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    浅谈储能技术在光伏电站并网中的应用

    2024-06-11 17:29:11  来源:安科瑞陈芳芳

    摘要:分析光伏发电接入给电网带来的电压波动、电能质量及继电保护等影响。总结目前电力系统中机械、电磁、电化学等典型储能技术的发展与应用现状。深入研究储能技术的应用对改善光伏并网系统中电力调峰调谷、电能质量及电网保护等问题的重要作用。

    关键词:储能技术;光储系统;光伏并网

    0.引言

    光伏并网发电系统的基本结构有:光伏电池阵列,蓄电池组,逆变器和配电网等多个部分组成。光伏并网发电系统在一定程度上可以分为两种,一种是可调度式并网光伏发电系统,另一种是不可调度式并网光伏发电系统。可调度式并网光伏发电系统可以设置储能装置。除此之外,还有不间断的电源以及能够做到源滤波的功能,同时可调度式并网光伏发电系统还有益于电网调峰。不可调度式并网光伏发电系统,在与主电网断开的情况下,系统自动停止供电工作。这两个系统大的不同就是可调度式光伏发电系统可以持续不间断供电工作,不会停止;而不可调度式光伏发电系统,在与主电网断开的情况下,可以自动停止供电工作。逆变器在系统中具有重要的作用,它具有三大发展趋势:(1)拓扑结构日趋简单,生产成本逐步降低,体积逐步变小,节约成本是它发展的大优势。(2)允许的大输入电流电压范围逐步扩大,逐步加强对软开关技术的应用。(3)电网适应性不断增强,各种保护更加完善,确保安全可靠。现

    阶段,一般的光伏并网发电系统具有三个显著的特点,一是受环境因素例如气候以及灰尘的影响,受气候影响侯其输出的功率会存在不稳定性;二是受地域条件的限制,例如气候以及地理条件的不同业会影响到光伏系统的发电效率。光伏系统的发电效率在光照条件较好的地区会有更高的效率,除了上述的两个特点之外,光伏系统的发电转换效率不够高,这也使得光伏发电难以形成一个完整的系统,效率不高[1]。该系统采用了MPPT(大功率点跟踪)技术,为了满足太阳能的使用要求,对光伏发电的吸收和利用要求相对较高,一般光伏发电系统采用并联电压相和联通电流,系统本身只提供有源电力。

    1.储能技术在光伏并网发电系统中的应用

    1.1 电力调峰

    对电力峰值的功率的调整是为了能够更加有效的应对用电的高峰期,在用电的高峰期会出现功率负载过大的情况,可以根据高峰期负载的情况,使用储能技术对其进行调整,可以依靠实际需求的改变,将系统产生的能量储存在储能装置中。当负载达到高峰时,储能装置释放储存的能量,提供负荷供电的电力,对提高供电的整体运行的稳定性和可靠性有很大的帮助。

    1.2 提高电网运行的经济性和安全性

    近年来,我国的西部地区有着严重的弃光限电问题,这导致在西部地区会有较多的光能没有被有效地利用,使得光伏发电系统的发电效率不高,为了对未被利用的光照问题进行解决,可以通过储能器在光伏系统的发电能力不够限电阈值的时候,来将其所储存的多余的功率运送至电网中,进而能够解决光照利用率低的问题,进一步的提高光伏发电系统的效率。

    1.3 微电网

    微电网是一种相对分散的独立供配电能源系统,主要由负荷和多个微电源组成[2]。系统采用了大量的电力技术以及能量管理控制技术,将汽柴油发电机或者风电、光伏发电及储能设备等装置整合在一起,接入到用户侧。微电网可在秒级甚至毫秒级动作,以提高负载供电的可靠性,同时对电网削峰填谷、降低线路损耗、稳定电网电压起到重要作用,还可以提供不间断电源满足负载需求。在未来的供电系统中,微电网系统会成为一个重要的发展方向,微电网系统的运用,将会地提升当前电网的工作效率以及其稳定性与安全性,因为微电网系统可以在微电网与发电系统分离的时候对负载进行独立的供电,所以其稳定性会更高。

