劉浩

摘 要：電池儲(chǔ)能技術(shù)是種新的電能存儲(chǔ)技術(shù)，具備響應(yīng)速度快、配置靈活性高等特點(diǎn)，適合應(yīng)用于大規(guī)模新能源發(fā)電。儲(chǔ)能聯(lián)合新能源運(yùn)行具有平滑功率輸出，保障電力系統(tǒng)供電穩(wěn)定性等功能，在促進(jìn)新能源消納，降低棄風(fēng)率、棄光率中非常重要。隨著我國(guó)對(duì)光伏電站運(yùn)行的不斷發(fā)展，在發(fā)展的過(guò)程中，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)聯(lián)合光伏電站運(yùn)行不斷進(jìn)行改革、創(chuàng)新、研究與實(shí)踐，進(jìn)而得到全方位發(fā)展。文章通過(guò)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入方式、聯(lián)合運(yùn)行和安全性進(jìn)行研究，論證了光儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行的可行性和可靠性。

關(guān)鍵詞：電池儲(chǔ)能系統(tǒng);光伏電站;聯(lián)合運(yùn)行

中圖分類(lèi)號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2020）10-050-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2020.10.025

光伏發(fā)電是目前應(yīng)用最廣的新能源發(fā)電之一，具有綠色、環(huán)保、無(wú)污染、可循環(huán)利用等優(yōu)點(diǎn)。光伏發(fā)電的出力隨光照的變化而變化，數(shù)據(jù)顯示光伏電站的大部分出力波動(dòng)在秒級(jí)時(shí)間內(nèi)可達(dá)10%左右，如此短時(shí)的波動(dòng)給電網(wǎng)的暫態(tài)平衡帶來(lái)了不小的挑戰(zhàn)，光伏的短時(shí)劇烈波動(dòng)對(duì)于電網(wǎng)較弱的地區(qū)甚至?xí)?dǎo)致大面積停電事故。在光伏電站配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，通過(guò)統(tǒng)一控制調(diào)度，可實(shí)現(xiàn)不同的控制策略和運(yùn)行方式下的能量搬移、削峰填谷、平滑出力、跟蹤計(jì)劃等不同功能需求。

1 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的作用

其能增加備用容量，提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性和供電質(zhì)量。要保證供電安全，就要求系統(tǒng)具有足夠的備用容量。在電力系統(tǒng)遇到大的擾動(dòng)時(shí)，儲(chǔ)能裝置可以在瞬時(shí)吸收或釋放能量，避免系統(tǒng)失穩(wěn)，恢復(fù)正常運(yùn)行。

提高用電質(zhì)量。通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的快速充放電調(diào)節(jié)，將被限制電量存儲(chǔ)起來(lái)，并在滿(mǎn)足要求的情況下放出到電網(wǎng)，從而緩解光伏電站的限電損失情況，提高電能質(zhì)量，增加電站的發(fā)電小時(shí)數(shù)和整體收益[1]。

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)接入與運(yùn)行研究

2.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)接入研究

現(xiàn)場(chǎng)光伏電站的光伏逆變器交流輸出電壓為400V。2個(gè)逆變器交流通過(guò)交流低壓柜后，接入1000/500-500kVA的分裂變壓器，升入35kV系統(tǒng)，通過(guò)并網(wǎng)開(kāi)關(guān)將光伏電能送入公網(wǎng)。低壓交流母排電壓為400V，便于逆變器和儲(chǔ)能變流器（Power Conversion System，PCS）交流互聯(lián)，省去35kV升壓變和高壓開(kāi)關(guān)柜等設(shè)備投入，也避免設(shè)備接入造成的停電影響。

參考原光伏電站系統(tǒng)組成，每個(gè)光伏發(fā)電單元配置1MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)電站，子系統(tǒng)功率為250kW/500kWh，初步選擇400V交流低壓側(cè)接入。

光伏電站發(fā)電單元配置0.5MW/1MWh儲(chǔ)能系統(tǒng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)配置2套0.25MW/0.5MWh儲(chǔ)能子系統(tǒng)，并放在一個(gè)集裝箱內(nèi)。每套電池儲(chǔ)能子系統(tǒng)配1臺(tái)250kW PCS，PCS出線(xiàn)接入至光伏逆變器交流低壓柜，與1臺(tái)光伏逆變器并聯(lián)后，經(jīng)交流低壓柜出線(xiàn)經(jīng)變壓器升壓后，接入電站35kV電網(wǎng)完成并網(wǎng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)額定功率為0.5MW，容量為1MWh，可滿(mǎn)功率運(yùn)行2h。儲(chǔ)能系統(tǒng)由2個(gè)0.25MW/0.5MWh儲(chǔ)能子系統(tǒng)組成，每個(gè)子系統(tǒng)包括電池組、變流器、測(cè)量、計(jì)量、保護(hù)、通信、控制等部分。儲(chǔ)能系統(tǒng)掛在交流低壓側(cè)，即為站內(nèi)管理、站內(nèi)運(yùn)行、站內(nèi)調(diào)度，便于高效運(yùn)行和管理[2]。

