光伏并網發電系統中的儲能技術研究

北京夏初科技集團有限公司 王 菲

結合國家統計局公布的相關數據，截至2023年9月，我國光伏發電新增并網容量已突破1.28936億kW，集中式光伏電站占據約47.93%；分布式光伏發電站占比52.07%。為順應時代發展趨勢，某公司將改革中心放于光伏并網發電系統儲能項目上，采用對比分析法進行儲能選型研究，以期滿足公司創新發展需求。

1 光伏并網發電系統中儲能技術應用場景

1.1 停電應急

某公司運行的光伏并網發電系統，主要包括變壓器、計量器、電纜、保護裝置、逆變器以及光伏電池組件等結構。之所以需要對比分析多項儲能技術應用效果，實則為了滿足某公司光伏發電能量儲備不同需求。其中，較為主要的是某公司在光伏發電項目中，往日曾因系統故障引起斷電后果，造成用戶滿意度下降。

為給某公司備用電源給予儲能保障，實現全天候穩定發電，及時在系統故障情況下轉而啟動備用電源，實現儲備能量的有效供應，具體結合下列公式了解公司光伏組件發電情況，繼而確定儲能技術應用需求。即：q=Iaσγ，式中：q表示光伏并網發電系統中光伏組件日發電量（Ah）；I、a、σ、γ分別表示峰值工作電流（A）、峰值日照時數（h）、斜面修正系數與衰減損耗系數。

1.2 調峰平峰

某公司運行光伏并網發電系統期間，受雨天、光照強度等外在因素影響發電量，導致不同氣候下容易出現供電不穩現象。尤其在連雨天里，需及時利用儲能技術補充電能。假設以蓄電池作為儲能載體，其補充容量（q補）可以結合下列公式進行分析，表明之所以要應用儲能技術，是為了借助調峰平峰作用增強發電穩定性。

式中：φ、q負載、H分別指代安全系數、負載日平均耗電量（Ah）、最大連雨天數（d）；P負載、V負載、H’表示負載功率（W）、負載工作電壓（V）、每日工作小時數（h）。發電系統運行期間常將天氣好時多余發電量儲備在儲能裝置內，以備惡劣天氣下保持峰谷平穩，應對發電系統與發電負荷不均衡風險。

1.3 電網支撐

某公司應用儲能技術時，除了在上述兩個應用場景內有明確需求外，還期待依靠儲能技術產生電網頻率支撐效果，以此最大化保護電力設備運行安全。根據往日調查發現在電網頻率波動明顯情況下，容易誘發電力設備損毀狀況，無形中加大廠內設備維修成本。若能及時運用儲能技術，將在充放電流量靈活調節下保持電網頻率持穩，即高頻率下高效儲能，繼而在調頻作用下始終將電網頻率控制在50Hz左右[1]。

2 光伏并網發電系統中儲能技術關鍵點

從上述研究中確定儲能技術在多場景中均有適用性，因而某公司主要圍繞常見的三種儲能技術類型展開對比分析，并從中找到更合乎生產規模和運行條件的儲能技術，以便從儲能技術研究分析中積攢實踐經驗。

2.1 機械儲能技術

2.1.1 抽水蓄能

抽水蓄能技術實則是指利用水庫水資源地勢差異儲備多余電能，多在電廠周邊建設抽水蓄電站，此項技術基本上能有40年到60年的儲能壽命，其循環效率最高可達到85%，容量為500MWh至8000MWh，屬于一項成熟度較高的儲能技術。根據統計全國范圍內抽水蓄能站數量，2023年共有239個，其儲能容量大概為8.23億kW，截至2022年年末已成功完成4579萬kW裝機任務，總投資額已超過1萬億元，且至少有90%的抽水蓄電站由中國電建負責建設和設計事項。

