光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用研究

山東濱海能源有限公司 張新民

隨著工業(yè)發(fā)展的加速，由于化石燃料，如煤和石油等諸多環(huán)境壓力，迫切需要發(fā)展取代這些傳統(tǒng)能源的綠色可再生技術(shù)。太陽(yáng)能是一種多樣性的可再生能源，來(lái)自光伏電池的應(yīng)用，近年來(lái)發(fā)展迅速，對(duì)于環(huán)境保護(hù)和能源戰(zhàn)略較為重要。但是，與傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)不同，因環(huán)境因素，如光照強(qiáng)度和溫度可能會(huì)影響其光伏電源的效率。惟其傳統(tǒng)技術(shù)將以光伏發(fā)電取代，同時(shí)并網(wǎng)發(fā)電，而其對(duì)電網(wǎng)的消極影響則不容忽視。除此之外，日益增加光伏系統(tǒng)在電網(wǎng)中的比例也需要有效管理，以確保電力的可靠性。本文分析光伏電網(wǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)的特性的影響，利用電網(wǎng)角度或用戶用于儲(chǔ)能技術(shù)，滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備儲(chǔ)存的需要。

1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)

連接到公共電網(wǎng)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，又稱(chēng)并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)可以將太陽(yáng)能電池陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同幅、同頻、同相的交流電。電力系統(tǒng)的靈活性在于只要有足夠的日光源，電力系統(tǒng)就可以供電。如果日光源不足，太陽(yáng)電池陣列無(wú)法為負(fù)荷提供足夠的電力以從電網(wǎng)中供電。太陽(yáng)能電池的成本仍然很高，大多數(shù)光伏電池僅用于一些專(zhuān)用的獨(dú)立系統(tǒng)，如航天、邊防海島或偏遠(yuǎn)地區(qū)的示范項(xiàng)目。隨著新型光伏材料的出現(xiàn)，產(chǎn)品價(jià)格下降，轉(zhuǎn)換效率提高，先進(jìn)電力電子、微處理器和先進(jìn)控制策略的引入，使得光伏電網(wǎng)技術(shù)的研究和推廣越來(lái)越可能。光伏的使用也在逐步發(fā)展為城市并網(wǎng)光伏發(fā)電廠、小區(qū)光伏建筑一體化和小功率戶用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。

1.2 光伏建筑形式結(jié)合

最初的形式包括在建筑的屋頂或陽(yáng)臺(tái)上安裝太陽(yáng)能，輸出端電網(wǎng)逆變器和變壓器并聯(lián)，并且為建筑供電。另一種形式的光伏元件和建筑是通過(guò)將帶有特定材料和技術(shù)的模塊轉(zhuǎn)換為屋頂、外墻和窗等構(gòu)件，將光伏組件和建筑材料集成在一起。因此，光伏組件可直接用作或生產(chǎn)建筑材料，進(jìn)一步降低能源成本。在光伏發(fā)電系統(tǒng)和建筑結(jié)構(gòu)的組合應(yīng)用中，一般采用并網(wǎng)發(fā)電的形式[1]。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)

2.1 蓄電池存儲(chǔ)

蓄電池存儲(chǔ)是各種存儲(chǔ)技術(shù)中最有前途的存儲(chǔ)選項(xiàng)之一，可提供可靠性和模塊性。其通常用于負(fù)荷范圍內(nèi)需要更高能量的配電網(wǎng)絡(luò)。電池的正負(fù)蓄電池儲(chǔ)能可實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)充放電。高能效技術(shù)可以高效地滿足系統(tǒng)在峰值負(fù)載下的電源需求，用蓄電池儲(chǔ)能也可用于支持無(wú)功補(bǔ)償裝置，這有助于抑制電壓波動(dòng)和閃變。目前，人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｓ玫男铍姵赜秀U酸蓄、鋰離子、鈉硫和液流電池。

