孙广庆，张赛娜，杨 海，任艳栋

（1.湖州源兴能源有限公司，浙江 湖州 313000；2.京能源深（苏州）能源科技有限公司，江苏 苏州 215021）

0 引 言

分布式光伏技术在我国新能源行业发展中发挥着非常重要的作用，因为它装机规模小、占地面积小，能够采取灵活形式进行储能及供能，非常适合我国一些偏远村落、海岛等国家电网建设没有达到的区域进行电能供应与生产。而在分布式光伏供能的技术体系中储能技术占据非常重要的地位。为了保证分布式光伏技术及其储能、并网系统的运行效果，在其布置中要做好前期设计，保证光伏及其储能系统的运行效率，为其能够有效并网供能、储能提供基础条件。

1 分布式光伏发电技术

所谓分布式光伏发电就是利用太阳能发电系统进行电能生产的一种技术，它的发电系统可以有效利用分散资源，并且整体装机规模非常小，通常会配置在用电户周围区域，其通常供电电压为35 kV以下，会接入相应等级的电网，目前进行城市建筑物相应屋顶光伏发电项目的建设较为普遍，这也是当前应用最广的一种分布式光伏系统。通常这一供电系统会接入公共电网中，两者形成互补共同为附近用电户提供稳定电能。由于任何区域的太阳能都不能保证稳定，因此如果不与公共电网相接就会导致纯粹光伏供能的区域电能供应在可靠性方面表现较差[1]。

2 分布式光伏系统的运行特点分析

首先，分布式光伏发电系统的输出功率非常小，无法像公共电网那样带动大规模机械设备运转；其次，光伏发电具有较强的环保性能，不需要消耗矿产资源，也不会造成污染，对于周围环境非常友好，并且在部分地区通过科学设计可以将光伏发电系统与周围建筑景观融合起来，形成特有的旅游观光资源；最后，它可以有效缓解一定区域内的用电紧张情况。由于光伏发电的主要产能时间段为白天，通常在一些区域白天的用电量较大，合理运用光伏发电以及储能技术能够对白天及其他时间段的用电需求进行满足。不过由于光伏发电本身电能转化效率并不高，基本能量密度在100 W/m2左右，且由于建筑物屋顶面积较小[2]，在这些区域进行光伏发电系统的安装存在较大的环境制约影响，对于区域内的用电紧张情况难以有效解决。此外，光伏发电系统可以在一些民宅及厂房、楼宇等区域的屋顶及露台等场地进行布设。分布式光伏发电系统的发电模块具有设计灵活的特点，并且其电能可以就地消纳。光伏设备的投资回收期也非常短。由于集中光伏发电所需土地面积较大，并且长距离进行电能运输后电能损耗较为严重，加上一些区域弃光限电情况较多，因此分布式光伏发电受到了关注。将分散式光伏发电及其储能系统与公共电网进行连接能够有效保障区域内用电户的电能稳定供应。

3 分布式光伏发电的现状及其储能需求

在我国各地积极进行城市建设的大环境下，各地区土地资源日益紧张，而过去集中开展光伏发电系统建设的西部地区也出现了土地资源锐减的情况，加上光伏系统用电负荷能力较低，导致很多区域都在弃光限电，尤其光伏发电还有一定的波动性，会随着日夜、季节变化发生供电能力的变化，因此并不适合开展大规模电能输送，所以在近些年我国更注重分布式光伏系统的建设，能源局更是在2013年提出到2020年我国分布式光伏装机量要达到100 GW的发展目标，在光伏行业的装机量要达到56%以上的占比，比大型地面光伏电站的装机量还要高。在近些年搭建的光伏发电系统中，除了存在部分胡勇光伏系统以外，大多数的分布式光伏系统都是在一些面积广大的工业或者商业园区内建设的。一般是利用园区内的空地或者厂房屋顶进行光伏系统建设，不过由于光伏发电系统在夜间是不能够产生电能的，并且光伏发电的效率会受到气候及温度的影响，因此在光伏发电系统配置时应做好储能技术的应用。这样就能够为夜间园区用电供能，将使园区生产的外部电网购电成本降低，同时也能够降低光伏发电的波动性，为园区稳定供电提供保障。因此，在当前进行光储一体化设计是非常必要的。

4 光伏发电系统常用的储能技术分类

4.1 磷酸铁锂电池储能技术

在我国电能储存技术中，锂电池的应用较为普遍，当前很多电子设备都是用锂电池进行储能与供能。磷酸铁锂电池是一种正极材料使用磷酸铁锂的光伏锂电池，这种锂电池具有如下优点：（1）运用的安全性较高；（2）使用寿命特别长；（3）高温性能较好，并且容量较大；（4）电池的重量较小；（5）环保价值较高，且适用于动力驱动环境。

4.2 钒电池

通常，钒电池也被叫做氧化还原液流电池，是一种当前研发力度较大且容量较大的电化学储能电池。它不同于其他电池的特点是正负极处都使用了钒盐溶液，作为当前很多储能领域的首选，钒电池的优势也是非常明显的：其系统运行安全性较高。

4.3 飞轮储能技术

这种技术在当前的应用范围相对广泛，就是利用飞轮动能储存的形式进行电能转化及储存，也是一种较为新颖的分布式光伏系统储能技术。由于飞轮储能技术在实际应用中能量密度较大，并且为纯物理方式储能，因此在稳定性方面表现较好，并且对于环境本身的稳定性要求也最低，不过它的造价也相对更高。当前应用较为普遍的飞轮储能技术就是单冲程柴油机飞轮储能[4]。

