儲能技術在光伏發電系統中的應用研究

[關鍵詞]光伏發電；儲能技術；應用；優化

引言

新形勢背景下，隨著人們生活質量日漸提高，節能環保意識有了顯著增強，人們對綠色節能環保技術有了更多關注。而太陽能極易獲得，用于發電不會產生污染，是目前新能源技術發展的主要方向之一。但是由于太陽能發電會受到天氣、時間等因素的影響，導致光伏發電缺少穩定性和持續性，因此在光伏發電系統中需要使用儲能技術儲存太陽能，并根據需要釋放并調節電力系統，以滿足應用需求。實際應用中，需要根據光伏發電系統的需求選擇儲能系統，充分發揮儲能系統的中控和調節功能。

一、儲能技術主要類型

（一）蓄電池儲能

蓄電池儲能是最傳統、最常用的儲能技術。利用蓄電池能夠將電能轉變為化學能，并在需要時釋放。在光伏發電系統中，常見的蓄電池為鉛酸電池，可以滿足大量電能儲存的需要，壽命相對比較長，還可以靈活根據需要儲存和釋放電能。蓄電池的優勢還在于成本較低，靈活性高，可以根據需要建立蓄電池組以增加容量。相較于鉛酸蓄電池與鎳氫電池，鋰離子電池無論是工作電壓和轉換效益，還是能量密度，都更高，并且循環使用年限更長。但是鋰離子電池不僅價格高，還存在易燃易爆及污染環境等問題，這大大制約了其使用范圍，只能被應用于新能源電動汽車、便攜電子產品和分布式電站中。全釩液流電池和鈉硫電池是近年來才發展起來的新型儲能電池，雖然價格高，但是容量很大，在電力工業中有非常好的應用前景。

（二）壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能利用電力壓縮空氣，將電能轉化為壓縮空氣的壓力，需要使用時釋放高壓空氣，將高壓空氣中的壓力轉變為電力。該技術是近年來發展出的全新儲能方式，具有響應速度快的特點，可以快速儲存和釋放能量，因此對需求變化的應對能力比較強（原理如圖1所示）。該技術可以利用機械結構對空氣進行壓縮，并將空氣作為儲能介質，使得儲能系統的整體穩定性比較強，有較長的使用壽命。

壓縮空氣儲能系統的問題在于，需要建立地下設施用于儲存高壓壓縮氣體，但這一技術會受到地理條件的限制。對于地基結構不穩定、不利于挖掘的地區，使用該項技術的成本比較高，而且存在較大的困難。在壓縮空氣的過程中，系統的預熱、制冷、壓縮等過程都需要消耗燃料，這不僅會大大增加儲能系統的運營成本，還會影響環境。因此，條件滿足要求、對調峰需求比較高的系統，會優先選擇壓縮空氣儲能系統。

（三）飛輪儲能

飛輪儲能是利用旋轉飛輪儲能的技術，通過將電能轉變為飛輪旋轉，可以在需要使用能量時，將飛輪和發電設備連接，將飛輪動能轉變為電能。一般將飛輪設置在真空環境中，避免和空氣摩擦導致能量損失。飛輪儲能效率較高、穩定性強且響應速度較快。在實際應用中，一般和蓄電池一同使用，以提高儲能系統的能量密度，增加儲能系統調節的靈活性。

（四）超級電容

超級電容是一種基于電化學雙層理論研發的容量超大的電容器。相對其他儲能設備，超級電容具有非常長的壽命，可以快速進行多次充放電，并且可以始終保持比較穩定的狀態。不僅如此，超級電容有著極高的充放電速率，可以在短時間內快速充放電。當電力系統需要高功率輸出時，超級電容有非常好的應用效果。但目前超級電容的問題在于能量密度比較低，空間利用率不足，往往需要較高的投資成本。同時，電能在超級電容中的儲存也會逐漸釋放，容易出現能量流失的問題。

二、儲能技術應用在光伏發電系統中的重要作用

（一）提高光伏發電系統的穩定性

在光伏發電系統中設置儲能裝置，能在高峰期吸收并儲存多余的電能。倘若電力用電需求量增加，儲存電能則能實時釋放，從而最大限度緩解電網運營過程中的負荷壓力。儲能技術除了能大幅提高光伏發電系統的穩定性和安全性，還能避免因為電力用電供應不足導致的經濟損失，確保電力供應始終保持連續和穩定的狀態。

（二）提高光伏發電系統的發電效率

我國西部地區擁有豐富的光能資源，但長期以來由于技術限制和基礎設施不足，這些資源并未得到充分的開發利用，導致光電轉換效率較低。為了充分利用該部分資源，提高光電轉換效率，發電企業應采取有效的措施，其中儲能技術的應用尤為重要。過去，由于諸多原因，西部地區的光伏發電系統并未得到廣泛的推廣和應用，這對太陽能的利用率產生了較大的負面影響。然而，隨著科技的進步和儲能技術的不斷發展，光伏發電系統可以通過有效應用儲能技術，提高該部分資源的利用率。當光伏發電系統因天氣等原因發電容量不足時，儲能技術可以將之前儲存的能量釋放出來并轉化為電能，確保電力系統的穩定運行。在光伏發電系統中使用儲能技術，不僅可以提高光伏發電系統的發電效率，使其在不同天氣條件下都能保持穩定的電力輸出，還可以提高光伏發電系統的經濟效益。

