光伏并網系統中儲能技術的應用分析

中國能源建設集團華中電力試驗研究院 周 旺

相比傳統電源而言，光伏發電輸出功率不可控，光照強度以及溫度等環境條件的變化會帶給其不可估量的影響。作為電力系統中新型技術之一的儲能技術，在科學可行的控制方法與儲能方式的運用下，能夠妥善化解光伏系統隨機不可控問題，降低光伏發電出力變化帶給電網的影響。

1 光伏并網系統結構及特征

光伏并網系統由光伏陣列、儲能系統、MPPT裝置、并網變壓器與逆變器五部分組成。作為光伏并網系統基本環節之一的光伏陣列，是由光伏組件參照系統電壓、電流的基礎上，結合串并聯方式在支架上安裝后構成的。光伏陣列能對太陽能進行轉化并獲得電能，屬于能量轉換單元，其非線性特性相當強烈，負載、光照及溫度等是影響其輸出的主要因素。儲能系統具備控制與調節的功用，在發電充足、光照良好的條件下儲存部分電能并在有需求的時候釋放，能確保光伏電源的穩定輸出，且支持供用電平衡的調節[1]。MPPT裝置能在自然條件下保證功率輸出達到最大，實現光伏能源的充分利用。并網變壓器與逆變器主要作用體現在光伏陣列輸出電壓的轉化，通過對較低直流電的轉化獲取電壓等級適宜的交流電，從而滿足光伏并網發電的需要。

光伏并網系統特征：光照及溫度等環節因素會對光伏發電系統輸出構成影響，輸出功率起伏較大，尤其在天氣多變時發電功率不可控性及隨機性相對明顯；系統造價偏高，要想最大化利用太陽能資源，最大功率點跟蹤（MPPT）技術的應用至關重要，并要做到光伏電能吸收利用的最大化；為促進太陽能利用效率的提高，該系統通常會維持同相的并網電流和電壓，換言之該系統的主要作用體現在提供有功功率方面。

2 儲能技術的應用及發展

2.1 電化學儲能

電化學存放功率表示形態不一的蓄電池。據蓄電池中不同化學品種使用要求的差異可細分為液流電池、壓縮空氣儲能電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鈉硫電池及鉛酸電池等[2]。其中，鉛酸電池在現階段市場中屬于最為廣泛應用的一種儲能方法，其造價低廉、能耗及密度較低，在中小型分布式電源系統、小型風電及光伏發電中的研究應用取得矚目的成果。

2.2 電磁儲能

超導磁儲能。是在超導線圈的運用下轉變電能為磁場能后并儲存，當涉及相關的需要時轉變能量為電能后向系統送回。此類儲能的優點包含長時間無損儲能、能量釋放速度快、易于調整系統頻率、電壓、無功和有功。在接入大規模光伏電源后引起的功率波動問題方面，超導磁儲能系統能發揮有效的抑制作用；超級電容儲能。以電化學雙電層理論為核心，是一種極具特殊性的電容，匯集了普通電容與蓄電池的優點，支持強大脈沖功率的提供。此類儲能比功率能達到10kW/kg，相比一般蓄電池比功率的數百W/kg而言明顯優勢更大。由于超級電容不具備較高比能量比，因此難以持續較長時間的高功率。

表1 不同儲能技術優缺點及應用現狀

2.3 機械儲能

抽水蓄能。其原理是以下游水庫儲水量為對象，在運用剩余電量的前提下抽水并存放至上游水庫，當后續出現最大負荷值時能排放水源至下游水庫，并在該過程中實現發電的目標。此類電站工作效率多為71%~86%，響應頻率多以十余秒至幾分鐘為主，光伏項目如果發電功率波動偏大或涉及頻繁發電的需求，此類系統并不適用；液化空氣貯藏儲能系統。是在高度富余電能帶動的電動機或液體的運用下壓縮、冷卻并液化處理空氣后儲存至低溫儲槽內，電能耗量在液化轉化過程中會成為低溫冷能。后續涉及發電的需要時，以熱交換器氣化及氣化換熱器為目標，引出儲槽內液態空氣并加壓、轉移，加熱溫度至一定程度后在膨脹機注入高壓氣體并做功，此時發電機即可進行發電。

2.4 相變儲熱技術

此類技術是以材料相變潛熱為基礎存儲利用能量，在空間、強度及時間方面能量供求雙方不匹配問題的緩解方面發揮著不可忽視的作用。能否發生相變過程很大程度上取決于溫度，正是由于該特點的存在，其在熱量儲存及溫度控制等領域中的應用相當廣泛。放熱與吸熱中的相變儲熱材料僅會表現出較小的溫度波動，控制管理簡便，加之裝置結構緊湊和蓄熱密度高等優勢，受關注程度相對較高。

以工作中材料相態轉變形式為根據，相變材料主要由四類組成，分別為液-氣、固-液、固-固、固-氣。其中，相變過程中的液-氣、固-氣液材料呈現出較大的體積變化問題，固-固材料則有嚴重塑晶現象及相變潛熱不高等缺陷。固-液材料體積變化偏小且轉變熱焓大，能夠合理管控過程，故而其應用研究相對更廣泛。以工作溫度范圍為根據來看，相變材料由中高溫與低溫兩大類組成。中高溫一類代表有合金、無機鹽等，低溫一類代表有無機水合鹽及脂肪酸、石蠟等有機物。

