概要：隨著大規(guī)模光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的接入，電網(wǎng)穩(wěn)定性受到極大的挑戰(zhàn)，急需采用儲(chǔ)能設(shè)施改善電能質(zhì)量，避免電網(wǎng)事故。此文根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)光伏電站的使用需求，設(shè)計(jì)了一種光伏電站儲(chǔ)能方案。該方案選用儲(chǔ)能變流器及磷酸鐵鋰電池，并對(duì)安全技術(shù)措施進(jìn)行了完善，其應(yīng)用效果良好，達(dá)到了預(yù)期技術(shù)要求。

我國(guó)推進(jìn)綠色低碳循環(huán)發(fā)展， 采取有力行動(dòng)應(yīng)對(duì)氣候變化，光伏發(fā)電截止到2019 年底，裝機(jī)容量達(dá)2.04 億kW。開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能對(duì)調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、推進(jìn)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、促進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)均具有重要意義。

隨著光伏、風(fēng)電等新能源大規(guī)模接入，電網(wǎng)穩(wěn)定性、可靠性受到極大的挑戰(zhàn)。目前儲(chǔ)能技術(shù)是解決方案之一，可以輔助調(diào)峰調(diào)頻，平緩波動(dòng)?，F(xiàn)有的儲(chǔ)能方式有物理儲(chǔ)能（抽水儲(chǔ)能、壓縮空氣儲(chǔ)能）、電磁儲(chǔ)能（超級(jí)電容器儲(chǔ)能）、電化學(xué)儲(chǔ)能三大類(lèi)。國(guó)內(nèi)外通常采用的是抽水儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能方案，前者受地理?xiàng)l件的影響，難以大規(guī)模推行。電化學(xué)儲(chǔ)能在美國(guó)、日本等先進(jìn)工業(yè)化國(guó)家進(jìn)行了大量嘗試探索， 是業(yè)內(nèi)主流設(shè)計(jì)方案。本文設(shè)計(jì)的儲(chǔ)能方案針對(duì)光伏電站特殊的發(fā)電特性，選擇適合的儲(chǔ)能系統(tǒng)，提升電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，有效消納利用新能源電力。

【一】項(xiàng)目設(shè)計(jì)思路

風(fēng)力、光伏等新能源發(fā)電存在不穩(wěn)定性，會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，必須依靠火電、水電等其他能源發(fā)電方式進(jìn)行調(diào)峰補(bǔ)充。為此，新建光伏電站需要配建一定的儲(chǔ)能設(shè)施。

本項(xiàng)目借鑒國(guó)內(nèi)外光伏儲(chǔ)能現(xiàn)有方案， 從技術(shù)可行性、安全可靠性、建設(shè)和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性等各方面進(jìn)行研究，分析對(duì)比各類(lèi)電池性能特點(diǎn)，創(chuàng)新性設(shè)計(jì)了雙向變流器控制方案和電池柜環(huán)境控制方案， 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件，選用預(yù)裝式集裝箱結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了集中控制、消防安全、適應(yīng)野外環(huán)境的功能，滿足地面集中式光伏電站儲(chǔ)能設(shè)施的要求， 具有較高的技術(shù)先進(jìn)性及良好的經(jīng)濟(jì)效益， 可將此設(shè)計(jì)方案在光伏電站建設(shè)中推廣使用。

【二】項(xiàng)目設(shè)計(jì)目標(biāo)

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案需完成以下目標(biāo)：

1）穩(wěn)定光伏電站出力。光伏電站出力非常不穩(wěn)定，對(duì)電網(wǎng)沖擊較大，配建儲(chǔ)能設(shè)施以穩(wěn)定發(fā)電出力。

2）改善電網(wǎng)質(zhì)量。消除晝夜峰谷差，平滑負(fù)荷，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)的一種手段。

3）提供能量?jī)?chǔ)備。在夜間或者陰雨天，光伏系統(tǒng)無(wú)法發(fā)電時(shí)， 儲(chǔ)能設(shè)施可以起到臨時(shí)提供電力的作用。

4）確保經(jīng)濟(jì)可靠。目前儲(chǔ)能設(shè)施造價(jià)過(guò)高，制約普遍應(yīng)用。儲(chǔ)能電池和變流器既要滿足二十年使用的可靠性，也要具備一定的經(jīng)濟(jì)性。

