儲電單元在分布式光伏發(fā)電中的應(yīng)用

白瑋佳，孫 昊

（河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院，河北 保定 071000）

0 引 言

隨著化石能源使用帶來的環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，人類已經(jīng)意識到環(huán)境保護(hù)的重要性。同時(shí)，隨著時(shí)代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，新能源為人類開創(chuàng)了綠色節(jié)能的新時(shí)代，為可持續(xù)發(fā)展提供了新思路，開辟了新領(lǐng)域。

分布式光伏發(fā)電可以有效緩解我國電力短缺的現(xiàn)狀，低碳環(huán)保，獲得了國家的大力支持。隨著新能源的發(fā)展，綠色能源的利用越來越受到重視，其中分布式光伏發(fā)電的發(fā)展?jié)摿Σ豢晒懒俊７植际焦夥l(fā)電系統(tǒng)在快速發(fā)展的過程中暴露出許多亟待解決的問題，為此將重點(diǎn)闡述儲電單元和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合的可行性。

1 分布式光伏發(fā)電的現(xiàn)狀

1.1 國家鼓勵(lì)發(fā)展分布式光伏發(fā)電

近年來，我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速。統(tǒng)計(jì)顯示，2019年全國集中式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量增加1.791×107kW，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量增加1.220×107kW，光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到2.043×108kW。光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)受政策影響很大，對政策的調(diào)整比較敏感。2006年提出的“碳中和”概念，極大地鼓舞了光伏發(fā)電行業(yè)的信心。目前，政策強(qiáng)調(diào)要完善新能源消納和協(xié)調(diào)等具體措施。國家電網(wǎng)公布了最新一批可再生能源電力補(bǔ)貼項(xiàng)目清單，共涉及84個(gè)集中光伏項(xiàng)目，總裝機(jī)容量2.49 GW，覆蓋16個(gè)省份。在光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的后期發(fā)展中，國家陸續(xù)出臺了一些光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)政策的配套文件，以大力發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開電網(wǎng)公司的大力支持，國家電網(wǎng)和中國南方電網(wǎng)陸續(xù)發(fā)布了各種細(xì)則，以保障分布式光伏網(wǎng)絡(luò)的接入。

1.2 存在棄光限電與利用率低的問題

光伏發(fā)電在我國的廣泛推行，隨之出現(xiàn)了相關(guān)經(jīng)濟(jì)問題。光伏發(fā)電成本高，但效益不容樂觀。根據(jù)2015年的數(shù)據(jù)，我國的廢棄光量為4×109kW時(shí)，廢棄光率約為10%。西北地區(qū)的棄光現(xiàn)象相當(dāng)嚴(yán)重，廢棄光量為總發(fā)電量的20%～30%。2016年第一季度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，在我國光伏發(fā)電裝機(jī)容量增加了7.14×1010kW，但全國棄光限電達(dá)到了1.9×109kW·h。由此可見，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)出現(xiàn)了棄光限電問題。

光伏發(fā)電作為一種新的發(fā)電方式，是一種利用半導(dǎo)體界面的光伏效應(yīng)直接將光能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)，可以利用太陽能直接在當(dāng)?shù)匕l(fā)電。目前，最常見的方法是在建筑物的屋頂安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)，并將其并入大型電網(wǎng)，然后將電力傳輸?shù)礁浇陌l(fā)電站。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，由于其設(shè)備占地面積大，同時(shí)發(fā)電情況受天氣、季節(jié)和地域的影響，導(dǎo)致光伏發(fā)電不穩(wěn)定、不連續(xù)和不可控。一天內(nèi)受光照影響明顯，波動(dòng)性強(qiáng)，如果未經(jīng)處理就并入電網(wǎng)，對電網(wǎng)影響很大，最終出現(xiàn)初期投資高但利用率低的問題。

分布式光伏發(fā)電為用戶提供了清潔能源，但對配電網(wǎng)的運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。在目前的使用條件下，電能基本來自電網(wǎng)，通過電網(wǎng)輸送給用戶，由用戶直接使用，經(jīng)過“源-網(wǎng)-荷”三個(gè)環(huán)節(jié)，需要發(fā)電和用電達(dá)到平衡。光伏發(fā)電受太陽能資源的影響，具有間歇性和波動(dòng)性。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)直接并入電網(wǎng)會對配電網(wǎng)造成干擾，產(chǎn)生諧波和孤島效應(yīng)。光伏發(fā)電存在周期性負(fù)荷安全和資源穩(wěn)定的問題，影響電網(wǎng)的正常調(diào)度，威脅著電網(wǎng)的穩(wěn)定和安全。

