淺談儲能技術在光伏電站并網中的應用
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：分析光伏發電接入給電網帶來的電壓波動、電能質量及繼電保護等影響。總結目前電力系統中機械、電磁、電化學等典型儲能技術的發展與應用現狀。深入研究儲能技術的應用對改善光伏并網系統中電力調峰調谷、電能質量及電網保護等問題的重要作用。
關鍵詞：儲能技術；光儲系統；光伏并網
0.引言
光伏并網發電系統的基本結構有：光伏電池陣列，蓄電池組，逆變器和配電網等多個部分組成。光伏并網發電系統在一定程度上可以分為兩種，一種是可調度式并網光伏發電系統，另一種是不可調度式并網光伏發電系統。可調度式并網光伏發電系統可以設置儲能裝置。除此之外，還有不間斷的電源以及能夠做到源濾波的功能，同時可調度式并網光伏發電系統還有益于電網調峰。不可調度式并網光伏發電系統，在與主電網斷開的情況下，系統自動停止供電工作。這兩個系統大的不同就是可調度式光伏發電系統可以持續不間斷供電工作，不會停止；而不可調度式光伏發電系統，在與主電網斷開的情況下，可以自動停止供電工作。逆變器在系統中具有重要的作用，它具有三大發展趨勢：（1）拓撲結構日趨簡單，生產成本逐步降低，體積逐步變小，節約成本是它發展的大優勢。（2）允許的大輸入電流電壓范圍逐步擴大，逐步加強對軟開關技術的應用。（3）電網適應性不斷增強，各種保護更加完善，確保安全可靠。現
階段，一般的光伏并網發電系統具有三個顯著的特點，一是受環境因素例如氣候以及灰塵的影響，受氣候影響侯其輸出的功率會存在不穩定性；二是受地域條件的限制，例如氣候以及地理條件的不同業會影響到光伏系統的發電效率。光伏系統的發電效率在光照條件較好的地區會有更高的效率，除了上述的兩個特點之外，光伏系統的發電轉換效率不夠高，這也使得光伏發電難以形成一個完整的系統，效率不高[1]。該系統采用了MPPT（大功率點跟蹤）技術，為了滿足太陽能的使用要求，對光伏發電的吸收和利用要求相對較高，一般光伏發電系統采用并聯電壓相和聯通電流，系統本身只提供有源電力。
1.儲能技術在光伏并網發電系統中的應用
1.1 電力調峰
對電力峰值的功率的調整是為了能夠更加有效的應對用電的高峰期，在用電的高峰期會出現功率負載過大的情況，可以根據高峰期負載的情況，使用儲能技術對其進行調整，可以依靠實際需求的改變，將系統產生的能量儲存在儲能裝置中。當負載達到高峰時，儲能裝置釋放儲存的能量，提供負荷供電的電力，對提高供電的整體運行的穩定性和可靠性有很大的幫助。
1.2 提高電網運行的經濟性和安全性
近年來，我國的西部地區有著嚴重的棄光限電問題，這導致在西部地區會有較多的光能沒有被有效地利用，使得光伏發電系統的發電效率不高，為了對未被利用的光照問題進行解決，可以通過儲能器在光伏系統的發電能力不夠限電閾值的時候，來將其所儲存的多余的功率運送至電網中，進而能夠解決光照利用率低的問題，進一步的提高光伏發電系統的效率。
1.3 微電網
微電網是一種相對分散的獨立供配電能源系統，主要由負荷和多個微電源組成[2]。系統采用了大量的電力技術以及能量管理控制技術，將汽柴油發電機或者風電、光伏發電及儲能設備等裝置整合在一起，接入到用戶側。微電網可在秒級甚至毫秒級動作，以提高負載供電的可靠性，同時對電網削峰填谷、降低線路損耗、穩定電網電壓起到重要作用，還可以提供不間斷電源滿足負載需求。在未來的供電系統中，微電網系統會成為一個重要的發展方向，微電網系統的運用，將會地提升當前電網的工作效率以及其穩定性與安全性，因為微電網系統可以在微電網與發電系統分離的時候對負載進行獨立的供電，所以其穩定性會更高。