    1. 储能系统

    2.1储能技术

    用于光伏并网发电的储能装置通常在恶劣的环境下运行。此外,由于光伏发电输出的不稳定性,储能系统的充电和放电条件相对较差,有时需要频繁的小周期充电和放电。根据光伏并网发电系统的特点以及储能装置的发展现状,应从以下几个方面发展和改进光伏并网发电储能技术:一是提高光伏发电系统的能量密度以及功率密度;二是对储能装置的储能容量进行提高,同时延长储能装置的使用寿命;三是提高充放电的速度;四是确保在各种环境中能够安全可靠地运行;五,降低储能装置的使用成本。

    2.2控制技术

    为了能够提高储能装置的使用寿命,以及尽可能地提高储能装置的输出功率,提升储能装置的工作效率,就需要对储能装置的充放电情况进行详细的分析,并以此来指定有针对性的储能装置充放电策略。例如,铅蓄电池在充电是往往需要更长的充电时间,所以在对铅蓄电池在充电的时候尽可能选用较小的电流充电,防止其储电能力的下降,缩短蓄电池寿命。光伏发电的直流电作为主要的储能装置的充电电源,其具有不稳定性和波动性,使得其充电不够稳定。所以,为了解决储能装置的充放电问题,需要储能装置管理控制系统和来保证在不破坏储能装置的使用寿命的充放电策略,除此之外,不能使用工业上的高频交流电来对常见的储能装置例如飞轮储能以及电池等储能装置进行充电,所以在对这些储能装置进行充电的时候需要功率转换器来进行。

    2.3综合分析工具与系统建模

    只有对用电区域做全方位的,综合各种实际条件的分析,其中包括对系统的可靠性,经济情况以及其运营情况进行分析,才能够开发出合适以及好的光伏储能发电系统。现阶段,我国的储能系统在光伏并网的系统中的应用还不是很成熟,应该根据现有的行业标准来确定分析光伏能源储存系统的使用周期以及使用成本的方法,以此来衡量光伏能源储存系统的经济性。所以,为了提供光伏储能系统的更加准确的运行数据以及运行的数据,需要光伏储能系统的开发人员在设计光伏储能系统之初就用仿真以及建模的方法来综合的分析光伏储能系统的运行情况。同时要求使用能够尽量模拟真实的光伏储能系统的运行情况的分析软件来进行分析。

    2.4电化学储能方式

    电化学的储能方式就是使用各种类型的电池来进行储能,电化学的储能可以根据电池所使用的化学物质的差异而分为很多类型,例如,常见的电化学储能类型有液流电池,镍金属氢电池,铅酸电池、锂离子电池、以及、硫化钠电池等。目前市场上,有一种具有种种低廉的价格,高能量的密度的电化学储能是铅酸蓄电池储能,被广泛应用于小型风力发电,中小型分布式供电系统,光伏发电系统等领域,已经是现阶段成熟的储能技术了。

    3.安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统解决方案

    3.1概述

    安科瑞Acrel-2000ES储能能量管理系统具有完善的储能监控与管理功能,涵盖了储能系统设备(PCS、BMS、电表、消防、空调等)的详细信息,实现了数据采集、数据处理、数据存储、数据查询与分析、可视监控、报警管理、统计报表等功能。在高级应用上支持能量调度,具备计划曲线、削峰填谷、需量控制、备用电源等控制功能。系统对电池组性能进行实时监测及历史数据分析、根据分析结果采用智

    能化的分配策略对电池组进行充放电控制,优化了电池性能,提高电池寿命。系统支持Windows操作系统,数据库采用SQLServer。本系统既可以用于储能一体柜,也可以用于储能集装箱,是专门用于储能设备管理的一套软件系统平台。

    3.2适用场合

    系统可应用于城市、高速公路、工业园区、工商业区、居民区、智能建筑、海岛、无电地区可再生能源系统监控和能量管理需求。

    3.2.1工商业储能四大应用场景

    1)工厂与商场:工厂与商场用电习惯明显,安装储能以进行削峰填谷、需量管理,能够降低用电成本,并充当后备电源应急;

    2)光储充电站:光伏自发自用、供给电动车充电站能源,储能平抑大功率充电站对于电网的冲击;

