光伏储能在能源站中的应用

徐力钧

(悉地国际设计顾问有限公司，上海 200438)

0 引言

随着“碳达峰”“碳中和”目标的提出，中国能源结构转型面临诸多挑战。 据国家统计局公布的数据，目前在我国能源产业格局中，煤炭、石油、天然气等化石能源约占能源消耗总量的84%，而不产生碳排放的风电、水电和光伏等清洁能源仅占16%。要实现2060 年碳中和的目标，就要大幅发展可再生能源，降低化石能源的比重，因此，能源格局的重构必然是大势所趋。

1 我国太阳能资源极为丰富

太阳能资源的分布与各地的纬度、海拔高度、地理状况和气候条件有关。 我国属太阳能资源丰富的国家之一，全国总面积2/3 以上地区年日照时数大于2 000 h，具有良好的开发利用条件。 根据《太阳能资源等级-总辐射》GB/T 31155—2014，中国太阳能资源分布情况见表1。

表1 中国太阳能资源分布表

2 我国储能装机现状

根据中国光伏行业协会发布的数据，截止到2020 年，我国的光伏发电系统累计总装机容量已达到253GW，2020 年新增装机容量为48.2 GW，同比增加60%。 2020 年光伏能源总产量2 605 亿kWh，同比增长16.2%，占总发电量比重的3.5%。

由于可再生能源发电存在天然的不稳定性，需要配套储能以解决光伏电能消纳，提高配电利用效率。 近年来，多地政府要求并鼓励可再生能源的发电项目搭配一定比重的储能，同时对用户侧的储能项目也给予特定的补助。 随着可再生能源发电占比的不断增大，同时锂电池的生产成本近年来已持续降低，储能的必要性与经济性进一步显现。

表2 为中国化学与物理电源行业协会储能应用分会(CESA)统计的2020 年我国新增投运储能装机容量。 在全球能源转型深入的背景下，可再生能源的开发利用前景看好，政府和城乡居民都在利用太阳能光伏发电积极开展光伏农业、光伏扶贫、光伏养老等多种形式的推广和应用，金融行业也纷纷推出各种光伏贷产品来支持用户。

表2 2020年我国新增投运储能装机容量

3 微电网

微电网的概念，就是将分布式发电、用电负载、储能装置及控制装置结合在一起，形成一个单一可控的独立供电系统，也可以看成是管理局部能量关系的基于分布式发电装置的小电网。 微电网和配电网之间可以通过公共连接点进行能量交换，双方互为备用，从而提高了供电可靠性。 在智能电网的发展过程中，配电网需要从被动式网络向主动式网络转变，从而更有效地连接发电侧和用户侧，微电网的入网标准只针对公共连接点，而不针对各个具体的微电源，不仅解决了分布式发电接入的问题，还充分发挥了它们的优势，是实现主动式配电网的一种有效方式。

综合能源系统的应用当前已成为一种趋势，采用梯级式能源利用技术实现冷热电一体化生产的系统，能源的综合利用效率可高达80%～90%。

光伏系统的外部输出功率与日照强度和电池温度密切相关，其发电特性不仅具有随机性和间歇性，而且无法调度，在季节、气候变化时，光伏系统的输出功率会有较大的波动，并入大电网后会对电网有一定的冲击性。 当光伏系统加入储能装置后，可以有效利用电力设备，降低用电成本，参与调频调压、补偿负荷波动，提高了整个供配电系统的电能质量和经济性。 图1 为典型光伏日出力曲线。

图1 典型光伏日出力曲线

考虑到光伏出力的波动性及工业用电电价的分时特性，储能系统设置相应的储电及放电管理机制，在一天内，夜间谷时电价期间通过储能变流器(PCS)从电网购电，为蓄电池储电，为用电高峰时段备用；白天峰时电价期间，光伏系统在最大功率模式下运行，蓄电池也同时为系统输出功率。 光伏系统所发的电全部在变电站内部消纳，直接负荷侧消纳或者通过蓄电池充电后再放电。 图2 为光伏储能系统结构图。

图2 光伏储能系统结构图

4 项目案例

以某能源站为例，园区内建设智慧综合能源站，通过利用余热和开发新能源向园区内的生产企业提供清洁、经济的能源。

4.1 系统构架

园区内设置一座10kV 变电站，采用两路10kV市政电源进线，设两段10kV 母线，每段10kV 母线上设两台2 000kVA 干式变压器。 能源站的光伏、储能考虑配置为:利用屋顶布置2 000kWp 的光伏组件，光伏系统分为4 个500kWp 的发电单元，每个500kWp 的发电单元配置1 MWh 的储能，通过双向PCS 与0.4kV 母线连接。

每个500kWp 发电单元由1 116 块450Wp 单晶硅组件构成(28 块组件为一串)，配置5 台100kW 的逆变器。 储能单元由4 台500kW 储能变流器(PCS)、4 MWh 磷酸铁锂电池、电池管控系统(BMS)、直流汇流柜组成。 4 台双向PCS 的交流侧分别接入4 段0.4kV 母线。 图3 为本项目的电气主接线图。

