儲能技術在光伏發電系統中的方案比選與優化研究

高 曉 單亞輝 黃仁國 何紅偉 謝然然

（中國葛洲壩集團裝備工業有限公司，湖北 武漢 430040）

1 儲能技術原理

光伏發電系統中的儲能技術主要包括電池儲能和超級電容儲能[1]。其中電池儲能是最常見的形式，其原理為化學反應。電池內部通過正、負極材料間的化學反應產生電子運動，從而進行電能儲存和釋放。電池儲能具有高能量密度、運行穩定等優點，但也存在充電時間長、壽命短等問題。超級電容儲能則是一種物理儲能形式，其原理為電荷的吸附和釋放。超級電容通過正、負極間的介質分離電荷，并儲存于極板上。超級電容儲能具有快速充放電、壽命長且功率密度高等優點，但能量密度較低。

2 儲能技術分析與選擇

儲能技術的發展現狀呈現出多元化和復雜化的特點[2]。各種儲能技術都在不斷被研究和改進，以適應不同的應用場景。首先，電池儲能技術是最成熟、應用較廣泛的一種儲能技術。其中鋰離子電池是最常見的一種電池類型，具有能量密度高、自放電率低和壽命長等優點。此外，鈉硫電池、鉛酸電池和鎳鎘電池等也是常見的電池類型，應用場景也比較廣泛。其次，超級電容儲能技術也得到了廣泛應用，具有高功率密度、快速充電且高耐壓等優點，適用于電能快速儲存和釋放，應用范圍廣泛，包括電力調峰、能源回收等領域。

此外，物理儲能技術也在不斷發展中，例如抽水蓄能與壓縮空氣儲能等常見的物理儲能技術。但這類技術對選址條件苛刻，在光伏儲能中應用較少。各類儲能技術優、缺點見表1。

表1 各類儲能技術優、缺點

儲能技術可以平衡光伏發電系統的功率波動，提高系統的穩定性，主要應用于解決光伏發電系統中的電能儲存和功率平衡問題。綜合考慮表1中各類儲能技術與項目情況，本項目為中能建（敦煌）清潔能源公司10萬kW 光伏電站建設項目，為滿足業主環保和發電量的要求，儲能系統選用鋰離子電池中的磷酸鐵鋰電池。

3 儲能容量優化配置

3.1 最佳儲能配置

3.1.1 影響因素

在大規模光伏集中式發電場景中，配置儲能系統的主要目標是提高光伏發電的消納率、平抑短時間內出力波動以及解決跨區域供需矛盾等。這些目標對提高可再生能源的利用率和電網穩定性具有積極作用。

其中，棄光率是衡量光伏發電消納水平的重要指標之一[3]。根據國家規定，光伏消納比例應為5%～10%，不滿足則視為不及格。為了滿足不同階段對棄光率的要求，可以利用儲能進行削峰填谷，降低棄光率，提升光伏消納水平。

波動率也是影響電能質量的重要因素之一。光伏電站的功率變化受多種因素影響。國家規定光伏1min內上、下波動不得超過光伏電站裝機總容量的10%。為了確保光伏電站并網的電能安全質量，配置儲能系統可以削減光伏有功功率的變化。

輸送容量是影響光伏電站接入電網條件和調峰能力的重要因素。由于光伏發電的間歇性，光伏電站出力為裝機容量80%以上的概率一般不超過10%。因此，配置一定輸送容量比的輸電線路是較好的選擇。

綜上所述，在大規模光伏集中式發電場景中，儲能系統的影響因素為棄光率、波動率與輸送容量，合理配置可以有效提高光伏發電的消納率、平抑短時間內出力波動以及解決跨區域供需矛盾等，促進可再生能源的利用率和電網穩定性的提高[4]。

3.1.2 儲能配置的模擬優化

敦煌光伏項目將磷酸鐵鋰電池作為儲能系統類型，根據項目所處地理位置與相關數據支持對儲能相關參數進行設定，并根據DPC算法進行模擬，得出最優光伏儲能配置。

設定儲能系統SOC（State of Charge，電池荷電狀態）閾值為10%～90%，即電池的電量使用范圍。電池充、放電效率設定為87%。一套儲能系統的容量成本為150萬元/MW·h。系統的功率成本為50萬元/MW。設定儲能系統的全壽命周期為70%，即儲能系統的容量衰退到70%時壽命周期結束。棄光率指標選擇5%、8%，線路容量比為0.3～0.8。計算結果分別如圖1、圖2和表2所示。