儲能系統
2.1儲能技術
用于光伏并網發電的儲能裝置通常在惡劣的環境下運行。此外，由于光伏發電輸出的不穩定性，儲能系統的充電和放電條件相對較差，有時需要頻繁的小周期充電和放電。根據光伏并網發電系統的特點以及儲能裝置的發展現狀，應從以下幾個方面發展和改進光伏并網發電儲能技術：一是提高光伏發電系統的能量密度以及功率密度；二是對儲能裝置的儲能容量進行提高，同時延長儲能裝置的使用壽命；三是提高充放電的速度；四是確保在各種環境中能夠安全可靠地運行；五，降低儲能裝置的使用成本。
2.2控制技術
為了能夠提高儲能裝置的使用壽命，以及盡可能地提高儲能裝置的輸出功率，提升儲能裝置的工作效率，就需要對儲能裝置的充放電情況進行詳細的分析，并以此來有針對性的儲能裝置充放電策略。例如，鉛蓄電池在充電是往往需要更長的充電時間，所以在對鉛蓄電池在充電的時候盡可能選用較小的電流充電，防止其儲電能力的下降，縮短蓄電池壽命。光伏發電的直流電作為主要的儲能裝置的充電電源，其具有不穩定性和波動性，使得其充電不夠穩定。所以，為了解決儲能裝置的充放電問題，需要儲能裝置管理控制系統和來保證在不破壞儲能裝置的使用壽命的充放電策略，除此之外，不能使用工業上的高頻交流電來對常見的儲能裝置例如飛輪儲能以及電池等儲能裝置進行充電，所以在對這些儲能裝置進行充電的時候需要功率轉換器來進行。
2.3綜合分析工具與系統建模
只有對用電區域做的，綜合各種實際條件的分析，其中包括對系統的可靠性，經濟情況以及其運營情況進行分析，才能夠開發出合適以及好的光伏儲能發電系統。現階段，我國的儲能系統在光伏并網的系統中的應用還不是很成熟，應該根據現有的行業標準來確定分析光伏能源儲存系統的使用周期以及使用成本的方法，以此來衡量光伏能源儲存系統的經濟性。所以，為了提供光伏儲能系統的更加準確的運行數據以及運行的數據，需要光伏儲能系統的開發人員在設計光伏儲能系統之初就用仿真以及建模的方法來綜合的分析光伏儲能系統的運行情況。同時要求使用能夠盡量模擬真實的光伏儲能系統的運行情況的分析軟件來進行分析。
2.4電化學儲能方式
電化學的儲能方式就是使用各種類型的電池來進行儲能，電化學的儲能可以根據電池所使用的化學物質的差異而分為很多類型，例如，常見的電化學儲能類型有液流電池，鎳金屬氫電池，鉛酸電池、鋰離子電池、以及、硫化鈉電池等。目前市場上，有一種具有種種低廉的價格，高能量的密度的電化學儲能是鉛酸蓄電池儲能，被廣泛應用于小型風力發電，中小型分布式供電系統，光伏發電系統等領域，已經是現階段成熟的儲能技術了。
3.1概述
安科瑞Acrel-2000ES儲能能量管理系統具有完善的儲能監控與管理功能，涵蓋了儲能系統設備(PCS、BMS、電表、消防、空調等)的詳細信息，實現了數據采集、數據處理、數據存儲、數據查詢與分析、可視監控、報警管理、統計報表等功能。在高級應用上支持能量調度，具備計劃曲線、削峰填谷、需量控制、備用電源等控制功能。系統對電池組性能進行實時監測及歷史數據分析、根據分析結果采用智
能化的分配策略對電池組進行充放電控制，優化了電池性能，提高電池壽命。系統支持Windows操作系統，數據庫采用SQLServer。本系統既可以用于儲能一體柜，也可以用于儲能集裝箱，是專門用于儲能設備管理的一套軟件系統平臺。
3.2適用場合
系統可應用于城市、高速公路、工業園區、工商業區、居民區、智能建筑、海島、無電地區可再生能源系統監控和能量管理需求。
3.2.1工商業儲能四大應用場景
1）工廠與商場：工廠與商場用電習慣明顯，安裝儲能以進行削峰填谷、需量管理，能夠降低用電成本，并充當后備電源應急；
