光伏电站中储能系统接入与运行模式

研究背景

太阳能光伏发电是全球能源和电力可持续发展战略中的重要领域。光伏电力的间歇性和波动性严重制约了电网接入和输送，部分地区由于光伏电力就地消纳和外送困难而采取了限制发电等措施，导致光伏电站的经济收益大幅度缩减。

随着适于电网的新型储能技术逐渐向低成本、大容量应用发展，其对可再生能源电力生产和利用将带来巨大的推动作用。储能技术可效改善电压波动，减少电压骤降、电压电流畸变和闪变等，从而增强光伏并网电力的稳定性，改善电能质量，优化光伏电力的经济性，是解决大规模可再生能源发电接入电网的一种高效支撑技术。

创新点及解决的问题

本文选取1 MW并网太阳能光伏实验电站，基于光伏电站出力研究了电力输出的平滑策略；基于储能系统出力和蓄电池荷电状态制定了分时调度控制策略。讨论了光伏电站中不同接入模式下储能系统的运行特性，研究了电网接纳光伏电力过程中储能系统的控制运行模式及其对电网负荷特性的改善作用，提出了储能系统设计的优选方案。

重点内容导读

本文主要考虑蓄电池储能方式，讨论太阳能光伏电站中储能系统的不同接入方式，并选取中国甘肃省酒泉市金塔县（39.97°N，98.92°E）1 MW并网太阳能光伏电站为实验电站，对其配置储能系统的控制运行模式进行分析探讨。

1  储能系统的主要接入方式

1.1  配置在电源直流侧

该配置方式是在逆变器直流端对蓄电池组和光伏阵列进行配接调控，主要适用于太阳能光伏发电等直流系统，系统中的光伏发电单元和蓄电池储能单元共享一个逆变器。

1.2  配置在电源交流侧

配置在电源交流侧的储能系统主要有两种接入方式，分别为变压器低压侧接入和变压器高压侧接入。前者将储能部分接入变压器低压侧，与原光伏电站分享一个变压器，而后者则是储能系统形成独立的储能电站模块，直接接入高压电网。

1.3  配置在负荷侧

该配置方式是在蓄电池组和负荷之间直接进行配接调控，以实现快速、高效的能量储存与输出。该配置方式下，储能系统独立于电网并根据预设目标自主运行，储能系统输出功率随负荷功率波动。 

2  储能系统的控制运行

2.1  储能系统的运行模式

按储能系统的应用目标，其控制运行模式可分为自主模式和调度模式。自主模式一般针对快速响应的应用，如短时功率波动平滑，而调度模式主要指接受上层电网系统的需求调度。

（1）自主模式：平滑输出，利用储能系统快速吸收或释放能源，平滑光伏并网发电波，改善系统的有功功率、无功功率平衡水平，增强稳定性。因此，将实验电站等效为低通滤波器后，其定时间常数的低通滤波平滑策略模型表述为：

（1）式中，Po为储能系统平滑输出目标值，Pm为光伏组件输出功率值，A为光伏电站占地面积，s为微分算子，c为常数。

通过对实验电站进行基于定时间常数的低通滤波平滑方式等效拟合，应用该平滑策略前后的电力输出如图1所示。结果表明，对于小型电网或弱电系统接纳光伏电力，此平滑策略可有效减小光伏电力输出波动，提高电能质量。

图1  一阶低通滤波策略平滑电力输出

Fig.1  The smoothing strategy for power output based on a first order low-pass filter

（2）调度模式：经济调度，利用储能系统调度光伏电力，并与当地电力峰谷时间分布和电价情况进行匹配，实现电力调峰，从而优化电力系统运行的经济性。因此，需采用分时调度控制策略，策略模型可表述为：

实验电站配置储能系统容量为1.2 MW•h，基于分时调度控制策略的电力输出如图2所示。结果表明，储能系统采用分时调度控制策略，可根据电网需求进行灵活的电力调度，有效提升了电网负荷中的光伏出力占比。

图2  电力输出调度策略

Fig.2  The scheduling strategy for power output

2.2  储能系统中的蓄电池充放电平衡控制

蓄电池充放电控制目标是在保证输出功率的前提下，使电池长期工作在正常充放电深度区间范围内。在综合考虑光伏电力平滑输出、经济调度的前提下，实验电站中储能系统电池充放电控制采用分时控制策略，综合考虑光伏电力平滑输出、经济调度的前提下，实验电站中储能系统电池充放电控制采用分时控制策略，具体为：

（3）式中Pe为储能电池充电（为正）或放电（为负）功率。

实验电站中配置的1.2 MW•h储能系统额定功率为0.5 MW。采用该储能电池充放电控制策略后，储能系统功率变化如图3所示。结果表明，采用分时控制策略的储能系统可与实验电站良好匹配，其不仅控制运行更为简单，而且也实现了蓄电池的最佳保护。

图3  蓄电池充放电功率变化

Fig.3  The battery power change in the charging and discharging process

结论

本文讨论了储能系统不同接入方式的特点，研究了光伏电站中储能系统的控制运行模式及其对改善电站出力的作用，光伏电站配合储能系统可进一步提高光伏发电与电网间的匹配性，通过平滑输出和经济调度，降低光伏电站对电网的输电容量要求，有效缓解电网建设“瓶颈”对光伏电站发电的制约。其中，在电源交流侧配置储能系统具有结构清晰、通用性强、容易实施、便于电网双向能源调度等优点，是较为理想的光伏-储能系统设计方案。 

标签：电站,电力,储能,接入,系统,中储,调度,光伏
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