储能在分布式光伏系统中的应用研究

1、储能在分布式光伏发电系统中的应用中国电科院新能源2015年 5 月提纲分布式光伏发展现状一高渗透率分布式光伏接入配网影响二储能在高渗透分布式光伏发电中的作用三储能提高区域配电网光伏渗透率方法研究四1一、分布式光伏发展现状国内相关政策2013年发改委关于发挥价格杠杆作用促进光伏产业健康发展，对分布式光伏发电实行按照全电量0.42元/kWh的补贴政策，余电上网的电量按照当地燃煤机组标杆上网电价收购；2014年能源局关于进一步落实分布式光伏政策发电有关政策用；2015年，制定十五条具体措施进一步激励和推进分布式光伏发电应关于进一步深化电力的，积极发展分布式电源，积极发展融合先进储能技术。分布式电源并

2、网相关意见和规范（修订版）：关于做好分布式电源并网服务工作的意见、 关于促进分布式电源并理公司政策工作的意见、 分布式电源接入配电网相关技术规范等，分布式并网：支持、欢迎、服务。2一、分布式光伏发展现状国内相关政策3省份地区分类初装补贴补 贴（/kW）补贴时间（ /年）省补贴（/kW）补贴年限浙江省温州商业电站0.42元200.1元5家庭电站0.42元200.1元5桐乡建成前两年1.5元/W0.42元200.1元5第三至第五年0.42元200.1元5温州永嘉县50kW以上居民屋顶2元/W0.42元205浙江嘉兴0.42元200.1元5嘉兴市秀洲区1元/W0.42元200.1元3浙江衢州0.42

3、元200.1元3浙江杭州0.42元200.1元20浙江绍兴0.42元200.1元2浙江海宁0.1MW以上0.3元/W0.42元203合肥家庭分布式光伏2元/W0.42元20山东省201.2元上海市个人0.42元200.4元企业0.42元200.25元江苏省2014年1.2元2015年1.15元2河南省洛阳0.1元/W5河北省装机1MW以上2014年1.3元52015年1.2元光伏建设鼓励政策一、分布式光伏发展现状国内建设及分布式光伏和集中光伏装机容量2015年新增光伏电站建设规模17.8GW，对屋顶分布式光伏发电及全部自发自用的地面分布式光伏发电不限制建设规模；根据2020年，光伏装机达到10

4、0GW左右。发布的能源发展战略行动计划（2014-2020年），到4一、分布式光伏发展现状国内建设及530个规模化分布式光伏应用示范区即要求完成335万kW装机一、分布式光伏发展现状国内接入及运维管理1. 并网接入接入申请受理（部、发策部）接方案（地方经研所）接工（公共电网改造由地市公司负责）并网验收与调试（400V接入的由负责；10kV及以上接入的由调度负责）并网信息管理（发策部）并网咨询服务（部）。2. 运维管理n 电源侧：由于政策的鼓励和分布式光伏的补贴，能源公司、企业用户、个人用户都开始积极参与到分布式发电的建设运营中，分布式发电的运维主体多样化，运营模式、管理机制、政策保障等不成熟。

5、n 电网侧：分布式光伏没有接入调控管理，电网的故障处理、停电和检修管理未考虑分布式光伏发电。等相关业务6一、分布式光伏发展现状国外德国Ø 发展现状年增PV装机容量累计PV装机容量和总电能消耗中PV的2013年德国不源装机容量l 光伏发电站数量超过150万个，总装机约38GW，居世界之首，其中分布式光伏约占75%。发展目标为至2020年底，总装机容量达52GW。l 2005年德国光伏上网电价高达0.55/kWh，至2014年年底，依据容量大小和安装位置不同，上网电价从0.087/kWh 到0.126/kWh不等。鼓励用户自发自用，自用电量有额外补贴，上网电价已低于零售电价。开始对小型光

6、伏配置储能设备 提供财政补贴和金融支持。l 为解决大规模分布式光伏发电对配电网的冲击，2013年起德国 政补贴，以降低分布式光伏发电对配电网的影响，缓减电网的对30kW以下的分布式光伏发电安装储能系统实施财。7一、分布式光伏发展现状国外德国Ø 电力市场l电压等级：“网眼式”电网结构，安全性高德国电力市场大部分电能量是采ll边合约模式进行（发可以制定发电和调度计划）。双边结算模式主要有：（1）用户只与发电公司签订用电协议，发电公司与配电公司签订网络使用协议，配电公司与输电公司签订输电网使用协议，并分别进行结算；（2）用户与发电公司签订用电协议（不含网络使用费），用户还需与配电公司签订总

