儲能技術在光伏發電系統中的應用研究

楊淳驛

摘要：儲能技術的發展對新能源發電的應用具有一定的促進作用。針對光伏發電穩定性問題，在總結各類儲能技術研究現狀和優缺點對比的基礎上，分析了儲能裝置對光伏發電系統的積極作用，并在PSCAD中搭建典型光儲模型進行仿真研究。結果表明，儲能裝置能夠維持光伏發電系統的功率穩定，對確保電力系統運行的可靠性與穩定性具有不可或缺的作用。

關鍵詞：光伏發電;儲能技術;穩定性

光伏太陽能是一種分布廣泛、取之不盡、用之不竭的可再生能源。光伏發電作為太陽能利用的一種方式，在過去的幾年里迅猛發展。光伏電源不同于傳統電源，它的輸出功率隨光照強度、溫度等環境因素的改變而劇烈變化。因此，光伏發電若要取代傳統能源實現大規模發電，對電網產生的沖擊影響不可忽視[1]。隨著光伏發電系統在電網中所占比例的不斷增大，它對電網帶來的影響必須得到有效治理，以保證供電的安全可靠性[2]

1、光伏儲能系統的組成

光伏儲能系統的典型結構包含四部分：光伏陣列、最大功率點跟蹤裝置、儲能系統和逆變器。光伏陣列是光伏發電系統的基本環節，是光伏組件根據系統電壓、電流的需要，經過串并聯安裝在支架上構成。光伏陣列是將太陽能轉化為電能的能量轉換單元。光伏電池陣列具有強烈的非線性特性，輸出直接受光照、溫度以及負載等因素的影響，最大功率點跟蹤控制可以保證在當時的自然條件下獲得最大的功率輸出，從而充分利用光伏能源[3]。儲能系統起著調節、控制作用，在光照良好、發電充足時儲存部分電能，需要時釋放這部分電能，起到穩定光伏電源輸出和調節供用電平衡的作用。逆變器和變壓器作用是將光伏陣列發出的電壓較低的直流電轉化為電壓等級適合的交流電，從而為光伏發電提供必備條件。

2、無儲能光伏發電系統對電網的影響

目前，由于光伏發電系統規模相對于電網規模較小，也由于儲能系統成本較高，光伏發電系統通常不采用儲能系統，使得光伏系統對電網帶來了一些不良影響。隨著光伏發電系統規模的不斷擴大和光伏電源在系統中所占比例的不斷增加，這些影響變得不可忽視[4]。光伏發電系統對電網的影響主要是由于光伏電源的不穩定性造成的，從電網安全、穩定以及經濟運行的角度分析，不加儲能的光伏發電系統對電網造成的影響主要有以下幾點。

2.1 對線路潮流的影響

未接入光伏系統時，電網支路潮流一般單向流動，且對配電網來說隨著距變電站的距離增加，有功潮流單調減少。然而，當光伏電源接入電網后，從根本上改變了系統潮流的模式，且潮流變得無法預測，同時也可能造成支路潮流越限、節點電壓越限等，影響系統的供電可靠性。光伏發電系統向電網供電，降低了機組利用小時數，犧牲了電網的經濟性運行。

2.2 對系統保護的影響

當光照良好、光伏電站輸出功率較大時，短路電流將會增大，可能會導致過流保護配合失誤，而過大的短路電流還會影響熔斷器的正常工作。此外，對于配電網來說，未接入光伏系統前，支路潮流一般是單向的，其保護不具有方向性。而接入光伏發電系統后，該配電網變成了多源網絡，網絡潮流的流向具有不確定性。因此，必須要求增設具有方向性的保護裝置。

2.3 對電能質量的影響

受云層遮擋的影響，光伏電源的發出功率可能在短時間內從100%降到30%以下，或由30%以下增至100%。對于大型光伏系統來說，這會引起電壓波動與閃變或頻率波動。此外，由于光伏發電系統發出的電能為直流電，必須經過逆變裝置接入電網，而這一過程必將產生諧波，對電網造成影響。

2.4 對運行調度的影響

光伏電源的輸出功率直接受天氣變化影響而不可控制，因此光伏電源的可調度性也受到制約。當某個系統中光伏電源占到一定比例后，電網運行商應認真考慮如何安全可靠地進行電力調度。另外，光伏電價與常規電價存在差異，如何在滿足各種安全約束的條件下對電網進行經濟性調度，也是一個值得關注的問題。