2.2 儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行研究

基于光儲(chǔ)系統(tǒng)整體的控制策略和算法，為充分發(fā)揮儲(chǔ)能在電能調(diào)節(jié)方面的優(yōu)勢(shì)和能力，儲(chǔ)能系統(tǒng)宜采用不同的控制運(yùn)行方式。根據(jù)光伏電站自動(dòng)發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）調(diào)控情況，儲(chǔ)能系統(tǒng)可實(shí)時(shí)參與AGC調(diào)度，與光伏逆變器并聯(lián)運(yùn)行，通過(guò)淺充淺放實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電的存儲(chǔ)、放出，實(shí)現(xiàn)AGC削峰填谷，達(dá)到節(jié)電效果，提高光伏電站上網(wǎng)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(zhǎng)鉛酸蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù)。淺充淺放可以極大延長(zhǎng)鉛酸蓄電池的循環(huán)次數(shù)，有效延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命[3]。

同時(shí)，蓄電池室要考慮溫度問(wèn)題。鉛酸蓄電池溫度升高會(huì)損壞電池，降低電池的使用壽命，當(dāng)環(huán)境溫度超過(guò)25℃時(shí)，溫度每升高10℃，電池使用壽命將減少一半，如電池設(shè)計(jì)壽命在25℃為10年，在35℃下長(zhǎng)期運(yùn)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(shí)際運(yùn)行時(shí)的環(huán)境溫度;LT為在環(huán)境溫度為T(mén)時(shí)，電池的設(shè)計(jì)壽命;L25為在環(huán)境溫度為25℃時(shí)，電池的設(shè)計(jì)壽命。

從公式可知，環(huán)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(yīng)該控制電池使用的環(huán)境溫度，當(dāng)熱量積累到一定程度后會(huì)損壞電池，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起熱失控。若室內(nèi)溫度過(guò)高則采取通風(fēng)等措施來(lái)改善環(huán)境溫度，電池安裝間距不要低于10mm，同時(shí)按電池要求調(diào)節(jié)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(tài)。若溫度偏低，蓄電池的容量同樣會(huì)減少，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮。

2.3 光儲(chǔ)聯(lián)合運(yùn)行功率特性研究

逆變器光伏功率發(fā)電趨勢(shì)。綜合AGC實(shí)際調(diào)度控制情況，在天氣良好且光伏不限電情況下，單臺(tái)500 kW逆變器在7點(diǎn)左右開(kāi)始并網(wǎng)發(fā)電，此刻AGC調(diào)度將控制光伏電站整體有功功率，儲(chǔ)能系統(tǒng)同時(shí)接受站內(nèi)AGC統(tǒng)一調(diào)度運(yùn)行。早上8點(diǎn)40分左右，光伏逆變器即可發(fā)出有功250 kW以上，即當(dāng)AGC限電發(fā)生時(shí)，PCS即可全額滿(mǎn)功率參與AGC調(diào)峰運(yùn)行，進(jìn)行充電運(yùn)行，保證儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量得到高效利用[4]。光伏逆變器較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在400 kW左右，大于PCS250 kW額定功率，儲(chǔ)能變流器將長(zhǎng)時(shí)間具備滿(mǎn)功率充電運(yùn)行條件，有利于提高儲(chǔ)能系統(tǒng)利用率。

光儲(chǔ)聯(lián)合AGC控制邏輯為：電網(wǎng)調(diào)度發(fā)送AGC指令到電站AGC子站;AGC子站根據(jù)接收的電網(wǎng)調(diào)度AGC指令，并結(jié)合逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)算法計(jì)算確定優(yōu)先調(diào)度的光伏逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的相應(yīng)AGC調(diào)度指令;逆變器和儲(chǔ)能系統(tǒng)按各自接收的AGC調(diào)度指令進(jìn)行出力控制;儲(chǔ)能系統(tǒng)反饋狀態(tài)和運(yùn)行情況等信號(hào)。

針對(duì)不同的限電狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)出力最大化并滿(mǎn)足電網(wǎng)功率調(diào)度技術(shù)要求，光儲(chǔ)聯(lián)合AGC運(yùn)行應(yīng)采用不同的運(yùn)行模式和控制策略。

