光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用分析

中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)華中電力試驗(yàn)研究院 周 旺

相比傳統(tǒng)電源而言，光伏發(fā)電輸出功率不可控，光照強(qiáng)度以及溫度等環(huán)境條件的變化會(huì)帶給其不可估量的影響。作為電力系統(tǒng)中新型技術(shù)之一的儲(chǔ)能技術(shù)，在科學(xué)可行的控制方法與儲(chǔ)能方式的運(yùn)用下，能夠妥善化解光伏系統(tǒng)隨機(jī)不可控問題，降低光伏發(fā)電出力變化帶給電網(wǎng)的影響。

1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特征

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)由光伏陣列、儲(chǔ)能系統(tǒng)、MPPT裝置、并網(wǎng)變壓器與逆變器五部分組成。作為光伏并網(wǎng)系統(tǒng)基本環(huán)節(jié)之一的光伏陣列，是由光伏組件參照系統(tǒng)電壓、電流的基礎(chǔ)上，結(jié)合串并聯(lián)方式在支架上安裝后構(gòu)成的。光伏陣列能對(duì)太陽能進(jìn)行轉(zhuǎn)化并獲得電能，屬于能量轉(zhuǎn)換單元，其非線性特性相當(dāng)強(qiáng)烈，負(fù)載、光照及溫度等是影響其輸出的主要因素。儲(chǔ)能系統(tǒng)具備控制與調(diào)節(jié)的功用，在發(fā)電充足、光照良好的條件下儲(chǔ)存部分電能并在有需求的時(shí)候釋放，能確保光伏電源的穩(wěn)定輸出，且支持供用電平衡的調(diào)節(jié)[1]。MPPT裝置能在自然條件下保證功率輸出達(dá)到最大，實(shí)現(xiàn)光伏能源的充分利用。并網(wǎng)變壓器與逆變器主要作用體現(xiàn)在光伏陣列輸出電壓的轉(zhuǎn)化，通過對(duì)較低直流電的轉(zhuǎn)化獲取電壓等級(jí)適宜的交流電，從而滿足光伏并網(wǎng)發(fā)電的需要。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)特征：光照及溫度等環(huán)節(jié)因素會(huì)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出構(gòu)成影響，輸出功率起伏較大，尤其在天氣多變時(shí)發(fā)電功率不可控性及隨機(jī)性相對(duì)明顯；系統(tǒng)造價(jià)偏高，要想最大化利用太陽能資源，最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要，并要做到光伏電能吸收利用的最大化；為促進(jìn)太陽能利用效率的提高，該系統(tǒng)通常會(huì)維持同相的并網(wǎng)電流和電壓，換言之該系統(tǒng)的主要作用體現(xiàn)在提供有功功率方面。

2 儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展

2.1 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)存放功率表示形態(tài)不一的蓄電池。據(jù)蓄電池中不同化學(xué)品種使用要求的差異可細(xì)分為液流電池、壓縮空氣儲(chǔ)能電池、鎳氫電池、鋰離子電池、鈉硫電池及鉛酸電池等[2]。其中，鉛酸電池在現(xiàn)階段市場(chǎng)中屬于最為廣泛應(yīng)用的一種儲(chǔ)能方法，其造價(jià)低廉、能耗及密度較低，在中小型分布式電源系統(tǒng)、小型風(fēng)電及光伏發(fā)電中的研究應(yīng)用取得矚目的成果。

2.2 電磁儲(chǔ)能

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能。是在超導(dǎo)線圈的運(yùn)用下轉(zhuǎn)變電能為磁場(chǎng)能后并儲(chǔ)存，當(dāng)涉及相關(guān)的需要時(shí)轉(zhuǎn)變能量為電能后向系統(tǒng)送回。此類儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)包含長(zhǎng)時(shí)間無損儲(chǔ)能、能量釋放速度快、易于調(diào)整系統(tǒng)頻率、電壓、無功和有功。在接入大規(guī)模光伏電源后引起的功率波動(dòng)問題方面，超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)能發(fā)揮有效的抑制作用；超級(jí)電容儲(chǔ)能。以電化學(xué)雙電層理論為核心，是一種極具特殊性的電容，匯集了普通電容與蓄電池的優(yōu)點(diǎn)，支持強(qiáng)大脈沖功率的提供。此類儲(chǔ)能比功率能達(dá)到10kW/kg，相比一般蓄電池比功率的數(shù)百W/kg而言明顯優(yōu)勢(shì)更大。由于超級(jí)電容不具備較高比能量比，因此難以持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間的高功率。