1.3 目前普遍應(yīng)用的解決方法

1.3.1 抽水蓄能

鑒于光伏發(fā)電不穩(wěn)定的特性，國家利用新能源所產(chǎn)生的電能大多以抽水蓄能的形式存在。抽水蓄能是利用新能源產(chǎn)生的電能將下池水庫的水抽到上池水庫，將產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為重力勢能儲存起來，從而在用電高峰期放出水，產(chǎn)生穩(wěn)定安全的電能輸入電網(wǎng)。國家電網(wǎng)公司計(jì)劃在2020年將抽水蓄能的規(guī)模擴(kuò)大到2 692 kW。抽水蓄能的缺點(diǎn)是浪費(fèi)能源，當(dāng)電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)力勢能時(shí)，會浪費(fèi)25%～30%的能量。此外，在用電高峰期釋放電力勢能時(shí)會產(chǎn)生相應(yīng)的能量損失，大大降低了分布式光伏發(fā)電的利用率。

1.3.2 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能是另一種儲能形式，是指將產(chǎn)生的電能用于壓縮空氣，將壓縮空氣密封在報(bào)廢礦井、海底、儲氣罐以及儲能井中，從而在用電高峰期釋放壓縮的空氣來推動(dòng)機(jī)輪車發(fā)電。這種儲能形式在近幾年發(fā)展較快，但是技術(shù)還需進(jìn)一步提升，無法適用于各種條件下的儲能，且新型壓縮空氣儲能的最高效率為60%，資源浪費(fèi)較為明顯，不能高效利用電能。

2 儲電單元在光伏發(fā)電中應(yīng)用的可行性

隨著新能源的發(fā)展，我國多地陸續(xù)出現(xiàn)了棄光限電的現(xiàn)象。參考德國新能源在光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)，將分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能技術(shù)結(jié)合，將有效緩解棄光限電的問題，同時(shí)提高了發(fā)電效率和電網(wǎng)發(fā)電的靈活性，為研究儲能技術(shù)提供了新思路。

儲電單元的能量密度高，適合大容量儲能。儲電單元的配置可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。由于光伏發(fā)電穩(wěn)定性較差且不可控，可以參考德國儲電技術(shù)在分布式光伏發(fā)電中的應(yīng)用，將儲電單元和分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合起來。

2.1 提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性

天氣和地域因素會對光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生影響。例如：雨天的發(fā)電量只有正常天氣的10%；連續(xù)陰雨或霧天時(shí)，太陽輻射強(qiáng)度低，光伏發(fā)電系統(tǒng)達(dá)不到啟動(dòng)電壓，甚至無法正常啟動(dòng)工作。由于光伏發(fā)電的輸出功率受環(huán)境影響存在較高的隨機(jī)性和間歇性，電力系統(tǒng)會出現(xiàn)三相不平衡的情況，導(dǎo)致電路損耗，影響供電電機(jī)，從而影響整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性。設(shè)置儲電單元是目前最可靠的措施，可以有效解決三相平衡問題。當(dāng)外部自然環(huán)境發(fā)生變化導(dǎo)致光伏發(fā)電設(shè)備輸出的電能無法保持穩(wěn)定時(shí)，儲電單元會釋放或吸收部分電能，從而提高了電網(wǎng)的供電穩(wěn)定性，保證了電路的安全性。

2.2 調(diào)節(jié)電力負(fù)荷——削峰填谷

2019年7月，國家發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于創(chuàng)新和完善促進(jìn)綠色發(fā)展價(jià)格機(jī)制的意見》，提出擴(kuò)大用電峰谷時(shí)段電價(jià)差和浮動(dòng)幅度，引導(dǎo)用戶錯(cuò)峰用電。住宅用戶實(shí)行三級電價(jià)是引導(dǎo)非高峰用電的有效途徑，但對于大城市的商業(yè)區(qū)無疑會增加工商企業(yè)的用電成本。以上海為例，根據(jù)2020年上海最新階梯電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，一檔峰期電價(jià)為0.617元/kW·h，谷期電價(jià)為0.307元/kW·h；二檔峰期電價(jià)為0.677元/kW·h，谷期電價(jià)為0.337元/kW·h；三檔峰期電價(jià)為0.977元/kW·h，谷期電價(jià)為0.487元/kW·h。因此，工商企業(yè)需要規(guī)劃自己的用電時(shí)段來降低用電成本。

