太陽能光伏發(fā)電是實現(xiàn)我國能源和電力可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成之一。由于光伏輸出功率具有很強的波動性、隨機性，光伏電力的不穩(wěn)定性嚴重制約了光伏電力的接入和輸送。儲能技術(shù)可以實現(xiàn)削峰填谷、負荷跟蹤、調(diào)頻調(diào)壓、電能質(zhì)量治理等功能。光伏儲能系統(tǒng)還可以在光伏電站遇到棄光限制發(fā)電時將多余電能存入儲能電池內(nèi)，光伏發(fā)電量低于限幅值或晚上用電高峰時通過儲能逆變器將電池內(nèi)電能送入電網(wǎng)，儲能系統(tǒng)參與電網(wǎng)削峰填谷，儲能系統(tǒng)還可利用峰谷電價差創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益，提高系統(tǒng)自身的調(diào)節(jié)能力；作為解決大規(guī)�？稍偕茉窗l(fā)電接入電網(wǎng)的一種有效支撐技術(shù)。
儲能系統(tǒng)的主要模式有配置在電源直流側(cè)的儲能系統(tǒng)、配置在電源交流側(cè)的儲能系統(tǒng)和配置在負荷側(cè)儲能系統(tǒng)等。
一、儲能系統(tǒng)的主要模式
1、配置在電源直流側(cè)的儲能系統(tǒng)
配置在電源直流側(cè)的儲能系統(tǒng)主要可安裝在諸如光伏發(fā)電的直流系統(tǒng)中，這種設(shè)計可將蓄電池組合光伏發(fā)電陣列在逆變器直流段進行配接調(diào)控，如圖1。該系統(tǒng)中的光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池儲能系統(tǒng)共享一個逆變器，但是由于蓄電池的充放電特性和光伏發(fā)電陣列的輸出特性差異較大，原系統(tǒng)中的光伏并網(wǎng)逆變器中的最大功率跟蹤系統(tǒng)(MPPT)是專門為了配合光伏輸出特性設(shè)計的，無法同時滿足儲能蓄電池的輸出特性曲線。因此，此類系統(tǒng)需要對原系統(tǒng)逆變器進行改造或重新設(shè)計制造，不僅需要使逆變器能滿足光伏陣列的逆變要求，還需要增加對蓄電池組的充放電控制器，和蓄電池能量管理等功能。一般而言，該系統(tǒng)是單向輸出的，也就是說該系統(tǒng)中的蓄電池是完全依靠光伏發(fā)電充電的，電網(wǎng)的電力是不能給蓄電池充電的。
該系統(tǒng)光伏發(fā)電陣列發(fā)出的電力在逆變器前端就與蓄電池進行了自動直流平衡，這種模式的主要特點是系統(tǒng)效率高，電站發(fā)電出力可由光伏電站內(nèi)部調(diào)度，可以達到無縫連接，輸出電能質(zhì)量好，輸出波動非常小等，可大大提高光伏發(fā)電輸出的平滑、穩(wěn)定性和可調(diào)控性能，缺點是使用的逆變器需要特殊設(shè)計，不適用于對現(xiàn)有已經(jīng)安裝好的大部分光伏電站進行升級改造。另一個缺點是，該儲能系統(tǒng)中的蓄電池組只能接受本發(fā)電單元的電力為其充電，而其他臨近的光伏發(fā)電單元或電站的多余電力無法為其充電。也就是說這種方案缺乏大電站內(nèi)部電力調(diào)配的功能。
2、配置在電源交流側(cè)的儲能系統(tǒng)
配置在電源交流側(cè)的儲能系統(tǒng)也可以稱之為配置在交流側(cè)的儲能系統(tǒng)，單元型交流側(cè)的儲能的模式如圖2所示，它采用單獨的充放電控制器和逆變器來給蓄電池充電或者逆變，這種方案實際上就是給現(xiàn)有光伏發(fā)電系統(tǒng)外掛一個儲能裝置，可在目前任何一種光伏電站甚至風(fēng)力發(fā)電站或其他發(fā)電站進行升級安裝，形成站內(nèi)儲能系統(tǒng)，也可以根據(jù)電網(wǎng)需要建設(shè)成為完全獨立運行的儲能電站，這種模式克服了直流側(cè)儲能系統(tǒng)無法進行多余電力統(tǒng)一調(diào)度的問題，它的系統(tǒng)充電還是放電完全由智能化控制系統(tǒng)控制或受電網(wǎng)調(diào)度控制，它不僅可以集中全站內(nèi)的多余電力給儲能系統(tǒng)快速有效的充電，甚至可以調(diào)度站外電網(wǎng)的廉價低谷多余電力，使得系統(tǒng)運行更加方便和有效。