2）光儲充電站：光伏自發自用、供給電動車充電站能源，儲能平抑大功率充電站對于電網的沖擊；
3）微電網：微電網具備可并網或離網運行的靈活性，以工業園區微網、海島微網、偏遠地區微網為主，儲能起到平衡發電供應與用電負荷的作用；
4）新型應用場景：工商業儲能積極探索融合發展新場景，已出現在數據、5G基站、換電重卡、港口岸電等眾多應用場景。
3.3系統結構
3.4.1實時監測
微電網能量管理系統人機界面友好，應能夠以系統一次電氣圖的形式直觀顯示各電氣回路的運行狀態，實時監測各回路電壓、電流、功率、功率因數等電參數信息，動態監視各回路斷路器、隔離開關等合、分閘狀態及有關故障、告警等信號。其中，各子系統回路電參量主要有：三相電流、三相電壓、總有功功率、總無功功率、總功率因數、頻率和正向有功電能累計值；狀態參數主要有：開關狀態、斷路器故障脫扣告警等。
系統應可以對分布式電源、儲能系統進行發電管理，使管理人員實時掌握發電單元的出力信息、收益信息、儲能荷電狀態及發電單元與儲能單元運行功率設置等。
系統應可以對儲能系統進行狀態管理，能夠根據儲能系統的荷電狀態進行及時告警，并支持定期的電池維護。
微電網能量管理系統的監控系統界面包括系統主界面，包含微電網光伏、風電、儲能、充電樁及總體負荷組成情況，包括收益信息、天氣信息、節能減排信息、功率信息、電量信息、電壓電流情況等。根據不同的需求，也可將充電，儲能及光伏系統信息進行顯示。
圖2系統主界面
子界面主要包括系統主接線圖、光伏信息、風電信息、儲能信息、充電樁信息、通訊狀況及一些統計列表等。
圖3光伏系統界面
本界面用來展示對光伏系統信息，主要包括逆變器直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、并網柜電力監測及發電量統計、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、輻照度/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。
圖4儲能系統界面
本界面主要用來展示本系統的儲能裝機容量、儲能當前充放電量、收益、SOC變化曲線以及電量變化曲線。
圖5儲能系統PCS參數設置界面
本界面主要用來展示對PCS的參數進行設置，包括開關機、運行模式、功率設定以及電壓、電流的限值。
圖6儲能系統BMS參數設置界面
本界面用來展示對BMS的參數進行設置，主要包括電芯電壓、溫度保護限值、電池組電壓、電流、溫度限值等。
圖7儲能系統PCS電網側數據界面
本界面用來展示對PCS電網側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數等。
圖8儲能系統PCS交流側數據界面
本界面用來展示對PCS交流側數據，主要包括相電壓、電流、功率、頻率、功率因數、溫度值等。同時針對交流側的異常信息進行告警。
圖9儲能系統PCS直流側數據界面
本界面用來展示對PCS直流側數據，主要包括電壓、電流、功率、電量等。同時針對直流側的異常信息進行告警。
圖10儲能系統PCS狀態界面
本界面用來展示對PCS狀態信息，主要包括通訊狀態、運行狀態、STS運行狀態及STS故障告警等。
圖11儲能電池狀態界面
本界面用來展示對BMS狀態信息，主要包括儲能電池的運行狀態、系統信息、數據信息以及告警信息等，同時展示當前儲能電池的SOC信息。
圖12儲能電池簇運行數據界面
本界面用來展示對電池簇信息，主要包括儲能各模組的電芯電壓與溫度，并展示當前電芯的最小電壓、溫度值及所對應的位置。
圖13風電系統界面