3、儲能在光伏發電中的應用

解決光伏電站對電網的影響，提高光伏電站容量，有兩種措施：一是從電網角度，提高電網靈活性，建設智能電網;二是從用戶角度，為光伏電站配置儲能裝置[5]。

3.1 電網角度的應用技術

3.1.1 電力調峰

調峰的目的是盡量減少大功率負荷在峰電時段對電能的集中需求，以減少電網的負荷壓力。光伏儲能系統可根據需要，在負荷低谷時儲存光伏系統發出的電能，然后在負荷高峰時再釋放這部分電能為負荷供電，從而提高電網的功率峰值輸出能力和供電可靠性。

3.1.2 電網電能質量控制

儲能系統投入光伏發電系統中后，可改善光伏電源的供電特性，使供電更加穩定。因此，通過合適的逆變控制策略，光伏儲能系統可以實現對電能質量的控制，包括穩定電壓、調整相角以及有源濾波等。

3.1.3 微電網

微電網是未來輸配電系統的一個重要發展方向，可以顯著提高供電可靠性。當微電網與系統分離時，即微電網運行在孤島模式時，微電網電源將獨立承擔負荷的供電任務。此時，在光伏電源構成的微電網中，儲能系統將是為負載提供安全穩定供電的重要保證。

3.2 用戶角度的應用技術

3.2.1 負荷轉移

許多負荷高峰并不是發生在光伏系統發電充足的白天，而是發生在光伏發電高峰期后。儲能系統可在負荷低谷時將光伏系統發出的電能儲存起來而不是完全送入電網，待到負荷高峰時再使用。這樣儲能系統和光伏系統配合使用，可以減少用戶在高峰時的市電需求，使用戶獲得更大的經濟利益。

3.2.2 負荷響應

為保證負荷高峰時電網可以安全可靠運行，電網會選定一些高功率的負荷進行控制，使它們在負荷高峰期時交替工作。當這些電力用戶配置光伏儲能系統后，則可以避免負荷響應策略對上述高功率設備正常運行帶來的影響。負荷響應控制系統需要光伏儲能電站和電網之間至少有一條通信線路。

3.2.3 斷電保護

光伏儲能系統一個重要的好處是可以為用戶提供斷電保護，即在用戶無法得到正常市電供應時，可以由光伏系統提供給用戶所需的電能。

4、儲能系統發展需求

目前，常用于光伏發電系統中的儲能裝置是蓄電池，但是蓄電池的循環壽命短、功率密度低、充放電要求嚴格、價格較昂貴，限制了它在光伏發電中的大規模應用。為了實現儲能技術在光伏發電中的廣泛應用，提高光伏性能，儲能系統的發展需要從儲能技術和控制技術兩個方向考慮。

4.1 儲能技術

用于光伏發電的儲能裝置往往工作環境比較惡劣，且受光伏發電輸出不穩定影響，儲能系統的充放電條件也較差，有時需要頻繁充放電小循環。針對于光伏發電系統的特點和儲能裝置的發展現狀，應用于光伏發電的儲能技術應在以下幾個方面做出發展和改進：加大能量密度和功率密度，延長儲能裝置的循環壽命，增加充放電速度，在更寬泛的環境下保證安全可靠運行，降低成本。

4.2 控制技術

為了使儲能裝置實現最長的使用壽命、最大的能量輸出以及最優的使用效率，需要針對儲能裝置的特點，設置適合該種儲能裝置的充放電策略。例如，傳統的鉛酸蓄電池需要一個長時間、低電流的充電條件，以避免在電池鉛版上形成結晶。如果充電電流過大，會降低電池的儲電能力，并縮短電池壽命。光伏電池作為儲能裝置的充電電源，難以保證一個良好的充電條件。因此，開發先進的儲能裝置控制管理系統，對解決儲能裝置的合理充放電問題尤為重要。

5、結論

儲能技術在光伏發電系統中的應用，為解決光伏發電對電網帶來的不良影響提供了可行性方案。它的應用無論是在用戶側還是在電網側，都將帶來一定的經濟效益。因此，儲能技術的應用將成為今后的一個重要研究方向。

參考文獻：

[1]張興科.光伏發電功率波動與對策[J].電網與清潔能源，2011，27（6）：55-60.

[2]鄭志杰，李 磊，王 葵.大規模光伏電站接入系統若干問題的探討[J].電網與清潔能源，2010，26（2）：74-76.

[3]方 廷，韓 郁，張 嵐.一種多逆變器太陽能光伏發電系統的組群控制方法[J].電網與清潔能源，2009，25（7）：57-60.