并網光伏發電系統配置儲能技術選型研究

馬 麗 龐秀嵐 付少杰 李曉峰

（國家電投集團青海光伏產業創新中心有限公司，青海 西寧 810000）

0 引言

近年來，“生態優先、綠色發展”的理念逐步深入人心，大力發展可再生能源、加快能源轉型發展已成為全球共識，而風電、光伏等新能源本身的波動性和間歇性決定了靈活性，將是以新能源為主體的新型電力系統必不可少的組成部分。儲能作為靈活性調節資源在新型電力系統中發揮著至關重要的作用，是新能源成為主體電源后系統調節的必然選擇。本文主要對并網光伏發電系統配置儲能技術選型進行淺析。

1 并網光伏發電系統儲能應用場景

儲能技術在新能源電站中的應用場景主要有削峰填谷、能量搬移、跟蹤計劃出力、平抑波動、調峰、調頻、電壓支撐、儲能新技術戶外實證、混合儲能等，此外，《電力系統安全穩定導則》（GB 38755—2019）要求電源在電力系統中需為系統提供必要的慣量[1]。

2 儲能設備選型

根據能量儲存形態的不同，儲能技術可分為機械類儲能、電磁類儲能、儲熱類儲能、化學類儲能、電化學類儲能。

2.1 機械類儲能

2.1.1 抽水蓄能（PHS）

抽水蓄能利用水作為儲能介質，通過電能與勢能相互轉化，實現電能的儲存和管理。其具有技術成熟、響應速度快等優點；但由于選址困難，對地形地質等條件要求較高，且需要水源等原因，不適合應用于光伏電站。

2.1.2 壓縮空氣儲能（CAES）

CAES主要利用電網負荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，形成高壓壓縮空氣將其儲藏在高壓密封設施內，在用電高峰釋放出來，驅動燃氣輪機發電。其具有長時儲能、長壽命、具備轉動慣量等優點，但其響應速度慢、能量效率低，且存在對大型儲氣室、化石燃料的依賴等問題[2]。CAES適用于規模較大的儲能需求場景。

2.1.3 飛輪儲能

飛輪儲能通過電動/發電互逆式雙向電機，實現電能與高速運轉飛輪的機械動能之間的相互轉換與儲存[3]。飛輪在轉動時動能為，J為飛輪的轉動慣量，大小與飛輪質量和半徑有關；ω為飛輪旋轉角速度，飛輪在高速旋轉時，會受到極大的離心力作用，因此絕大多數飛輪采用埋地式安裝。飛輪儲能具有壽命長、功率密度高等優點，但其能量密度低且自放電率高。在調頻應用場景下，可適當配置飛輪儲能為電站提供調頻功能進行電能質量保障。另外，雖然飛輪儲能電機具備轉動慣量，但飛輪儲能系統接入光伏發電系統仍需要通過飛輪電機變流器（AC/DC）及儲能變流器（PCS）等電力電子設備，因此在該種接入方式下飛輪儲能仍然不能為系統提供轉動慣量。

2.1.4 重力儲能

重力儲能以重力造成的位能來儲存能源，當電力多余時驅動馬達將重物吊至高處，需要電力時再利用重物下降的力量來驅動發電機發電。新型重力儲能主要有水介質型、基于構筑物高度差、基于山體落差、基于地下豎井重力儲能系統[4]。重力儲能具有壽命長、原理簡單等優點，但對選址要求較高、能量密度低，在并網光伏系統內易造成光伏組件陰影遮擋，影響光伏系統發電量，根據技術現狀暫不適用于并網光伏系統。

2.1.5 新型抽水壓縮空氣儲能

西安交通大學提出了新型抽水壓縮空氣儲能（PHCA），PHCA集成了抽水蓄能（PHS）和壓縮空氣儲能（CAES）的特點。與PHS相比，PHCA不需要建造大型水壩；與CAES相比，PHCA利用效率較高的水泵替代傳統壓縮機儲能，利用效率較高的水輪機替代傳統氣體透平釋能，且運行過程中趨于等溫壓縮和等溫膨脹。儲能開始前，由壓縮機或高壓氣瓶向水氣共容腔體充氣至某預定壓力；儲能時，高壓水泵克服水氣共容腔體內外壓差，向共容腔注水，使水位升高從而對儲能容器內高壓氣體壓縮做功，實現抽水儲能；發電時高壓氣體借助水推動水輪發電機組發電[5]。PHCA具有壽命長、無須加熱、具備轉動慣量等優點，但儲能空間的選取可能會受到限制，且其能量效率和技術成熟度較低。

