儲能技術(shù)在風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

王建寶 巫 卿 王 瑾 古婷婷 陳德慧

（中國水電顧問集團(tuán)貴陽勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽 550081）

隨著化石能源的枯竭，風(fēng)能和太陽能為代表的新能源發(fā)電以其取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，得到前所未有的發(fā)展。但由于風(fēng)能、太陽能發(fā)電技術(shù)受天氣變化影響較大，且具有不可控性，因此，新能源發(fā)電要取代傳統(tǒng)能源發(fā)電并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)，對電網(wǎng)的沖擊影響是不可忽視的。儲能系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中可參與電網(wǎng)削峰填谷、系統(tǒng)調(diào)頻及無功控制等，可以減小風(fēng)光發(fā)電對電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

1 儲能電池的選擇

儲能電池的選型應(yīng)符合以下原則：容易實(shí)現(xiàn)多方式結(jié)合、安全可靠運(yùn)行、快速響應(yīng)及大倍率充放電能力、高效率、易于維護(hù)及符合環(huán)境保護(hù)等特點(diǎn)。

目前儲能方式主要有物理儲能、化學(xué)儲能和其他儲能形式3大類[1]。物理儲能主要包括抽水蓄能及飛輪儲能等；化學(xué)儲能主要包括鉛酸電池、鋰電電池、鈉硫電池及超級電容儲能等；其他儲能有超導(dǎo)電磁儲能等。抽水蓄能由于受地形及水文等因素制約，不適合短期及就近與風(fēng)光發(fā)電相結(jié)合；飛輪儲能技術(shù)具有壽命長、無污染特點(diǎn)，但由于能量密度低，不適合建大型儲能電站。超導(dǎo)儲能技術(shù)成本高且技術(shù)不夠成熟不具備大規(guī)模推廣價(jià)值?；瘜W(xué)儲能技術(shù)目前較成熟，應(yīng)用也最為廣泛，鉛酸電池是目前成熟的電池，價(jià)格低廉，但由于其對運(yùn)行穩(wěn)定要求較高，且儲能密度及放電深度低，循環(huán)次數(shù)少等缺點(diǎn)而受限；鈉硫電池具有能量密度大、充電效率高優(yōu)點(diǎn)，但其在高溫環(huán)境中工作具有一定的安全隱患，而且生產(chǎn)工藝復(fù)雜成本高，不適合大規(guī)模應(yīng)用；超級電容具有壽命長，快速充放電等優(yōu)點(diǎn)，但其能量密度只有鉛酸電池 1/10左右，從而限制了其大規(guī)模發(fā)展。磷酸鐵鋰電池是近幾年發(fā)展較為迅速的一類電池，由于其能量密度較高、循環(huán)次數(shù)較長、放電深度較大、達(dá)到電流大的特點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用與儲能系統(tǒng)中。

2 儲能電站的設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)光互補(bǔ)儲能電站結(jié)構(gòu)

夏季光照強(qiáng)度較大，風(fēng)較?。欢咎柟庹諒?qiáng)度較弱而風(fēng)大；白天光照強(qiáng)，晚上風(fēng)力較大，風(fēng)能和太陽能具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性。風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)可以有效彌補(bǔ)風(fēng)電與光伏獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)在自然資源上的缺陷。在風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)中配置一適當(dāng)容量的儲能電站，通過儲能電站能量管理系統(tǒng)有效控制，可以有效平抑風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)電能波動性，不僅實(shí)現(xiàn)風(fēng)光發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)，且可以減小新能源并網(wǎng)對電網(wǎng)的沖擊。

圖1 風(fēng)光儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 儲能容量的選擇

目前，國內(nèi)外已經(jīng)開展對新能源發(fā)電系統(tǒng)中儲能裝置容量配置的研究，但都處于起步階段。文獻(xiàn)[2]針對風(fēng)光互補(bǔ)系統(tǒng)提出基于遺傳算法的混合儲能系統(tǒng)容量優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，文獻(xiàn)[3]提出一種基于隨機(jī)模擬遺傳算法的飛輪-蓄電池儲能容量優(yōu)化配置方法；上述兩種方法均有效地提高了儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，但是研究只針對獨(dú)立負(fù)荷供電系統(tǒng)。根據(jù)日本研究者提出的平滑時(shí)間常數(shù)-電池容量特性和平滑時(shí)間常數(shù)-系統(tǒng)輸出效率特性的方法[4]，依據(jù)成本/性能比得出最佳電池容量。儲能容量占風(fēng)光裝機(jī)容量15%～30%，儲能時(shí)間1.5h以上時(shí)，可以使風(fēng)光發(fā)電輸出波動值小于10%。

2.3 儲能裝置設(shè)計(jì)

1）儲能模塊設(shè)計(jì)

儲能電站由若干電池陣列串并聯(lián)組成，目前國內(nèi)生產(chǎn)的鋰電池容量從幾十Ah到幾百Ah，最小的有35Ah，最大到500Ah。電池組串聯(lián)數(shù)量根據(jù)PCS直流側(cè)輸入電壓范圍確定，而后由儲能模塊容量確定需要并聯(lián)的電池串?dāng)?shù)量，電池串并聯(lián)后構(gòu)成一個(gè)儲能電池模塊。

