電池儲能系統聯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，適合應用于大規模新能源發電。儲能聯合新能源運行具有平滑功率輸出，保障電力系統供電穩定性等功能，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展，在發展的過程中，電池儲能系統聯合光伏電站運行不斷進行改革、創新、研究與實踐，進而得到全方位發展。文章通過對儲能系統的接入方式、聯合運行和安全性進行研究，論證了光儲聯合運行的可行性和可靠性。

關鍵詞：電池儲能系統;光伏電站;聯合運行

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

光伏發電是目前應用最廣的新能源發電之一，具有綠色、環保、無污染、可循環利用等優點。光伏發電的出力隨光照的變化而變化，數據顯示光伏電站的大部分出力波動在秒級時間內可達10%左右，如此短時的波動給電網的暫態平衡帶來了不小的挑戰，光伏的短時劇烈波動對于電網較弱的地區甚至會導致大面積停電事故。在光伏電站配置儲能系統，通過統一控制調度，可實現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 電池儲能系統的作用

其能增加備用容量，提高電網的安全穩定性和供電質量。要保證供電安全，就要求系統具有足夠的備用容量。在電力系統遇到大的擾動時，儲能裝置可以在瞬時吸收或釋放能量，避免系統失穩，恢復正常運行。

提高用電質量。通過儲能系統的快速充放電調節，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，從而緩解光伏電站的限電損失情況，提高電能質量，增加電站的發電小時數和整體收益[1]。

2 儲能系統接入與運行研究

2.1 儲能系統接入研究

現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，通過并網開關將光伏電能送入公網。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，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組成，每個光伏發電單元配置1MWh儲能系統電站，子系統功率為250kW/500kWh，初步選擇400V交流低壓側接入。

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

儲能系統額定功率為0.5MW，容量為1MWh，可滿功率運行2h。儲能系統由2個0.25MW/0.5MWh儲能子系統組成，每個子系統包括電池組、變流器、測量、計量、保護、通信、控制等部分。儲能系統掛在交流低壓側，即為站內管理、站內運行、站內調度，便于高效運行和管理[2]。

2.2 儲能系統運行研究

基于光儲系統整體的控制策略和算法，為充分發揮儲能在電能調節方面的優勢和能力，儲能系統宜采用不同的控制運行方式。根據光伏電站自動發電控制（Automatic Generation Control，AGC）調控情況，儲能系統可實時參與AGC調度，與光伏逆變器并聯運行，通過淺充淺放實現對光伏發電的存儲、放出，實現AGC削峰填谷，達到節電效果，提高光伏電站上網電量。

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次數。淺充淺放可以極大延長鉛酸蓄電池的循環次數，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境溫度;LT為在環境溫度為T時，電池的設計壽命;L25為在環境溫度為25℃時，電池的設計壽命。

從公式可知，環境溫度的升高，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。若室內溫度過高則采取通風等措施來改善環境溫度，電池安裝間距不要低于10mm，同時按電池要求調節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。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 光儲聯合運行功率特性研究

逆變器光伏功率發電趨勢。綜合AGC實際調度控制情況，在天氣良好且光伏不限電情況下，單臺500 kW逆變器在7點左右開始并網發電，此刻AGC調度將控制光伏電站整體有功功率，儲能系統同時接受站內AGC統一調度運行。早上8點40分左右，光伏逆變器即可發出有功250 kW以上，即當AGC限電發生時，PCS即可全額滿功率參與AGC調峰運行，進行充電運行，保證儲能系統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利用率。

光儲聯合AGC控制邏輯為：電網調度發送AGC指令到電站AGC子站;AGC子站根據接收的電網調度AGC指令，并結合逆變器和儲能系統的運行數據，經過算法計算確定優先調度的光伏逆變器和儲能系統的相應AGC調度指令;逆變器和儲能系統按各自接收的AGC調度指令進行出力控制;儲能系統反饋狀態和運行情況等信號。

針對不同的限電狀態，為實現出力最大化并滿足電網功率調度技術要求，光儲聯合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，儲能系統將轉移儲存限發的多余光伏電量，待滿足外送條件且不越過限電目標值時，儲能系統再將儲存的電量放出，送入電網。此時，儲能系統電池宜采用0.5C充放電的控制運行模式，既能保障全額發揮儲能系統容量，又能保證儲能系統電池壽命和活性狀態。

限電跟蹤運行。當光伏限電后，出現多云天氣，光伏出力在限電功率上下波動，儲能系統跟蹤光伏發電情況進行充放電調節，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，儲能系統電池宜采用0.5C充放電的控制運行模式，保證儲能系統電池活性。

2.4 儲能AGC系統聯合運行相關改造工作

在光伏電站加入儲能系統后，電能可實現雙向流動，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架構，綜合考慮接入的復雜性、安全性和經濟性，儲能子系統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合總輸出功率小于變壓器功率限制，保證安全經濟運行。

現有的光伏電站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合出力反饋信號;儲能系統的控制系統應與光伏電站內AGC調度子站以約定的通訊協議進行通訊，獲取實時運行數據和調度數據。

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生故障時對電網的影響，應在光儲聯合出力并網點處加裝1套故障解列裝置，含低頻、低壓、高頻、高壓解列功能。當光儲電站與并網系統的電網失壓時，能夠在規定的時限內將該儲能電站與電網斷開，防止出現孤島效應，避免對并網點造成影響，保護動作后跳開儲能電站并網開關。

3.2 電池系統安全

儲能系統采用的磷酸鐵鋰電池的循環壽命達到5000次以上，是目前使用最佳的理想動力能源。同時，儲能系統應配置合適的消防系統、散熱系統、防雷接地系統和安防系統等來保障儲能系統的安全可靠運行，并在出現安全事故時盡量減少損失。

3.3 電能質量

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

3.4 環境安全因素

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境條件極其惡劣，所以這種惡劣的環境也要著重注意。這種惡劣壞境下，對于光伏電站的建設有很大的挑戰，建設完成后儲能也是一種問題。如果出現了問題，會很大程度導致電網不能正常運轉，對于這種情況要嚴加注意。

參考文獻

[1] 朱文韻.全球儲能產業發展動態綜述[J].上海節能，2018（01）：2-8.

[2] 李岱昕，張靜.首個產業政策發布助推中國儲能邁向商業化[J].電器工業，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狀及發展趨勢[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園區互動機制研究[J].電力自動化設備，2017，37（06）：24-26.