【三】設(shè)計(jì)方案

3.1 儲(chǔ)能系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

為了有效應(yīng)對(duì)夏秋季光伏電站高發(fā)期電網(wǎng)調(diào)峰的要求， 山東某光伏電站項(xiàng)目建設(shè)規(guī)模200 MW，設(shè)計(jì)配建5%功率的電池儲(chǔ)能設(shè)施。如果按照午后削峰工作時(shí)間2 h 計(jì)算， 則設(shè)計(jì)儲(chǔ)能蓄電池容量為20 MW·h?？傮w設(shè)計(jì)方案選用10 MW／ 20 MW·h 的儲(chǔ)能系統(tǒng)方案。系統(tǒng)主要由電池單元、電池管理系統(tǒng)（BMS）、消防系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器（PCS）、干式變壓器、開(kāi)關(guān)保護(hù)單元等組成。本儲(chǔ)能設(shè)施采用預(yù)制艙結(jié)構(gòu)， 含8 個(gè)電池集裝箱和4 個(gè)儲(chǔ)能變流器+變壓器集裝箱， 配建于光伏場(chǎng)區(qū)110 kV 升壓站內(nèi)，占地約1 400 m2。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由磷酸鐵鋰電池組作為儲(chǔ)能介質(zhì)， 通過(guò)PCS 與升壓變壓器相連接，儲(chǔ)能系統(tǒng)以智能配電系統(tǒng)為對(duì)外接口，輸出電能經(jīng)過(guò)變壓器升壓至35 kV 后，接入到升壓站預(yù)留35 kV儲(chǔ)能裝置進(jìn)線柜。同時(shí)整套集裝箱式電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝雙向計(jì)量電表， 對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電電量進(jìn)行計(jì)量。每個(gè)電池組均裝有BMS，對(duì)電池的充放電進(jìn)行在線管理。BMS 與PCS 通過(guò)以太網(wǎng)與監(jiān)控相連，根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度適時(shí)投入充電/放電工作狀態(tài)，從而達(dá)到穩(wěn)定光伏電站出力、消除峰谷設(shè)計(jì)目的。在遇到斷電、自然災(zāi)害等特殊情況時(shí)，還可以利用儲(chǔ)能設(shè)施進(jìn)行臨時(shí)應(yīng)急供電。本設(shè)施作為光伏電站參與電網(wǎng)電源側(cè)調(diào)峰的有益嘗試， 也是新能源與傳統(tǒng)電網(wǎng)結(jié)合的良好模式。

3.2 電池選型及安全

目前電儲(chǔ)能系統(tǒng)常用的電池類(lèi)型主要有鉛酸、鉛碳、鎳氫、鎳鎘、鋰電池、納硫、液流電池等。之前的項(xiàng)目大多采用較為成熟的鉛酸蓄電池， 成本相對(duì)低廉。但是其對(duì)運(yùn)行溫度要求較高，且儲(chǔ)能密度低，放電深度低。磷酸鐵鋰電池具有能量密度較高、循環(huán)壽命較長(zhǎng)、放電深度較大、放電電流大的特點(diǎn)，本項(xiàng)目選用磷酸鐵鋰電池。伴隨著近年電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)快速發(fā)展，此類(lèi)電池不但品質(zhì)有著良好保障，產(chǎn)品市場(chǎng)銷(xiāo)售價(jià)格也逐步降至1.2 元/Wh 左右，支持本儲(chǔ)能系統(tǒng)選型經(jīng)濟(jì)性滿足要求。

方案選擇磷酸鐵鋰動(dòng)力電池， 重點(diǎn)考慮電池的單體管理及安全保障。鑒于國(guó)外儲(chǔ)能電站出現(xiàn)過(guò)多起失火爆炸現(xiàn)象，為解決安全問(wèn)題，本方案設(shè)計(jì)中采取了電池簇模塊化設(shè)計(jì)、智能化控制、電池均衡、充放電技術(shù)、熱管理等各項(xiàng)前沿的技術(shù)手段。裝配方案設(shè)計(jì)在一臺(tái)預(yù)裝式12 032 mm×2 352 mm×2 393 mm電池集裝箱內(nèi)，集成成套電池系統(tǒng)（含風(fēng)道設(shè)計(jì)）、電池管理系統(tǒng)、能量動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)（EMS-RTU）、交直流配電控制系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)和消防監(jiān)控系統(tǒng)，尤其針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)野外工作的惡劣環(huán)境， 研究分析了磷酸鐵鋰電池工作特性，創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)安裝環(huán)境保障檢測(cè)系統(tǒng)，在環(huán)境溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)制冷或加熱設(shè)備， 提供給磷酸鐵鋰電池單元適宜的工作溫度條件，極大提升系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行能力。