三、儲能技術在光伏發電系統中的應用方法

（一）控制電網電能質量

利用儲能設備能實現對電力輸入和輸出的控制，通過調整電能的儲存和釋放，可以將多余發電儲存起來，便于在電力缺口時使用。建立合理的調節機制，能減少電力系統的波動，避免出現電壓不穩定和頻率偏差等問題，以確保供電質量。目前在控制過程中，光伏發電系統可以利用監測設備確定電力系統的電壓、電流、功率方面的變化，并根據數據確定自身儲能系統的控制策略，確保系統電壓的穩定性。

（二）電力調峰

用電行為明顯的波動性和時段差異性帶來的用電量的巨大變化會對電力系統帶來較大的沖擊，可能會導致電力輸配設備的損壞。將光伏發電得到的電能儲存在儲能設備中，并在電力調峰中使用，可以充分發揮光伏發電系統的作用，并確保電力系統的穩定。在光伏發電并網時，就可以設置儲能設備，結合當地的工業結構、用電需求、人口分布狀況、用電規模等因素，再結合用電需求的波動設置儲能設備，在需要調峰時釋放儲能設備中的電能，滿足供電需求。

四、某光伏發電系統對儲能技術的選擇案例

（一）項目概況

某清潔能源公司建立了10萬千瓦的光伏電站，為了確保對電力的有效使用，需要設置儲能系統儲存電能，保證光伏發電系統的電能得到儲存，并且用于電力供應、調峰等工作。

（二）儲能技術選擇分析

（1）儲能技術需求

目前儲能技術呈現出多元化和復雜化的特點。各類儲能技術不斷改進，擁有不同的優勢和特點。本工程屬于大規模集中式光伏發電，儲能系統設置的目標在于提高光伏發電的消納率，抑制短時間內的電力波動，并解決跨區供需矛盾。根據國家規定，光伏的消納比應控制在5% -10%，為此需要使用儲能技術削峰填谷，提示消納水平。其次，本項目光伏系統在1分鐘內的上下波動不能超過裝機總容量的10%，因此需要通過設置儲能系統，避免功率變化過大。

（2）儲能技術配置模擬優化

結合成本、實際應用狀況、技術成熟度等多方面因素，本項目使用磷酸鐵鋰電池作為儲能設備，并根據有關數據進行參數的設置和模擬，分析最合理的配置模式。表1是模擬系統的具體設定。

通過模擬研究得到了電站典型日出力曲線。如圖2所示，可以發現，電站的功率受到日照的影響比較多。每天的中午時段由于陽光更加充足，因此發電功率也更高。通過對不同參數下儲能系統應用效果的分析，在本項目10萬千瓦的配置下，線路容量比為0．5、棄光率為5%、日配容量為24，000 kW可以獲得最優配置。

（三）能量管理系統設計

為了發揮儲能設備的作用，光伏電站需要設置能量管理系統來控制儲能系統的能量儲存和釋放，以此保證電力系統的高效、穩定、可靠，并最大化利用可再生能源。本項目將能量管理系統設置為三個層級，包括物理層、設備控制層、系統控制層，每個層級承擔著不同的功能。

通過三級調度和優化，可以完成對電力系統內設備的信息匯總，以避免出現信息孤島，還可以進一步強化不同層級之間的協調關系，實現高效的能量調度和最優化控制，確保系統的運營效率和可靠性。在控制過程中，控制系統需要同時考慮單支路的阻抗特征和多支路協調的阻抗特性，以確保在瞬時狀態下可以進行多支路系統的控制。通過模擬，系統的恒負載功率支路等效功率為3 kW。對0.5、2、3 kW三個梯度進行分析，發現功率負載中等效電容、等效阻抗處于低阻尼LC環節時，電源和儲能裝置會產生相互作用，造成負載的穩定裕度降低。因此，系統在控制過程中需要避免恒功率負載過大導致穩定裕度下降。

（四）系統安全設計

（1）結構消防安全設計

在進行結構消防安全設計時，系統需要使用優質磷酸鐵鋰電池，并在電池模組之間設置足夠的電芯間距，在保證散熱效果的同時，滿足防火隔離的需要。不僅如此，電池簇需要保證防火間隔距離，并做好防坍塌設計。另外，電池組周圍應做好防護，避免出現短路、高溫高壓、沖撞或碾壓等問題。

（2）電氣設備安全設計

在進行電氣設備安全設計時，可以使用阻燃電纜完成電力系統內電氣設備的連接。且為了滿足冗余需求，設計時要根據需要對電器保護設備進行選型，以進一步提高儲能系統的承受能力。此外，電器保護設備在選型時需要檢查和驗證其性能，檢查質量和可靠性，結合環境進行選型。

結語

在光伏發電系統的應用中，儲能技術的應用至關重要。為滿足社會發展的客觀需求，發電企業應緊跟時代步伐，結合實際需求積極采用前沿的互聯網處理技術，以實現對儲能技術使用過程中關鍵因素的有效管理。這不僅有助于規避外界風險帶來的潛在影響，還有助于提高發電企業在儲能技術應用和管理上的水平。通過制定科學性和可行性的獎懲機制，光伏發電產業能夠構建一套完善的專業人才資源管理體系，搭建因地制宜、統籌規劃的方案，以確保光伏發電操作系統在安全性、可靠性、穩定性方面均達到最高標準，進而為國民經濟的持續快速增長和社會的和諧健康發展提供強有力的支撐。