7、的网络使用协议，配电公司与输电公司签订输电网使用协议，并分别进行结算。l 德国光伏装机约占德国电力总装机21.5%；发电量达到328亿kWh，约占全部发电量的6.3%双边合约模式电力市场8超高压高压中压低压380 kV, 220 kV110 kV30 kV, 20 kV,15 kV, 10 kV400 V一、分布式光伏发展现状国外西班牙Ø发展现状新增和累计PV装机容量及数量(分布式约占80%)l 西班牙年光照条件得天独厚，年光照时长几乎欧洲最优，同时拥有大量的空闲土地。l 2007年6月开始实行的光伏上网电价补贴政策（有效期25年），容量小于100kWp的光伏发电系统，实行0.44/

8、kWh的补贴，容量大于100kWp的光伏发电系统，则采用0.23 /kWh的补贴，激励了08年的高速增长（总装机居世界之首）。l 2009年，西班牙突然改变政策，减少补贴，同时限建太阳能电站，促使09年的增速陡降。9一、分布式光伏发展现状国外总结Ø 德国、西班牙DG来的启发l 德国和西班牙DG 并网标准规定DG 必备遥测功能， 且将实时数据传给TSO（CECRE），TSO为了缓解网络拥堵和保持电网稳定，必要时可以降低DG出力，虽然德国法律规定TSO在降低DG出力前需试尽其他可行措施，德国TSO几乎每天都会降低DG出力。l 德国电网在各个电压等级下发生倒供电的现象，也没有为了避免倒供电

9、而限制DG的扩张。西班牙则规定峰荷时，DG穿透率不能超过50%来限制DG的扩张。l 德国电网继电保护系统的设计时便倒供电，且广泛使用中压配电环网。l 德国、西班牙的抽水蓄能电站容量/较大，可以用来维持电能平衡和实现频率。l 德国、西班牙的DG必须上报较精确的功率结果Ø DG并网标准（德国）l BDEW.GeneratingPlantsConnectedtotheMedium-VoltageNetworkGuidelineforgenerating plants connection to and parallel operation with the medium-voltage n

10、etwork(中压配电网)l VDE-AR-N 4105. Power generation systems connected to the low-voltage distribution network Technical minimum requirements for the connection to and parallel operation with low-voltagedistribution networks(低压配电网)10提纲分布式光伏发展现状一高渗透率分布式光伏接入配网影响二储能在高渗透分布式光伏发电中的作用三储能提高区域配电网光伏渗透率方法研究四11二、高渗透率

11、分布式光伏接入配网影响接入特点电源特性对配网的影响带来的问题和：u 影响配网安全稳定运行；u 限制高渗透分布式光伏的消纳。12u 对继电保护的影响u 对电能质量的影响： 电压越限、电压波动、谐波u u 随机性u 间歇性u 波动性u 出力不稳定u u 类型多样u 分散多点布置u 单点装机容量小u 接入电压等级低u 接入配网阻抗高u 存在单相运行u 二、高渗透率分布式光伏接入影响对配电网的运行问题含分布式光伏的配电网、运行问题Ø 潮流问题：大规模光伏发电接入配网后，特别是从负荷侧接入后，往往会导致整个网络的负荷分布发生变化。此外，光伏发电系统的随机性变化特性会导致并网后的各种负荷分布变化

12、情况交替出现，使得潮流也具有一定的随机性。Ø 电压和频率问题：间歇性电源的接入不但会影响稳态电压分布，还会引起系统电压波动，特别是大规模光伏并网可能导致系统电压越限；Ø 调峰问题：大规模光伏发电接入电网后，在天气好的情况下，如果中午光伏大发，将会导致电网的调峰严峻的考验；对电压水平的影响13二、高渗透率分布式光伏接入影响配电网的继电保护问题路发生故障后，继电保护以及重合闸的动作行为都会受到光伏发电系统的影响。对基于断路器的三段式电流保护的影响最为显著。u 导致本线路保护的灵敏度降低及拒动、误动u 导致相邻线路的瞬时速断保护误动并失去选择性u 导致重合闸不u n项目：大量配电

13、网保护更换；uu2.2MW保护建议：加装低周、低压解列、等保护；校核和调整10kV电流速断、延时电流速断、保护、反向故障保护定值。二、高渗透率分布式光伏接入影响配电网的电能质量问题n 光伏发电通过电力电子逆变器并网，易产生谐波、三相电流不平衡；输出功率随机性易造成电网电压波动、；n 分布式光伏直接在用户侧接入电网，电能质量问题直接影响用户的电器设备安全。在10kV接入、400V接入、220V接中，都检测到谐波电流总畸变率偏高的问题。随着容量的增大，谐波电流对电网的大。进一步加二、高渗透率分布式光伏接入影响孤岛效应引起的安全问题n 孤岛期间认为线路不带电的线路维护人身安全受到威胁；n 与孤岛地区