2）儲能雙向逆變器（PCS）

PCS功率處理單元主要由 DC/AC功率模塊、EMC濾波器及控制處理單元組成。電池組單元輸出直流電壓經(jīng)三相橋式變換器變換為正弦波交流電，再通過接觸器及交流 EMC濾波器送入交流控制單元。控制單元通過對電池組直流電壓及交流電網(wǎng)電壓進(jìn)行采樣，在算法控制下輸出 PWM脈沖信號驅(qū)動逆變器橋可靠運(yùn)行。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.4 儲能電站能量管理系統(tǒng)

1）電池管理系統(tǒng)功能[5]

（1）均衡管理功能

多個(gè)電池串聯(lián)在一起使用時(shí)，如果電池之間的容量失配將會影響整個(gè)電池串的容量，當(dāng)電池不均衡時(shí)，電池串的可用容量將減少，其中容量最低的電池將決定電池串的總?cè)萘?，為此需要對失配的電池進(jìn)行均衡。

（2）絕緣檢測功能

每套電池管理系統(tǒng)均配備了絕緣檢測設(shè)備（IMD），該設(shè)備主要用于檢測直流系統(tǒng)動力回路與大地之間的絕緣特性，當(dāng)系統(tǒng)動力回路對地出現(xiàn)絕緣等級降低的情況時(shí)，絕緣檢測設(shè)備能及時(shí)向BSMU發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號，BSMU則禁止電池串進(jìn)行充電或放電。

（3）檢測功能

（4）統(tǒng)計(jì)存儲功能

（5）充放電管理功能

電池管理系統(tǒng)根據(jù)電池串當(dāng)前的溫度、SOC、SOH判斷電池狀態(tài)，決定電池最大允許的充電電流和放電電流，同時(shí)將信息發(fā)送給充放電設(shè)備 PCS，使PCS根據(jù)接收的信息判斷和控制運(yùn)行功率，達(dá)到對電池性能的安全的保護(hù)。

2）電池管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

BMS電池管理系統(tǒng)包括：電池管理單元（BMU）、電池管理系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)單元（BGU）、電池管理系統(tǒng)控制單元（BECU）、電池管理系統(tǒng)堆電池管理單元（BSMU）。實(shí)現(xiàn)電池狀態(tài)監(jiān)視、運(yùn)行控制、絕緣監(jiān)測、均衡管理、保護(hù)報(bào)警及通訊功能，確保系統(tǒng)正常、可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行。

3）電池管理系統(tǒng)原理及特點(diǎn)

電池管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測電池串內(nèi)單體電池電壓和溫度、電池組電流以及計(jì)算電池組的SOC，SOH，檢測絕緣狀況，與上位機(jī)通信、發(fā)送告警信息、進(jìn)行保護(hù)動作，電池均衡等功能，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 電池管理系統(tǒng)拓?fù)涫疽鈭D

3 應(yīng)用結(jié)果

國家電網(wǎng)張北風(fēng)光儲示范電站，風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量98.5MW，光伏容量 40MW，儲能電站設(shè)計(jì)為功率20WM，容量95WMh。平滑出力、跟蹤計(jì)劃、儲能調(diào)頻及削峰填谷幾種運(yùn)行結(jié)果如圖4所示，圖中①（風(fēng)力發(fā)電曲線）、②（光伏發(fā)電曲線）、③（風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電曲線）、④（儲能裝置出力曲線）、⑤（風(fēng)光儲電站運(yùn)行曲線），由圖可見，在儲能電站的調(diào)節(jié)作用下，風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)輸出波形平穩(wěn)，且可以跟蹤設(shè)計(jì)功率曲線并達(dá)到削峰填谷的目的。

圖4 風(fēng)光儲電站運(yùn)行結(jié)果圖

4 結(jié)論

隨著新能源產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，風(fēng)電及光伏發(fā)電將在電網(wǎng)中比例逐步增大，為了降低其發(fā)電出力的不確定性及不可調(diào)度性給電網(wǎng)帶來的沖擊，加強(qiáng)大規(guī)模儲能系統(tǒng)的研究，對于風(fēng)光發(fā)電技術(shù)的發(fā)展及電網(wǎng)穩(wěn)定的問題，能起到很大的促進(jìn)作用，對于將來構(gòu)建智能電網(wǎng)也可以起到關(guān)鍵的作用。

由張北風(fēng)光儲示范電站及我院設(shè)計(jì)的西藏阿特斯20MW光伏項(xiàng)目可以得到，在儲能電站容量按照新能源電站20%裝機(jī)，儲能時(shí)間1.5h設(shè)計(jì)，及可以滿足風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)輸出波形平穩(wěn)，且可以跟蹤設(shè)計(jì)功率曲線并達(dá)到削峰填谷的目的。如果儲能電池功率小于20%，則可以將儲能時(shí)間延長，使得儲能電站滿足要求。

[1] 張文亮,丘明,來小康.儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù),2008(7).

[2] 吳紅斌,陳斌,郭彩云.風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中混合儲能單元的容量優(yōu)化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 2011(4).

[3] 程苗苗, 康龍?jiān)?徐大明, 孫耀杰.風(fēng)光復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)中儲能單元的容量優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].電氣應(yīng)用,2006(6).

[4] SHIJI W, RYOHEI O.An investigation on optimal battery capacity in wind power generation system[R].Dept.of EE&Bioscience Waseda University,Tokyo,Japan.

[5] 李娜,白愷.磷酸鐵鋰電池均衡技術(shù)綜述[J].華北電力技術(shù),2012(2).