儲能技術在光伏并網系統中的應用研究

中國有色金屬建設股份有限公司 閆 冬

隨著全國乃至全球范圍內的清潔能源危機和環境問題逐漸加劇，化石燃料能源已不再被認為是適合推動人類進步與發展過程中的主要資源，清潔能源開發與利用也已經成為各個國家密切關注的問題與重點。其中，太陽能光伏發電憑借清潔、廣泛等優良的特點，近年來技術發展迅速，研究與推廣應用的成果顯著，在我國電力系統領域中的占比也在不斷擴大。然而，不同于其他的發電方式，光伏容易受到太陽光照強度等各種自然條件的影響，工作間歇波動，大規模光伏的并網將會給電網帶來不利影響。

隨著光伏發電在我國現代電力系統中的不斷普及和應用，給配電網所帶來的風險和電能問題日益凸顯，儲能技術的廣泛使用將會對改進光伏發電并網工程系統中風險和電能存在的問題產生重大的作用。在我國新能源技術迅猛發展的巨大背景下，如果我們能在光伏并網系統中合理地配置相應的儲能模式并采用合理的控制措施，就能有效地解決光伏發電輸送的問題，減少對電網產生的波動和沖擊，提高電力系統運行時的穩定性。因此研究儲能技術在光伏并網系統的應用具有很大實踐價值。

本文主要分析了光伏發電系統接入后所帶來的輸出電壓和其功率的變化、輸出電流及其調節、輸出電容器和設備安全性、電網維護和保護等因素對輸出電能產生的影響。總結了目前我國在電力系統中各種機械、電磁、電化學等各種類型儲能技術在工業生產中的發展及其應用實踐現狀，深入地分析和研究了儲能技術在光伏并網工程中的電源調峰、供電質量、斷電和安全防護方面的重要作用。

1 光伏發電并網對電力系統的影響

1.1 并網系統

在光伏發電并網的系統中，光伏發電電源與光伏發電網互相聯系，負荷和用電交叉由這兩者共同進行協調和配置。當空氣中有大量太陽光照射時，負荷主要是由光伏發動機系統直接進行供電，電網則直接從中得到光伏發動機系統的其他剩余電能；當沒有太陽光照射時，光伏發電機組的電源就無法輸出足夠的電能，負載所需能源則由一個大型電網提供。因為光伏陣列輸入的直流電壓相對來說很低，所以工作過程中就需直流升壓變流器向一個低電壓輸入升壓，同時也可通過對最高功率點追蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)的自動控制。

對光伏發電并網系統的基本操作模式和它們的結構屬性等這些問題做了深入的分析，可綜合總結出其以下幾個特征：第一，系統的最終輸出功率會在各種條件下都受到環境的變化影響，具有的是隨機性、間歇性、不可控制性；第二，該系統通常使用MPPT 技術以便于對太陽能最佳化的利用；第三，為了高效地利用太陽能，往往系統的輸出力只能提供一定的有功，所以在這種情況下并網時的電流相位應與并網地點的電壓相同[1]。

沒有配備儲能設施的光伏電源的接入對于電網的主要影響如下：

1.2 對配網電壓與其調整的影響

太陽光照強度在大幅不停地發生變化，包括全年或某個時間段因大幅度自然條件下地區規律性的改變和因天氣導致的隨機性改變，直接地引起了光伏發電系統輸出能力具有非常大且可控性的周期性波動。光伏發電系統接入到配網后會自動改變整個系統，配網中各個節點的電壓也因接入配網所需時間推移的影響而有所改變，產生各種不同程度的電壓偏差和波動。

隨著光伏發電所占比重和數量的逐步提升，就越來越有可能在一定的時期內出現較大范圍的光伏發電所突增情況，難以保證系統正常運行供電的安全和質量，電壓調整也無法順利進行，最終導致系統電壓的上漲。此外，調壓運行操作按照太陽光輻射的多樣性變化頻繁地進行，致使這種調壓設備的壽命得到了很大的縮短[2]。

1.3 對配電網保護的影響

輻射式網絡主要指的是我國目前配電系統的網絡架構。光伏發電在不需要接入的條件情況下，傳統的配網系統就是一個獨立于單電源的連接網絡，系統中當出現故障時，其中的故障電流和能量就是單相的。光伏發電系統接入后，配電網從原來的單一電源網絡轉變為多電源網，故障電流的分布、方向等均將因此而發生改變。而傳統的配電網所保護的配置基礎只是因為故障電流的幅值和大小，并不能夠具有正確的方向性，所以當光伏發電設備被接入之后，保護器的動作就會受到很大的影響。

1.4 對電能質量的影響

因為在逆變器中某些開關元件頻繁地進行了開斷，導致系統在一些開關頻率附近就會產生許多相同諧波，造成系統輸入的電壓和信號輸出的波形間發生了畸變，影響很為嚴重。對于已設計好且結構簡單的低功耗、小容量光伏逆變器，諧波和環境污染通常都可獲得有效地控制并滿足規定的要求。可是伴隨著光伏發電所占比例逐步提高，多個逆變器諧波源之間的相互疊加將使其可很大程度地降低和減少諧波的形成和污染，同時還會很大限度地降低諧波的產生，對整個光伏發電系統運行中所有用戶的供電質量也將造成嚴重的影響[3]。

1.5 對調度運行的影響

由于光伏發電系統的輸入功率受天氣變動影響較大，表現為具有非常不可控制的隨機性，限制了該系統的輸出功率具有很強的可調節性。因此電網單位就需認真思考如何確保電力調度工作的穩定性及其可靠運行，特別是在某些地區內的光伏發電所占比重已達到一定水平后。此外，在光伏電源的使用價格上，由于光伏電源與傳統的常規式光伏電源相比也會有所差異，因此對于一個包括光伏電源的系統來說，在充分保障電能質量和供電可靠性的基礎上，如何進行高效率的經濟性節約也被視為值得廣泛關注的問題。