14、相连的用户供电质量受影响（频率和电压偏出正常运行范围）n 可能导致故障不能清除（如接地故障或相间短路故障），从而可能导致电网设备的损伤损坏；n 电网供电恢复后会造成相位不同步而使电路断路器受到损坏；n 孤岛电网与主网非同步重合闸造成操作过电压。西班牙3MW光伏电站项目：采用3个逆变器厂家的多种型号小型光伏逆变器并联运行，在真实电网故障的情况下电站继续运行，后带负荷人为重现此现象。（各型号逆变器已通过认证，此已提交IEC组织）二、高渗透率分布式光伏接入配网的影响对电压分布的影响Ø 对电压分布的影响l分布式光伏接入线路末端时，向线路注入功率，线路末端电压降如下式：= (P - Ppv )

15、Rline + (pv ) XlineDUUsl分布式光伏接入，使线路传输的负荷功率减少，线路电压降减小，对并网点电压有明显抬升作用；当光伏发电功率达到一定限额，就会出现电压越限；ll由于配电网的大电阻小感抗特性，传统的无功补偿装置只能降低线损和解决配网内功率因数问题，无法有效实现电压补偿。17二、高渗透率分布式光伏接入配网的影响对电压分布的影响Ø 对电压偏差和电压波动的影响l当节点实际电压与额定电压之差称为电压偏差，通常用额定电压的百分比表示DU = U -UN´100%UNl在电压急剧变化过相继出现的最高电压与最低电压之差称为电压波动，通常用相对值（与额定电压的比值）或

16、其百分数表示，即= Umax -Umin = Umax -Umin´100%VtUUNNl引起电压偏差和电压波动的，是由于网络中变化的负荷电流通过阻抗元件而造成电压损失的变化，V (%) = Rs DP + Xs DQ ´100%Rs、Xs系统等值电阻和电抗； P、Q节点的有功功率和无功功率变化量。tU 2N18由上式可知，分布式光伏发电功率的变化直接导致接入点电网电压波动，分布式电源出力与负荷正相关时，电压波动减小，反之，电压波动增加。电网电压波动范围：35kV ： ±5%；10kV： ±7%；低压：+7%-10%；提纲分布式光伏发展现状一高渗透率分布

17、式光伏接入配网影响二储能在高渗透分布式光伏发电中的作用三储能提高区域配电网光伏渗透率方法研究四19三、储能系统在分布式光伏发电中的作用 1. 储能作用分析ØØ储能可平滑分布式光伏输出功率波动，从而减少节点电压波动；根据光伏功率的变化，通过快速调节储能的有功和无功出力，使分布式光伏输出功率可控，从而避免出现接入点电压越限问题；ØØ通过功率型储能如超级电容的快速响应能力，可以补偿电压和暂降；通过储能进行无功补偿，可以功率因数，同时不影响光伏有功出力；Ø2013年起德国对30kW以下的分布式光伏发电安装储能系统实施财政补贴，以降低分布式光伏发电对配电

18、网的影响，缓减电网的。20三、储能在分布式光伏发电中的作用 2. 储能接入改变电网电压偏差及波动作用的理论分析 电压相对变化率取决于SPV、 Sk、 接入点Zl =Zl /ZPV /ZESZ s，即供电电压偏差的三个主要因素为光伏功率的变化、所并的短路容量及系统的功率因数。储能的接入可以调节光伏功率的变IE化，功率因素从而减小并网点DU = (Rs + jX s )(DId + jDIq )的电压波动。(cosj + j sinj )DI (cosq + j sinq )= ZsSk并网点短路容量；SPV光伏发电系统的功率变化；Rs+jXs电网等效阻抗；U并网点电压；从接入点看入的电网阻抗角；

19、 光伏发电系统功率因数角。DSU 2=PV éë(coscos - sinsin) + j(sincos + cossin)ùûSkUd = DU » DSPV cos(j +q ) ´100%USk21储能接入点处的等效电路图三、储能系统在分布式光伏发电中的作用储能应用模式1. 光储微n 并网模式下电力调峰调谷，频率调节n 离网模式下提供电压频率支撑n 离网模式下电能质量n 满足并离网无缝切换的短时能量供给并网型微网具有并网和两种运行模式。可保证微网高电能质量供电，也可以实现两种运行模式的无缝切换。型微网不和常规电网相连接。这类微网

20、更加适合在海岛、边远地区等地为用户供电。22三、储能系统在分布式光伏发电中的作用储能应用模式升压变压器电网配电柜 典型的交流系统AC BUS模块化储能单元DC/AC逆变器DC/AC逆变器DC/AC逆变器灯泡直流变换器风机光伏电池DC BUS23l 储能系统是支撑微电网运行的关键设备，不可或缺。l 作用：维持微电网内部的功率平衡；支撑微电网的电压/频率稳定三、储能系统在分布式光伏发电中的作用储能应用模式家电电动汽车双向DC/AC变压器配电柜DC BUSDC/AC变换器DC/DC变换器DC/DC变换器光伏电池电网新能源灵活、便捷接入；提高供电容量； 减小线路损耗；用户侧电能质量；交直流故障。锂电池