2.1.6 小結

綜上所述，根據并網光伏發電系統應用場景，若地理條件等因素滿足，可適當配置壓縮空氣儲能為系統提供慣量支撐；在調頻應用場景下，可適當配置飛輪儲能技術為系統提供頻率、電壓支撐。

2.2 電磁類儲能

2.2.1 超級電容器

2.2.1.1 雙電層電容器

通過正、負離子在固體電極和電解液之間的表面上分別吸附，造成兩固體電極之間的電勢差，實現能量的存儲[6]。其具有壽命長、功率密度高等優點；但其能量密度較低、自放電率高，應用在并網光伏發電系統時受制于PCS電壓范圍，無法深度充放電。

2.2.1.2 法拉第贗電容器

在電極表面活體相中的二維或三維空間上，電極活性物質進行欠電位沉積，發生高度可逆的化學吸附或氧化還原反應，產生與電極充電電位有關的電容。其具有高比電容、高比容量、高能量密度的優點，但其可逆性和循環性能相對較差，且技術成熟度較低。

2.2.1.3 混合型超級電容器

一極采用傳統的電池電極并通過電化學反應來儲存和轉化能量，另一極則通過雙電層來儲存能量的一種超級電容器，具有雙電層電容器和電池的雙重特征，但功率密度低，產業化正在推進中。

2.2.2 超導磁儲能（SMES）

SMES利用超導線圈將電磁能直接儲存起來，需要時再將電磁能回饋電網或其他負載，并對電網的電壓凹陷、諧波等進行靈活治理，或提供瞬態大功率有功支撐的一種電力設施。其具有響應速度快、效率高、有功和無功輸出可靈活控制等優點，但過高的成本使其可靠性和經濟性受到制約，還未能大規模進入市場[7]。

2.2.3 小結

對于并網光伏發電系統，遇到混合儲能及調頻場景時，可適當采用雙電層電容器及混合型超級電容器為系統提供頻率支撐及平抑波動功能。

2.3 儲熱類儲能

2.3.1 顯熱儲熱

將提取的毒腺、毒管、肌肉組織的DNA樣品，分別取2 μL至1.5 mL離心管中用ddH2O稀釋50倍，使用核酸蛋白分析儀對稀釋后樣品進行測定波長260 nm和280 nm的光吸收值。計算A260/A280的比值，根據比值判斷芋螺DNA樣品的純度，依據A260值計算DNA的濃度。

利用儲熱材料的熱容與溫度變化，以儲熱材料為媒介，將太陽能、光熱、電制熱、工業余熱等熱能儲存起來，在需要的時候釋放熱能。

2.3.2 潛熱儲熱（相變儲熱）

利用儲熱材料相態變化的相變潛熱，以儲熱材料為媒介，將太陽能、光熱、電制熱、工業余熱等熱能儲存起來，在需要的時候釋放熱能。

2.3.3 熱化學儲熱

利用熱化學對（可逆反應、吸附/解吸）的吸/放熱，以儲熱材料為媒介，將太陽能、光熱、電制熱、工業余熱等熱能儲存起來，在需要的時候釋放熱能。

2.3.4 小結

儲熱類儲能可應用于光熱利用場景，在并網光伏發電系統暫無可用場景。

2.4 化學類儲能

化學類儲能主要有電力燃氣電廠、動力液系統、電力化工廠、氫能等。其中，電力燃氣電廠、動力液系統、電力化工廠不適用于新能源發電側應用場景。氫能全產業鏈包含制氫、儲氫、輸氫、用氫等過程，儲能時利用光伏發電電解水制氫將富余電能轉化為氫氣儲存，釋能時通過氫燃料電池將氫能轉化為電能。

2.5 電化學類儲能

2.5.1 鉛酸電池

鉛酸電池主要有普通非密封富液鉛蓄電池、閥控密封鉛酸電池、鉛炭電池等，其技術雖已成熟，但壽命短、易產生環境污染，目前已逐漸被淘汰。

2.5.2 鋰離子電池

2.5.2.1 磷酸鐵鋰

鋰離子通過隔膜在正負極之間移動產生氧化還原反應。其具有技術成熟度高、效率高、可深度充放等優點，但其低溫性能較差、電池一致性較三元鋰略差，安全性又優于三元鋰。

2.5.2.2 三元鋰

三元鋰包括NCM和NCA兩種體系，NCM正極材料由鎳鈷錳組合而成，NCA正極材料由鎳鈷鋁組合而成，負極材料均采用石墨。其具有效率高、可深度充放等優點，但其安全性及經濟性較磷酸鐵鋰稍差。