    3)微电网:微电网具备可并网或离网运行的灵活性,以工业园区微网、海岛微网、偏远地区微网为主,储能起到平衡发电供应与用电负荷的作用;

    4)新型应用场景:工商业储能积极探索融合发展新场景,已出现在数据、5G基站、换电重卡、港口岸电等众多应用场景。

    3.3系统结构

    3.4系统功能

    3.4.1实时监测

    微电网能量管理系统人机界面友好,应能够以系统一次电气图的形式直观显示各电气回路的运行状态,实时监测各回路电压、电流、功率、功率因数等电参数信息,动态监视各回路断路器、隔离开关等合、分闸状态及有关故障、告警等信号。其中,各子系统回路电参量主要有:三相电流、三相电压、总有功功率、总无功功率、总功率因数、频率和正向有功电能累计值;状态参数主要有:开关状态、断路器故障脱扣告警等。

    系统应可以对分布式电源、储能系统进行发电管理,使管理人员实时掌握发电单元的出力信息、收益信息、储能荷电状态及发电单元与储能单元运行功率设置等。

    系统应可以对储能系统进行状态管理,能够根据储能系统的荷电状态进行及时告警,并支持定期的电池维护。

    微电网能量管理系统的监控系统界面包括系统主界面,包含微电网光伏、风电、储能、充电桩及总体负荷组成情况,包括收益信息、天气信息、节能减排信息、功率信息、电量信息、电压电流情况等。根据不同的需求,也可将充电,储能及光伏系统信息进行显示。

    图2系统主界面

    子界面主要包括系统主接线图、光伏信息、风电信息、储能信息、充电桩信息、通讯状况及一些统计列表等。

    3.4.2光伏界面

    图3光伏系统界面

    本界面用来展示对光伏系统信息,主要包括逆变器直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、并网柜电力监测及发电量统计、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、辐照度/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析;同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

    3.4.3储能界面

    图4储能系统界面

    本界面主要用来展示本系统的储能装机容量、储能当前充放电量、收益、SOC变化曲线以及电量变化曲线。

    图5储能系统PCS参数设置界面

    本界面主要用来展示对PCS的参数进行设置,包括开关机、运行模式、功率设定以及电压、电流的限值。

    图6储能系统BMS参数设置界面

    本界面用来展示对BMS的参数进行设置,主要包括电芯电压、温度保护限值、电池组电压、电流、温度限值等。

    图7储能系统PCS电网侧数据界面

    本界面用来展示对PCS电网侧数据,主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数等。

    图8储能系统PCS交流侧数据界面

    本界面用来展示对PCS交流侧数据,主要包括相电压、电流、功率、频率、功率因数、温度值等。同时针对交流侧的异常信息进行告警。

    图9储能系统PCS直流侧数据界面

    本界面用来展示对PCS直流侧数据,主要包括电压、电流、功率、电量等。同时针对直流侧的异常信息进行告警。

    图10储能系统PCS状态界面

    本界面用来展示对PCS状态信息,主要包括通讯状态、运行状态、STS运行状态及STS故障告警等。

    图11储能电池状态界面

    本界面用来展示对BMS状态信息,主要包括储能电池的运行状态、系统信息、数据信息以及告警信息等,同时展示当前储能电池的SOC信息。

    图12储能电池簇运行数据界面

    本界面用来展示对电池簇信息,主要包括储能各模组的电芯电压与温度,并展示当前电芯的*小电压、温度值及所对应的位置。

    3.4.4风电界面

    图13风电系统界面

    本界面用来展示对风电系统信息,主要包括逆变控制一体机直流侧、交流侧运行状态监测及报警、逆变器及电站发电量统计及分析、电站发电量年有效利用小时数统计、发电收益统计、碳减排统计、风速/风力/环境温湿度监测、发电功率模拟及效率分析;同时对系统的总功率、电压电流及各个逆变器的运行数据进行展示。

