储能技术在光伏发电系统中的方案比选与优化研究.pdf

中国新技术新产品2024 NO.3（下）-38-工 业 技 术1 储能技术原理光伏发电系统中的储能技术主要包括电池储能和超级电容储能1。其中电池储能是最常见的形式，其原理为化学反应。电池内部通过正、负极材料间的化学反应产生电子运动，从而进行电能储存和释放。电池储能具有高能量密度、运行稳定等优点，但也存在充电时间长、寿命短等问题。超级电容储能则是一种物理储能形式，其原理为电荷的吸附和释放。超级电容通过正、负极间的介质分离电荷，并储存于极板上。超级电容储能具有快速充放电、寿命长且功率密度高等优点，但能量密度较低。2 储能技术分析与选择储能技术的发展现状呈现出多元化和复杂化的特点2。各种储能技术都在不断被研究和改进，以适应不同的应用场景。首先，电池储能技术是最成熟、应用较广泛的一种储能技术。其中锂离子电池是最常见的一种电池类型，具有能量密度高、自放电率低和寿命长等优点。此外，钠硫电池、铅酸电池和镍镉电池等也是常见的电池类型，应用场景也比较广泛。其次，超级电容储能技术也得到了广泛应用，具有高功率密度、快速充电且高耐压等优点，适用于电能快速储存和释放，应用范围广泛，包括电力调峰、能源回收等领域。此外，物理储能技术也在不断发展中，例如抽水蓄能与压缩空气储能等常见的物理储能技术。但这类技术对选址条件苛刻，在光伏储能中应用较少。各类储能技术优、缺点见表 1。储能技术可以平衡光伏发电系统的功率波动，提高系统的稳定性，主要应用于解决光伏发电系统中的电能储存和功率平衡问题。综合考虑表 1 中各类储能技术与项目情况，本项目为中能建（敦煌）清洁能源公司 10 万 kW 光伏电站建设项目，为满足业主环保和发电量的要求，储能系统选用锂离子电池中的磷酸铁锂电池。3 储能容量优化配置3.1 最佳储能配置3.1.1 影响因素在大规模光伏集中式发电场景中，配置储能系统的主要目标是提高光伏发电的消纳率、平抑短时间内出力波动以及解决跨区域供需矛盾等。这些目标对提高可再生能源的利用率和电网稳定性具有积极作用。其中，弃光率是衡量光伏发电消纳水平的重要指标之一3。根据国家规定，光伏消纳比例应为 5%10%，不满足则视为不及格。为了满足不同阶段对弃光率的要求，可以利用储能进行削峰填谷，降低弃光率，提升光伏消纳水平。波动率也是影响电能质量的重要因素之一。光伏电站的功率变化受多种因素影响。国家规定光伏 1min 内上、下波动不得超过光伏电站装机总容量的10%。为了确保光伏电站并网的电能安全质量，配置储能系统可以削减光伏有功功率的变化。输送容量是影响光伏电站接入电网条件和调峰能力的重要因素。由于光伏发电的间歇性，光伏电站出力为装机容量 80%以上的概率一般不超过 10%。因此，配置一定输送容量比的输电线路是较好的选择。综上所述，在大规模光伏集中式发电场景中，储能系统的影响因素为弃光率、波动率与输送容量，合理配置可以有效提高光伏发电的消纳率、平抑短时间内出力波动以及解决跨区域供需矛盾等，促进可再生能源的利用率和电网稳定性的提高4。3.1.2 储能配置的模拟优化敦煌光伏项目将磷酸铁锂电池作为储能系统类型，根据储能技术在光伏发电系统中的方案比选与优化研究高晓单亚辉黄仁国何红伟谢然然（中国葛洲坝集团装备工业有限公司，湖北 武汉 430040）摘 要：本文基于敦煌光伏电站建设项目，通过对储能技术进行分析与比较，确定了锂离子电池为项目电池材料，对储能相关参数进行设定，以优化储能容量，并根据 DPC 算法进行模拟，得出最优光伏储能配置。在能量管理系统的设计过程中，考虑单支路的阻抗特性与多支路协调工作的阻抗特性，设计出系统的阻抗模型，从而确定系统参数，并选取0.5kW、1kW 和3kW 共3个梯度绘制环路增益 Tm的伯德图与奈奎斯特曲线，根据 Middle brook 稳定性判据可知 Pload的增大会降低系统的稳定裕度，为系统参数设计提供指导。