2.5.2.3 鈦酸鋰

鈦酸鋰（Li4Ti5O12）是一種金屬鋰和低電位過渡金屬鈦的復合氧化物，正極活性物質為三元鋰，負極為鈦酸鋰，電解液是六氟磷酸鋰有機溶液。其具有壽命長、工作溫度范圍寬、安全性高等優點，但其能量密度較低，成本較磷酸鐵鋰略高。

2.5.2.4 固態鋰電池

固態電池是一種使用固體電極和固體電解質的電池，固態鋰電池技術采用鋰、鈉制成的玻璃化合物為傳導物質，取代以往鋰電池的電解液，大大提升了鋰電池的能量密度。目前可量產的均為固液混合電解質電池，全固態電解質電池尚不能量產。

2.5.3 液流電池

2.5.3.1 全釩體系（VRB）

VRB是通過釩離子的價態變化實現化學能到電能的往復轉換，從而實現電能存儲與釋放。

2.5.3.2 鐵鉻體系（Fe-Cr）

Fe-Cr是通過正負極電解質溶液中的活性物質發生可逆的氧化還原反應實現電能和化學能的相互轉化[8]。其具有環境適應性強、壽命長等優點，但其能量密度低、成本較VRB略高。

2.5.3.3 鋅溴體系（Zn/Br2）

Zn/Br2在循環泵的作用下，電解液在儲液罐和電池正負極構成的閉合回路中流動，發生氧化還原反應實現電池的充放電。其具有壽命長等優點，但存在漏液風險且成本偏高。

2.5.3.4 多硫化鈉/溴體系（PSB）

電池充放電時由Na+通過離子交換膜在正負極電解液間的遷移形成通路。多硫化鈉的高溫合成法以及硫化氫合成法工藝復雜，成本高。2.5.4鈉系電池

2.5.4.1 鈉硫電池

鈉硫電池需要在300℃的環境溫度中運行，考慮到電池技術可能存在的高危險性，一般只應用于固定場合。

2.5.4.2 鈉離子電池

鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池完全相同，組成結構與鋰離子也完全相同，主要都包括正極、負極、電解質、隔膜和集流體等，通過氧化還原反應進行充放電。相比于鋰離子電池，鈉離子電池的優勢在于原材料資源豐富，安全性能好等，但能量密度略低于鋰離子電池且發展尚不成熟。

2.5.5 金屬空氣電池

金屬空氣電池中鋅空氣、鋁空氣、鎂空氣電池等以氧為正極、金屬為負極，鋰空氣電池以鋰為正極、氧為負極，通過氧化還原反應進行充放電。金屬空氣電池目前均處于研究階段，未大規模投入使用。

2.5.6 新型電池

隨著儲能技術日新月異的發展，行業內涌現出了一些新型電池儲能技術，如斯坦福大學崔屹教授開發的新型鎳氫氣電池，其具有壽命長、高低溫運行性能好、成本低等優勢，目前處于商業化階段。

2.5.7 小結

鋰離子電池、液流電池可應用于能量搬移、調峰、跟蹤計劃出力、平抑波動、調頻、電壓支撐等場景；尚未規模化發展的，如固態鋰電、鈉離子、新型電池等可應用于新技術戶外實證場景。值得注意的是，2022年6月，國家能源局綜合司發布了《關于征求〈防止電力生產事故的二十五項重點要求（2022年版）（征求意見稿）〉意見的函》，其中提到“中大型電化學儲能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動力電池”[9]。

3 結語

在電力系統從傳統電網向新型電網轉型的過程中，儲能技術將扮演重要角色。本文主要開展了并網光伏發電系統配置儲能技術選型研究，根據各類型儲能技術發展現狀，可應用于并網光伏發電系統的儲能技術選型如表1所示。

表1 光伏發電系統儲能技術初步選型

綜上所述，儲能技術的選型需在滿足相關國家規范要求的前提下，主要考慮儲能技術發展及應用現狀、儲能在并網光伏發電系統的應用場景、技術成熟度、運行可靠性以及儲能制造商的生產規模、行內業績、制造水平等因素。