2.2 電容儲(chǔ)能

由特定材料組成的多孔介質(zhì)。相比常規(guī)電容器，電壓峰值較高，電阻值和內(nèi)存容量較高，電壓峰值較低。根據(jù)存儲(chǔ)容量原理，超級(jí)容量分為雙電層與電化學(xué)電容器兩類(lèi)。新一代超大容量組件比其他存儲(chǔ)方法更具優(yōu)勢(shì)。如超容量容器具有高性能密度、充放電周期時(shí)間長(zhǎng)、充放電效率、快速充放電速度、高溫下低溫性能和較長(zhǎng)的使用壽命。但電容器也存在能量密度低、末端電壓波動(dòng)范圍大、串聯(lián)均壓等缺點(diǎn)。互補(bǔ)性蓄電池和超級(jí)電容器。超大容量和電池使用量可大幅提升儲(chǔ)存裝置的效能，使用電池供電的并聯(lián)超級(jí)電容器，混合內(nèi)存消費(fèi)可以增加，內(nèi)部損失減少，加載時(shí)間延長(zhǎng)，蓄電池時(shí)間縮短，延長(zhǎng)壽命。儲(chǔ)能根據(jù)機(jī)器的大小下降，增強(qiáng)電網(wǎng)的可靠性與經(jīng)濟(jì)。

2.3 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能是一種效率高、建設(shè)時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)、儲(chǔ)能高、充電快、充放電次數(shù)不限、無(wú)環(huán)境污染的機(jī)械儲(chǔ)能方式。然而，與其他儲(chǔ)能方法相比，飛輪儲(chǔ)能的維護(hù)成本較高。

2.4 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能

超導(dǎo)儲(chǔ)能（SME）使用由超導(dǎo)材料制成的線圈來(lái)存儲(chǔ)來(lái)自電網(wǎng)供電勵(lì)磁產(chǎn)生的磁場(chǎng)的能量，并根據(jù)需要將存儲(chǔ)的能量返回電網(wǎng)。超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)通常包括絕熱真空冷卻容器中的超導(dǎo)線圈、深冷和真空汞以及用于控制的電力電子設(shè)備。電流在超導(dǎo)線圈的閉合電感中連續(xù)循環(huán)，不會(huì)消失。與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，超導(dǎo)儲(chǔ)能具有明顯的優(yōu)勢(shì)：長(zhǎng)期無(wú)損耗儲(chǔ)存能量，能量返回效率很高；能量迅速釋放，通常在幾秒鐘內(nèi)；SME 的使用促進(jìn)了電網(wǎng)電壓、頻率、有功和無(wú)功功率的調(diào)節(jié)[2]。

3 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有的特點(diǎn)及結(jié)構(gòu)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.1 特點(diǎn)

一是系統(tǒng)性能受到溫度和光照嚴(yán)重影響，輸出功率變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于初始性能。尤其是天氣驟變時(shí)，其發(fā)電是無(wú)法控制和隨機(jī)性。二是發(fā)電建設(shè)成本較高。為了最大限度地利用太陽(yáng)能，通常采用最大追溯技術(shù)的系統(tǒng)，使整個(gè)電網(wǎng)能夠吸收和利用伏能。三是為了實(shí)現(xiàn)有效利用太陽(yáng)能的目標(biāo)，電力系統(tǒng)通常在并網(wǎng)點(diǎn)上產(chǎn)生電壓和電流。

3.2 結(jié)構(gòu)

在光伏并網(wǎng)中，光伏陣列是基本組成部分。光伏電池主要由單體太陽(yáng)能電池或多個(gè)并聯(lián)組成。同時(shí)，如果系統(tǒng)確實(shí)需要，則將其安裝在支架上。主要是將太陽(yáng)轉(zhuǎn)換成能量的轉(zhuǎn)換裝置，MPPT 設(shè)備主要用于確保光伏能源備的最佳利用。光伏發(fā)電功能具有強(qiáng)烈的非線性特性，其中溫度和照明會(huì)嚴(yán)重影響性能，最大性能點(diǎn)跟蹤和控制可實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大輸出性能。電力系統(tǒng)主要是控制器的可調(diào)元件，如果光照良好，電能儲(chǔ)存可以在合理的時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存和釋放。此外，還可以調(diào)節(jié)光伏電源的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)電源與能耗之間的平衡。電網(wǎng)變壓器和并網(wǎng)逆變器主要用于將光伏陣列中，低壓直流電流轉(zhuǎn)換為具有適當(dāng)電壓水平的交流電源，從而為光伏并網(wǎng)發(fā)電創(chuàng)造必要條件[3]。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響

