适用于光伏电站应用的储能电站规划

适用于光伏电站应用的储能电站规划

刘雷,徐嵩,雷海洲

中国电建集团山东电力建设第一个工程有限公司，山东省济南市，250101

摘要：由于大量的光伏发电和风能发电的接入，电力系统的稳定性迎来了新的挑战，迫切需要提高电力品质的能量储存设备，防止电网发生意外事故。因此，本文从我国目前的光伏发电系统的需求出发，对光伏发电系统的能量存储进行了深入的研究。本项目采用了能量转换装置和磷酸铁锂电池，并改进了安全技术措施，经实际使用，达到了设计的技术指标。

关键词：光伏发电；储能电站；有效规划

前言：随着我国绿色低碳、循环发展理念的提出，社会各界为应对气候变化采取了强有力的措施。截至2019年末，太阳能发电量已达到2.04亿千瓦。太阳能的开发与应用，对于调整能源结构、促进能源生产与消费革命、促进生态文明的发展都有着十分重要的作用。随着新的能源如光伏、风力发电等的大量加入，电网的稳定性和可靠性都迎来了新的危机。当前的解决办法就是能量储存技术，能有效帮助电网调峰调频、维持稳定。目前已知的储能技术主要有物理储能(抽水储能、压缩空气储能)电磁储能(超级电容器储能)电化学储能三大类，本文根据太阳能光伏电站的特点，提出了一种基于太阳能发电特点的能量存储系统，选择适当的能量储存方式，保障电网的安全、稳定以及新能源发电的有效使用。

一、项目设计目标

在光伏电站整体发展越发规模化的趋势下，限电状况的次数频繁发生，对于这种情况可以运用储能技术进行解决，通过储能技术能够有效强化电网发电的实际效率，并为并网系统提供更多运行保障。首先，要保证光伏电站的发电能力。光伏电站的功率波动很大，对电力系统的影响更大，为了维持稳定的发电量，配套建设蓄能设备是必要的。其次，要提高电力网络的品质。清除昼夜峰谷差，平滑负荷可以起到调节频率、补偿负荷波动等作用。再者，提供能量储备。在晚上或阴雨天气里，当光伏系统不能提供电力时，能量储存设备可以作为暂时的电能供应。最后，确保经济可靠。当前，储能设备成本高限制了其广泛使用，储能电池和换流器的选择不仅要具有20年以上的可靠性，同时也要节约成本。

二、设计方案

（一）储能系统整体设计

为满足我国夏季、秋季光伏发电高峰时期电网的调峰需求，相关技术人员在太阳能发电工程可在90 MW机组中，安装容量为10%的太阳能电池。若以下午削峰2小时为基准，要对蓄电池组进行18MW/h的蓄能系统设计。该系统由电池、电池管理系统、消防系统、环境监测系统、储能变流器（PCS）、干式变压器开关保护装置等构成。项目以磷酸铁锂电池为存储介质，把能量储存系统和一个智能分配系统用 PCS和一个升压变压器连接起来，输出功率通过变压器提高至35 kV，再将其与35 kV储能装置的进线柜连接。同时，该设备配备了一组双向仪表，对存储器系统进行充、放电测试，每个电池都装有 BMS，用于在线管理蓄电池充电和放电，BMS和 PCS是由以太网连接到监控系统的，按照电力系统的安排，及时投入到电力系统的工作中，从整体上实现光伏电站出力稳定、峰谷清除的设计目标。如果有断电或自然灾害，储能装置也可以用作应急电源。

（二）电池选型及安全

目前在电储能系统中使用的电池有铅酸铅碳、镍氧、镍镉、锂电池、纳硫电池、液流电池等。以前的项目大部分都是使用比较成熟的铅酸蓄电池，价格比较便宜。但它需要很高的操作温度，同时，能量密度、放电深度都比较小。磷酸铁锂电池的特性是高能量密度、长寿命、放电深度大、放电电流大，将其应用于电能储蓄是一项不错的选择。在选择磷酸铁锂动力电池的过程中，应着重于电池的单体管理和安全保护。相关技术人员要在电池群组设计、智能化控制、电池均衡、充放电技术、热管理等方面，对电池技术进行深入的研究。可以采用以下组装方案：在一套12032 mmx2352 mmx2393mm电池盒中集成电池系统（包括管道设计）、电池管理系统、能量动态调度系统、交流配电控制系统、环境监控系统以及火灾监控系统，特别是在恶劣的野外作业条件下，要对磷酸铁锂电池的工作特点进行创新设计、安装和测试。如果周围的气温太高或者太低，就要快速启动冷却或加热设备，提高系统的稳定性。

（三）设备整体布局

建议的能量存储设施布置见图1，该系统包括4台25兆瓦/5兆瓦的蓄能器。各能量储存装置由1个中压箱型能量转换装置（PCS）及2个能量储存容器组成。这种单元化设计方便维修，且提高了系统的运行安全性和可靠性，适合于野外环境下的光伏发电系统的安装使用。

图1 储能电站推荐布局

（四）方案设计关键技术

该方案的关键在于箱型能量转换装置，能量储存变换器可以进行双向变换，当处于充电状态时，换流器起到一个整流器的作用，把电能从AC转换成DC并存储在能量存储设备中；在放电条件下，变流器起到逆变器的作用，把蓄能器中存储的电力由DC转换成AC，利用控制策略，对能量存储系统进行充放电管理，和控制能量储存系统的充放电功率，通过实时跟踪电网端的负载，对正常与孤岛运行模式下网侧电压进行控制，储能换流器PCS采用35kV的交流并网，模块设计具有高转换效率、高可靠性和优良的控制策略、灵活的组态组合方法，系统扩容便捷，该系统能有效地避免多排电池在接入过程中出现的电流不一致等问题。PCS的主要功能有：并网充电、并网放电、无功输出、黑起动等。并联充电包括预充电、快速充电、恒压充电、浮充，可自行调节条件：采用恒定电源模式的并网放电控制对象是AC电源，后台发出无功输出命令，当电网停电时，黑起动产生作用，能量转换装置可以脱机运行，为其它供电设备提供稳定的电压、频率。该方案包括：双分频干式变压器及其保护装置、高压进线负载开关+保险丝组合电器、通信电源箱。全部装在专用的5898mmx2352mmx2393mm的预制集装箱中，内部设有自供电系统、温度控制系统、隔热系统、防火系统、火灾报警系统、门控系统、照明系统、安全逃生系统、应急系统、消防系统等。

总结：该方案采用了 PCS、磷酸铁锂电池、 BMS等多个模块的结构，能够使光伏发电站的发电功率得到稳定，从而保证电网的安全运行。与常规的抽水蓄能技术相比，如压缩空气这样的能量储存方式，其可靠性和价格优势是显而易见的，它能够有效适应清洁能源的转变，市场前景广阔。

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