中國儲能網(wǎng)訊：5月19日至21日，“第八屆中國國際儲能大會”在深圳隆重召開， 來自中國、美國、德國、英國、加拿大、西班牙、日本、韓國、澳大利亞等國和地區(qū)1500余位政府機構(gòu)、科研院所、行業(yè)組織、電力公司、新能源項目單位、系統(tǒng)集成商等代表出席本次大會。
上能電氣股份有限公司研發(fā)常務(wù)副總趙龍在分布式光伏與儲能系統(tǒng)應(yīng)用專場，發(fā)表了題為"直流耦合型光伏儲能系統(tǒng)"的精彩演講。
演講內(nèi)容如下：
趙龍：各位來賓，大家好！我來自上能電氣股份有限公司深圳研發(fā)中心，很榮幸有機會跟大家分享上能電氣在過去幾年時間，圍繞直流耦合型光伏系統(tǒng)的相關(guān)研究成果。
眾所周知，光伏發(fā)電目前仍在存在一些系統(tǒng)性的問題，包括光伏出力的準確預(yù)測問題；支撐電網(wǎng)的功率實時調(diào)度響應(yīng)問題；以及目前大量光伏電站集中在西部建設(shè)后，電力送出通道限制帶所來的一系列棄光限電問題等等。
隨著光伏發(fā)電在電網(wǎng)中所占比例越來越高，上述問題也越來越顯著，而儲能，則是解決上述問題的重要手段。通過光伏電站應(yīng)用儲能技術(shù)，不僅可以切實的解決棄光問題，促進可再生能源消納，實現(xiàn)可再生能源平滑功率波動、削峰填谷、也是未來滿足可再生能源大規(guī)模接入電網(wǎng)的重要手段。
在過去幾年，上能電氣圍儲能技術(shù)開展了多方面的研究工作，先后儲備了一些列產(chǎn)品和技術(shù)：我們有開發(fā)模塊化的儲能PCS，以50KW為一個模塊單元，可以靈活并聯(lián)構(gòu)建各種功率的儲能變流器，具備靈活的功率配置和寬的電池電壓支撐范圍，該產(chǎn)品我們目前廣泛應(yīng)用于分布式儲能系統(tǒng)和利用梯次電池構(gòu)建的儲能系統(tǒng)。同時我們也有開發(fā)更大大功率的模塊化儲能PCS，單模塊功率達到125KW，通過PCS模塊并聯(lián)可以構(gòu)建500KW的模塊化儲能PCS，目前也廣泛應(yīng)用于工業(yè)和分布式的儲能系統(tǒng)。這些都屬于相對傳統(tǒng)的PCS變流器產(chǎn)品，在光伏電站中，也完全可以采用這些類型的PCS來構(gòu)建儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)光伏和儲能的結(jié)合。目前的常規(guī)方案就是采用這些PCS，構(gòu)建獨立的儲能電站，通過變壓器在高壓端和光伏電站的出力耦合在一起，形成交流耦合式光伏儲能解決方案。但是，與光伏緊密結(jié)合的儲能電站，畢竟不同于獨立的儲能電站，采用這種傳統(tǒng)的交流側(cè)耦合的設(shè)計，在某些方面卻并不完美，包括設(shè)備投資大，光伏的電能存儲到電池要反復(fù)經(jīng)歷逆變，升壓，降壓，整流等多個環(huán)節(jié)，帶來系統(tǒng)效率的損失以及額外的投資成本的增加。EMS系統(tǒng)的設(shè)計也相對復(fù)雜，EMS需要同時控制光伏和儲能兩套系統(tǒng)，保證兩套系統(tǒng)出力矢量和符合控制要求，對系統(tǒng)的控制響應(yīng)速度有較高要求，實現(xiàn)起來會存在很多困難，EMS的復(fù)雜度和投資成本會非常高。
同時，前面幾位專家提到，在大型的發(fā)電系統(tǒng)中，PCS接入交流電網(wǎng)端口，并網(wǎng)手續(xù)、并網(wǎng)認證也都會相對比較復(fù)雜，都可能會增加額外的成本。
所以，幾年前我們就開始思考，能否結(jié)合光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點，專門量身定制一套更適合光伏發(fā)電的儲能系統(tǒng)，為此上能電氣開展了相關(guān)的系統(tǒng)研究和設(shè)計開發(fā)。