关键词：光伏发电；储能系统；储能容量；优化配置中图分类号：TM615文献标志码：A表 1 各类储能技术优、缺点储能类型响应时间系统能效度电成本/元优点缺点抽水蓄能数分钟70%85%0.220.35技术成熟，使用寿命长，成本低，储存容量大选址难，建设周期较长压缩空气数分钟65%75%0.270.41储存容量大，成本低，所需占地面积较小响应慢，选址苛刻锂离子电池数秒85%95%0.50.7比功率与比能量低，污染较小，自放电小成本高，一致性差液流电池数毫秒65%75%0.440.69寿命长，安全性好，输出功率大，容量大，易扩展能量密度低，体积占比大，成本高，环境要求高钠离子电池数毫秒70%80%0.270.66响应快，能良密度高，能规模化应用所需温度高，价格高，存在安全隐患，运维成本高铅碳电池数秒60%70%0.520.74技术成熟，性价比较高比能量和比功率低，有严重环境污染，寿命短中国新技术新产品2024 NO.3（下）-39-工 业 技 术项目所处地理位置与相关数据支持对储能相关参数进行设定，并根据 DPC 算法进行模拟，得出最优光伏储能配置。设定储能系统 SOC（State of Charge，电池荷电状态）阈值为 10%90%，即电池的电量使用范围。电池充、放电效率设定为 87%。一套储能系统的容量成本为 150 万元/MW h。系统的功率成本为 50 万元/MW。设定储能系统的全寿命周期为 70%，即储能系统的容量衰退到 70%时寿命周期结束。弃光率指标选择 5%、8%，线路容量比为 0.30.8。计算结果分别如图 1、图 2 和表 2 所示。图 1、图 2 是根据敦煌光伏项目设定容量进行模拟得出的数据。由图 1 可以看出，2500h4500h 受日照影响输出功率较高，图 2 的曲线表示晴天占比为 52.88%，此时功率是典型的增长曲线。敦煌光伏项目设定容量为 10 万 kW，由表 1 可知，当联络线占比为 0.5、弃光率为 5%、典型日配置容量为24000kW 且典型日配置功率为 8000kW 时，全年配置容量为114000kWh，为最优配置。3.2 能量管理系统3.2.1 系统框架设计能量管理系统是储能电站的核心组件，对储能电站的高效、安全、稳定并可靠运行至关重要。能量管理系统不仅能够协调、控制储能电站的各子系统，还能最大化利用可再生能源。为实现风光储荷一体化管理，本文将能量管理系统设计为 3 个层级。位于第三层的是组网装置物理层，主要由硬件组成，可对电压、电流进行基本控制。第二层为设备级控制，主要控制第三层，使其电压稳定并平衡系统能量，通过采集信息达到控制目的。第一层为系统级控制，通过通信方式对第二层进行协调控制，并对功率进行合理分配，完成能量调度与最优控制。其设计框架如图 3 所示。通过消除信息孤岛，能量管理系统能够提高储能电站的运营效率和可靠性5。3.2.2 系统阻抗模型设计设计光储系统的阻抗模型时应同时考虑单支路的阻抗特性与多支路协调工作的阻抗特性，才能实现瞬时工况下的多线路系统控制。系统中单支路与多支路分别对应直流与交流负荷，为恒功率负载，如公式（1）所示。?viiPiviloloivlololoivlolololololo,0（1）式中：vlo为等效电压；ilo为等效电流；Plo为等效功率。由公式（1）可得出系统总阻抗模型，如图 4 所示。由图 4 可以看出，系统的总阻抗模型可对功率进行调节控制。对阻抗模型与系统的软、硬件配置进行测试、分析，确定系统的相关参数，见表 3。