4.1 電能質(zhì)量

光伏發(fā)電系統(tǒng)在日常運(yùn)行中容易受到外部環(huán)境因素的影響，特別是在惡劣天氣中，因云彩遮擋太陽(yáng)，就會(huì)導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)光伏電源的功率就會(huì)出現(xiàn)大幅度的下降或者上升，特別是在影響較大的光伏電源系統(tǒng)中。對(duì)于一些直流供電光伏系統(tǒng)逆變裝置選擇方法時(shí)，諧波問(wèn)題進(jìn)一步加劇，對(duì)光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性產(chǎn)生負(fù)面影響。

4.2 系統(tǒng)保護(hù)

在強(qiáng)烈的陽(yáng)光下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出能力會(huì)增加，短路電流保護(hù)產(chǎn)生故障，從而對(duì)熔斷器的有效性能以及對(duì)整個(gè)光伏系統(tǒng)都有負(fù)面影響。電網(wǎng)通常不是單向輸出保護(hù)，除非連接到光伏電網(wǎng)。當(dāng)連接到光伏并網(wǎng)時(shí)，電網(wǎng)變得多用途，所以方向保護(hù)裝置需要在光伏系統(tǒng)中安裝。

4.3 線路潮流

在實(shí)際操作中，支路潮流有單向電流的特性。隨著穩(wěn)態(tài)電流與變頻器增大距離，減少有功單調(diào)潮流，但總功率變得不可預(yù)測(cè)，潮流變化使得光伏系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)變得困難。這通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)范圍內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器發(fā)出異常的噪音，支路潮流也受此因素影響，變壓器節(jié)點(diǎn)電壓的電壓也受到影響。光伏發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性可能會(huì)受到嚴(yán)重影響，這是因?yàn)槌绷麟S機(jī)性影響了電廠的運(yùn)行規(guī)劃。

5 儲(chǔ)能在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的應(yīng)用分析

5.1 從電網(wǎng)層面應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能技術(shù)在電力調(diào)峰中的應(yīng)用。該設(shè)定值旨在降低峰值負(fù)載期間的最大功耗，降低電力負(fù)荷的總壓力，在負(fù)荷壓力較低的情況下，儲(chǔ)能裝置可靈活儲(chǔ)存光伏電站的電能，并改進(jìn)整個(gè)電源輸出階段存儲(chǔ)技術(shù)在發(fā)電中的應(yīng)用。采用光伏電站電力系統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)，電網(wǎng)電能有效控制質(zhì)量，電能供應(yīng)確保穩(wěn)定。微電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，使變頻調(diào)速的科學(xué)有效策略得以發(fā)展，從而通過(guò)儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的合理控制，實(shí)現(xiàn)相位標(biāo)志、有源濾波器和電壓峰值的目標(biāo)。微電網(wǎng)并網(wǎng)是未來(lái)配電系統(tǒng)的重要組成部分，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全提供了可靠的保護(hù)。當(dāng)微電網(wǎng)分離大型電網(wǎng)時(shí)，獨(dú)立運(yùn)行微電網(wǎng)。其在發(fā)電起著獨(dú)立的作用，存儲(chǔ)技術(shù)應(yīng)用在光伏電源的微網(wǎng)上提高了負(fù)載均衡的安全性和穩(wěn)定性。

5.2 從光伏電站層面應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)

負(fù)荷轉(zhuǎn)移中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用。在負(fù)荷轉(zhuǎn)移中使用儲(chǔ)能技術(shù)類(lèi)似于調(diào)整峰值負(fù)荷，需要在大多數(shù)情況下根據(jù)光伏并網(wǎng)的特定負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)。節(jié)省時(shí)間不是白天光伏發(fā)電適當(dāng)階段，而是通過(guò)應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)為光伏電站系統(tǒng)充分供電的階段。在負(fù)荷較低的情況下，光伏電站的額外電力容量合理儲(chǔ)存。通過(guò)釋放峰值儲(chǔ)能裝置介質(zhì)的負(fù)載，將光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，可以降低峰值人口的電源需求，并提高用戶的經(jīng)濟(jì)性，存儲(chǔ)技術(shù)主要應(yīng)用于光伏并網(wǎng)電網(wǎng)。

