再生能源功率波動越限概率及爬坡率。

（2）本地電壓控制穩定，一般通過有功功率和無功功率閉環調控并網點電壓。

（3）削峰填谷，可利用分時電價充放電，為用能企業節約用電量，為項目業主提高收益。

（4）快速響應調頻、調壓指令，輔助傳統電力系統及AGC設備進行電網調頻。

6 分布式光伏+儲能系統模塊化集成設計

分布式光伏+儲能系統采用模塊化設計理念、集裝箱式安裝形式，有靈活性、擴展性的特點。儲能系統的一次電氣設備包括電池、變流器、升壓配電箱、無功補償及電能質量調節；二次控制系統包括電池監測模塊、儲能測控模塊、能量管理模塊。各部分之間安全隔離，即插即用。

6.1 儲能電池單元的設計

為了實現最優技術經濟性，儲能電池由鉛炭電池和膠體電池組成，稱混合儲能系統。電站的儲能單元由2 V/SOOAh膠體電池（OPZV-500）和2 V/SOOAh鉛炭電池（FCP-500）組成，各為500支，兩種電池容量皆為0.5 MW·h。儲能單元分為4條支路，每支路所使用的集裝箱采用優化的結構設計和優化的熱管理設計。即根據不同單體電池的熱特性進行散熱結構最優設計，并進行流場和溫度場仿真計算，獲得最佳散熱結構。同時，具有安全防護設計，采用一體化監控模塊實時監控環境因素與安全情況。

6.2 儲能雙向變流器單元設計

儲能雙向變流器是電池與交流電網的功率接口，特點為雙向逆變，其具有并網充/放電功能，容量100 kW， 功率可調度，功率變化率高達1 kW/ms；最大轉換效率為97%；交流輸出電流總諧波畸變率THD≤3%。

6.3 儲能電池監測單元設計

儲能電池監測單元采用領先的電池狀態監測系統，如圖1所示，可實現電池荷電狀態SOC的精準預測。底層電池管理單元（BMU）監控電池的電壓、溫度、內阻等信號，實現電芯的監控、數據采集、故障識別；上層集中管理單元（CMU）集中處理每個BMU上傳的電池信息，集結為組電池信息，進行電池健康狀態（SOH）估算、荷電狀態估算以及熱管理控制。目前，儲能電池監測系統能夠保證24 h實現光伏發電儲能系統的有效監測，并在監測中對每節電池剩余電量進行檢測，以便對電池運行狀態了如指掌，保證每節電池的運行穩定健康。在光伏發電儲能運行中，如果出現預警就要及時進行電池更換操作。設計中還應做好后臺軟件的設置，保證后臺能夠對電池進行實時監測及警告情況、電池運行歷史數據的全面檢索與調用。這一系統的信息采集模的體積非常小，也容易進行安裝操作，信息采集配置更加靈活，后期維護更加方便，因此這一設計方案的成本較低[3]。

7 儲能系統測控設計及其功能的實現

在光伏發電儲能系統及并網技術設計中應做好儲能系統大腦的設計工作，即測控中心，它的主要功能就是對儲能系統進行充放電控制狀況的檢測及控制，利用遠程自動控制技術可以對光伏并網的總體功率進行調控，并對光伏并網操作點位置上的電壓進行控制與調整。這一測控系統還能夠實現當地分時電價的綜合分析，并根據電價政策進行充放電控制，以保證系統運行的總體經濟性。同時，這一測控系統還能對光伏及儲能系統的總體設備數據進行科學采集及分析顯示，為光儲一體化系統的科學運行提供全面、智能化的控制保證。

圖1 儲能電池狀態監測系統

8 分布式光伏及儲能一體化設計工作的優化措施

8.1 保證光伏發電及儲能系統設備選型的科學性

在分布式發電以及儲能系統優化提升中，使用的設備型號會影響到發電能力轉換和發電輸送。因此，要科學進行設備型號選擇。當前主要可選擇的有1 MW方陣和PPT逆變器等，不同的型號在運行中其發電供應效率也不同[5]。

8.2 根據區域光伏發電需求進行科學的并網設計

由于分布式光伏發電及儲能系統的實際設計目的就是進行區域內電能供應及能源儲備，且分布式光伏及儲能系統運行有非常強的時間性，容易受到天氣、日夜、氣候等因素的影響，所以在實際光伏發電及儲能系統設計工作中必須做好并網技術設計，要對交流電接入的標準化要求進行綜合分析，并根據并網需求對光伏發電系統以及儲能技術系統設備進行標準化設置與選型。

8.3 在光伏發電及儲能系統設計工作中應積極運用節能設計理念

光伏發電及儲能系統設計工作應積極踐行節能設計理念，有效控制系統運行中的線損及設備電能浪費，保障光伏發電及儲能、并網系統運行中的能源利用效率，為光伏發電等新能源技術的有效發展及科學運用提供更加堅實的綠色保障。

9 結 論

由于光伏技術系統結構建設較為靈活、簡便，因此在很多地區都得到了廣泛應用。但是由于光伏技術是利用太陽能進行發電的，所以其能源轉化效率與區域內的系統儲能技術對于其能效有巨大影響。為了能夠保證光伏發電供能區域的電能穩定，在光伏及其儲能體系中接入交流電網，以實現光儲系統與國家電網的互補供能。為了保證光儲一體化體系并網效果，就要對其接入環節進行優化設計，保證其接入環節可以平穩地進行模式調整，為區域內穩定供電提供科學保障。