交流側(cè)接入的儲能系統(tǒng)的另一個模式是將儲能系統(tǒng)接入電網(wǎng)端，如圖3。顯然，這兩種儲能系統(tǒng)的不同點只是接入點不同，前者是將儲能部分接入了交流低壓側(cè)，與原光伏電站分享一個變壓器，而后者則是將儲能系統(tǒng)形成獨立的儲能電站模式，直接接入高壓電網(wǎng)。
交流側(cè)接入的方案不僅適用于電網(wǎng)儲能，還被廣泛應(yīng)用于諸如島嶼等相對孤立的地區(qū)，形成相對獨立的微型電網(wǎng)供電系統(tǒng)。交流側(cè)接入的儲能系統(tǒng)不僅可以在新建電站上實施，對于已經(jīng)建成的電站也可以很容易的進行改造和附加建設(shè)，且電路結(jié)構(gòu)清晰，發(fā)電場和儲能電場可分地建設(shè)，相互的直接關(guān)聯(lián)性少，因此也便于運行控制和維修。缺點是由于發(fā)電和儲能相互獨立，相互之間的協(xié)調(diào)和控制就需要外加一套專門的智能化的控制調(diào)度系統(tǒng)，因此造價相對較高。
3、配置在負荷側(cè)儲能系統(tǒng)
配置在負荷側(cè)儲能系統(tǒng)主要是指應(yīng)急電源和可移動的電動設(shè)備，譬如可充電式的電動汽車，電動工具和移動電話等。
二、儲能系統(tǒng)的控制模式
2.1電能調(diào)度和平滑輸出
按儲能的應(yīng)用目標，儲能系統(tǒng)控制策略可劃分為自主模式和調(diào)度模式。自主模式一般針對快速響應(yīng)的應(yīng)用，如短時功率波動平滑、調(diào)頻調(diào)壓、電能質(zhì)量補償?shù)�。而調(diào)度模式主要指接受上層電網(wǎng)系統(tǒng)的需求調(diào)度。
(1)平滑輸出
利用儲能系統(tǒng)快速吸收或釋放能源，平滑光伏并網(wǎng)發(fā)電電壓波動，改善系統(tǒng)的有功功率、無功功率平衡水平，增強穩(wěn)定性。
光伏發(fā)電可采取適當(dāng)?shù)膬δ芘渲煤秃侠淼膮f(xié)調(diào)策略提高平滑效果。儲能容量一般由光伏發(fā)電并網(wǎng)平滑策略和能量調(diào)度策略確定。通常，如果僅僅是要達到平滑輸出的效果，儲能系統(tǒng)的容量就比較小，而對系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型算法、控制模式和響應(yīng)速度會要求較高。
圖4、光伏儲能電站的平滑平滑電力輸出波動效果示意
(2)經(jīng)濟調(diào)度
利用儲能系統(tǒng)提高光伏發(fā)電的調(diào)度性，可通過當(dāng)?shù)仉娏Ψ骞葧r間分布情況和電價進行分析，制定充放電控制模式，低吸高拋，達到經(jīng)濟效益的最大化。也可以充分利用光伏、風(fēng)電棄光、棄風(fēng)的情況，充分利用電網(wǎng)無法消納的電力，積極做好電站內(nèi)部的儲能和經(jīng)濟調(diào)度，利用儲能系統(tǒng)實現(xiàn)光伏發(fā)電在時間坐標上的平移，使其參與電力調(diào)峰，優(yōu)化系統(tǒng)運行經(jīng)濟性，獲得較好的經(jīng)濟效益。
經(jīng)濟調(diào)度行的儲能系統(tǒng)通常儲能容量和投資規(guī)模較大，應(yīng)以系統(tǒng)成本最小化為目標對儲能系統(tǒng)容量進行優(yōu)化配置。本文建議采用交流側(cè)并網(wǎng)的模式建立此類儲能系統(tǒng)，儲能功率由光伏發(fā)電實際輸出與目標值差額決定，儲能容量一般由光伏發(fā)電并網(wǎng)平滑策略和能量調(diào)度策略確定。
圖5、儲能電站的調(diào)節(jié)電力需求峰谷的功能
將太陽能電池系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)進行整合，主要涉及監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、控制系統(tǒng)、設(shè)備布局和安全設(shè)施。對于集中式光伏電站，可在變電前集中配置儲能。由于我國目前光伏電站基本以1MW作為一個單元系統(tǒng)，因此可基于1MW單元光伏系統(tǒng)配置直流側(cè)儲能系統(tǒng)，也可以根據(jù)整體光伏電站總?cè)萘颗渲么笮徒涣鱾?cè)儲能系統(tǒng)，形成集光伏、風(fēng)電、儲能以及其他發(fā)電系統(tǒng)為一體的，可綜合利用，統(tǒng)一調(diào)度的微電網(wǎng)系統(tǒng)。通過對光伏發(fā)電和儲能電力的合理接入及有效調(diào)配，解決儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電和接入自動化控制問題，提高儲能單元的送電效率。