表1 不同儲(chǔ)能技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用現(xiàn)狀

2.3 機(jī)械儲(chǔ)能

抽水蓄能。其原理是以下游水庫儲(chǔ)水量為對(duì)象，在運(yùn)用剩余電量的前提下抽水并存放至上游水庫，當(dāng)后續(xù)出現(xiàn)最大負(fù)荷值時(shí)能排放水源至下游水庫，并在該過程中實(shí)現(xiàn)發(fā)電的目標(biāo)。此類電站工作效率多為71%~86%，響應(yīng)頻率多以十余秒至幾分鐘為主，光伏項(xiàng)目如果發(fā)電功率波動(dòng)偏大或涉及頻繁發(fā)電的需求，此類系統(tǒng)并不適用；液化空氣貯藏儲(chǔ)能系統(tǒng)。是在高度富余電能帶動(dòng)的電動(dòng)機(jī)或液體的運(yùn)用下壓縮、冷卻并液化處理空氣后儲(chǔ)存至低溫儲(chǔ)槽內(nèi)，電能耗量在液化轉(zhuǎn)化過程中會(huì)成為低溫冷能。后續(xù)涉及發(fā)電的需要時(shí)，以熱交換器氣化及氣化換熱器為目標(biāo)，引出儲(chǔ)槽內(nèi)液態(tài)空氣并加壓、轉(zhuǎn)移，加熱溫度至一定程度后在膨脹機(jī)注入高壓氣體并做功，此時(shí)發(fā)電機(jī)即可進(jìn)行發(fā)電。

2.4 相變儲(chǔ)熱技術(shù)

此類技術(shù)是以材料相變潛熱為基礎(chǔ)存儲(chǔ)利用能量，在空間、強(qiáng)度及時(shí)間方面能量供求雙方不匹配問題的緩解方面發(fā)揮著不可忽視的作用。能否發(fā)生相變過程很大程度上取決于溫度，正是由于該特點(diǎn)的存在，其在熱量?jī)?chǔ)存及溫度控制等領(lǐng)域中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛。放熱與吸熱中的相變儲(chǔ)熱材料僅會(huì)表現(xiàn)出較小的溫度波動(dòng)，控制管理簡(jiǎn)便，加之裝置結(jié)構(gòu)緊湊和蓄熱密度高等優(yōu)勢(shì)，受關(guān)注程度相對(duì)較高。

以工作中材料相態(tài)轉(zhuǎn)變形式為根據(jù)，相變材料主要由四類組成，分別為液-氣、固-液、固-固、固-氣。其中，相變過程中的液-氣、固-氣液材料呈現(xiàn)出較大的體積變化問題，固-固材料則有嚴(yán)重塑晶現(xiàn)象及相變潛熱不高等缺陷。固-液材料體積變化偏小且轉(zhuǎn)變熱焓大，能夠合理管控過程，故而其應(yīng)用研究相對(duì)更廣泛。以工作溫度范圍為根據(jù)來看，相變材料由中高溫與低溫兩大類組成。中高溫一類代表有合金、無機(jī)鹽等，低溫一類代表有無機(jī)水合鹽及脂肪酸、石蠟等有機(jī)物。

2.5 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的影響

一是影響系統(tǒng)保護(hù)。光伏電站輸出中，其功率大小很大程度上取決于光照強(qiáng)度，加強(qiáng)光照能夠增加短路電流及輸出功率，此時(shí)會(huì)引起過大的局部電流，當(dāng)出現(xiàn)短路等情況時(shí)可能引起熔斷器熔斷，從而導(dǎo)致正常工作受阻。同時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)中完成配電系統(tǒng)的接入前，支路潮流多以單向現(xiàn)象為主，且保護(hù)方向性不存在，而當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中完成供電網(wǎng)絡(luò)的接入后，配電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為多源電網(wǎng)，大幅提升網(wǎng)絡(luò)潮流方向不確定性[3]。所以，該系統(tǒng)中有必要落實(shí)具備方向性的保護(hù)裝置的配置。