表 3 系统参数支路名称参数名称数值并网支路L（滤波电感）1.5mHCdc（滤波电容）1500Ffs（开关频率）20kHz恒功率负载支路Pload（等效功率）3kWCeq（等效电容）200FLeq（等效阻抗）20H3.2.3 功率参数对系统稳定的影响特性由表 3 可以看出，恒功率负载支路的等效功率 Pload为3kW，选取 0.5kW、1kW 和 3kW 这 3 个梯度绘制环路增益Tm的伯德图与奈奎斯特曲线，根据 Middle brook 稳定性判据研究 Pload参数变化对系统稳定的影响。其中 Tm为输出与输入阻抗的比值，系统稳定的判断依据是 Tm奈奎斯特曲线不包围（-1，0）点，同时伯德图上幅值应 0，结果如图5 所示。由图 5（a）可知，当 Pload由 0.5kW 升至 3kW 时，曲线幅值呈上升趋势，表明输入阻抗与输出阻抗的比值在减少，此时系统稳定富裕度降低。由图 5（b）可知，当 Pload由 0.5kW表 2 不同参数下的储能配置结果联络线占比弃光率全年配置容量（kWh）全年配置功率（kW）工况配置容量（kWh）工况配置功率（kW）典型日配置容量（kW）典型日配置功率（kW）0.78%5100300040002000/0.75%230005000200007000/0.68%520001100043000100001300020000.65%670001400066000140001800030000.58%940001700097000170002300060000.55%11400020000124000180002400080000.48%170000230001580002300030000110000.45%183000250001880002500033000130000.38%226000300002300002700036000160000.35%24700030000260000280003700018000图 1 电站全年功率输出曲线kW中国新技术新产品2024 NO.3（下）-40-工 业 技 术升至 3kW 时，曲线向左侧扩展，更接近（-1，0）点，此时系统稳定富裕度降低。综合分析可知，恒功率负载的 Ceq和Leq为一个低阻尼的LC环节时，电源装置与其产生相互作用，Pload的增加会降低系统的稳定裕度，因此设计时应避免 Pload过高造成的系统稳定裕度过低的情况。4 结论本文对储能技术在光伏发电系统中的应用进行了深入研究，根据研究情况所得结论如下。1）各类储蓄技术均有各自的优、缺点，应结合项目情况综合考虑，本项目储能系统选用锂离子电池中的磷酸铁锂电池。2）针对不同类型的光伏发电系统和地理环境，选择合适的储能技术进行配置。经过计算联络线占比为 0.5，弃光率为 5%，典型日配置容量为 24000kW，典型日配置功率为 8000kW，此时全年配置容量可达 114000kWh，为最优配置。3）恒功率负载的和为一个低阻尼的 LC 环节时，电源装置会与其产生相互作用，Pload的增加会降低系统的稳定裕度。参考文献1 何可欣，马速良，马壮，等.储能技术发展态势及政策环境分析 J.分布式能源，2021，6（6）：45-52.2 任荣荣，谢丽蓉，徐波丰，等.基于弃光消纳的光储系统容量优化配置研究 J.新疆大学学报（自然科学版）（中英文），2021，38（5）：632-640.3 俞振华，宁娜.中国光储产业发展现状及趋势 J.中外源，2020，25（4）：89-92.4 李瑞民.集成分布式可再生能源的混合储能系统研究 D.北京：中国科学院大学（中国科学院工程热物理研究所），2019.5 韦雪菲.基于混合储能的独立光伏发电系统稳压控制与优化 D.南宁：广西大学，2018.图 3 能量管理系统设计框图图 4 系统总阻抗模型vloilovloplo图 5 恒功率负载对系统稳定的影响曲线（a）环路增益 Tm的伯德图（b）环路增益 Tm的奈奎斯特曲线图 2 电站典型日出力曲线kW