光伏電站限電損失情況如何應(yīng)對(duì)？

　　我國近幾年光伏電站的建設(shè)速度非?？欤涮捉ㄔO(shè)還是無法跟上，加上西部地區(qū)消納光伏電能的能力有限，如甘肅、新疆、青海等地，很多光伏電站遭遇了限電問題的困局，帶來了巨大的能源浪費(fèi)，部分月份限電比例達(dá)到90%，光伏電站的投資收益率大打折扣，而且對(duì)光伏未來的發(fā)展也是非常不利的，必須加強(qiáng)配套電網(wǎng)送出線路的建設(shè)，將光伏電力外送到消納能力較強(qiáng)的地區(qū)，或者改善火電、光伏、風(fēng)電等能源利益競爭所產(chǎn)生的矛盾，進(jìn)一步調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，優(yōu)先使用光伏電力。

　　隨著國家生態(tài)環(huán)境和氣候變化形勢的日益嚴(yán)峻，以優(yōu)先發(fā)展可再生能源為特征的能源革命已經(jīng)成為必然趨勢。本文以甘肅某電站的限電情況為例，簡要介紹限電帶來的發(fā)電量損失計(jì)算方法及技術(shù)對(duì)策。

　　1.有功功率控制系統(tǒng)（AGC）

　　光伏電站的限電離不開光伏有功功率控制系統(tǒng)（簡稱AGC），2011年5月，國家電網(wǎng)公司發(fā)布的《光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定》指出：“光伏電站應(yīng)具備有功功率調(diào)節(jié)能力，能夠接收、自動(dòng)執(zhí)行調(diào)度部門的控制指令，確保有功功率及有功功率變化按照調(diào)度部門的要求運(yùn)行”。因此大型光伏電站均需配備光伏有功功率控制系統(tǒng)，接收調(diào)度中心的有功功率控制指令，按照預(yù)定的規(guī)則和策略實(shí)現(xiàn)負(fù)荷分配。

　　一般情況下，AGC的控制模式可分為計(jì)劃曲線和定值控制兩種。如圖1為定值跟蹤模式，即當(dāng)天控制電站的總輸出功率為恒定值，該值取決于省調(diào)下發(fā)值，當(dāng)晴天輻照較好的情況下，若實(shí)時(shí)功率輸出值超過限定值后將會(huì)被“削峰”，那么實(shí)時(shí)曲線看上去就接近于梯形曲線。

　　圖1 AGC限功率值跟蹤模式（省調(diào)限定負(fù)荷60MW）

　　圖2為計(jì)劃曲線跟蹤模式，一般限電時(shí)間為某一時(shí)段，而且沒有規(guī)律，如下午14點(diǎn)至16點(diǎn)，使得總有功功率曲線（紅色）保持在限定目標(biāo)曲線（綠色）附近上下浮動(dòng)，且每個(gè)地區(qū)最低容忍的浮動(dòng)幅度會(huì)有所不同，如上下浮動(dòng)不超過0.3MW或0.5MW。

　　圖2 AGC計(jì)劃曲線跟蹤模式

　　2.限電損失量估算

　　由于限電比例不同，所造成的發(fā)電損失也會(huì)不同，現(xiàn)以甘肅某100MW集中式電站為例進(jìn)行分析，電站由200臺(tái)500kWp集中式逆變器組成，2015年9月14日省調(diào)下發(fā)限電指令，限定功率值為60MW，實(shí)際地調(diào)下發(fā)限定值為50MW，如果逆變器和AGC的通訊正常，響應(yīng)及時(shí)并且受AGC 的控制（AGC的參數(shù)設(shè)置界面逆變器的軟壓板應(yīng)該投入，如果通訊不正常，將無法接受AGC的控制），并且限有功功率分配較為均勻的情況下，每臺(tái)逆變器的實(shí)時(shí)輸出功率將被設(shè)置在250kW以下，圖3為某標(biāo)桿逆變器的實(shí)時(shí)功率輸出曲線，逆變器的輸出功率取決于當(dāng)前時(shí)刻下的太陽輻照度和環(huán)境溫度，在上午九點(diǎn)二十分左右達(dá)到250kW，直到下午四點(diǎn)五十分左右輸出小于250kW，而在中間時(shí)段如果存在限電，那么將造成一定的發(fā)電損失。

　　圖3 500kW逆變器交流功率輸出曲線

　　當(dāng)天逆變器交流側(cè)滿負(fù)荷下實(shí)際發(fā)電量為3399kWh（有效發(fā)電小時(shí)數(shù)為6.8h），如果限電，將一天的時(shí)間分成三個(gè)時(shí)段，參考表1。中間時(shí)段如果不限電發(fā)電量則為2916.44kWh，其他時(shí)間段共483kWh（上午特定時(shí)段243kWh，下午時(shí)段240kWh）。如果限電，中間時(shí)段約在 1895kWh左右（約7.58小時(shí)），那么由于限電帶來的損失部分為1021.44kWh，占發(fā)電量的30%左右。