    3.4.5充电桩界面

    图14充电桩界面

    本界面用来展示对充电桩系统信息,主要包括充电桩用电总功率、交直流充电桩的功率、电量、电量费用,变化曲线、各个充电桩的运行数据等。

    3.4.6视频监控界面

    图15微电网视频监控界面

    本界面主要展示系统所接入的视频画面,且通过不同的配置,实现预览、回放、管理与控制等。

    3.4..7发电预测

    系统应可以通过历史发电数据、实测数据、未来天气预测数据,对分布式发电进行短期、超短期发电功率预测,并展示合格率及误差分析。根据功率预测可进行人工输入或者自动生成发电计划,便于用户对该系统新能源发电的集中管控。

    图16光伏预测界面

    3.4.8策略配置

    系统应可以根据发电数据、储能系统容量、负荷需求及分时电价信息,进行系统运行模式的设置及不同控制策略配置。如削峰填谷、周期计划、需量控制、有序充电、动态扩容等。

    图17策略配置界面

    3.4.9运行报表

    应能查询各子系统、回路或设备指定时间的运行参数,报表中显示电参量信息应包括:各相电流、三相电压、总功率因数、总有功功率、总无功功率、正向有功电能等。

    图18运行报表

    3.4.10实时报警

    应具有实时报警功能,系统能够对各子系统中的逆变器、双向变流器的启动和关闭等遥信变位,及设备内部的保护动作或事故跳闸时应能发出告警,应能实时显示告警事件或跳闸事件,包括保护事件名称、保护动作时刻;并应能以弹窗、声音、短信和电话等形式通知相关人员。

    图19实时告警

    3.4.11历史事件查询

    应能够对遥信变位,保护动作、事故跳闸,以及电压、电流、功率、功率因数、电芯温度(锂离子电池)、压力(液流电池)、光照、风速、气压越限等事件记录进行存储和管理,方便用户对系统事件和报警进行历史追溯,查询统计、事故分析。

    图20历史事件查询

    3.4.12电能质量监测

    应可以对整个微电网系统的电能质量包括稳态状态和暂态状态进行持续监测,使管理人员实时掌握供电系统电能质量情况,以便及时发现和消除供电不稳定因素。

    1)在供电系统主界面上应能实时显示各电能质量监测点的监测装置通信状态、各监测点的A/B/C相电压总畸变率、三相电压不平衡度百分百和正序/负序/零序电压值、三相电流不平衡度百分百和正序/负序/零序电流值;

    2)谐波分析功能:系统应能实时显示A/B/C三相电压总谐波畸变率、A/B/C三相电流总谐波畸变率、奇次谐波电压总畸变率、奇次谐波电流总畸变率、偶次谐波电压总畸变率、偶次谐波电流总畸变率;应能以柱状图展示2-63次谐波电压含有率、2-63次谐波电压含有率、0.5~63.5次间谐波电压含有率、0.5~63.5次间谐波电流含有率;

    3)电压波动与闪变:系统应能显示A/B/C三相电压波动值、A/B/C三相电压短闪变值、A/B/C三相电压长闪变值;应能提供A/B/C三相电压波动曲线、短闪变曲线和长闪变曲线;应能显示电压偏差与频率偏差;

    4)功率与电能计量:系统应能显示A/B/C三相有功功率、无功功率和视在功率;应能显示三相总有功功率、总无功功率、总视在功率和总功率因素;应能提供有功负荷曲线,包括日有功负荷曲线(折线型)和年有功负荷曲线(折线型);

    5)电压暂态监测:在电能质量暂态事件如电压暂升、电压暂降、短时中断发生时,系统应能产生告警,事件能以弹窗、闪烁、声音、短信、电话等形式通知相关人员;系统应能查看相应暂态事件发生前后的波形。

    6)电能质量数据统计:系统应能显示1min统计整2h存储的统计数据,包括均值、*小值、95%概率值、方均根值。

    7)事件记录查看功能:事件记录应包含事件名称、状态(动作或返回)、波形号、越限值、故障持续时间、事件发生的时间。

    图21微电网系统电能质量界面

    3.4.13遥控功能

    应可以对整个微电网系统范围内的设备进行远程遥控操作。系统维护人员可以通过管理系统的主界面完成遥控操作,并遵循遥控预置、遥控返校、遥控执行的操作顺序,可以及时执行调度系统或站内相应的操作命令。