移峰運(yùn)行。當(dāng)光伏限電后，儲(chǔ)能系統(tǒng)將轉(zhuǎn)移儲(chǔ)存限發(fā)的多余光伏電量，待滿(mǎn)足外送條件且不越過(guò)限電目標(biāo)值時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)再將儲(chǔ)存的電量放出，送入電網(wǎng)。此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)電池宜采用0.5C充放電的控制運(yùn)行模式，既能保障全額發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)容量，又能保證儲(chǔ)能系統(tǒng)電池壽命和活性狀態(tài)。

限電跟蹤運(yùn)行。當(dāng)光伏限電后，出現(xiàn)多云天氣，光伏出力在限電功率上下波動(dòng)，儲(chǔ)能系統(tǒng)跟蹤光伏發(fā)電情況進(jìn)行充放電調(diào)節(jié)，使得總出力在控制后不會(huì)越過(guò)限電目標(biāo)值，并最大限度減少棄光。此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)電池宜采用0.5C充放電的控制運(yùn)行模式，保證儲(chǔ)能系統(tǒng)電池活性。

2.4 儲(chǔ)能AGC系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行相關(guān)改造工作

在光伏電站加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，電能可實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)，為防止電能倒灌入光伏逆變器造成設(shè)備損壞，光伏逆變器需進(jìn)行防逆流改造。

針對(duì)既有光伏電站的系統(tǒng)架構(gòu)，綜合考慮接入的復(fù)雜性、安全性和經(jīng)濟(jì)性，儲(chǔ)能子系統(tǒng)宜接入箱變低壓側(cè)交流開(kāi)關(guān)下端口，這樣可保證光伏和儲(chǔ)能的聯(lián)合總輸出功率小于變壓器功率限制，保證安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

現(xiàn)有的光伏電站AGC子站也需做相應(yīng)的后臺(tái)改造工作：將逆變器的出力信號(hào)和儲(chǔ)能裝置的出力信號(hào)疊加后作為光儲(chǔ)聯(lián)合出力反饋信號(hào);儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制系統(tǒng)應(yīng)與光伏電站內(nèi)AGC調(diào)度子站以約定的通訊協(xié)議進(jìn)行通訊，獲取實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和調(diào)度數(shù)據(jù)。

3 儲(chǔ)能電站安全研究

3.1 故障情況

為降低光伏電站加裝儲(chǔ)能裝置后發(fā)生故障時(shí)對(duì)電網(wǎng)的影響，應(yīng)在光儲(chǔ)聯(lián)合出力并網(wǎng)點(diǎn)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(dāng)光儲(chǔ)電站與并網(wǎng)系統(tǒng)的電網(wǎng)失壓時(shí)，能夠在規(guī)定的時(shí)限內(nèi)將該儲(chǔ)能電站與電網(wǎng)斷開(kāi)，防止出現(xiàn)孤島效應(yīng)，避免對(duì)并網(wǎng)點(diǎn)造成影響，保護(hù)動(dòng)作后跳開(kāi)儲(chǔ)能電站并網(wǎng)開(kāi)關(guān)。

3.2 電池系統(tǒng)安全

儲(chǔ)能系統(tǒng)采用的磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命達(dá)到5000次以上，是目前使用最佳的理想動(dòng)力能源。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)配置合適的消防系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、防雷接地系統(tǒng)和安防系統(tǒng)等來(lái)保障儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，并在出現(xiàn)安全事故時(shí)盡量減少損失。

3.3 電能質(zhì)量

儲(chǔ)能系統(tǒng)由電池組、變流器、測(cè)量通信等部分以及配電系統(tǒng)組成。由于儲(chǔ)能系統(tǒng)的一些特點(diǎn)，交直流轉(zhuǎn)變裝置接入電網(wǎng)時(shí)對(duì)系統(tǒng)有一定的不利影響。在儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)前，需完成《電能質(zhì)量評(píng)估報(bào)告》并提交電力部門(mén)審批通過(guò)，同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際并網(wǎng)時(shí)需進(jìn)一步測(cè)量其諧波電流（電壓），使之滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3.4 環(huán)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(huán)境條件極其惡劣，所以這種惡劣的環(huán)境也要著重注意。這種惡劣壞境下，對(duì)于光伏電站的建設(shè)有很大的挑戰(zhàn)，建設(shè)完成后儲(chǔ)能也是一種問(wèn)題。如果出現(xiàn)了問(wèn)題，會(huì)很大程度導(dǎo)致電網(wǎng)不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)于這種情況要嚴(yán)加注意。

參考文獻(xiàn)

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