3.3 設(shè)備整體布局

儲(chǔ)能電站推薦布局如圖1 所示，系統(tǒng)由4 個(gè)2.5 MW／ 5 MW·h 儲(chǔ)能單元組成。每個(gè)儲(chǔ)能單元包括1 臺(tái)中壓箱式儲(chǔ)能變流器（PCS）和2 臺(tái)儲(chǔ)能電池集裝箱。此單元化設(shè)計(jì)，便于維護(hù)操作，提升了系統(tǒng)運(yùn)行安全性及可靠性，適用于光伏電站儲(chǔ)能系統(tǒng)在野外環(huán)境安裝使用。

3.4 方案設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

本方案設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是箱式儲(chǔ)能變流器。儲(chǔ)能變流器可實(shí)現(xiàn)電能的雙向轉(zhuǎn)換：在充電狀態(tài)時(shí)，變流器作為整流器將電能從交流變成直流儲(chǔ)存到儲(chǔ)能裝置中；在放電狀態(tài)時(shí)，變流器作為逆變器將儲(chǔ)能裝置儲(chǔ)存的電能從直流變?yōu)榻涣鳌Ｍㄟ^(guò)控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的充放電管理， 以及對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率的控制；實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)側(cè)的負(fù)荷跟蹤，對(duì)正常與孤島運(yùn)行模式下網(wǎng)側(cè)電壓的控制。

圖1 儲(chǔ)能電站推薦布局

儲(chǔ)能變流器PCS 采取35 kV 交流并網(wǎng)， 模塊化設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、控制策略優(yōu)，靈活的配置組合方式，系統(tǒng)擴(kuò)容非常方便，可有效防止多串電池組接入時(shí)的環(huán)流一致性等問(wèn)題。PCS 主要功能包括并網(wǎng)充電、并網(wǎng)放電、無(wú)功輸出和黑啟動(dòng)。并網(wǎng)充電包括預(yù)充、快充、恒壓充、浮充，可根據(jù)工況自我調(diào)整；并網(wǎng)放電采用恒功率方式，控制目標(biāo)為交流側(cè)功率；無(wú)功功率輸出指令由后臺(tái)下發(fā)；黑啟動(dòng)功能是指電網(wǎng)失電情況下，儲(chǔ)能變流器能夠離網(wǎng)啟動(dòng)，為負(fù)荷及其他電源提供穩(wěn)定的電壓和頻率。

本方案配備雙分裂干式變壓器及其保護(hù)裝置、高壓進(jìn)線負(fù)荷開(kāi)關(guān)+熔斷器組合電器和通訊動(dòng)力柜，均安裝在一個(gè)特制5 898 mm×2 352 mm×2 393 mm預(yù)制集裝箱內(nèi)。箱內(nèi)具有獨(dú)立的自供電系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、隔熱系統(tǒng)、阻燃系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、門(mén)控照明、安全逃生系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等自動(dòng)控制和安全保障系統(tǒng)。

【四】總結(jié)

本方案通過(guò)雙向儲(chǔ)能變流器（PCS）、磷酸鐵鋰電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）各單元的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以穩(wěn)定光伏電站出力，保障電網(wǎng)運(yùn)行安全。在山東某地面光伏電站項(xiàng)目試運(yùn)行中， 運(yùn)行穩(wěn)定， 技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良，取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。相比傳統(tǒng)抽水蓄能、壓縮空氣等儲(chǔ)能類(lèi)型，具有明顯的可靠性及成本優(yōu)勢(shì)，可以滿足清潔電力轉(zhuǎn)型的需求， 具有良好的市場(chǎng)發(fā)展空間。