光伏电站储能方案设计案例分析

王文彬

（山东绿色能源投资有限公司，山东 济南 250000）

0 引言

我国推进绿色低碳循环发展，采取有力行动应对气候变化，光伏发电截止到2019年底，装机容量达2.04亿kW。开发利用太阳能对调整能源结构、推进能源生产和消费革命、促进生态文明建设均具有重要意义［1］。

随着光伏、风电等新能源大规模接入，电网稳定性、可靠性受到极大的挑战。目前储能技术是解决方案之一，可以辅助调峰调频，平缓波动。现有的储能方式有物理储能（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。国内外通常采用的是抽水储能、电化学储能方案，前者受地理条件的影响，难以大规模推行。电化学储能在美国、日本等先进工业化国家进行了大量尝试探索，是业内主流设计方案［2］。本文设计的储能方案针对光伏电站特殊的发电特性，选择适合的储能系统，提升电力系统安全稳定运行，有效消纳利用新能源电力。

1 项目设计思路

风力、光伏等新能源发电存在不稳定性，会影响电网的稳定运行，必须依靠火电、水电等其他能源发电方式进行调峰补充。为此，新建光伏电站需要配建一定的储能设施。

本项目借鉴国内外光伏储能现有方案，从技术可行性、安全可靠性、建设和运行经济性等各方面进行研究，分析对比各类电池性能特点，创新性设计了双向变流器控制方案和电池柜环境控制方案，根据现场环境条件，选用预装式集装箱结构，实现了集中控制、消防安全、适应野外环境的功能，满足地面集中式光伏电站储能设施的要求，具有较高的技术先进性及良好的经济效益，可将此设计方案在光伏电站建设中推广使用。

2 项目设计目标

本项目设计方案需完成以下目标：

1）稳定光伏电站出力。光伏电站出力非常不稳定，对电网冲击较大，配建储能设施以稳定发电出力。

2）改善电网质量。消除昼夜峰谷差，平滑负荷，可作为提高系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动的一种手段［3］。

3）提供能量储备。在夜间或者阴雨天，光伏系统无法发电时，储能设施可以起到临时提供电力的作用。

4）确保经济可靠。目前储能设施造价过高，制约普遍应用。储能电池和变流器既要满足二十年使用的可靠性，也要具备一定的经济性。

3 设计方案

3.1 储能系统整体设计

为了有效应对夏秋季光伏电站高发期电网调峰的要求，山东某光伏电站项目建设规模200 MW，设计配建5%功率的电池储能设施。如果按照午后削峰工作时间2 h计算，则设计储能蓄电池容量为20 MW·h。总体设计方案选用 10 MW/20 MW·h的储能系统方案。系统主要由电池单元、电池管理系统（BMS）、消防系统、环境监控系统、储能变流器（PCS）、干式变压器、开关保护单元等组成。本储能设施采用预制舱结构，含8个电池集装箱和4个储能变流器+变压器集装箱，配建于光伏场区110 kV升压站内，占地约1 400 m2。

本项目设计集装箱式电池储能系统由磷酸铁锂电池组作为储能介质，通过PCS与升压变压器相连接，储能系统以智能配电系统为对外接口，输出电能经过变压器升压至35kV后，接入到升压站预留35 kV储能装置进线柜。同时整套集装箱式电池储能系统安装双向计量电表，对储能系统的充放电电量进行计量。每个电池组均装有BMS，对电池的充放电进行在线管理。BMS与PCS通过以太网与监控相连，根据电网调度适时投入充电/放电工作状态，从而达到稳定光伏电站出力、消除峰谷设计目的。在遇到断电、自然灾害等特殊情况时，还可以利用储能设施进行临时应急供电。本设施作为光伏电站参与电网电源侧调峰的有益尝试，也是新能源与传统电网结合的良好模式。

3.2 电池选型及安全

目前电储能系统常用的电池类型主要有铅酸、铅碳、镍氢、镍镉、锂电池、纳硫、液流电池等。之前的项目大多采用较为成熟的铅酸蓄电池，成本相对低廉。但是其对运行温度要求较高，且储能密度低，放电深度低。磷酸铁锂电池具有能量密度较高、循环寿命较长、放电深度较大、放电电流大的特点，本项目选用磷酸铁锂电池。伴随着近年电动汽车行业快速发展，此类电池不但品质有着良好保障，产品市场销售价格也逐步降至1.2元/Wh左右，支持本储能系统选型经济性满足要求。

方案选择磷酸铁锂动力电池，重点考虑电池的单体管理及安全保障。鉴于国外储能电站出现过多起失火爆炸现象，为解决安全问题，本方案设计中采取了电池簇模块化设计、智能化控制、电池均衡、充放电技术、热管理等各项前沿的技术手段。装配方案设计在一台预装式12 032 mm×2 352 mm×2 393 mm电池集装箱内，集成成套电池系统（含风道设计）、电池管理系统、能量动态调度系统（EMS-RTU）、交直流配电控制系统、环境监控系统和消防监控系统，尤其针对储能系统野外工作的恶劣环境，研究分析了磷酸铁锂电池工作特性，创新性的设计安装环境保障检测系统，在环境温度过高或过低时，及时启动制冷或加热设备，提供给磷酸铁锂电池单元适宜的工作温度条件，极大提升系统稳定运行能力。

3.3 设备整体布局

储能电站推荐布局如图1所示，系统由4个2.5 MW/5 MW·h储能单元组成。每个储能单元包括1台中压箱式储能变流器（PCS）和 2台储能电池集装箱。此单元化设计，便于维护操作，提升了系统运行安全性及可靠性，适用于光伏电站储能系统在野外环境安装使用。

3.4 方案设计关键技术

本方案设计的关键点是箱式储能变流器。储能变流器可实现电能的双向转换：在充电状态时，变流器作为整流器将电能从交流变成直流储存到储能装置中；在放电状态时，变流器作为逆变器将储能装置储存的电能从直流变为交流。通过控制策略实现对储能电池系统的充放电管理，以及对储能系统充放电功率的控制；实现对电网侧的负荷跟踪，对正常与孤岛运行模式下网侧电压的控制。

图1 储能电站推荐布局

储能变流器PCS采取35 kV交流并网，模块化设计，转换效率高、可靠性高、控制策略优，灵活的配置组合方式，系统扩容非常方便，可有效防止多串电池组接入时的环流一致性等问题。PCS主要功能包括并网充电、并网放电、无功输出和黑启动。并网充电包括预充、快充、恒压充、浮充，可根据工况自我调整；并网放电采用恒功率方式，控制目标为交流侧功率；无功功率输出指令由后台下发；黑启动功能是指电网失电情况下，储能变流器能够离网启动，为负荷及其他电源提供稳定的电压和频率。

本方案配备双分裂干式变压器及其保护装置、高压进线负荷开关+熔断器组合电器和通讯动力柜，均安装在一个特制5 898 mm×2 352 mm×2 393 mm预制集装箱内。箱内具有独立的自供电系统、温度控制系统、隔热系统、阻燃系统、火灾报警系统、门控照明、安全逃生系统、应急系统、消防系统等自动控制和安全保障系统。

4 结语

本方案通过双向储能变流器（PCS）、磷酸铁锂电池组、电池管理系统（BMS）各单元的优化设计，可以稳定光伏电站出力，保障电网运行安全。在山东某地面光伏电站项目试运行中，运行稳定，技术指标优良，取得了一定的经济效益。相比传统抽水蓄能、压缩空气等储能类型，具有明显的可靠性及成本优势，可以满足清洁电力转型的需求，具有良好的市场发展空间。