■ 姚一波 買發(fā)軍呂丹

特變電工新疆新能源股份有限公司

儲(chǔ)能系統(tǒng)在大型光伏電站中的應(yīng)用

■ 姚一波 買發(fā)軍*呂丹

特變電工新疆新能源股份有限公司

結(jié)合格爾木時(shí)代新能源50 MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電工程項(xiàng)目的實(shí)施情況，從工程設(shè)計(jì)方案、儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用等方面展開論述，簡(jiǎn)要介紹了光伏與儲(chǔ)能相結(jié)合的工程設(shè)計(jì)方案，闡述了儲(chǔ)能系統(tǒng)在大型光伏電站中的應(yīng)用，并分析了儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用及重要意義。

儲(chǔ)能；光伏電站；并網(wǎng)；工程設(shè)計(jì)；電源

0　引言

可再生能源是今后能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向，但只有儲(chǔ)能問題解決了，我們才可能真正邁進(jìn)可再生能源的時(shí)代。真正影響未來能源大格局的是儲(chǔ)能技術(shù)，儲(chǔ)能技術(shù)很可能就是下一個(gè)能源革命里最重要的突破方向?！肮夥?儲(chǔ)能”模式在運(yùn)行過程中有很多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：第一，可輔助電網(wǎng)調(diào)峰，讓電網(wǎng)運(yùn)行更穩(wěn)定；第二，儲(chǔ)能電池作為備用電源，在提高光伏利用率的同時(shí)，能夠讓用戶側(cè)用電可調(diào)可控，加強(qiáng)了用戶對(duì)用電成本的管理控制；第三，有儲(chǔ)能參與的光伏利用更加靈活有效，對(duì)用戶側(cè)并網(wǎng)運(yùn)行有一定益處。

1　工程簡(jiǎn)介

1.1工程地址、氣象條件及太陽能資源

1)地理位置：位于格爾木市區(qū)東側(cè)約25 km、109 國道北側(cè)約1 km處；擬建場(chǎng)地占地面積1.13 km2；因場(chǎng)區(qū)勘察范圍較大，場(chǎng)區(qū)東西長(zhǎng)約1048 m，南北長(zhǎng)約1307 m；場(chǎng)址距市區(qū)約 16 km，南距G109國道約1 km，交通便利，運(yùn)輸方便。

2)地形地貌：擬建場(chǎng)地位于山前沖湖積傾斜平原上，地形相對(duì)平坦，場(chǎng)區(qū)地貌類型單一，總體地勢(shì)南高北低，海拔高程2872.73～2892.88 m，相對(duì)高差20.15 m。

3)氣候條件：格爾木市位于歐亞大陸中部，深居內(nèi)陸，屬典型的高原大陸性氣候；干旱少雨，日照強(qiáng)烈，蒸發(fā)量大，氣壓低，多大風(fēng)、霜凍、沙暴、冰雹；冬季寒冷漫長(zhǎng)，夏季涼爽短促；晝夜溫差大。

4)太陽能資源：場(chǎng)址所在地太陽能資源豐富程度屬于Ⅰ級(jí)地區(qū)，太陽能資源最豐富，非常適合建設(shè)并網(wǎng)發(fā)電項(xiàng)目。

1.2項(xiàng)目規(guī)模

格爾木時(shí)代新能源50 MWp光伏并網(wǎng)發(fā)電工程項(xiàng)目總?cè)萘繛?0 MWp，全部采用310 Wp多晶光伏組件。本項(xiàng)目設(shè)置儲(chǔ)能電站1座，儲(chǔ)能電站總?cè)萘繛?5 MW×1.2 h=18 MWh，采用磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，設(shè)備采用戶內(nèi)布置。

2　工程設(shè)計(jì)

2.1電氣一次設(shè)計(jì)

2.1.1電氣總平面布置

本項(xiàng)目由綜合辦公樓、配電室、儲(chǔ)能裝置樓、SVG及接地變成套裝置、門衛(wèi)室、危廢室、水泵房等組成。電氣總平面布置圖如圖1所示。

圖1　電氣總平面布置圖

2.1.2光伏區(qū)電氣主接線

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件、并網(wǎng)逆變器、箱式變電站等設(shè)備組成。太陽能通過光伏組件轉(zhuǎn)化為直流電力，再通過并網(wǎng)型逆變器將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電，升壓后并入電網(wǎng)。本工程共計(jì)50個(gè)1 MW逆變升壓?jiǎn)卧?回35 kV電纜線路接入新建的開關(guān)站35 kV母線；采用500 kW并網(wǎng)逆變器接入1臺(tái)分裂升壓變壓器，分裂變低壓側(cè)為2個(gè)獨(dú)立繞組，每個(gè)繞組對(duì)應(yīng)1臺(tái)逆變器，根據(jù)逆變器容量，分裂變?nèi)萘窟x用1000/500-500 kVA[1]。