一是峰值功耗。主要目的是電網(wǎng)峰值功耗，以最有效地控制功耗。功能強(qiáng)大的大容量存儲(chǔ)設(shè)備通過(guò)高效的存儲(chǔ)，提高了電源系統(tǒng)中峰值負(fù)載的整體性能，并在峰值負(fù)載期間提高了電源系統(tǒng)中峰值負(fù)載的整體性能。二是電網(wǎng)電能質(zhì)量控制。該光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中優(yōu)化儲(chǔ)能來(lái)提高電源質(zhì)量，保證電力供應(yīng)穩(wěn)定，允許采用適當(dāng)?shù)哪孀兛刂撇呗詠?lái)增加儲(chǔ)能容量。三是微電網(wǎng)。是配電系統(tǒng)提高供電可靠性的重要發(fā)展方向。當(dāng)微電網(wǎng)并網(wǎng)與整個(gè)系統(tǒng)分離時(shí)，即當(dāng)微網(wǎng)處于孤島運(yùn)行時(shí)，其可以獨(dú)立于電網(wǎng)負(fù)荷供電活動(dòng)。在這種情況下，充分利用供電穩(wěn)定來(lái)最大限度地發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的功能。

6 儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展需求

6.1 控制技術(shù)

根據(jù)儲(chǔ)能裝置的使用特性，建立適當(dāng)?shù)某浞烹娍刂疲寖?chǔ)能裝置的能量輸出達(dá)到最大化，并最佳化儲(chǔ)能的效率與使用壽命。如同傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池一樣，需要較長(zhǎng)的低耗電量電池充電，以避免鉛版結(jié)晶。如果充電電流過(guò)大，電池的存儲(chǔ)容量和使用壽命將降低。儲(chǔ)能裝置中的光伏電池充電環(huán)境差，充放電頻繁，電流輸出高低，影響電池的使用壽命。因此，為了有效解決儲(chǔ)能裝置的充放電問(wèn)題，有必要開(kāi)發(fā)先進(jìn)的儲(chǔ)能裝置控制和管理系統(tǒng)。然而，工頻交流電不能直接應(yīng)用于現(xiàn)有的儲(chǔ)能裝置，相應(yīng)的電能轉(zhuǎn)化設(shè)備仍需要開(kāi)發(fā)。

6.2 儲(chǔ)能技術(shù)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能操作環(huán)境很差，因?yàn)閮?chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)常處于充電和放電周期中，電流功率較小，充放電不規(guī)則影響存儲(chǔ)利用率，并降低電池使用時(shí)間。根據(jù)光伏并網(wǎng)發(fā)電的特點(diǎn)和能源技術(shù)，需要做一些改進(jìn)，研究和提高能源密度和能源密度。調(diào)查儲(chǔ)能設(shè)備的使用壽命，盡可能延長(zhǎng)其使用壽命，并控制儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用成本。

6.3 復(fù)合儲(chǔ)能型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)

目前，復(fù)合儲(chǔ)能型光伏并網(wǎng)是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中最具代表性的功能之一，消除了傳統(tǒng)光伏系統(tǒng)輸出不均的現(xiàn)象。如一些電力公司目前有一個(gè)組復(fù)合儲(chǔ)能型系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用蓄電池與超級(jí)電容器的組合來(lái)確保系統(tǒng)和電網(wǎng)的穩(wěn)定性，從而降低電網(wǎng)中的諧波脈沖。蓄電池與超級(jí)電容器的互補(bǔ)性不僅解決了光伏并網(wǎng)功率的波動(dòng)，而且提高了并網(wǎng)電流波形質(zhì)量，提高了儲(chǔ)能裝置規(guī)劃能力，減少了對(duì)外部因素的影響，提高了大容量存儲(chǔ)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。

通過(guò)在光合光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中使用儲(chǔ)能技術(shù)，可以安全有效地利用用戶和網(wǎng)絡(luò)來(lái)解決光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響，并跟上當(dāng)前的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。必須不斷發(fā)展和發(fā)展節(jié)能設(shè)施，以促進(jìn)光伏并網(wǎng)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，使更多的人受益于無(wú)害環(huán)境的太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)。