本界面用來展示對風電系統信息，主要包括逆變控制一體機直流側、交流側運行狀態監測及報警、逆變器及電站發電量統計及分析、電站發電量年有效利用小時數統計、發電收益統計、碳減排統計、風速/風力/環境溫濕度監測、發電功率模擬及效率分析；同時對系統的總功率、電壓電流及各個逆變器的運行數據進行展示。
圖14充電樁界面
本界面用來展示對充電樁系統信息，主要包括充電樁用電總功率、交直流充電樁的功率、電量、電量費用，變化曲線、各個充電樁的運行數據等。
圖15微電網視頻監控界面
本界面主要展示系統所接入的視頻畫面，且通過不同的配置，實現預覽、回放、管理與控制等。
3.4..7發電預測
系統應可以通過歷史發電數據、實測數據、未來天氣預測數據，對分布式發電進行短期、超短期發電功率預測，并展示合格率及誤差分析。根據功率預測可進行人工輸入或者自動生成發電計劃，便于用戶對該系統新能源發電的集中管控。
3.4.8策略配置
系統應可以根據發電數據、儲能系統容量、負荷需求及分時電價信息，進行系統運行模式的設置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期計劃、需量控制、有序充電、動態擴容等。
3.4.9運行報表
應能查詢各子系統、回路或設備時間的運行參數，報表中顯示電參量信息應包括：各相電流、三相電壓、總功率因數、總有功功率、總無功功率、正向有功電能等。
3.4.10實時報警
應具有實時報警功能，系統能夠對各子系統中的逆變器、雙向變流器的啟動和關閉等遙信變位，及設備內部的保護動作或事故跳閘時應能發出告警，應能實時顯示告警事件或跳閘事件，包括保護事件名稱、保護動作時刻；并應能以彈窗、聲音、短信和電話等形式通知相關人員。
3.4.11歷史事件查詢
應能夠對遙信變位，保護動作、事故跳閘，以及電壓、電流、功率、功率因數、電芯溫度（鋰離子電池）、壓力（液流電池）、光照、風速、氣壓越限等事件記錄進行存儲和管理，方便用戶對系統事件和報警進行歷史追溯，查詢統計、事故分析。
3.4.12電能質量監測
應可以對整個微電網系統的電能質量包括穩態狀態和暫態狀態進行持續監測，使管理人員實時掌握供電系統電能質量情況，以便及時發現和消除供電不穩定因素。
1）在供電系統主界面上應能實時顯示各電能質量監測點的監測裝置通信狀態、各監測點的A/B/C相電壓總畸變率、三相電壓不平衡度和正序/負序/零序電壓值、三相電流不平衡度和正序/負序/零序電流值；
2）諧波分析功能：系統應能實時顯示A/B/C三相電壓總諧波畸變率、A/B/C三相電流總諧波畸變率、奇次諧波電壓總畸變率、奇次諧波電流總畸變率、偶次諧波電壓總畸變率、偶次諧波電流總畸變率；應能以柱狀圖展示2-63次諧波電壓含有率、2-63次諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電壓含有率、0.5～63.5次間諧波電流含有率；
3）電壓波動與閃變：系統應能顯示A/B/C三相電壓波動值、A/B/C三相電壓短閃變值、A/B/C三相電壓長閃變值；應能提供A/B/C三相電壓波動曲線、短閃變曲線和長閃變曲線；應能顯示電壓偏差與頻率偏差；
4）功率與電能計量：系統應能顯示A/B/C三相有功功率、無功功率和視在功率；應能顯示三相總有功功率、總無功功率、總視在功率和總功率因素；應能提供有功負荷曲線，包括日有功負荷曲線（折線型）和年有功負荷曲線（折線型）；
5）電壓暫態監測：在電能質量暫態事件如電壓暫升、電壓暫降、短時中斷發生時，系統應能產生告警，事件能以彈窗、閃爍、聲音、短信、電話等形式通知相關人員；系統應能查看相應暫態事件發生前后的波形。
6）電能質量數據統計：系統應能顯示1min統計整2h存儲的統計數據，包括均值、最小值、95%概率值、方均根值。
