太阳能光伏逆变并网及储能电站技术方案

储能电站（系统）技术方案2010年11月目录1.概述..........................................................32.设计标准......................................................43.储能电站（配合光伏并网发电应用）详细方案......................53.1系统架构.................................................53.2光伏发电子系统...........................................63.3储能子系统...............................................63.4并网控制子系统..........................................123.5储能电站联合控制调度子系统..............................144.储能电站（系统）整体发展前景.................................161.概述大容量电池储能系统在电力系统中的应用已有20多年的历史，早期主要用于孤立电网的调频、热备用、调压和备份等。电池储能系统在新能源并网中的应用，国外也已开展了一定的研究。上世纪90年代末德国在Herne1MW的光伏电站和Bocholt2MW的风电场分别配置了容量为1.2MWh的电池储能系统，提供削峰、不中断供电和改善电能质量功能。从2003年开始，日本在Hokkaido30.6MW风电场安装了6MW/6MWh的全钒液流电池（VRB）储能系统，用于平抑输出功率波动。2009年英国EDF电网将600kW/200kWh锂离子电池储能系统配置在东部一个11KV配电网STATCOM中，用于潮流和电压控制，有功和无功控制。总体来说，储能电站（系统）在电网中的应用目的主要考虑“负荷调节、配合新能源接入、弥补线损、功率补偿、提高电能质量、孤网运行、削峰填谷”等几大功能应用。比如：削峰填谷，改善电网运行曲线，通俗一点解释，储能电站就像一个储电银行，可以把用电低谷期富余的电储存起来，在用电高峰的时候再拿出来用，这样就减少了电能的浪费；此外储能电站还能减少线损，增加线路和设备使用寿命；优化系统电源布局，改善电能质量。而储能电站的绿色优势则主要体现在：科学安全，建设周期短；绿色环保，促进环境友好；集约用地，减少资源消耗等方面。2.设计标准GB21966-2008锂原电池和蓄电池在运输中的安全要求GJB4477-2002锂离子蓄电池组通用规范QC/T743-2006电动汽车用锂离子蓄电池GB/T12325-2008电能质量供电电压偏差GB/T12326-2008电能质量电压波动和闪变GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波GB/T15543-2008电能质量三相电压不平衡GB/T2297-1989太阳光伏能源系统术语GB/T18479-2001地面用光伏（PV）发电系统概述和导则GB/T19939-2005光伏系统并网技术要求GB/T20046-2006光伏（PV）系统电网接口特性GB2894安全标志（neqISO3864：1984）GB16179安全标志使用导则GB/T178830.2S和0.5S级静止式交流有功电度表DL/T448能计量装置技术管理规定DL/T614多功能电能表DL/T645多功能电能表通信协议DL/T5202电能量计量系统设计技术规程SJ/T11127光伏（PV）发电系统过电压保护——导则IEC61000-4-30电磁兼容第4-30部分试验和测量技术——电能质量IEC60364-7-712建筑物电气装置第7-712部分：特殊装置或场所的要求太阳光伏（PV）发电系统3.储能电站（配合光伏并网发电应用）详细方案3.1系统架构在本方案中，储能电站（系统）主要配合光伏并网发电应用，因此，整个系统是包括光伏组件阵列、光伏控制器、电池组、电池管理系统（BMS）、逆变器以及相应的储能电站联合控制调度系统等在内的发电系统。系统架构图如下：储能电站（配合光伏并网发电应用）架构图1、光伏组件阵列利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对锂电池组充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；2、智能控制器根据日照强度及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节：一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性；4、并网逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的380V市电接入用户侧低压电网或经升压变压器送入高压电网。5、锂电池组在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。3.2光伏发电子系统略。3.3储能子系统目前可以应用于储能电站的可选蓄电池主要有：铅酸蓄电池，锂电池，钠硫电池，全钒液流电池等等。3.3.1储能电池组(1)电池选型原则作为配合光伏发电接入，实现削峰填谷、负荷补偿，提高电能质量应用的储能电站，储能电池是非常重要的一个部件，必须满足以下要求：容易实现多方式组合，满足较高的工作电压和较大工作电流；电池容量和性能的可检测和可诊断，使控制系统可在预知电池容量和性能的情况下实现对电站负荷的调度控制；高安全性、可靠性：在正常使用情况下，电池正常使用寿命不低于15年；在极限情况下，即使发生故障也在受控范围，不应该发生爆炸、燃烧等危及电站安全运行的故障；具有良好的快速响应和大倍率充放电能力，一般要求5-10倍的充放电能力；较高的充放电转换效率；易于安装和维护；具有较好的环境适应性，较宽的工作温度范围；符合环境保护的要求，在电池生产、使用、回收过程中不产生对环境的破坏和污染；(2)主要电池类型比较阀控式铅酸蓄电池阀控式铅酸蓄电池已有100多年的使用历史，非常成熟。