剛好在最近這段時間，美國國家可再生能源實驗室發(fā)布了一份最新的研究報告，報告中提到，到2020年，隨著太陽能光伏在電網(wǎng)中的滲透率不斷提高，光伏加儲能的效益將越來越明顯，尤其在直流側(cè)，與儲能密切結(jié)合的設(shè)計模式在未來最有性價比。報告中給出不同方案的測算數(shù)據(jù)，包括純光伏發(fā)電、獨立光伏電站加獨立的儲能電站、在交流側(cè)耦合的光伏加儲能、以及在直流側(cè)耦合的光伏與儲能配合的技術(shù)方案，對各類方案進行了詳細的投資收益分析。在測算過程中，結(jié)合美國當?shù)氐恼哐a貼，得出結(jié)果是在直流側(cè)耦合的光伏與儲能配合的方案性價比最優(yōu)。這其實與上能電氣針對這個問題的觀點不謀而合。
我們認為，圍繞與光伏緊密結(jié)合的儲能系統(tǒng)，如果其用途主要應(yīng)用于實現(xiàn)削峰填谷，平滑出力曲線，跟蹤發(fā)電計劃，或者做速度相對較慢的二次調(diào)頻等功能時，可以優(yōu)先采用效率更高，投資成本更低的直流側(cè)耦合分布式儲能方案。而針對與光伏結(jié)合相對較弱的其它儲能應(yīng)用，則仍可以采用傳統(tǒng)的交流側(cè)耦合解決方案。
圍繞實現(xiàn)光伏直流側(cè)耦合的分布式儲能系統(tǒng)，我們開發(fā)的核心設(shè)備是一臺專用的DCDC雙向功率變換器，實現(xiàn)直流到直流的雙向功率變換，充放電功率250kW；在這個設(shè)備中我們采用了最新的高效能功率器件，設(shè)備可以長期工作于接近99%的高效率區(qū)間。同時，這款設(shè)備本身不僅僅是儲能的功率變換器，同時也集成了能量控制單元EMU、通信設(shè)備，環(huán)網(wǎng)交換機、低壓配電、BMS監(jiān)控系統(tǒng)等等。對外只需要連接兩組電池、連接空調(diào)和消防，就能簡單快速的構(gòu)建標準化儲能系統(tǒng)。配合上能集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)，可以構(gòu)建直流接入的光伏儲能系統(tǒng)
目前在光伏發(fā)電領(lǐng)域已經(jīng)有越來越多的上能集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)在規(guī)模化應(yīng)用。集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點是前端是MPPT控制器，一方面實現(xiàn)對光伏組件的多路MPPT尋優(yōu)。另一方面，將光伏組件變化的電壓升壓到接近850V的穩(wěn)定的直流母線送至后端的集散式逆變器。因為存在一條穩(wěn)定的直流母線，集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)非常適合在直流母線上掛接DCDC變流器，構(gòu)建成直流耦合的光伏儲能系統(tǒng)，并且，也便于實現(xiàn)從光伏到光伏儲能的平滑升級：，我們目前已經(jīng)可以在集散式逆變器出廠時就預(yù)留好儲能系統(tǒng)接口，在未來需要的時候，可以很方便的接入儲能集裝箱，集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)就平滑升級光伏儲能系統(tǒng)。在這里，我們也看到，在集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，直流儲能系統(tǒng)是掛接到集散式穩(wěn)定的850V直流母線上面，而不是并聯(lián)在光伏組件的直流端口，否則會面臨組件的寬電壓變化范圍的影響，也容易對MPPT尋優(yōu)精度的造成硬性，需要采用更復(fù)雜的手段予以解決，這個后面會介紹到。所以我們也看到，集散式光伏發(fā)電系統(tǒng)，因為存在這樣一個穩(wěn)定的直流母線，具備直流耦合型儲能系統(tǒng)接入的先天優(yōu)勢。