7）事件記錄查看功能：事件記錄應包含事件名稱、狀態（動作或返回）、波形號、越限值、故障持續時間、事件發生的時間。
應可以對整個微電網系統范圍內的設備進行遠程遙控操作。系統維護人員可以通過管理系統的主界面完成遙控操作，并遵循遙控預置、遙控返校、遙控執行的操作順序，可以及時執行調度系統或站內相應的操作命令。
3.4.14曲線查詢
應可在曲線查詢界面，可以直接查看各電參量曲線，包括三相電流、三相電壓、有功功率、無功功率、功率因數、SOC、SOH、充放電量變化等曲線。
3.4.15統計報表
3.4.16網絡拓撲圖
系統支持實時監視接入系統的各設備的通信狀態，能夠完整的顯示整個系統網絡結構；可在線診斷設備通信狀態，發生網絡異常時能自動在界面上顯示故障設備或元件及其故障部位。
圖25微電網系統拓撲界面
本界面主要展示微電網系統拓撲，包括系統的組成內容、電網連接方式、斷路器、表計等信息。
3.4.17通信管理
可以對整個微電網系統范圍內的設備通信情況進行管理、控制、數據的實時監測。系統維護人員可以通過管理系統的主程序右鍵打開通信管理程序，然后選擇通信控制啟動所有端口或某個端口，快速查看某設備的通信和數據情況。通信應支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信規約。
圖26通信管理
應具備設置用戶權限管理功能。通過用戶權限管理能夠防止未經授權的操作（如遙控操作，運行參數修改等）。可以定義不同級別用戶的登錄名、密碼及操作權限，為系統運行、維護、管理提供可靠的安全保障。
圖27用戶權限
應可以在系統發生故障時，自動準確地記錄故障前、后過程的各相關電氣量的變化情況，通過對這些電氣量的分析、比較，對分析處理事故、判斷保護是否正確動作、提高電力系統安全運行水平有著重要作用。其中故障錄波共可記錄16條，每條錄波可觸發6段錄波，每次錄波可記錄故障前8個周波、故障后4個周波波形，總錄波時間共計46s。每個采樣點錄波至少包含12個模擬量、10個開關量波形。
圖28故障錄波
可以自動記錄事故時刻前后一段時間的所有實時掃描數據，包括開關位置、保護動作狀態、遙測量等，形成事故分析的數據基礎。
用戶可自定義事故追憶的啟動事件，當每個事件發生時，存儲事故個掃描周期及事故后10個掃描周期的有關點數據。啟動事件和監視的數據點可由用戶和隨意修改。
圖29事故追憶
4.系統硬件配置清單
5.結語
本文分析了在發電網中接入光伏發電而帶來的一系列的影響，并且對各種有效的儲能方式的應用進行了探討與總結。同時，還對儲能方式在光伏發電系統的應用而帶來的影響，除此之外本文還對新能源的應用和開發的進行了探討，以其對日后的工作產生一定的參考作用。由于電網受環境的影響較大，輸出具有不穩定性的特點。光伏發電對配電網的電壓波動、電能質量和繼電保護裝置都有不可避免的影響。隨著光伏發電和風力發電的蓬勃發展，電力系統儲能技術得到了迅速發展，儲能裝置能有效降低配電系統的峰值充填，降低電網的波動，控制電能質量，提供停電保護，光伏電網集成對電網的影響已經大大消除。
參考文獻
[1]周林.黃勇.郭珂.馮玉.微電網儲能技術研究綜述[J].
[2]王廣霞.獨立光伏發電混合儲能系統能量管理研究[D].
[3]張興科.光伏并網發電功率波動與對策[J].
[4]安鵬.儲能技術在光伏電站并網中的應用.
[5]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2022.05版.
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