    图22遥控功能

    3.4.14曲线查询

    应可在曲线查询界面,可以直接查看各电参量曲线,包括三相电流、三相电压、有功功率、无功功率、功率因数、SOC、SOH、充放电量变化等曲线。

    图23曲线查询

    3.4.15统计报表

    具备定时抄表汇总统计功能,用户可以自由查询自系统正常运行以来任意时间段内各配电节点的用电情况,即该节点进线用电量与各分支回路消耗电量的统计分析报表。对微电网与外部系统间电能量交换进行统计分析;对系统运行的节能、收益等分析;具备对微电网供电可靠性分析,包括年停电时间、年停电次数等分析;具备对并网型微电网的并网点进行电能质量分析。

    图24统计报表

    3.4.16网络拓扑图

    系统支持实时监视接入系统的各设备的通信状态,能够完整的显示整个系统网络结构;可在线诊断设备通信状态,发生网络异常时能自动在界面上显示故障设备或元件及其故障部位。

    图25微电网系统拓扑界面

    本界面主要展示微电网系统拓扑,包括系统的组成内容、电网连接方式、断路器、表计等信息。

    3.4.17通信管理

    可以对整个微电网系统范围内的设备通信情况进行管理、控制、数据的实时监测。系统维护人员可以通过管理系统的主程序右键打开通信管理程序,然后选择通信控制启动所有端口或某个端口,快速查看某设备的通信和数据情况。通信应支持ModbusRTU、ModbusTCP、CDT、IEC60870-5-101、IEC60870-5-103、IEC60870-5-104、MQTT等通信规约。

    图26通信管理

    3.4.18用户权限管理

    应具备设置用户权限管理功能。通过用户权限管理能够防止未经授权的操作(如遥控操作,运行参数修改等)。可以定义不同级别用户的登录名、密码及操作权限,为系统运行、维护、管理提供可靠的安全保障。

    图27用户权限

     

    3.4.19故障录波

    应可以在系统发生故障时,自动准确地记录故障前、后过程的各相关电气量的变化情况,通过对这些电气量的分析、比较,对分析处理事故、判断保护是否正确动作、提高电力系统安全运行水平有着重要作用。其中故障录波共可记录16条,每条录波可触发6段录波,每次录波可记录故障前8个周波、故障后4个周波波形,总录波时间共计46s。每个采样点录波至少包含12个模拟量、10个开关量波形。

    图28故障录波

    3.4.20事故追忆

    可以自动记录事故时刻前后一段时间的所有实时扫描数据,包括开关位置、保护动作状态、遥测量等,形成事故分析的数据基础。

    用户可自定义事故追忆的启动事件,当每个事件发生时,存储事故前10个扫描周期及事故后10个扫描周期的有关点数据。启动事件和监视的数据点可由用户指定和随意修改。

    图29事故追忆

    4.系统硬件配置清单

    5.结语

    本文分析了在发电网中接入光伏发电而带来的一系列的影响,并且对各种有效的储能方式的应用进行了探讨与总结。同时,还对储能方式在光伏发电系统的应用而带来的影响,除此之外本文还对新能源的应用和开发的进行了探讨,以其对日后的工作产生一定的参考作用。由于电网受环境的影响较大,输出具有不稳定性的特点。光伏发电对配电网的电压波动、电能质量和继电保护装置都有不可避免的影响。随着光伏发电和风力发电的蓬勃发展,电力系统储能技术得到了迅速发展,储能装置能有效降低配电系统的峰值充填,降低电网的波动,控制电能质量,提供停电保护,光伏电网集成对电网的影响已经大大消除。

    参考文献

    [1]周林.黄勇.郭珂.冯玉.微电网储能技术研究综述[J].

    [2]王广霞.独立光伏发电混合储能系统能量管理研究[D].

    [3]张兴科.光伏并网发电功率波动与对策[J].

    [4]安鹏.储能技术在光伏电站并网中的应用.

    [5]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2022.05版.

    作者介绍:

    陈芳芳,女,安科瑞电气股份有限公司,主要研究方向为建筑能耗系统的设计与应用,


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    陈芳芳
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