光伏發(fā)電系統(tǒng)與蓄電池儲能系統(tǒng)并網(wǎng)，需要智能化實時調(diào)節(jié)儲能系統(tǒng)充放電狀態(tài)和光伏電池的出力，達到協(xié)調(diào)優(yōu)化控制的目的，實現(xiàn)儲能壽命與光伏出力的最優(yōu)平衡。同時，通過實時監(jiān)測儲能電池的容量狀態(tài)、光伏出力以及負荷情況，合理安排蓄電池的充放電、光伏電池的出力，從而達到最大限度延長并網(wǎng)供電時間的目的。
光伏電站并網(wǎng)后，電網(wǎng)主要受其發(fā)電的間歇性影響。光伏發(fā)電站配合儲能系統(tǒng)將進一步提高光伏發(fā)電與電網(wǎng)間的良好匹配，通過平滑電力輸出，并實現(xiàn)“削峰填谷”，大大降低了常規(guī)光伏電站對電網(wǎng)的輸電容量要求，從而避免了電網(wǎng)建設(shè)不足對光伏電站發(fā)電的制約。
2.2、儲能系統(tǒng)中的蓄電池充放電平衡控制
由于目前大部分光伏電站直流端電壓在600-800左右，要匹配這樣的電壓，通常需要300-400多個2V的鉛酸電池串聯(lián)才能達到。大量的蓄電池串聯(lián)，在其充放電過程中難免會有個體差別，會導(dǎo)致嚴重的蓄電池充電和出力電能不均的問題，最終導(dǎo)致系統(tǒng)故障。因此在大型蓄電池儲能系統(tǒng)里，應(yīng)該設(shè)立蓄電池能量管理系統(tǒng)(EMS)，以均衡控制蓄電池充放電狀態(tài)，以保證每一個蓄電池的穩(wěn)定可靠工作。
早期的蓄電池充放電控制器就是比較簡單的蓄電池管理系統(tǒng)(BMS)，在大型儲能發(fā)電系統(tǒng)中通常采用智能化電池管理系統(tǒng)來達到控制蓄電池的充放電以及均衡控制等目的。電池管理系統(tǒng)可通過與中央控制系統(tǒng)通訊，上傳電池組電壓、電流、溫度、可充放功率等主要參數(shù)。對于配置在電網(wǎng)側(cè)的儲能系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)還能與光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)直接通訊，上傳運行參數(shù)或下發(fā)遙控、遙調(diào)指令，控制儲能變流器的充放電狀態(tài)。中央控制系統(tǒng)可根據(jù)電池管理系統(tǒng)發(fā)送的最大允許可充放電流要求和電網(wǎng)容許發(fā)電量的要求，自動調(diào)整裝置的充放電策略，實現(xiàn)對電池的保護性充放電和儲能發(fā)電上網(wǎng)。當(dāng)蓄電池單元端電壓值升高到充電截止電壓，或者充電電流降低到一定限值時，發(fā)出過充、過放電告警信號、停止對蓄電池的充、放電。
中央控制系統(tǒng)一般可以采用就地控制，間隔層控制和遠程控制模式。中央控制系統(tǒng)可接收監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令對電池進行充放電、依據(jù)蓄電池管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整充放電參數(shù)、執(zhí)行相應(yīng)動作，實現(xiàn)對充放電電壓和電流的閉環(huán)控制，以滿足蓄電池在各個充放電階段的各項性能指標;處理電池管理系統(tǒng)的各種告警信息，以確保電池的安全。
儲能電池管理系統(tǒng)還需具備有在線監(jiān)測每節(jié)蓄電池的電壓、溫度;在線自動定期檢測蓄電池內(nèi)阻;在線均衡功能，可通過對單體電池在線充放電，提高電池組一致性，延緩電池失效以及指標超限報警等功能。
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