儲能技術在光伏發電系統中的應用

何 帆

中國能源建設集團浙江火電建設有限公司 浙江 杭州 310002

如今，我國工業步伐正不斷加快，化石能源日漸枯竭，而且一次能源的使用還給人類賴以生存的自然環境造成很大污染，在這種實際情況下，迫切的需要采用污染水平較低且可實現再生的能源來逐步取代傳統能源。在不同的可再生能源類型中，太陽能不僅分布極為廣泛，而且取之不盡用之不竭，成為當前發電的主要清潔能源類型，光伏發電因此得到很快的發展，光伏發電總裝機容量在全球發電總裝機容量中的占比不斷提高，據初步統計，到2030年，光伏發電總裝機容量將突破300GW，從而提供15%左右的電能。由此可見，光伏發電無論是在環保還是在滿足用電需求上都有重要現實作用與意義。然而，光伏發電和傳統發電模式有很大不同，光伏系統輸出功率會由于受到環境因素及其變化的影響而改變，有很大不可控性，所以如果光伏系統取代傳統系統進行大規模發電難免會給電網造成一定程度的沖擊影響，這必須引起相關人員的高度重視，尤其是在當前光伏系統在整個電網中占據的比例不斷增加的局勢下，光伏系統并入可能給電網造成的影響必須得到有效治理，以免給供電可靠性與安全性造成影響。因此，在光伏系統不斷應用與發展的過程中，需要在明確光伏系統引入可能造成的不利影響基礎上，通過對儲能技術的應用來解決各種不利影響，從而良好適應光伏系統引入提出的需求。

1 光伏發電系統概述

光伏系統結構主要包含以下幾部分：(1) 光伏陣列；(2)MPPT裝置；(3) 儲能系統；(4) 并網逆變器；(5) 并網變壓器。其中，光伏陣列為系統基本單元，按照系統需要，采用串并聯的方式并裝于支架，主要完成能量轉換；MPPT是對光伏能源予以高效利用的關鍵環節，由于光伏陣列有顯著的非線性特征，其輸出會受到包含負載、光照強度及溫度等在內一系列因素的直接影響，采用MPPT能使光伏陣列在任意情況下始終以最大功率進行輸出，從而保證光伏能源得到高效利用；儲能系統在光伏系統中負責調節與控制，在光照條件良好的情況下對部分電能進行存儲，然后按照實際需要對存儲的電能進行釋放，使光伏系統輸出保持穩定；而并網逆變器與變壓器主要作用在于將從陣列中發出的直流電轉化成交流電， 從而為光伏并網創造必要條件[1]。

光伏系統主要具有下列幾方面特征：

(1) 系統輸出會受到外部環境因素的直接影響，如光照強度與氣溫，使系統輸出功率有很大變化，尤其是在天氣多變的情況下，發電功率有顯著隨機性和不可控性；

(2) 因光伏系統成本很高，為了使太陽能資源得到最大化利用，光伏系統需引入MPPT，而且電網應能最大長度對光伏電能進行吸收；

(3) 為了使太陽能得到充分利用，在并網過程中需要確保并網電流與電壓達到同相，光伏系統只能提供有功。

2 光伏系統可能給電網造成的影響

因光伏系統的規模比電網小，加之儲能系統造價很高，所以很多光伏系統在并網發電過程中都不配備儲能系統，這樣雖然能減少系統一次投入，但會給電網造成不利影響，而且當光伏系統規模持續擴大時，這種不利影響也會越來越大，必須引起相關人員的高度重視。根據光伏發電技術特性，光伏系統對電網有不利影響的主要原因為光伏電源不夠穩定，以下從安全性、穩定性和經濟性三個方面入手分析未采用儲能系統的系統可能給電網帶來的不利影響：

(1) 對電網潮流的影響。將系統接入到電網時，支路潮流通常為單向流動，而且對配網而言，伴隨與變電站之間距離的不斷增加，潮流單調將不斷減小。但在接入光伏電源之后，會使潮流模式發生了根本變化，使潮流變得不能預測。潮流一旦發生變化，將使電壓調整難以維持，嚴重時將使電壓調整設備產生異常響應，并使潮流越限，進而給系統運行可靠性造成很大影響。除此之外，潮流隨機性還會影響到發電計劃的制定[2]。