圖1 電站全年功率輸出曲線

圖2 電站典型日出力曲線

表2 不同參數下的儲能配置結果

圖1、圖2是根據敦煌光伏項目設定容量進行模擬得出的數據。由圖1可以看出，2500h～4500h受日照影響輸出功率較高，圖2的曲線表示晴天占比為52.88%，此時功率是典型的增長曲線。

敦煌光伏項目設定容量為10萬kW，由表1可知，當聯絡線占比為0.5、棄光率為5%、典型日配置容量為24000kW且典型日配置功率為8000kW時，全年配置容量為114000kW·h，為最優配置。

3.2 能量管理系統

3.2.1 系統框架設計

能量管理系統是儲能電站的核心組件，對儲能電站的高效、安全、穩定并可靠運行至關重要。能量管理系統不僅能夠協調、控制儲能電站的各子系統，還能最大化利用可再生能源。

為實現風光儲荷一體化管理，本文將能量管理系統設計為3個層級。位于第三層的是組網裝置物理層，主要由硬件組成，可對電壓、電流進行基本控制。第二層為設備級控制，主要控制第三層，使其電壓穩定并平衡系統能量，通過采集信息達到控制目的。第一層為系統級控制，通過通信方式對第二層進行協調控制，并對功率進行合理分配，完成能量調度與最優控制。其設計框架如圖3所示。通過消除信息孤島，能量管理系統能夠提高儲能電站的運營效率和可靠性[5]。

圖3 能量管理系統設計框圖

3.2.2 系統阻抗模型設計

設計光儲系統的阻抗模型時應同時考慮單支路的阻抗特性與多支路協調工作的阻抗特性，才能實現瞬時工況下的多線路系統控制。系統中單支路與多支路分別對應直流與交流負荷，為恒功率負載，如公式（1）所示。

式中：vlo為等效電壓；ilo為等效電流；Plo為等效功率。

由公式（1）可得出系統總阻抗模型，如圖4所示。

圖4 系統總阻抗模型

由圖4可以看出，系統的總阻抗模型可對功率進行調節控制。對阻抗模型與系統的軟、硬件配置進行測試、分析，確定系統的相關參數，見表3。

表3 系統參數

3.2.3 功率參數對系統穩定的影響特性

由表3可以看出，恒功率負載支路的等效功率Pload為3kW，選取0.5kW、1kW和3kW這3個梯度繪制環路增益Tm的伯德圖與奈奎斯特曲線，根據Middle brook穩定性判據研究Pload參數變化對系統穩定的影響。其中Tm為輸出與輸入阻抗的比值，系統穩定的判斷依據是Tm奈奎斯特曲線不包圍（-1，0）點，同時伯德圖上幅值應＜0，結果如圖5所示。

圖5 恒功率負載對系統穩定的影響曲線

由圖5（a）可知，當Pload由0.5kW升至3kW時，曲線幅值呈上升趨勢，表明輸入阻抗與輸出阻抗的比值在減少，此時系統穩定富裕度降低。由圖5（b）可知，當Pload由0.5kW升至3kW時，曲線向左側擴展，更接近（-1，0）點，此時系統穩定富裕度降低。綜合分析可知，恒功率負載的Ceq和Leq為一個低阻尼的LC環節時，電源裝置與其產生相互作用，Pload的增加會降低系統的穩定裕度，因此設計時應避免Pload過高造成的系統穩定裕度過低的情況。

4 結論

本文對儲能技術在光伏發電系統中的應用進行了深入研究，根據研究情況所得結論如下。1）各類儲蓄技術均有各自的優、缺點，應結合項目情況綜合考慮，本項目儲能系統選用鋰離子電池中的磷酸鐵鋰電池。2）針對不同類型的光伏發電系統和地理環境，選擇合適的儲能技術進行配置。經過計算聯絡線占比為0.5，棄光率為5%，典型日配置容量為24000kW，典型日配置功率為8000kW，此時全年配置容量可達114000kW·h，為最優配置。3）恒功率負載的和為一個低阻尼的LC環節時，電源裝置會與其產生相互作用，Pload的增加會降低系統的穩定裕度。