2.1.335 kV開關(guān)站

本項(xiàng)目開關(guān)站35 kV側(cè)采用單母線接線方式，配置出線柜2面、光伏進(jìn)線柜5面、儲(chǔ)能進(jìn)線柜1面、接地變柜1面、無功補(bǔ)償進(jìn)線柜1面；同時(shí)開關(guān)站配置接地變及消弧線圈成套裝置1套(接地變兼做站用變)、無功補(bǔ)償裝置1套(±12.5 Mvar)。

2.1.4儲(chǔ)能電站

本工程采用15 MW/18 MWh 鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，由5個(gè)3 MW/3.6 MWh儲(chǔ)能單元組成，每個(gè)儲(chǔ)能單元由6個(gè)500 kW/600 kWh儲(chǔ)能機(jī)組組成，安裝在1個(gè)蓄電池室內(nèi)。每個(gè)500 kW/600 kWh儲(chǔ)能機(jī)組由1臺(tái)500 kW雙向變流器、4個(gè)150 kWh電池柜和1臺(tái)總控柜(匯流柜)構(gòu)成。每個(gè)150 kWh電池柜由17個(gè)磷酸鐵鋰電池模塊串聯(lián)而成，由1套電池管理系統(tǒng)(BMS)來管理。每個(gè)電池模塊由14個(gè)200 Ah電池串聯(lián)而成，由1個(gè)電池管理單元(BMU)來管理。每4個(gè)電池柜的761.6 V高壓直流總線匯流到總控柜上，與雙向變流器直流側(cè)相連[2]。15 MW/18 MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2　15 MW/18 MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.2電氣二次設(shè)計(jì)

2.2.1調(diào)度管理

本電站設(shè)置1套光伏功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，能夠進(jìn)行超短期、短期、長(zhǎng)期的電站輸出功率預(yù)測(cè)；設(shè)置1套柔性功率自動(dòng)控制系統(tǒng)(包含有功、無功功率控制及切機(jī)功能)，能夠接收并自動(dòng)執(zhí)行電網(wǎng)調(diào)度部門遠(yuǎn)方發(fā)送的有功、無功出力控制信號(hào)。

2.2.2電站自動(dòng)化系統(tǒng)

電站的綜合自動(dòng)化以微機(jī)保護(hù)和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)為主體，加上其他智能設(shè)備構(gòu)成電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。本站采集到的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和信息，經(jīng)處理后可傳送至上級(jí)調(diào)度中心。

2.2.3通信

1)光伏區(qū)數(shù)據(jù)采集。本工程光伏區(qū)數(shù)據(jù)采集通過智能箱變測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn)，光伏區(qū)建設(shè)光纖環(huán)網(wǎng)與站控層通過TCP接口，利用IEC 104協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

2)光伏電站內(nèi)運(yùn)維通信。主要采用大功率無線對(duì)講機(jī)通信方式，并以公網(wǎng)手機(jī)通信方式為輔。

3)電站系統(tǒng)通信。本電站側(cè)預(yù)留相關(guān)設(shè)備的接口。系統(tǒng)設(shè)備及電源的配置最終以接入系統(tǒng)報(bào)告及審查意見確定。

3　儲(chǔ)能電站作用及意義

3.1儲(chǔ)能方式

本工程采用磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能方式。對(duì)充電電池的要求是：容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環(huán)性能、輸出電壓穩(wěn)定、能大電流充放電、電化學(xué)性能穩(wěn)定、安全(不會(huì)因過充、過放及短路等操作不當(dāng)?shù)脑蚨鹑紵虮?、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對(duì)環(huán)境無污染。而鋰材料電池的上述性能都較好，磷酸鐵鋰電池的技術(shù)特點(diǎn)如下：

1)安全性：安全可靠、全密封、不怕火燒、不爆炸；

2)循環(huán)壽命長(zhǎng)：在室溫和100%DOD情況下，循環(huán)壽命≥7500次；

3)性價(jià)比高：普通常用材料，充電(放電)效率≥98.5%。

3.2儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用

1)儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏電站的協(xié)同設(shè)計(jì)。在光伏電站內(nèi)配置大容量的儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)可在電網(wǎng)輸送電力的高峰期或陽光照射充分、自身負(fù)荷較低的情況下，將光伏發(fā)電電力儲(chǔ)存在儲(chǔ)能系統(tǒng)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間供應(yīng)自用或輸送電網(wǎng)，減少并網(wǎng)與調(diào)度運(yùn)行的技術(shù)難度，降低光伏電站發(fā)電對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊，從而達(dá)到減少棄光的效果。

2)對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的影響。當(dāng)光照良好、光伏并網(wǎng)電站輸出功率較大時(shí)，在白天非電網(wǎng)峰值階段太陽電池向蓄電池充電，充分利用太陽能，并適時(shí)補(bǔ)充蓄電池電量，用以提高蓄電池備用容量，減小放電深度；峰值階段與蓄電池共同供電，維持系統(tǒng)穩(wěn)定輸出，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與短路電流將會(huì)增大可靠性[3]。