那直流耦合型光伏儲能系統(tǒng)，會具備什么特點和優(yōu)勢哪？在無錫的上能電氣工業(yè)園區(qū)內(nèi)，我們搭建了這樣一套直流耦合的集散式光伏儲能系統(tǒng)。我們可以看到一天的功率曲線，紅色線是我們給逆變器發(fā)出的功率調(diào)度，黑色線是實際輸出功率。我們可以看到輸出功率值在緊密跟蹤調(diào)度功率，當輸出功率和光照資源存在差異時，系統(tǒng)通過內(nèi)部能量控制單元EMU，控制DCDC變流器自動實現(xiàn)儲能電池的充電和放電，這套系統(tǒng)中，不需以來復(fù)雜的電站EMS系統(tǒng)，只需要依靠現(xiàn)有光伏電站的功率控制系統(tǒng)，直接控制逆變器按電網(wǎng)理想的目標進行出力即可，電網(wǎng)的出力目標和光伏出力之間的差值，集散式光儲系統(tǒng)內(nèi)部的EMU會自動控制光儲系統(tǒng)內(nèi)部的DCDC變流器進行能量的差值補償。
具備了這個功能，該系統(tǒng)可以用于解決前面所提到的一些列光伏發(fā)電系統(tǒng)棘手棘手的問題：比如棄光限電問題,我們看到，在中午時分給我們給光伏逆變器下發(fā)了限功率指令，此時系統(tǒng)自動對電池充電，下午時分電站限功率指令消失，系統(tǒng)把光伏限功率時存儲的電能，通過光伏逆變器釋放給電網(wǎng)，從而可以有效的解決目前大量的光伏電站棄光問題。
該功能目前已在光伏電站投入了實際應(yīng)用：在華能格爾木光伏電站，上能的直流儲能變流器接入了第三方品牌集中式逆變器的直流輸入側(cè)，構(gòu)建與集中式逆變器配合應(yīng)用的光伏儲能系統(tǒng)。剛剛前面有提到，直流儲能系統(tǒng)接入到集中式逆變器前端，會直接和光伏組件并聯(lián)在一起，面臨一系列問題需要解決，華能清潔能源研究院針對這些問題專門開發(fā)了一套HNC控制系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)就可以直接將上能的DCDC直流變流器掛接到任何品牌的集中式逆變器直流輸入側(cè)來構(gòu)建集中式逆變器光伏儲能系統(tǒng)。附圖是該系統(tǒng)的出力曲線，我們看到，接近中午時光伏廠區(qū)開始限電，此時逆變器的功率會緊密跟隨電網(wǎng)的出力控制目標將逆變器功率下降，之前沒有儲能時，逆變器功率下降會造成棄光，現(xiàn)在加入儲能系統(tǒng)后，多余的光資源會自動存儲在電池中。下午時，限功率結(jié)束，電池自動通過逆變器進行放電。通過這個過程實現(xiàn)兩點，一是解決棄光問題，二是實現(xiàn)平滑功率輸出，因為它可以高精度的跟隨電網(wǎng)要求進行出力。從曲線可以看到在下午時，電網(wǎng)給逆變器下發(fā)了一個瞬時的出力階躍指令，在傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)中，如果電網(wǎng)有這種功率向上階躍指令，逆變器無法響應(yīng)，因為光伏組件沒有多余的功率進行這種功率支撐，但是直流側(cè)加入儲能之后，光伏發(fā)電系統(tǒng)就具備了這種能力，我們看到逆變器此時瞬間就響應(yīng)了電網(wǎng)的這個指令，這意味著，光伏電站從此具備了電網(wǎng)的調(diào)頻能力、穩(wěn)定電網(wǎng)的能力，讓光伏電站從一個不受電網(wǎng)歡迎的垃圾發(fā)電變成未來可以有效支撐電網(wǎng)穩(wěn)定的一個發(fā)電系統(tǒng)。
在直流側(cè)耦合儲能系統(tǒng)還可以帶來哪些優(yōu)點？比如我們投資建設(shè)一個125兆瓦的光伏電站，用戶可能要購買125兆瓦逆變器、125MVA的升壓變壓器，建設(shè)一個125MVA的升壓站以及對應(yīng)功率的送出線路。但是這些設(shè)備只有很少時間會進入額定功率運行狀態(tài)，大多數(shù)時間，比如晚上是閑置的，下午和傍晚處于效率比較低的輕載狀態(tài)。如果我們在直流側(cè)接入25兆瓦功率的儲能，理論上就可以把光伏組件的峰值功率降低25MW。這樣，峰值功率的降低可以另電站投資商少采購25MW的光伏逆變器，少采購25MW的變壓器，升壓站和送出線路都可以按更小的功率進行投資，可以有助于進一步降低光伏儲能系統(tǒng)的投資成本，這都是在直流耦合型儲能系統(tǒng)可以帶來的優(yōu)勢。但如果是交流側(cè)通過高壓端進行耦合，往往還需要增加額外的儲能系統(tǒng)變壓器和電纜的投資。