利用峰谷電價(jià)引導(dǎo)用戶錯(cuò)峰用電，是為了減小電網(wǎng)的壓力，為電網(wǎng)用電高峰期的高負(fù)荷減輕壓力。削峰填谷要求社會購電合理化，這對電網(wǎng)穩(wěn)定意義重大。將儲電單元應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)來調(diào)節(jié)電力負(fù)荷，是一種削峰填谷的措施。根據(jù)不同用戶的用電量，將電能存儲在儲電單元中，通過能量轉(zhuǎn)移降低電網(wǎng)的峰期負(fù)荷，填補(bǔ)電網(wǎng)的谷期負(fù)荷，即在峰期負(fù)荷高時(shí)儲電單元及時(shí)放電，在谷期負(fù)荷低時(shí)及時(shí)充電，從而保證電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行。儲電單元在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，提高了分布式光伏發(fā)電的自發(fā)自用率和吸收能力，減緩了電網(wǎng)的能量損耗。

隨著建筑中分布式光伏發(fā)電效率和發(fā)電量的提高，建筑會逐漸變成“0”能耗建筑，最后變成負(fù)能耗建筑。負(fù)能耗建筑指在一年內(nèi)產(chǎn)生的能源比建筑消耗的能源多的建筑。由于用電規(guī)律，“晨昏期”負(fù)能耗建筑將進(jìn)一步增大峰谷差，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的正常運(yùn)營，而儲電單元在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用可以解決這個(gè)問題。

合理利用儲電單元可以有效解決峰谷差大的問題，減少負(fù)荷的大幅波動(dòng)，提高設(shè)備利用率。對于電網(wǎng)來說，峰谷差減小，備用機(jī)組數(shù)量減少，可以更好地利用電能。對于用戶側(cè)來說，不需要過多的調(diào)整用電時(shí)間也可以節(jié)約用電成本，降低購電成本。

3 退役動(dòng)力電池作為儲電單元在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用避免了對環(huán)境的危害，但對電網(wǎng)的影響和限制不容忽視。儲能技術(shù)的加入是目前解決光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)最有效的途徑，可以很好地解決并網(wǎng)帶來的波動(dòng)性和隨機(jī)性。然而，市場上的儲能裝置價(jià)格昂貴，限制了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的大規(guī)模推廣和使用。

新能源汽車動(dòng)力電池的退役給解決儲電單元成本高提供了契機(jī)。動(dòng)力電池是指為工具提供動(dòng)力來源的電池，主要用于新能源汽車和電動(dòng)火車等交通工具。由于新能源汽車對動(dòng)力電池的要求較高，因此新能源汽車使用的動(dòng)力電池壽命較短，5～8年后將無法滿足新能源汽車的能耗要求。然而，動(dòng)力電池的自然衰減是電池的一個(gè)特性。退役的動(dòng)力電池的容量衰減到新電池狀態(tài)的80%左右時(shí)，電池可以繼續(xù)進(jìn)行梯次利用。

將退役動(dòng)力電池作為儲電單元應(yīng)用于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，不僅可以緩解分布式光伏發(fā)電對電網(wǎng)的影響，還可以解決儲電單元成本高的問題。此外，我國的動(dòng)力電池回收市場還處于起步階段，市場上積累了大量退役的動(dòng)力電池。隨著新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，退役動(dòng)力電池的數(shù)量還會增加。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，使用退役動(dòng)力電池作為儲電單元具有廣闊的市場發(fā)展空間。

4 結(jié) 論

隨著技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)該通過完善的能源轉(zhuǎn)化系統(tǒng)提高綠色能源的利用效率。儲電單元與分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)合，相比傳統(tǒng)的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的貢獻(xiàn)更大，對電能的利用率更高，對波峰波谷電價(jià)所產(chǎn)生的費(fèi)用更少。目前，國家給予分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的用戶發(fā)電補(bǔ)貼逐漸減少，最終變成“0”補(bǔ)貼。在這種背景下，并入電網(wǎng)將不再是用戶的第一選擇。儲電單元的結(jié)合給了用戶第二個(gè)選擇，自發(fā)自用多余電量并入電網(wǎng)。此外，隨著分布式光伏發(fā)電的發(fā)展，國家可能會出臺一系列對自發(fā)自用多余電量并入電網(wǎng)的補(bǔ)貼政策來助力新能源的發(fā)展，以更好地推廣結(jié)合儲電單元的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。