雖然此項儲能技術確有可行性，但在實際分析中發現在某公司周邊修建抽水蓄電站的可能性較小，而且尚不具備抽水蓄能條件，同時從抽水蓄能技術應用后引發的電價變化結果，根據下述公式確定該技術投入成本略高于儲能技術預算標準：W=a+b+c+d+e，式中：W代表抽水蓄能技術應用后工商戶用電價格（元/kW）；a、b、c、d、e代表上網電價、線損費用、輸配電價、系統運行費用、政府性基金及附加費用。而在《關于抽水蓄電站容量電價及有關事項的通知533號（2023）》規定中，預計2025年電價加權平均值在565.2元/kW左右，到2030年抽水蓄能站裝機規模將超過1.67億kW，全國范圍內光伏發電站預估運行費用在1002億元左右，此時將加劇電廠經濟負擔。據此，依據相關在試驗研究中暫時不考慮應用該技術儲備多余電能。

2.1.2 壓縮空氣儲能

在某公司選擇機械儲能技術期間，嘗試依靠電動空氣壓縮裝置儲備多余電能，隨即在壓縮空氣輔助下促進汽輪機正常發電，在機械能與電能轉換中實現有效儲能。針對此項技術應購進空氣壓縮裝置、發電機、離合器等設備，同時需增設燃燒室，購買燃料。

考慮到在嘗試應用壓縮空氣儲能技術期間，引發了嚴重的環境污染后果，違背了綠色發展理念，所以為消除此項技術環境污染風險，從百兆瓦先進壓縮空氣示范項目中汲取經驗確立改進思路，預計在百兆瓦先進壓縮空氣儲能裝備助力下，能夠達到1.32億kW的年發電量，其標準煤節省數量為4.2萬t，碳排放量減少10.9萬t。

另外，某公司在研究該技術時，發現100倍大氣壓壓縮空氣，1m3對應12.9kWh電能；200倍大氣壓下1m3壓縮空氣對應28.3kWh電能。若從20℃增至300℃，此時壓縮空氣儲備電量可達到54.4kWh，并且對某公司嘗試應用空氣壓縮儲能技術期間，預測初期裝載相關設備可能需要1200元/kWh，運行維護費用在0.15元到0.25元/kWh以內，然而雖然此項技術有一定開發價值，但因其效率在70%左右，且響應時間最長為9min，故而對中小型生產規模仍有不足，根據試運行后系統效率分析，未實現高效儲能目的。

2.1.3 飛輪儲能

飛輪儲能技術同樣是在飛輪機輔助下進行有效儲能，以電動機驅動作用，促使飛輪機飛輪保持旋轉狀態，隨即通過電磁感應儲能，其飛輪轉動能量（Q動）與轉速（v）有一定關聯。即：Q動=0.5mv，式中：m代表飛輪質量（kg），轉速越快動能越大。此項技術屬于一項環保性強且儲能效率較高的儲能技術。經過研究發現，此項技術在中小型光伏發電站中未實現全面推廣，更多用于風力發電站中。因此，經分析某公司難以利用該技術獲得儲能服務。

2.2 電磁儲能技術

2.2.1 超級電容器

某公司光伏并網發電系統儲能技術對比分析試驗中，還提出以超級電容器作為儲能裝置，根據了解：此項技術充放電次數至少為10萬，且具備可逆性儲能特征。將傳統儲能裝置與超級電容器進行比較，顯然超級電容器可獲得10%到20%的內阻變化幅值，功率密度在100至1萬W/kg以內。而且超級電容器在惡劣條件下仍舊適用，在-40℃到+80℃高低溫條件下，均能保持良好儲能狀態，并且基本無需額外維護。在其儲能作業中結合下列公式能明確儲能電量（Q）和充放電變化規律：，式中：C表示超級電容器電容量（F）；V為電壓（V）；I為充電電流（A）；t為充電時間（s）；R為電阻（Ω）。充電時間越長，儲備的電能越多。由此表示在提高環保水平時，可以考慮以超級電容器充當儲能裝置。