(2) 對系統保護造成影響。在光照條件良好的情況下，光伏系統實際輸出功率相對較大，使短路電流變大，容易使過流保護異常配合，并且當短路電流增大時，還有可能對熔斷器工作造成很大影響。另外，從配網的角度講，接入光伏系統前，潮流通常為單向，系統保護不具方向性，但在接入系統后，會使配網變成一個多源的網絡，使潮流流向無法確定。可見，為保證系統正常運行，必須設置保護裝置[3]。

(3) 電網經濟性受到的影響。以內光伏系統輸出具有不穩定性，所以將系統接入到電網后，需增加容量一定的旋轉備用，增強系統的調節能力，當光伏系統為電網供電時，會使機組利用時間減少，從而給電網經濟性造成一定程度的影響。另外，對電網節能環保性進行分析時，需要充分考慮旋轉備用對應的排放及能耗。

(4) 電能質量受到的影響。由于受到云層遮擋等因素的影響，使光伏系統實際功率瞬時從最大功率減小至不足30%，也可能從不足30%升高到最大功率，這對規模較大的光伏系統而言，可能導致電壓或頻率發生波動。另外，因光伏系統產生的電能屬于直流電，需通過逆變裝置與電網相接，所以該過程必然產生一定諧波，進而給電網造成不利影響[4]。

(5) 對電網運行調度造成影響。光伏系統由于受到天氣變化因素的影響使輸出功率產生變化，而且這種變化不可控，使光伏系統自身可調度性受到很大制約，在光伏系統在電網中占據一定比例后，運營商必須對電力調度引起足夠的重視。此外，光伏系統的電價也和常規電能存在一定差異，如何在適應所有約束條件的基礎上對電網實施經濟性調度也需要引起相關人員的重視。

3 光伏并網發電對儲能技術的應用

從以上分析結果可以看出，光伏電站并網給電網造成的不利影響是不容忽視的。為了從本質上解決這種不利影響，保證電網容量，需要從以下兩個角度入手：其一，盡可能提高電網自身靈活性，打造智能電網；其二，為光伏系統引入儲能裝置。儲能技術是典型的靈活輸電技術，引入到光伏系統后，可通過充電與放電控制，保證光伏系統輸出穩定性，防止因光伏系統輸出不穩定導致電網受到不利影響。將儲能裝置引入到光伏系統后，采取適當的控制策略能為電網及用戶帶來更好的利益[5]。

在電網方面，可采用以下技術手段實現儲能：

(1) 電力調峰。對調峰而言，其主要目的在于盡可能減小用電高峰給電能提出的集中需求，緩解電網承擔的負荷壓力，儲能系統按照具體需要在低估時間對光伏系統電能進行儲存，并在高峰時間對存儲的電能進行釋放，以此保證供電可靠性。

(2) 電能質量控制。將儲能系統接入到電網后，能使光伏系統自身供電特性得到很大的改善，保證供電的穩定性，另外，通過對各項逆變控制策略的制定，還能使儲能系統對電能的質量予以控制，如電壓穩定控制、相角調整與有源濾波。

(3) 微電網。這是未來很長一段時間輸配電系統主流發展方向之一，能有效改善電網供電的可靠性。如果微電網和系統之間分離，則微電網采用孤島形式運行，此時微電網電源將承擔所有供電任務，從而為負載提供可靠且安全的電能[6]。

在用戶方面，可采用以下技術手段實現儲能：

(1) 負荷轉移。從技術層面講，負荷轉移與調峰相似，但其應用需將分時計費作為前提。很多情況下的負荷高峰并非產生于發電較為充足的時間，而是在光伏系統發電高峰期之后，采用儲能系統可以在負荷相對較低的時間對光伏系統產生的電能進行儲存，然后在負荷較高的時間釋放，這樣一來，通過對儲能與光伏系統之間的結合，可以降低用戶在高峰時段對市電提出的需求，從而使用戶獲得理想經濟效益。

(2) 負荷響應。為了使高峰時段的電網保持可靠運行狀態，電網往往選擇高功率負荷予以控制，確保這些負荷可以在高峰時間段交替工作，如果這些用戶均能配備儲能系統，則能有效規避負荷響應策略可能給高功率設備造成的影響。但對于負荷響應系統，往往需要在電網與儲能電站間提供一條以上通訊線路[7]。