5 分布式光伏以及储能体系设计的具体做法分析

分布式光伏+储能系统一般安装在配电侧，具有削峰填谷、电力调频、电网电能质量控制的功能，还具有微电网和智能电网功能IZI。系统结构通常采用共交流母线的连接形式，交流母线电压等级分为380 V和10kV。储能系统与分布式光伏发电系统联合运行可实现的功能主要有4种。

（1）平滑可再生能源输出，可降低可再生能源功率波动越限概率及爬坡率。

（2）本地电压控制稳定，一般通过有功功率和无功功率闭环调控并网点电压。

（3）削峰填谷，可利用分时电价充放电，为用能企业节约用电量，为项目业主提高收益。

（4）快速响应调频、调压指令，辅助传统电力系统及AGC设备进行电网调频。

6 分布式光伏+储能系统模块化集成设计

分布式光伏+储能系统采用模块化设计理念、集装箱式安装形式，有灵活性、扩展性的特点。储能系统的一次电气设备包括电池、变流器、升压配电箱、无功补偿及电能质量调节；二次控制系统包括电池监测模块、储能测控模块、能量管理模块。各部分之间安全隔离，即插即用。

6.1 储能电池单元的设计

为了实现最优技术经济性，储能电池由铅炭电池和胶体电池组成，称混合储能系统。电站的储能单元由2 V/SOOAh胶体电池（OPZV-500）和2 V/SOOAh铅炭电池（FCP-500）组成，各为500支，两种电池容量皆为0.5 MW·h。储能单元分为4条支路，每支路所使用的集装箱采用优化的结构设计和优化的热管理设计。即根据不同单体电池的热特性进行散热结构最优设计，并进行流场和温度场仿真计算，获得最佳散热结构。同时，具有安全防护设计，采用一体化监控模块实时监控环境因素与安全情况。

6.2 储能双向变流器单元设计

储能双向变流器是电池与交流电网的功率接口，特点为双向逆变，其具有并网充/放电功能，容量100 kW， 功率可调度，功率变化率高达1 kW/ms；最大转换效率为97%；交流输出电流总谐波畸变率THD≤3%。

6.3 储能电池监测单元设计

储能电池监测单元采用领先的电池状态监测系统，如图1所示，可实现电池荷电状态SOC的精准预测。底层电池管理单元（BMU）监控电池的电压、温度、内阻等信号，实现电芯的监控、数据采集、故障识别；上层集中管理单元（CMU）集中处理每个BMU上传的电池信息，集结为组电池信息，进行电池健康状态（SOH）估算、荷电状态估算以及热管理控制。目前，储能电池监测系统能够保证24 h实现光伏发电储能系统的有效监测，并在监测中对每节电池剩余电量进行检测，以便对电池运行状态了如指掌，保证每节电池的运行稳定健康。在光伏发电储能运行中，如果出现预警就要及时进行电池更换操作。设计中还应做好后台软件的设置，保证后台能够对电池进行实时监测及警告情况、电池运行历史数据的全面检索与调用。这一系统的信息采集模的体积非常小，也容易进行安装操作，信息采集配置更加灵活，后期维护更加方便，因此这一设计方案的成本较低[3]。

7 储能系统测控设计及其功能的实现

在光伏发电储能系统及并网技术设计中应做好储能系统大脑的设计工作，即测控中心，它的主要功能就是对储能系统进行充放电控制状况的检测及控制，利用远程自动控制技术可以对光伏并网的总体功率进行调控，并对光伏并网操作点位置上的电压进行控制与调整。这一测控系统还能够实现当地分时电价的综合分析，并根据电价政策进行充放电控制，以保证系统运行的总体经济性。同时，这一测控系统还能对光伏及储能系统的总体设备数据进行科学采集及分析显示，为光储一体化系统的科学运行提供全面、智能化的控制保证。

图1 储能电池状态监测系统

8 分布式光伏及储能一体化设计工作的优化措施

8.1 保证光伏发电及储能系统设备选型的科学性

在分布式发电以及储能系统优化提升中，使用的设备型号会影响到发电能力转换和发电输送。因此，要科学进行设备型号选择。当前主要可选择的有1 MW方阵和PPT逆变器等，不同的型号在运行中其发电供应效率也不同[5]。

8.2 根据区域光伏发电需求进行科学的并网设计

由于分布式光伏发电及储能系统的实际设计目的就是进行区域内电能供应及能源储备，且分布式光伏及储能系统运行有非常强的时间性，容易受到天气、日夜、气候等因素的影响，所以在实际光伏发电及储能系统设计工作中必须做好并网技术设计，要对交流电接入的标准化要求进行综合分析，并根据并网需求对光伏发电系统以及储能技术系统设备进行标准化设置与选型。

8.3 在光伏发电及储能系统设计工作中应积极运用节能设计理念

光伏发电及储能系统设计工作应积极践行节能设计理念，有效控制系统运行中的线损及设备电能浪费，保障光伏发电及储能、并网系统运行中的能源利用效率，为光伏发电等新能源技术的有效发展及科学运用提供更加坚实的绿色保障。

9 结 论

由于光伏技术系统结构建设较为灵活、简便，因此在很多地区都得到了广泛应用。但是由于光伏技术是利用太阳能进行发电的，所以其能源转化效率与区域内的系统储能技术对于其能效有巨大影响。为了能够保证光伏发电供能区域的电能稳定，在光伏及其储能体系中接入交流电网，以实现光储系统与国家电网的互补供能。为了保证光储一体化体系并网效果，就要对其接入环节进行优化设计，保证其接入环节可以平稳地进行模式调整，为区域内稳定供电提供科学保障。