儲(chǔ)能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

張 帥

（遼寧太陽(yáng)能研究應(yīng)用有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000）

0 引 言

太陽(yáng)能是一種分布廣泛、取之不盡、用之不竭的可再生能源。光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的一種方式，在過(guò)去的幾年里迅猛發(fā)展。光伏電源不同于傳統(tǒng)電源，它的輸出功率隨光照強(qiáng)度、溫度等環(huán)境因素的改變而劇烈變化。因此，光伏發(fā)電若要取代傳統(tǒng)能源實(shí)現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊影響不可忽視[1]。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占比例的不斷增大，它對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響必須得到有效治理，以保證供電的安全可靠性[2]。

1 光伏并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成

光伏并網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)包含四部分：光伏陣列、最大功率點(diǎn)跟蹤裝置、儲(chǔ)能系統(tǒng)和并網(wǎng)逆變器。光伏陣列是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，是光伏組件根據(jù)系統(tǒng)電壓、電流的需要，經(jīng)過(guò)串并聯(lián)安裝在支架上構(gòu)成。光伏陣列是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換單元。光伏電池陣列具有強(qiáng)烈的非線性特性，輸出直接受光照、溫度以及負(fù)載等因素的影響，最大功率點(diǎn)跟蹤控制可以保證在當(dāng)時(shí)的自然條件下獲得最大的功率輸出，從而充分利用光伏能源[3]。儲(chǔ)能系統(tǒng)起著調(diào)節(jié)、控制作用，在光照良好、發(fā)電充足時(shí)儲(chǔ)存部分電能，需要時(shí)釋放這部分電能，起到穩(wěn)定光伏電源輸出和調(diào)節(jié)供用電平衡的作用。并網(wǎng)逆變器和變壓器作用是將光伏陣列發(fā)出的電壓較低的直流電轉(zhuǎn)化為電壓等級(jí)適合的交流電，從而為光伏并網(wǎng)發(fā)電提供必備條件。

2 無(wú)儲(chǔ)能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響

目前，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模相對(duì)于電網(wǎng)規(guī)模較小，也由于儲(chǔ)能系統(tǒng)成本較高，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通常不采用儲(chǔ)能系統(tǒng)，使得光伏系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)了一些不良影響。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和光伏電源在系統(tǒng)中所占比例的不斷增加，這些影響變得不可忽視[4]。光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響主要是由于光伏電源的不穩(wěn)定性造成的，從電網(wǎng)安全、穩(wěn)定以及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度分析，不加儲(chǔ)能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)造成的影響主要有以下幾點(diǎn)。

2.1 對(duì)線路潮流的影響

未接入光伏系統(tǒng)時(shí)，電網(wǎng)支路潮流一般單向流動(dòng)，且對(duì)配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)隨著距變電站的距離增加，有功潮流單調(diào)減少。然而，當(dāng)光伏電源接入電網(wǎng)后，從根本上改變了系統(tǒng)潮流的模式，且潮流變得無(wú)法預(yù)測(cè)，同時(shí)也可能造成支路潮流越限、節(jié)點(diǎn)電壓越限等，影響系統(tǒng)的供電可靠性。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電，降低了機(jī)組利用小時(shí)數(shù)，犧牲了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。

2.2 對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的影響

當(dāng)光照良好、光伏并網(wǎng)電站輸出功率較大時(shí)，短路電流將會(huì)增大，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)配合失誤，而過(guò)大的短路電流還會(huì)影響熔斷器的正常工作。此外，對(duì)于配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，未接入光伏系統(tǒng)前，支路潮流一般是單向的，其保護(hù)不具有方向性。而接入光伏發(fā)電系統(tǒng)后，該配電網(wǎng)變成了多源網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)潮流的流向具有不確定性。因此，必須要求增設(shè)具有方向性的保護(hù)裝置。

2.3 對(duì)電能質(zhì)量的影響

受云層遮擋的影響，光伏電源的發(fā)出功率可能在短時(shí)間內(nèi)從100%降到30%以下，或由30%以下增至100%。對(duì)于大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這會(huì)引起電壓波動(dòng)與閃變或頻率波動(dòng)。此外，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)出的電能為直流電，必須經(jīng)過(guò)逆變裝置接入電網(wǎng)，而這一過(guò)程必將產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)造成影響。

2.4 對(duì)運(yùn)行調(diào)度的影響

光伏電源的輸出功率直接受天氣變化影響而不可控制，因此光伏電源的可調(diào)度性也受到制約。當(dāng)某個(gè)系統(tǒng)中光伏電源占到一定比例后，電網(wǎng)運(yùn)行商應(yīng)認(rèn)真考慮如何安全可靠地進(jìn)行電力調(diào)度。另外，光伏電價(jià)與常規(guī)電價(jià)存在差異，如何在滿足各種安全約束的條件下對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性調(diào)度，也是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。

3 儲(chǔ)能在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的應(yīng)用

解決光伏并網(wǎng)電站對(duì)電網(wǎng)的影響，提高光伏電站并網(wǎng)容量，有兩種措施：一是從電網(wǎng)角度，提高電網(wǎng)靈活性，建設(shè)智能電網(wǎng)；二是從用戶角度，為光伏電站配置儲(chǔ)能裝置[5]。