　　表1甘肅某電站500kW逆變器分時(shí)發(fā)電量（2015.9.14）

　　若電站限功率值達(dá)到40%，同樣也可計(jì)算，如表2所示，限電比例增加，限電損失也相應(yīng)增加。

　　表2甘肅某電站500kW逆變器分時(shí)發(fā)電量（2015.9.14）

　　對(duì)于整個(gè)電站（逆變器側(cè)）的限電損失，計(jì)算可參考標(biāo)桿逆變器的方法。整個(gè)電站的逆變器發(fā)電性能一般會(huì)有一定的差異，因此所有逆變器的當(dāng)天發(fā)電量有一定的離散率，如500kW逆變器一天發(fā)電量可達(dá)3500kWh以上，差的可能只有2800kWh左右，需要分析哪一方面出了問題，如逆變器本身性能、組串故障、組串通訊異常、接地故障、組件失配及熱斑影響等。通過對(duì)各個(gè)逆變器的發(fā)電量進(jìn)行持續(xù)比較，選擇發(fā)電性能較為穩(wěn)定和故障率特別少的逆變器為標(biāo)桿逆變器，并計(jì)算其他逆變器與標(biāo)桿逆變器的發(fā)電差異。

　　那么對(duì)于整個(gè)電站限電損失量（逆變器交流側(cè)）的估算可參考下面步驟：

　?、俨杉瘶?biāo)桿逆變器的當(dāng)天發(fā)電量E0（一般可從監(jiān)控系統(tǒng)的后臺(tái)讀?。?，逆變器對(duì)應(yīng)方陣的實(shí)際裝機(jī)容量（對(duì)于運(yùn)行多年的電站，建議重新對(duì)光伏方陣區(qū)進(jìn)行裝機(jī)容量測試），然后計(jì)算標(biāo)桿逆變器的每千瓦的發(fā)電量E0/P0（單位：kWh/kW）。

　?、谀孀兤?#裝機(jī)容量P1，當(dāng)天發(fā)電量E1，限電損失量=（E0/P0）*P1*K1-E1（K1為標(biāo)桿逆變器與1#逆變器發(fā)電差異系數(shù)，根據(jù)各逆變器實(shí)際發(fā)電量的統(tǒng)計(jì)分析，該系數(shù)為2%至10%不等）。通過此方法估算其他逆變器的限電損失量，累加可得整個(gè)電站當(dāng)天的限電損失量。

　?、坌枰⒁獾氖怯捎谕ㄓ嵁惓?、方陣發(fā)電異常、逆變器停機(jī)等帶來的損失不屬于限電損失，需要計(jì)算故障損失發(fā)電量，并從限電損失量中減去該值。

　　上述計(jì)算方法得當(dāng)?shù)南揠姄p失量為估算值，如果沒有標(biāo)桿逆變器，可通過實(shí)際輻照度、環(huán)境溫度和實(shí)際系統(tǒng)效率來估算電站的理論應(yīng)發(fā)電量，并減去當(dāng)天的實(shí)際發(fā)電量可粗略作為限電損失。

　　3.限電技術(shù)對(duì)策

　　目前針對(duì)上述限電問題，在技術(shù)層面可在原有并網(wǎng)電站引入儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，以儲(chǔ)能補(bǔ)償實(shí)際光伏輸出功率與限定有功功率的差額，降低限電損失量，儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)耦合方式的不同，分為直流側(cè)耦合和交流側(cè)耦合，如家庭戶用小型儲(chǔ)能系統(tǒng)光伏在直流側(cè)耦合，而對(duì)于大型地面電站，一般以交流側(cè)耦合為主。下文簡要介紹交流側(cè)耦合的充放電判斷依據(jù)和容量配置估算。

　　參考下圖4左，橫線陰影部分表示能量輸入儲(chǔ)能裝置，對(duì)其進(jìn)行充電，能量來源于光伏電力。豎線陰影部分表示能量從儲(chǔ)能裝置輸出，進(jìn)行功率補(bǔ)償，如此以來，光伏逆變器輸出到電網(wǎng)的功率曲線為平滑直線，當(dāng)然這個(gè)是最理想的情況，實(shí)際上很難達(dá)到平滑狀態(tài)。圖4左中紅色直線為省調(diào)（地調(diào)）下發(fā)的功率限電值（如上述100MW電站，200臺(tái)逆變器，限定值50MW，AGC分配均勻，那么每臺(tái)逆變器當(dāng)天最大交流輸出不能超過250kW），藍(lán)色虛線假設(shè)為光伏逆變器的實(shí)際輸出功率。

　　在電池能量管理系統(tǒng)中可設(shè)置目標(biāo)值P1，P1=總限電功率值/逆變器臺(tái)數(shù)（單位：kW），系統(tǒng)可與逆變器進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊，并實(shí)時(shí)監(jiān)測光伏逆變器的交流功率輸出P2（單位：kW），當(dāng)P2和P1滿足下列關(guān)系時(shí)，實(shí)現(xiàn)充放電。