2 儲能技術的發展和應用

儲能技術是一種先進的技術，電能在空氣中可被轉化成多種形式不同的能源而進行儲存，如勢能、化學性質的能、機械性質的能、電磁性質的能。按照電能變換后的現狀和趨勢，儲能技術中最具特色的典型類別主要有機械、電磁、電化學儲能三類。

2.1 機械儲能

抽水與蓄能。抽水蓄能電的主要原理是，利用剩余電量將下游水庫的儲水量抽至上游水庫存放，在最大負荷值后又經排水至下游水庫從而開始發電。抽水蓄能電站的工作效率一般為71～86%，響應頻率一般都是十幾秒～幾分鐘。但由于新能源抽水蓄能電站工程施工所需要處的特殊地理環境和條件，其工程施工周期大約可能需4～5年，因而沒有能夠在新能源發電中廣泛地得到普遍應用，此外抽水蓄能電廠的響應時間也可確定為分鐘數量級，對于發電功率波動相對較高且頻繁發電的光伏項目來說并不太實使用。

液化空氣貯藏儲能系統是一種新型大規模的儲能系統，主要原理是通過采用高度富余電能所帶動的液體或電動機把高度富余的空氣經過壓縮、冷卻、液化后的原料注入貯藏在貯槽中以便進行儲存，在這個液化過程中絕大多數的電能都已經過濾變成了液體的冷能才有可能來對其他原料進行儲藏[4]。

2.2 電磁儲能

超導磁性儲能。超導儲能系統的主要工作原理是通過采用一個超導線圈把電能直接轉變成磁場動力能進行存儲起來，在必要的條件下再把動力轉換成電能后送到該系統。超導儲能器由于它本身具有持續性較強且不受影響的無損儲能等諸多特性，能快捷地從空氣中釋放出許多能量，易于在系統內進行各種電壓、頻率、有功自動調節。超導磁儲能系統對于在大型光伏發電機組的接入中所產生的功率波動方面起到了非常好的抑制作用。

超級容器電容的存儲。超級電容器是一種依靠電化學研究領域中雙電層理論而設計和開發出來的特殊電容，這種超級電容器的主要功能是整合了蓄電池與一般電容器各種性質的優點，且都可為電動機提供一個強大的脈沖頻率。超級電容器所可實現的比功率最大可高達10kW/kg，而一般的蓄電池所可實現的比功率僅大約為數百kW/kg。但對于普通的超級電容器，由于其相對較低的能耗水平，所以其在高功率下工作的持續時間往往較短。由于它的功率及快速釋放的能力都相對較好、儲能周期短，超級電容器的存儲更適宜作為能源暫存。

2.3 電化學儲能

所謂電化學存放功率就是指使用不同形態的蓄電池。按照在蓄電池中所要求采用的不同化學品種的差異，蓄電池又大致來說可再細分為很多形式，其中主要的蓄電池有鉛酸電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池。目前市場上一種目前應用最為廣泛的儲能方法之一便是鉛酸電池采用這種方法進行儲能，它憑借其低廉的造價、較低的能耗和密度等優點已經被研究和廣泛運用于光伏發電、小型風電以及中小型分布式電源系統中。

3 儲能技術在光伏并網系統中的作用分析

儲能設備與光伏發電并聯在并網逆變器的直流側，通過對儲能裝置充放電進行合適的控制，可有效解決光伏發電因環境問題導致的輸出不穩定，避免其對電網的惡劣影響。除此之外，配置合理的儲能裝置和控制策略，還可帶來如下積極作用：

電力運行調峰。電力調峰主要目標就是為了減少和降低電網運行過程中的大負荷和壓力，盡量避免峰電期中產生的大負荷。現階段主要是依賴調峰發電來實現風機的調峰，操作繁瑣，成本昂貴。而光儲發電系統則是可根據其要求，在負載處于低谷期間同時儲備光伏發電系統的所有剩余功率和輸送電能，在負載處于最大高峰期釋放其所有存儲的功率和輸送電能給負載提供足夠的輸送功率，電網的峰值輸送出力及其供電的安全和可靠性都是能夠同時獲得改善。

表1 不同儲能技術的比較和研究應用現狀

控制發電機的質量。近年對于電能質量方面的問題越來越重視，電網中的諧波畸變率、功率因數、三相不平衡程度以及電壓的變動都必須滿足電力規范；提供切斷電流保護。在光伏發電并網系統中，接入存儲功率的裝置之一很重要的作用就是可給用戶提供停止電流的保護。所以當城市電由于設備故障等各種原因而不能正常運行時，光儲發電機系統就可快速地為電力客戶提供足夠的電能[5]。無論對于電網還是對用戶而言，這種低壓電力孤島的建立和發展都是有利的，不但在高峰用電階段允許低壓電網對一些負荷的設備進行了切除，還更好地使得用戶能夠做到在沒有城鎮市電量供應的條件下保證正常運行。

綜上，本文主要是通過儲能技術在光伏并網系統中的應用進行分析，以及針對各種儲能技術和方式的應用做出總結，深入地研究了儲能技術對于光伏并網系統中電能安全問題的解決和改善，對于以光伏再生能源發電系統為主要代表的新型能源發電方式的開拓和發展與其應用也具有重要的借鑒意義，儲能技術是一種靈活的電能和存儲方式，在光伏再生能源并網系統中得到了發展迅速，在光伏并網系統中所需要的儲能設備和裝置才能得到應用。