苏兴锋

【摘 要】随着电力工业发展，储能技术的日趋成熟，储能在新能源发电中的应用越来越广泛。目前兆瓦级以下光伏储能电站已有不少的工程案例，而兆瓦级以上的光伏储能电站却极少。本文主要研究离网运行模式下的大型光伏储能电站系统架构，当调整运行方式和参数后，系统可转为并网运行。

【关键词】新能源 光伏 储能 拓扑 微电网

随着光伏等新能源的大规模接入系统，由于光伏发电的输出功率不可控、间歇式、波动大等特点，对电网的影响日趋明显。而储能系统可以有效地进行削峰填谷、平滑负荷以及调峰调频，促进可再生能源的应用。对于小型光伏储能系统，如太阳能路灯、通信基站等，光伏组件发电，经控制器对蓄电池进行充放电管理，并给直流负载提供电能，或通过逆变器给交流负载提供电能。这种拓扑结构由于DC/DC控制器的功率等级限制，具有不易扩容的缺点，适合于小功率的应用场合。大型光伏储能系统通常由储能逆变器（Power Conversion System，简称PCS）、并网逆变器、蓄电池、配电设备及负载等组成。

1 储能逆变器运行方式

储能逆变器具有三种运行模式：

（1）V/F模式：为电网提供额定的电网电压、电网频率。有功功率和无功功率由负载决定，不可调度。（2）P/Q模式：为电网提供功率支撑，能量管理系统可调度有功功率、无功功率。（3）恒压恒流充放电模式：一般用于对电池满充或电池维护，接受EMS或电池管理系统BMS的充放电指令，先按系统给定的电流进行恒流充电或放电，当达到到恒压值时自动转入恒压模式。可实现对电池进行分段充电的目的。

2 蓄电池配置

电能储存的形式可分为机械储能、化学储能和电磁储能等，有的已经成熟，有的仍在研究发展之中。化学储能是目前应用最广泛、技术最成熟的储能形式，其中钒电池、钠硫电池、超级电容器等尚未形成产业化；本文主要研究以锂电池和铅酸电池作为储能介质。锂电池循环次数多、瞬时充放电功率较大、波动响应特性好，但价格较高，适宜承担峰荷，在系统中作为V/F源，建立电网的电压和频率，吸收电网的短时功率波动，承担整个系统的部分储能、供能任务。铅酸电池循环寿命较短、小功率充放电、供电时间长、稳定性好，但价格便宜，适宜承担基荷，在系统中作为P/Q源，担任整个发电系统的主要储能、供能任务。一般情况下运行在P/Q模式，当锂电系统异常或不足以支撑负载波动时运行在V/F模式，当电池需要维护时工作在恒压恒流充放电模式。当光伏发电大于负载用电时尽可能的将电能储存起来；在白天，当光伏发电小于负载用电且锂电光储系统不足以提供负载用电时向系统供电；在夜晚，作为整个电网主要的供能系统。蓄电池主要用于消纳多余的光电、进行区域间的电力调配、保持主电力线上供配电的稳定性。蓄电池的配置应根据光伏装机容量及供电连续性要求合理配置。

3 系统拓扑架构

大型光伏储能电站可分为储能子系统和光伏发电子系统。光伏发电子系统与常规光伏电站的系统架构一样，仅在能量管理控制策略上有较大差异。储能子系统由蓄电池、电池管理系统BMS、储能逆变器PCS、升压及配电设备、能量管理系统EMS构成。考虑国内外主流储能逆变器采用不同的V/F并机方式，提出一种系统拓扑方案。针对进行V/F多机并联的PCS，PCS可通过变压器在中压侧并联。若干台PCS交流侧并联，通过一台双绕组升压变压器接到中压母线上，V/F源容量可任意扩展，不受单台变压器容量的限制。

对于该方案的系统拓扑架构，光伏发电系统按常规模式以1MW的单元并接在中压母线上。锂电和铅酸储能部分拓扑架构也可按照光伏发电部分，以1MW为一个单元，这种拓扑结构灵活，适合扩展，但设备较多。储能逆变器的容量配比，应考虑负荷、光伏发电容量和蓄电池允许的充放电倍率等多方面因素。一般储能逆变器与光伏并网逆变器容量配比可按1：1设计，同时应能满足负荷的过载要求，并保证锂电池和铅酸电池都处在合理的充放电倍率范围内。为保证系统的稳定性，设计大型离网光伏储能电站，应尽量增大系统中V/F源的容量，以应对负荷波动和光功率波动对系统稳定性的影响。

4 能量管控系统

光储能量管控系统是发电、储电、供电综合能量管理控制系统，根据光储电站的构造和资源配置，合理有效进行系统资源管理，并通过管控单元与电网调度系统通信，报告其发电、储电、供电参数，并接受调度计划与指令。

正常情况下：锂电光储系统工作于V/F模式下，铅酸储能系统工作于P/Q模式下，光伏发电系统可进行功率限制。

（1）通过对铅酸储能系统的功率调度和光伏并网发电系统的功率限制，结合“水缸”原理，预留一部分容量用于实时吸收电网上不可预知功率波动。（2）在白天尽可能的让铅酸储能系统处于满电状态，尽量让铅酸系统白天只充、晚上只放电，以提高其使用寿命。（3）尽量避免在各个电池之间出现“倒电现象”。异常情况下，可对各系统进行灵活配置，锂电光储系统、铅酸储能系统均可工作于V/F模式、P/Q模式、恒压恒流充放电模式，根据需要可在线实时配置。如在锂电光储系统发生异常时，可将铅酸储能系统作为电压源；电池需要进行冲放维护时可分时将各台PCS切换到恒压恒流充放电模式。

5 结语

大型离网光伏储能电站在我国西部无电区及海岛上有极大的应用前景。并在拓展应用方面，具有较高的推广价值。当与风电等其他形式能源结合就构成了微电网系统；当改变电站的运行方式，就变成了光伏并网储能系统。

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