3)對(duì)電力品質(zhì)的影響。光伏系統(tǒng)中光伏輸出功率曲線與負(fù)荷曲線存在較大的差異，而且均有不可預(yù)料的波動(dòng)性，通過儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量?jī)?chǔ)存與緩沖，使系統(tǒng)即使在負(fù)荷迅速波動(dòng)的情況下，仍然能夠運(yùn)行在一個(gè)穩(wěn)定的輸出水平，提高電力品質(zhì)與可靠性。儲(chǔ)能系統(tǒng)還能防止負(fù)載上的電峰、電壓下跌和其他外界干擾所引起的電網(wǎng)波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)造成的較大影響，采用足夠多的儲(chǔ)能系統(tǒng)可保證電力輸出的品質(zhì)和可靠性。

4)對(duì)運(yùn)行調(diào)度的影響。光伏電源的輸出功率直接受天氣變化影響而不可控制，因此，光伏電源的可調(diào)度性也受到制約，需配置1套遠(yuǎn)程通訊與監(jiān)控設(shè)備。作為可調(diào)度式光伏儲(chǔ)能并網(wǎng)系統(tǒng)，需實(shí)時(shí)接收電網(wǎng)控制信號(hào)，完成了相關(guān)儲(chǔ)能和光伏協(xié)調(diào)控制的調(diào)度工作任務(wù)。實(shí)現(xiàn)了并網(wǎng)功率恒定，使光伏并網(wǎng)系統(tǒng)有功、無功功率可調(diào)，提高了大電網(wǎng)對(duì)光伏系統(tǒng)的接納能力[4]。

3.3儲(chǔ)能系統(tǒng)的意義

儲(chǔ)能系統(tǒng)主要是配合光伏發(fā)電并網(wǎng)使用，有效彌補(bǔ)光伏發(fā)電的隨機(jī)性、間歇性、不穩(wěn)定性，改善電能品質(zhì)，協(xié)助電網(wǎng)調(diào)峰，提高電網(wǎng)穩(wěn)定性。

我國當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)營面臨著最高用電負(fù)荷持續(xù)增加、間歇式可再生能源接入比例不斷擴(kuò)大、調(diào)峰手段有限等諸多挑戰(zhàn)；而優(yōu)質(zhì)、自愈、安全、清潔、經(jīng)濟(jì)、互動(dòng)是我國智能電網(wǎng)的設(shè)定目標(biāo)。儲(chǔ)能技術(shù)，尤其是大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)，具備的諸多特性得以在發(fā)電、輸電、配電、用電4大環(huán)節(jié)廣泛應(yīng)用。可以說，儲(chǔ)能環(huán)節(jié)是構(gòu)建智能電網(wǎng)及實(shí)現(xiàn)目標(biāo)不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1)在用電谷底時(shí)大量?jī)?chǔ)存電能，在用電高峰時(shí)釋放大量?jī)?chǔ)存的電能，就可節(jié)省大量投資，極

大的優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，提高電網(wǎng)安全性能。在一定意義上，建設(shè)電池儲(chǔ)能電站就好比在建設(shè)發(fā)電廠，但在綜合社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益上，要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過建設(shè)發(fā)電廠。

2)以電池逆變輸出供給用電負(fù)荷，電壓穩(wěn)定、高質(zhì)量，避免了市電供電電壓波動(dòng)對(duì)用電設(shè)備造成損壞，可延長(zhǎng)用電設(shè)備壽命，節(jié)約成本。

3)備用電源功能。市電停電時(shí)，儲(chǔ)能設(shè)備可實(shí)現(xiàn)不間斷電源功能，保證用電正常、可靠供電及企業(yè)的正常生產(chǎn)，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4　結(jié)束語

當(dāng)今儲(chǔ)能技術(shù)已被視為電網(wǎng)運(yùn)行過程中“采、發(fā)、輸、配、用、儲(chǔ)”6大環(huán)節(jié)中的重要組成部分。在新能源利用的廣闊領(lǐng)域具有不可替代的作用，顯示出非常良好的發(fā)展前景。同時(shí)，系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)后，可有效實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理，消除電網(wǎng)峰谷差，平滑供電；不僅可更有效地利用電力設(shè)備、降低供電成本，還可促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用，也可作為提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性、調(diào)整頻率、補(bǔ)償負(fù)荷波動(dòng)、改善系統(tǒng)無功的一種手段。光伏儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用必將為傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制等方面帶來重大變革。

[1] GB 50797-2012, 光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 汪光裕. 光伏發(fā)電與并網(wǎng)技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2010.

[3] 王金良. 風(fēng)能、光伏發(fā)電與儲(chǔ)能[J]. 電源技術(shù), 2009，33(7): 628-632.

[4] 鞠洪新, 于金輝. 儲(chǔ)能在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 電子世界, 2009, (11): 61.

2015-11-12

買發(fā)軍(1987—)，男，本科，主要從事光伏系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)與研究。maifajun3410@163.com