此外，直流側(cè)的儲能接入還可以在一定程度上提高光伏電站的效率，光伏發(fā)電的效率是隨著光伏出力的不同變化而顯著變化的，光伏出力很高或很低的時候，發(fā)電效率都會大幅降低。在直流耦合型儲能系統(tǒng)，可以將存儲的電能安排在傍晚時，光伏電站運行到進入出力較低，效率較低的區(qū)間時進行放電，讓后端逆變器、變壓器等設(shè)備進入到效率相對較高的功率運行區(qū)間，可以進一步提升光伏儲能電站的運行效率。
直流耦合型儲能系統(tǒng)也容易被設(shè)計成為一個高度靈活、積木式的儲能系統(tǒng)，便于用戶未來分布式投資和建設(shè)。比如在2017年的時候，也許那時候儲能政策和需求還并不明確，我們可以先建立獨立的集散式光伏電站，到2018年的時候，也許有用戶開始想嘗試在光伏系統(tǒng)中小規(guī)模加入儲能進行試用，這時我們可以投入一個10尺的直流儲能單元到接入到光伏系統(tǒng)中，也許到了2019年這個電站棄光問題加劇，用戶可以再投入一個儲能集裝箱虛擬并聯(lián)投入，進一步增加儲能容量。上能的直流儲能系統(tǒng)具備虛擬并聯(lián)技術(shù)，支持不同容量，不同電池類型的儲能集裝箱，掛接在同一條直流母線下面。甚至同一個集裝箱內(nèi)部，也支持兩組不同電壓，不同容量，不同類型的電池虛擬并聯(lián)在一起。這樣就大大增加了系統(tǒng)的配置靈活度。使這個系統(tǒng)成為配置靈活、易于分步投資的積木式儲能系統(tǒng)。
直流耦合型儲能系統(tǒng)，可以分布安裝在各個光伏發(fā)電單元當中，增大了儲能系統(tǒng)的物理間隔，可以在最大程度上規(guī)避大量電池的集中布置，系統(tǒng)安全性更改，也可以有效的保障企業(yè)資產(chǎn)的安全。
利用該DCDC變流器不僅可以構(gòu)建直流側(cè)耦合型的分布式光伏儲能系統(tǒng)，其實，如果該系統(tǒng)的前端如果不接入光伏，那它本身也是一套獨立的儲能系統(tǒng)，這種前級采用DCDC變流器,后級連接ACDC變流器的儲能系統(tǒng)，有以下幾個特點：
第一，前端的DC/DC變流器，可以令儲能系統(tǒng)支持更寬電池電壓的范圍。否則，電池電壓一旦低于500V，傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)通常是無法正常工作的，這就大大增加了電池的適用性，尤其是對梯次電池的適用性。此外，系統(tǒng)配置的靈活度大大加強，通過DC/DC變流器的控制解耦，儲能系統(tǒng)可以采用不同類型的電池實現(xiàn)虛擬并聯(lián)，大大提升了儲能系統(tǒng)的配置靈活度。
下面介紹一些實際應(yīng)用案例：華能清潔能源研究院在2017年開展了一項圍繞光伏電站直流側(cè)儲能技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用示范工程，該項目位于華能格爾木光伏電站，華能清潔能源研究院為此專門開發(fā)了一套HNC控制系統(tǒng)，用于在集中式逆變器實現(xiàn)直流側(cè)接入儲能系統(tǒng)，在該項目中，利用該系統(tǒng)將上能的DCDC直流變流器掛接到了第三方品牌的集中式逆變器直流輸入端，有效的解決了該場站的棄光問題，并具備了平滑功率和跟隨電網(wǎng)調(diào)度等功能。該項目對于存量電站的儲能系統(tǒng)升級具有重大示范意義。
這是在無錫上能公司產(chǎn)業(yè)園區(qū)搭建的分布式電站儲能系統(tǒng)，在儲能集裝箱內(nèi)部，我們分別采用了松下的三元鋰電池，和庫博能源的磷酸鐵鋰電池，把這兩組電池通過上能的DC/DC變流器虛擬并聯(lián)起來構(gòu)建成一個儲能單元。電池類型不同、電壓不同，容量不同，但儲能系統(tǒng)完全可以正常運轉(zhuǎn)，并且從根本上避開了傳統(tǒng)方案中多組電池直接并聯(lián)所可能存在的各類問題。也方便用戶在未來對系統(tǒng)進行平滑的容量升級和電池更換。
謝謝大家！