(3) 斷電保護。對光伏儲能系統而言，其一個顯著的優勢在于能為用戶提供良好斷電保護功能。當用戶無法獲得正常市電時，在光伏系統支持下依然能獲得滿足使用要求的電能。這種與電力孤島類似的功能無論是對電網還是對用戶而言都是有利的，除了能在高峰時期切掉部分負荷，還能確保在市電無法供應的情況下依然保持正常運行。

4 光伏儲能系統未來發展

就當前形勢看，光伏系統常用儲能系統為蓄電池，存在壽命相對較短、功率密度不高和對充放電有很高要求的問題，對儲能裝置在光伏系統中的應用造成一定影響。為了使儲能技術廣泛應用于光伏系統，保證并網后的性能，在今后的儲能系統發展過程中，要充分考慮一下幾方面：

(1) 儲能技術。在光伏系統中使用的儲能系統通常處于惡劣的工作環境，并且由于光伏系統輸出具有不穩定性，所以儲能系統實際充放電條件很差，有時面臨到頻繁充放電工況。基于光伏系統發電特點與儲能系統當前發展局勢，在光伏系統中應用的儲能技術，需在下列幾方面進行適當的改進：其一，增大能量與功率密度；其二，盡可能延長裝置自身使用壽命；其三，加快充電和放電的速度；其四，在更加寬泛的條件下確保系統運行的安全性與可靠性；其五，降低成本。

超級電容器是當前新型儲能元件，不同于普通電容器與化學電池，有極大的電容量，可達數法拉甚至數千法拉。超級電容器的功率密度與靜電電容器相當，能量密度則與化學電池相當，是處在兩者之間的儲能器件。從儲能方面看，該器件有獨特優勢，得到越來越多人的關注和重視，整備大量研究和應用。超級電容器與靜電電容器和化學電池的技術性能對比如表1所示。

表1 超級電容器與靜電電容器和化學電池的技術性能對比

從表1數據可以看出，與靜電電容器相比，超級電容器有更高能量密度，盡管能量密度低于化學電池，但其它技術性能均優于化學電池。而與化學電池相比，超級電容器具有如下優勢：功率密度較高、充電速度快、循環使用壽命長、無污染，環保效益明顯、工作溫度范圍廣，-40℃到85℃范圍內均可工作、使用管理方便。

(2) 控制技術。為延長裝置使用壽命，提高能量輸出與使用效率，要根據儲能裝置自身特點，制定與儲能裝置相適應的充放電策略。比如，對鉛酸蓄電池而言，對充電提出了長時間和低電流要求，否則將在鉛板上產生結晶，若充電過程中電流較大，將減弱電池自身儲能能力，同時縮短電池的使用壽命。如果采用光伏電池，則很難達到理想的充電條件，基于此，應開發先進可行的儲能裝置控制管理策略，以此從根本上解決充放電方面的問題。另外，針對現階段經常使用的裝置，如飛輪儲能、蓄電池及超級電容器，都無法直接利用工頻交流電，所以還需加大力度開發相應的轉化裝置[8]。

(3) 系統建模工具與綜合分析軟件。要想開發出先進合理的儲能系統，必須在此之前綜合分析整個光伏系統，需涵蓋的內容有：運行經濟性、運行管理及可靠性。在進行這些分析時，應將當前的行業標準作為依據采取適宜的全壽命周期分析方法，以此保證經濟性分析的系統性。就目前來看，光伏系統對儲能技術的應用還不夠成熟，所以對光伏系統的設計人員而言，應在系統開發前采用建模或仿真等方法全面分析儲能系統實際運行狀況，為達到這一要求，軟件系統應能對整個光伏電站與其儲能系統進行動態模擬，進而得到真實可信的分析成果，為儲能系統的設計研發與運行提供可靠的參考依據。

5 結語

綜上所述，光伏發電是指利用廣泛分布的太陽能進行發電，目前光伏發電技術已經得到了很大的提升，在我國很多地區都得到了廣泛應用，但需要注意的是，光伏系統接入到電網后，可能對電網運行造成很大影響，導致電網供電不穩定或不可靠。而解決這一問題的關鍵在于在光伏系統引入儲能技術，實踐表明，通過對儲能技術的合理應用，無論是對用戶側還是對電網側，均能帶來顯著的經濟效益，在光伏技術今后發展中必須將儲能技術及其應用作為重點。