2.5 光伏并網系統對電網的影響

一是影響系統保護。光伏電站輸出中，其功率大小很大程度上取決于光照強度，加強光照能夠增加短路電流及輸出功率，此時會引起過大的局部電流，當出現短路等情況時可能引起熔斷器熔斷，從而導致正常工作受阻。同時，光伏發電系統中完成配電系統的接入前，支路潮流多以單向現象為主，且保護方向性不存在，而當光伏發電系統中完成供電網絡的接入后，配電網轉化為多源電網，大幅提升網絡潮流方向不確定性[3]。所以，該系統中有必要落實具備方向性的保護裝置的配置。

二是對線路潮流的影響。電力系統中接入光伏電源后，不可預測出力。功率變化進一步加大電壓調節難度，時常會有異常情況出現在電壓調節裝置中，節點電壓或變容器容量出現超限的情況，對供電系統可靠運行構成劇烈影響。同時，隨機不可控的潮流或多或少都會影響電廠發電規劃。

三是對電網運行經濟的影響。光伏電源不具備穩定的輸出功率，故而難免帶給電網運行經濟一定的影響。電網運行中，要想賦予系統調峰、調頻等功能，必然會提出增加一定備用容量的要求。光伏并網系統中，減少機組利用小時數后會影響其輸出功率，同樣會對電網運行經濟構成影響。

3 光伏并網系統中儲能技術的應用

3.1 電網層面的應用

電力調峰中的應用。峰電時段往往負荷功率也最大，通過適當的調峰能夠妥善解決電能最大需求量，降低電網整體負荷壓力，在較低負荷壓力時儲能裝置可實現光伏電站電能的靈活存儲，負荷壓力上升至一定數值后即可使電能釋放，電網此時也能形成更高的整體輸出水平，供電系統得以實現安全穩定的運行；微電網中的應用。綜合現階段輸配電系統發展情況來看，微電網并網這一方向至關重要。微電網及大電網系統分離中，處于獨立運行狀態的微電網獨自承擔著電網的供電任務。同時，微電網構成為光伏電源時，通過引入儲能技術能為負載供電提供穩定性及安全性保障。

3.2 負荷轉移中的應用

儲能技術引入負荷轉移中近似于電力調峰中的應用。負荷轉移時需結合光伏并網一定計費標準，負荷高峰通常情況下的發生時間是充沛發電的光伏發電系統之后，而非白天光伏發電相對充足的時間，此時通過應用儲能技術，負荷偏低時能對電站多余電能合力展開存儲，避免向電網全部送入而引起浪費電能的情況；儲能裝置在負荷高峰段時能夠合理釋放存儲的電能[4]。光伏并網系統與儲能技術的聯合，可實現高峰期用電量需求的大幅緩解，為居民用戶經濟利益提供一定的保障。

3.3 負荷響應中的應用

電力系統運行中，要想確保電網的有效運行并最大限度規避發生意外事故的情況，有必要自動化調整大功率負荷。較高負荷狀態時，不同部分電網一般情況下會交替運行，如此即可確保電網運行即便在高峰時段也能使人們的需求得到滿足，促進供電穩定性的提高。

在光伏儲能系統運用中，負荷響應系統與電站中，工作人員理應高度重視其間電網連接問題，通信線路中維持正常運行狀態的線路不得低于一條，如此一來即可實現高功率設備的有效規避，促使負荷響應需求得到有效滿足。在負荷響應技術的應用下，通過替換使用不同電網，即可有效控制系統運行中故障發生情況。同時，在負荷相應技術的運用下酌情調整高功率負荷控制在臨界值范圍內，能保證工作穩定性及電能供應質量，且能盡量減少供電量調整帶給電網運行穩定性的影響，從而為電力系統運行及電能供應的穩定性提供保障。

3.4 電網電能質量控制的應用

光伏并網系統中引入儲能技術控制電網電能質量時，能促使光伏電源具備更優異的供電特性，從而達成更穩定的供電。該過程中，工作人員在適宜逆變控制措施的運用下，即可保障光伏并網系統電能的質量，而該過程中儲能控制系統也發揮著不可忽視的作用[5]。在儲能系統本身優勢的發揮下，可實現有源濾波的有效調整，保證相角范圍始終合理，當相角有偏差出現時能夠迅速展開調整，從而為電能供應質量及電壓穩定性提供保障。

3.5 斷電保護中的應用

自動斷電保護能夠為用戶提供穩定用電的保障。光伏并網發電儲能系統在用戶市電供應出現異常的情況時，能夠迅速釋放能滿足用戶需求的電能。有故障出現在電網系統中、或是用電中存在一定安全隱患時，該系統能夠第一時間下達斷點指令并自動檢測電力運行狀態，斷電后由儲能裝置負責對電能展開儲存。處于孤島運行模式下的系統，能為用戶及電網電力運行提供穩定性與安全性保障，且能在一定程度上降低高峰用電時段電力負荷，同時在用戶無市電供應時同樣能為電力系統運行穩定性提供保障。

4 結語

儲能技術的快速發展不僅能夠加快光伏并網技術的發展速度，同時能進一步凸顯光伏并網發電的價值作用。在應用儲能技術后，光伏并網系統在供電穩定性、電網運行穩定性方面能夠得到更可靠的保障，可妥善化解光伏并網對電網構成的影響，是與現階段可持續發展戰略相符合的關鍵舉措。綜合儲能技術在光伏并網系統中的應用來看，目前主要包含電力調峰、微電網、負荷轉移、負荷相應、控制電能質量及斷電保護等為主，能夠大幅提高供電效果，能夠持續、穩定且安全地供電，充分發揮儲能型光伏并網系統本身的作用與價值。