以其材料普遍、价格低廉、性能稳定、安全可靠而得到非常广泛的应用，在已有的储能电站中，铅酸电池依旧被采用。但铅酸电池也有致命的缺点，主要就是循环寿命很低，在100%放电深度（DOD）下，一般为300~600次。其次比能量也较小，需要占用更多的空间，充放电倍率也较低，再者，在电池制造、使用和回收过程中，铅金属对环境的污染不可忽视。全钒液流电池全钒液流电池是一种新型的储能电池，其功率取决于电池单体的面积、电堆的层数和电堆的串并联数,而储能容量取决于电解液容积，两者可独立设计，比较灵活，适于大容量储能，几乎无自放电，循环寿命长。全钒液流电池目前成本非常昂贵，尤其是高功率应用。只有推进产业化，才能大幅度降低成本，另外还要提高全钒液流电池的转换效率和稳定性。钠硫电池钠硫电池作为新型化学电源家族中的一个新成员出现后，已在世界上许多国家受到极大的重视和发展。钠硫电池比能量高，效率高，几乎无自放电，可高功率放电，也可深度放电，是适合功率型应用和能量型应用的电池。但是钠硫储能电池不能过充与过放，需要严格控制电池的充放电状态。钠硫电池中的陶瓷隔膜比较脆，在电池受外力冲击或者机械应力时容易损坏，从而影响电池的寿命，容易发生安全事故。还存在环境影响与废电池处置问题。目前世界范围内仅有日本NGK产品已经成功，国内已有上海硅酸盐研究所研制成功的报道。由于日方原因，中国引进NGK钠硫电池系统一直没有成功。目前应用难度较大。磷酸铁锂电池对于锂电池，目前可应用于电力用途的只有磷酸铁锂电池，所以，在此我们所涉及的锂电池仅针对于磷酸铁锂电池。锂离子电池单体输出电压高，工作温度范围宽，比能量高，效率高，自放电率低，在电动汽车和静态储能应用中的研究也得到了开展。初始投资高是影响锂离子电池在静态储能广泛应用的重要因素之一；深度放电将直接降低电池的使用寿命，限制了锂电池在充电源随机性较大的场合的应用；采用过充保护电路或均衡电路，可提高安全性和寿命。目前磷酸铁锂电池由于成本低、安全可靠和高倍率放电性能受到关注。表1、几种电池性能比较钠硫电池全钒液流电池磷酸铁锂电池阀控铅酸电池现有应用规模等级100kW~34MW5kW~6MWkW~MWkW~MW比较适合的应用场合大规模削峰填谷、平抑可再生能源发电波动大规模削峰填谷、平抑可再生能源发电波动可选择功率型或能量型，适用范围广泛大规模削峰填谷、平抑可再生能源发电波动安全性不可过充电；钠、硫的渗漏，存在潜在安全隐患安全需要单体监控，安全性能已有较大突破安全性可接受，但废旧铅酸蓄电池严重污染土壤和水源能量密度100-700Wh/kg-120-150Wh/kg30-50Wh/kg倍率特性5-10C1.5C5-15C0.1-1C转换效率95%70%95%80%寿命2500次15000次2000次300次成本23000元/kWh15000元/kWh3000元/kWh700元/kWh资源和环保资源丰富；存在一定的环境风险资源丰富资源丰富；环境友好资源丰富；存在一定的环境风险MW级系统占地150-200平米/MW800-1500平米/MW100-150平米/MW(h)150-200平米MW关注点安全、一致性、成本可靠性、成熟性、成本一致性一致性、寿命(3)建议方案从初始投资成本来看，锂离子电池有较强的竞争力，钠硫电池和全钒液流电池未形成产业化，供应渠道受限，较昂贵。从运营和维护成本来看，钠硫需要持续供热，全钒液流电池需要泵进行流体控制，增加了运营成本，而锂电池几乎不需要维护。根据国内外储能电站应用现状和电池特点，建议储能电站电池选型主要为磷酸铁锂电池。3.3.2电池管理系统(BMS)（1）电池管理系统的要求在储能电站中，储能电池往往由几十串甚至几百串以上的电池组构成。由于电池在生产过程和使用过程中，会造成电池内阻、电压、容量等参数的不一致。这种差异表现为电池组充满或放完时串联电芯之间的电压不相同，或能量的不相同。这种情况会导致部分过充，而在放电过程中电压过低的电芯有可能被过放，从而使电池组的离散性明显增加，使用时更容易发生过充和过放现象，整体容量急剧下降，整个电池组表现出来的容量为电池组中性能最差的电池芯的容量，最终导致电池组提前失效。因此，对于磷酸铁锂电池电池组而言，均衡保护电路是必须的。当然，锂电池的电池管理系统不仅仅是电池的均衡保护，还有更多的要求以保证锂电池储能系统稳定可靠的运行。（2）电池管理系统BMS的具体功能基本保护功能单体电池电压均衡功能此功能是为了修正串联电池组中由于电池单体自身工艺差异引起的电压、或能量的离散性，避免个别单体电池因过充或过放而导致电池性能变差甚至损坏情况的发生，使得所有个体电池电压差异都在一定的合理范围内。要求各节电池之间误差小于±30mv。电池组保护功能单体电池过压、欠压、过温报警，电池组过充、过放、过流报警保护，切断等。数据采集功能采集的数据主要有：单体电池电压、单体电池温度（实际为每个电池模组的温度）、组端电压、充放电电流，计算得到蓄电池内阻。通讯接口：采用数字化通讯协议IEC61850。在储能电站系统中，需要和调度监控系统进行通讯，上送数据和执行指令。诊断功能BMS应具有电池性能的分析诊断功能，能根据实时测量蓄电池模块电压、充放电电流、温度和单体电池端电压、计算得到的电池内阻等参数，通过分析诊断模型，得出单体电池当前容量或剩余容量（SOC）的诊断，单体电池健康状态（SOH）的诊断、电池组状态评估，以及在放电时当前状态下可持续放电时间的估算。根据电动汽车相关标准的要求《锂离子蓄电池总成通用要求》（目前储能电站无相关标准），对剩余容量（SOC）的诊断精度为5%，对健康状态（SOH）的诊断精度为8%。热管理锂电池模块在充电过程中，将产生大量的热能，使整个电池模块的温度上升，因而，BMS应具有热管理的功能。故障诊断和容错若遇异常，BMS应给出故障诊断告警信号，通过监控网络发送