3.1 電網(wǎng)角度的應(yīng)用技術(shù)

3.1.1 電力調(diào)峰

調(diào)峰的目的是盡量減少大功率負(fù)荷在峰電時(shí)段對(duì)電能的集中需求，以減少電網(wǎng)的負(fù)荷壓力。光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)可根據(jù)需要，在負(fù)荷低谷時(shí)儲(chǔ)存光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能，然后在負(fù)荷高峰時(shí)再釋放這部分電能為負(fù)荷供電，從而提高電網(wǎng)的功率峰值輸出能力和供電可靠性。

3.1.2 電網(wǎng)電能質(zhì)量控制

儲(chǔ)能系統(tǒng)投入并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中后，可改善光伏電源的供電特性，使供電更加穩(wěn)定。因此，通過(guò)合適的逆變控制策略，光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能質(zhì)量的控制，包括穩(wěn)定電壓、調(diào)整相角以及有源濾波等。

3.1.3 微電網(wǎng)

微電網(wǎng)并網(wǎng)是未來(lái)輸配電系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向，可以顯著提高供電可靠性。當(dāng)微電網(wǎng)與系統(tǒng)分離時(shí)，即微電網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式時(shí)，微電網(wǎng)電源將獨(dú)立承擔(dān)負(fù)荷的供電任務(wù)。此時(shí)，在光伏電源構(gòu)成的微電網(wǎng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)將是為負(fù)載提供安全穩(wěn)定供電的重要保證。

3.2 用戶角度的應(yīng)用技術(shù)

3.2.1 負(fù)荷轉(zhuǎn)移

許多負(fù)荷高峰并不是發(fā)生在光伏系統(tǒng)發(fā)電充足的白天，而是發(fā)生在光伏發(fā)電高峰期后。儲(chǔ)能系統(tǒng)可在負(fù)荷低谷時(shí)將光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái)而不是完全送入電網(wǎng)，待到負(fù)荷高峰時(shí)再使用。這樣儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)配合使用，可以減少用戶在高峰時(shí)的市電需求，使用戶獲得更大的經(jīng)濟(jì)利益。

3.2.2 負(fù)荷響應(yīng)

為保證負(fù)荷高峰時(shí)電網(wǎng)可以安全可靠運(yùn)行，電網(wǎng)會(huì)選定一些高功率的負(fù)荷進(jìn)行控制，使它們?cè)谪?fù)荷高峰期時(shí)交替工作。當(dāng)這些電力用戶配置光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)后，則可以避免負(fù)荷響應(yīng)策略對(duì)上述高功率設(shè)備正常運(yùn)行帶來(lái)的影響。負(fù)荷響應(yīng)控制系統(tǒng)需要光伏儲(chǔ)能電站和電網(wǎng)之間至少有一條通信線路。

3.2.3 斷電保護(hù)

光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)一個(gè)重要的好處是可以為用戶提供斷電保護(hù)，即在用戶無(wú)法得到正常市電供應(yīng)時(shí)，可以由光伏系統(tǒng)提供給用戶所需的電能。

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展需求

目前，常用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能裝置是蓄電池，但是蓄電池的循環(huán)壽命短、功率密度低、充放電要求嚴(yán)格、價(jià)格較昂貴，限制了它在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的大規(guī)模應(yīng)用。為了實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的廣泛應(yīng)用，提高光伏并網(wǎng)性能，儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展需要從儲(chǔ)能技術(shù)和控制技術(shù)兩個(gè)方向考慮。

4.1 儲(chǔ)能技術(shù)

用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的儲(chǔ)能裝置往往工作環(huán)境比較惡劣，且受光伏發(fā)電輸出不穩(wěn)定影響，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電條件也較差，有時(shí)需要頻繁充放電小循環(huán)。針對(duì)于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)和儲(chǔ)能裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)在以下幾個(gè)方面做出發(fā)展和改進(jìn)：加大能量密度和功率密度，延長(zhǎng)儲(chǔ)能裝置的循環(huán)壽命，增加充放電速度，在更寬泛的環(huán)境下保證安全可靠運(yùn)行，降低成本。

4.2 控制技術(shù)

為了使儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)的使用壽命、最大的能量輸出以及最優(yōu)的使用效率，需要針對(duì)儲(chǔ)能裝置的特點(diǎn)，設(shè)置適合該種儲(chǔ)能裝置的充放電策略。例如，傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池需要一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間、低電流的充電條件，以避免在電池鉛版上形成結(jié)晶。如果充電電流過(guò)大，會(huì)降低電池的儲(chǔ)電能力，并縮短電池壽命。光伏電池作為儲(chǔ)能裝置的充電電源，難以保證一個(gè)良好的充電條件。因此，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的儲(chǔ)能裝置控制管理系統(tǒng)，對(duì)解決儲(chǔ)能裝置的合理充放電問(wèn)題尤為重要。

5 結(jié) 論

儲(chǔ)能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，為解決光伏發(fā)電對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的不良影響提供了可行性方案。它的應(yīng)用無(wú)論是在用戶側(cè)還是在電網(wǎng)側(cè)，都將帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。因此，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用將成為今后的一個(gè)重要研究方向。