图3 电气主接线图

针对本项目，一方面先进的储能技术在用户侧可“峰放谷充”，减少用户变压器容量，节省电费，达到峰谷价差获利的目的；另一方面，储能可消纳部分光伏发电的电量，对微电网起消纳平衡作用。 本工程的光伏发电、电能储存、交流母线与各用电负荷组成了微电网系统，实现并网运行模式，分布式电源及储能装置可以采用各种运行控制策略来维持整个微电网的功率平衡。 在主电网发生故障或其他情况下，可主动与主网断开，转入孤岛独立工作模式，并协助主网快速恢复，降低损失。

4.2 电池组件的选型

电池组件是光伏发电系统最重要的组成部件，约占整个系统建设总成本的50%，并且直接影响到系统的质量、发电效率、收益率等。 本项目选用单晶硅电池组件。

单从每瓦电池组件的成本来看，单晶硅比多晶硅高5%左右，但由于单晶硅组件发电效率高，同样的装机容量占地面积更小，基础、支架、电缆等系统周边器材使用量也相应减少，二者的综合投入成本基本相当。 根据测算，按目前行业普遍承诺的25 年使用年限计算，一个相同规模的电站，使用单晶硅电池产生的电能比使用多晶硅电池多13%，所以，综合考虑光伏发电系统的长期发电量和投资收益率，单晶硅电池组件更具有度电成本的优势。 本项目选用的电池组件参数详见表3。

表3 单晶硅电池组件性能参数表

4.3 并网逆变器的选型

并网逆变器分为集中式和组串式，就其本身的效率而言已经达到了比较高的水平，两种逆变器的效率基本相当，都可以达到98%以上，系统效率的主要差别在系统优化和线路损耗方面。 集中式逆变器系统可集中并网，便于管理；组串式逆变器系统可以分散就近并网，系统损耗小，且有冗余运行能力。

本项目选用多组串式逆变器(技术参数详见表4)，可以最大效率地跟踪输入每一路的MPPT，确保每组串或每几组串产生最多的电量，即使某一组串由于太阳能辐射不足或因故障断开，也不会影响其他组串继续发电，使整个系统的能量输出实现最大化。

表4 逆变器技术参数表

4.4 微电网控制保护系统

本项目的光伏储能控制系统采用分层分布式方案，通过不同层级控制保护的协调配合，实现微电网系统的稳定可靠、经济运转，提高分布式清洁能源发电效益和并网安全性。

微电网控制保护系统分为就地、协调和优化三个控制层级。

(1)就地控制层

包含储能变流器、分布式发电并网接口装置以及保护装置，装置之间不依赖于通信，响应速度快。在系统发生轻微中断或短路故障时，通过PCS 的自我调节或保护装置的快速动作，能够快速平抑系统波动，恢复稳定的供电。

(2)协调控制层

包含微电网协调控制装置，需要通过控制通信网络采集风光、储能以及重要负荷的信息。 在发生重大微电网络中断时，如网络意外断电、孤岛运行时大容量的跳闸等，微电网协调控制装置通过对储能以及风光系统的控制，确保电压、频率均维持在允许的范围内，保证微电网系统的稳定安全运行。

(3)优化控制层

包含微电网能量管理系统，可实现对特定应用情景进行运行数据分析、用电负荷管理、电能预测、优化调度运行等功能，提高系统的运行效率。

分层分布式控制系统的设计，通过不同层次的控制和保护之间的协调，使微电网系统能够稳定、经济地运行；控制层网络采用冗余设计，相互独立，更加安全可靠；高性能微电网协调控制装置，具有毫秒级的响应速度，可实现不同运行方式间的快速切换。

4.5 系统运行

带储能的光伏发电系统，预先设定不同工况的供用电管理模式，可起到调峰和减少对电网冲击的作用。 在夜晚的用电低谷时段和白天的用电平谷时段，对电池进行充电，主要目的是为了增加功率谷值；在白天用电高峰时段完成放电，在一定程度上降低了最大用电高峰，从而实现电能的经济调度，提高配电网的负荷率，切实保障电网的安全平稳运行。

储能系统是微电网中的能源缓冲环节，对微电网起着提高控制稳定性、提升电能质量、改善抗干扰能力等重要作用。 通过经济规划和优化能源管理，可以让电能得到更充分、更合理的利用。 电网中的开关可以自动将微电网切换到并网运行或离网状态下的孤岛运行模式。 分布式发电和储能装置可以采取多种控制策略，以维持微电网的功率平衡，储能系统在电网供电终端的情况下还可作应急备用，帮助电网快速恢复。

可以看出，在稳定的电力负荷需求的工况下，尽可能提高光伏发电和储能的装机规模，可以获得更好的投资收益。

5 结束语

2021 年4 月，国家发改委发布了《关于加快推动新型储能发展的指导意见(征求意见稿)》。 积极支持用户侧储能多元化发展，鼓励围绕分布式新能源、微电网、大数据中心、5 G 基站、充电设施等其他终端用户，探索储能融合发展新场景。 鼓励聚合利用不间断电源、电动汽车、用户侧储能等分散式储能设施，依托大数据、人工智能、区块链等技术，探索智慧能源、虚拟电厂等多种新商业模式。

光伏和储能技术随着持续革新，成本不断下降，应用范围逐步扩大，都将成为“碳达峰”“碳中和”目标实现及“光伏+储能”产业壮大的重要助力。光伏储能的前景十分广阔，必将在能源站中得到越来越广泛的应用。