2.2.2 超導磁儲能

超導磁儲能技術的設想最早出現在1969年，由學者Ferrier提出，而目前中國科學院電工研究所等機構可以提供技術支持，于2011年首次在10.5kV超導變電站內配備1MJ/0.5MWA高溫超導磁儲能裝置。實際應用階段，需要先行采集儲能信號，隨即在變壓器、控制器、變流器、磁體保護系統、超導磁體作用下進行儲能。雖然經過分析確定此項技術確有高效率優勢，但在投入成本和運行條件（持續低溫環境）部分仍有局限性。經過嘗試應用多種儲能技術，可從中歸納出技術優勢，表1兼顧某公司生產條件優選超級電容器。而對于適用性較強且廣泛應用的電化學儲能技術，也在某公司內作為備選儲能技術展開深度研究。

表1 某公司不同儲能技術方案試運行分析結果

2.3 電化學儲能技術

2.3.1 鉛酸儲能

電化學儲能技術因其易于操作，更易滿足某公司迫切儲能需求。其中，鉛酸儲能技術主要是在光伏并網發電系統運行中安裝鉛酸蓄電池，結合下列公式可知曉儲能效果：Q電=I電h，式中：Q電代表鉛酸蓄電池儲備能量（Ah）；I電為鉛酸蓄電池電流（A）；h為儲能時間（h）。

某公司在嘗試使用鉛酸蓄電池儲備多余電能時，發現雖然該項技術采購成本低，但源于電池槽內無極板配件，且充盈著大量硫酸電解液，造成使用期間很容易出現故障，整體維護成本較高。在對試運行中配備的鉛酸電池損壞原因進行分析后，確定多與運行環境有關。即廠內安裝鉛酸蓄電池期間，放電后溫度未保持在-15℃到50℃以內，充電后溫度未合理控制在40℃以內，儲能中溫度也低于-15℃，由此表明在高溫或低溫條件下，都會加劇損壞風險。一般最佳溫度應為10℃至35℃，增溫1℃將增加5個循環次數，若將其置于50℃高溫環境下，將縮短使用壽命。

考慮到某公司在環境溫度控制上仍未達到鉛酸蓄電池運行標準，所以此項技術也缺乏可行性。為進一步摸索電化學儲能技術的實踐價值，還提出在廠內以鋰離子電池替代鉛酸蓄電池進行儲能作業。

2.3.2 鋰離子電池

鋰離子電池具體以氧化鋰鈷和石墨充當正負極材料，充電時鋰離子脫離，使三價碳氧化為四價碳，之后到達石墨負極后提供電子。鋰離子電池不僅具備儲能功能，而且還能直觀顯示儲能狀態，繼而根據電池剩余容量占比（SOC）判斷某公司儲能容量：SOC=Qc/Ci，式中：Qc、Ci各自指代鋰離子電池剩余容量（Ah）、恒定電流放電時電池容量（Ah）。

在判斷鋰離子電池是否可作為優選儲能技術時，某公司整合了鉛酸蓄電池和鋰離子電池分析結果，見表2，確認此項技術具備循環壽命長、運行效率高特征。另外，為落實該技術，還提出了明確的技術管理規定：電池電壓誤差＜±30mV；SOC指標診斷精度在5%左右；電池健康狀態診斷精度在8%左右；配備散熱和監控裝置，預計引進電池管理系統對鋰離子電池蓄能效果展開全方位監督。經由上述對兩種電化學儲能技術的綜合分析，明顯鋰離子電池值得作為高效儲能技術進行廠內推廣[2]。

表2 電化學儲能技術對比分析

某公司在光伏并網發電系統運行儲能階段，主要圍繞機械儲能、電磁儲能和電化學儲能技術展開研究，并從中判斷不同儲能技術的適用范圍，隨即考慮到某公司屬于中小型發電站，主要有備用電源儲能需求和環保要求，故可以選擇超級電容器進行儲能，又或是選用應用廣泛的鋰離子電池，將其作為后備電源儲能載體，進而促使在可靠的儲能技術保障下有效改進電力服務質量。