　　基本原則：當(dāng)P2＞P1時(shí)，充電，當(dāng)P2＜P1時(shí)，放電。對(duì)于該判定依據(jù)，遇到晴天，光伏曲線一般較為規(guī)則，容易實(shí)現(xiàn)；而如果遇到多云天氣，光伏出力容易波動(dòng)，會(huì)使得電池反復(fù)充放電，影響壽命，可通過相關(guān)策略來細(xì)化控制。需要注意的是儲(chǔ)能系統(tǒng)和逆變器的通訊響應(yīng)時(shí)間盡量要短，因?yàn)楣夥某隽r(shí)刻都在變化，如果儲(chǔ)能系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間長，接收到的P2值為下一時(shí)刻值，那么補(bǔ)償?shù)娜萘靠赡鼙葢?yīng)補(bǔ)償?shù)牧恳　?/p>

　　電池容量配置的計(jì)算，對(duì)于上述甘肅某電站500kW逆變器，可假定理想情況下如晴天天氣，儲(chǔ)能電池在滿足上述條件時(shí)實(shí)現(xiàn)充電，該時(shí)段有6-7個(gè)小時(shí)左右，如果多云天氣可能無法充滿，但遇到陰雨天氣就無法進(jìn)行充電（圖4右），實(shí)際放電多少以所充容量為準(zhǔn)，特別是連續(xù)陰雨天時(shí)，會(huì)無法充電和放電，只能等到晴天天氣再充電。

　　圖4 光伏儲(chǔ)能方案原理

　　對(duì)于上述甘肅電站實(shí)例，光伏發(fā)電在時(shí)間段7：30-9：15和16：55-19：10共計(jì)約4h左右，實(shí)際光伏發(fā)電483kWh，增加儲(chǔ)能系統(tǒng)后，電池放電容量可計(jì)算得：558.65/0.97=575kWh（假設(shè)儲(chǔ)能逆變器轉(zhuǎn)換效率97%），占當(dāng)天發(fā)電量的24%，但仍剩有461kWh未補(bǔ)償。對(duì)于一臺(tái)500kW逆變器，儲(chǔ)能電池容量可配備500kW*2h儲(chǔ)能單元，但還需要考慮到電池放電深度和逐年衰減率。

　　上述考慮的情況是基于AGC均勻分配的情況下，但事實(shí)上AGC不可能均勻分配，假設(shè)A逆變器限定有功250kW，B逆變器限定有功200kW，如果按照功率大于250kW充電策略，紅綠線與功率曲線包圍的面積這部分電力無法被電池儲(chǔ)存，遇到逆變器限定功率分配不均的情況，可選取合適值，使得整個(gè)電站的功率補(bǔ)償最大化，參考圖5。

　　圖5

　　從電池容量配置角度，需要考慮限電比例和限電損失部分，當(dāng)限電40%，按照50%限電容量配置，如果遇到連續(xù)的晴天天氣，會(huì)造充電容量過多而浪費(fèi)，同樣參考圖5，當(dāng)目標(biāo)直線越往下，A和B區(qū)域所包圍的面積就越小，電池需要放電的能量也就相應(yīng)減少。因此需要統(tǒng)計(jì)一年內(nèi)的限電比例，陰雨天天數(shù)，選擇合適的容量配置，使得投入和產(chǎn)出達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。

　　儲(chǔ)能系統(tǒng)作為限電的解決方案之一，目前已經(jīng)有非常成熟的技術(shù)，如比亞迪和陽光電源等廠家，其投資收益的計(jì)算需要考慮一年當(dāng)中的晴天、陰雨天的天數(shù)，限電損失量，可補(bǔ)償量，電池衰減等因素來綜合確定。

　　4.小結(jié)

　　本文簡要介紹了在當(dāng)前限電大環(huán)境下的光伏發(fā)電量的限電損失計(jì)算，并引出儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)策，文中所述儲(chǔ)能方案和常規(guī)的“削峰填谷”應(yīng)用有所不同，關(guān)于容量配置和儲(chǔ)能系統(tǒng)的相關(guān)建議如下：

　　1.首先需要考慮當(dāng)前電站的AGC分配策略，遇到逆變器限定功率分配不均的情況下，選取合適值，使得電站整體的功率補(bǔ)償最大化。

　　2.儲(chǔ)能電池容量的配置需要考慮AGC的分配策略、電站一年的限電損失和比例、可補(bǔ)償容量等。

　　3.對(duì)于交流耦合模式，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測逆變器交流側(cè)的輸出功率，并且響應(yīng)及時(shí)，功率補(bǔ)償及時(shí)。

　　4.電池能量管理系統(tǒng)需要考慮天氣因素，防止在目標(biāo)值附近頻繁充放電，影響電池壽命。

　　5.各個(gè)電站有功功率控制模式會(huì)不盡相同，一般儲(chǔ)能方案較適合于定值跟蹤模式。對(duì)于曲線跟蹤模式，目標(biāo)值實(shí)時(shí)在變化，還需要和AGC進(jìn)行通訊，會(huì)比較復(fù)雜。