21、风机 典型的直流系统24三、储能系统在分布式光伏发电中的作用储能应用模式2. 分布式储能主电网Ø 光储集中.TnT1Ø 分布式光伏有功/无功调节Ø 平滑光伏输出波动Ø 就地电能质量治理.3. 集中式储能Ø 线路潮流Ø 有功、无功调度Ø 区域电网稳定Ø 节点电压调节主电网储能.TnT1光伏1负荷1光伏n负荷n.在高渗透分布式光伏接入的区域配电网中，分布式储能和集中式储能可以单独配置，也可以同时配置，解决不同的问题。25光伏n储能n负荷n光伏1储能1负荷1提纲分布式光伏发展现状一高渗透率分布式光伏接入配网影响二储能在高

22、渗透分布式光伏发电中的作用三储能提高区域配电网光伏渗透率方法研究四26四、储能提高区域配电网光伏渗透率研究 1. 渗透率基本概念 光伏渗透率 光伏输出功率渗透率 27Ø 光伏输出功率峰值与所接入区域内负荷峰值的比值Ø 该值更能反映实际运行中光伏发电系统对配网的影响光功率渗透率= Ppv.max ´100%Pload.maxØ 分布式光伏安装容量与上一级变压器额定容量或其接入线路的最大输送容量的比值光伏渗透率= Spv ´100%ST光伏渗透率= Spv ´100%Sline四、储能提高区域配电网光伏渗透率研究 2. 典型配电网算例 承

23、德地区110kV南郊站模型28四、储能提高区域配电网光伏渗透率研究 3. 区域配电建模29四、储能提高区域配电网光伏渗透率研究 4. 负荷特性分析512出线功率值有功功率无功功率24./h石门沟2队配变400V侧电压30输出功率（MW/MVar）00四、储能提高区域配电网光伏渗透率研究5. 光伏发电系统日出网点电压分析多云晴天黑色光伏接入前红色光伏接入后阴天31四、储能提高区域配电网光伏渗透率研究6. 380V接入不同光伏渗透率对区域配电网并网性能的影响 单点接入（石门沟2队10/0.4kV配变400V侧） 光伏渗透率 135%光伏渗透率 135%光伏渗透率 90%光伏渗透率 45%光伏渗透率

24、 90% 光伏渗透率 45%光伏渗透率 135%光伏渗透率 90%光伏渗透率 45%光伏接入前光伏接入前光伏接入前24.00 t/h并网点下游馈线电压24.00 24t/h并网点经变压器后10kV侧电压并网点变压器负载率t/h并网点电压光伏渗透率 135%光伏渗透率 90%光伏渗透率 45%PV光伏接入前24.00t/h母线电压（p u ）母线电压（p u ）变压器负载率（%）.00四、储能提高区域配电网光伏渗透率研究6. 380V接入不同光伏渗透率对区域配电网并网性能的影响光伏接入后光伏接入后PVPVPVPVPVPVPVPVPVPV光伏接入前光伏接入前24.0024.00 t/ht/h石门沟

25、3队400V母线电压南郊变10kV母线电压33各点光伏装机容量图母线电压（p.u.）母线电压（p u ）多点接入-接示意图四、储能提高区域配电网光伏渗透率研究 7. 380V区域配电网光伏渗透率分析Ø光伏发电系统380V接入时，由于光伏发电系统出力对馈线各点电压有抬升作用，对并网点母线电压影响最大，经过配变后对上一级10kV母线电压的影响削弱，对10kV馈线相邻400V用户也存在影响， 但影响较小，对变电站10kV母线基本无影响。随着光伏渗透率的增加，对系统各节点电压的影响越明显。Ø此外，光伏出力使得并网点母线在加，日电压偏差逐渐增大。电压正偏差增大，负电压偏差减小，随着光伏渗透率的增Ø光伏出力波动叠加负荷波动会引起并网点母线电压变动值增大，对馈线末端的电压变动影响最大， 随着光伏渗透率的增加，影响越大。Ø对于单点380V接入的光伏发电系统，其光伏最大渗透率取决于当地光照、温度及负荷情况，并受变压器输送容量限制，同时配电降压变会因为光伏功率倒送变成升压变，从而使变压器在使用过损耗增加。Ø对于多点380V接入的光伏发电系统，其光伏最大渗透率受系统馈线末端电压最大变动值限制。34四、案例分析 8. 提高光伏极限渗透率的分布式储能容量配置方法以提升配电网光伏极限渗透率为目标，以电压波动和偏差及输