二是對(duì)線路潮流的影響。電力系統(tǒng)中接入光伏電源后，不可預(yù)測(cè)出力。功率變化進(jìn)一步加大電壓調(diào)節(jié)難度，時(shí)常會(huì)有異常情況出現(xiàn)在電壓調(diào)節(jié)裝置中，節(jié)點(diǎn)電壓或變?nèi)萜魅萘砍霈F(xiàn)超限的情況，對(duì)供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行構(gòu)成劇烈影響。同時(shí)，隨機(jī)不可控的潮流或多或少都會(huì)影響電廠發(fā)電規(guī)劃。

三是對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的影響。光伏電源不具備穩(wěn)定的輸出功率，故而難免帶給電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)一定的影響。電網(wǎng)運(yùn)行中，要想賦予系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻等功能，必然會(huì)提出增加一定備用容量的要求。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，減少機(jī)組利用小時(shí)數(shù)后會(huì)影響其輸出功率，同樣會(huì)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)構(gòu)成影響。

3 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用

3.1 電網(wǎng)層面的應(yīng)用

電力調(diào)峰中的應(yīng)用。峰電時(shí)段往往負(fù)荷功率也最大，通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)峰能夠妥善解決電能最大需求量，降低電網(wǎng)整體負(fù)荷壓力，在較低負(fù)荷壓力時(shí)儲(chǔ)能裝置可實(shí)現(xiàn)光伏電站電能的靈活存儲(chǔ)，負(fù)荷壓力上升至一定數(shù)值后即可使電能釋放，電網(wǎng)此時(shí)也能形成更高的整體輸出水平，供電系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)安全穩(wěn)定的運(yùn)行；微電網(wǎng)中的應(yīng)用。綜合現(xiàn)階段輸配電系統(tǒng)發(fā)展情況來看，微電網(wǎng)并網(wǎng)這一方向至關(guān)重要。微電網(wǎng)及大電網(wǎng)系統(tǒng)分離中，處于獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)的微電網(wǎng)獨(dú)自承擔(dān)著電網(wǎng)的供電任務(wù)。同時(shí)，微電網(wǎng)構(gòu)成為光伏電源時(shí)，通過引入儲(chǔ)能技術(shù)能為負(fù)載供電提供穩(wěn)定性及安全性保障。

3.2 負(fù)荷轉(zhuǎn)移中的應(yīng)用

儲(chǔ)能技術(shù)引入負(fù)荷轉(zhuǎn)移中近似于電力調(diào)峰中的應(yīng)用。負(fù)荷轉(zhuǎn)移時(shí)需結(jié)合光伏并網(wǎng)一定計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)荷高峰通常情況下的發(fā)生時(shí)間是充沛發(fā)電的光伏發(fā)電系統(tǒng)之后，而非白天光伏發(fā)電相對(duì)充足的時(shí)間，此時(shí)通過應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，負(fù)荷偏低時(shí)能對(duì)電站多余電能合力展開存儲(chǔ)，避免向電網(wǎng)全部送入而引起浪費(fèi)電能的情況；儲(chǔ)能裝置在負(fù)荷高峰段時(shí)能夠合理釋放存儲(chǔ)的電能[4]。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)與儲(chǔ)能技術(shù)的聯(lián)合，可實(shí)現(xiàn)高峰期用電量需求的大幅緩解，為居民用戶經(jīng)濟(jì)利益提供一定的保障。

3.3 負(fù)荷響應(yīng)中的應(yīng)用

電力系統(tǒng)運(yùn)行中，要想確保電網(wǎng)的有效運(yùn)行并最大限度規(guī)避發(fā)生意外事故的情況，有必要自動(dòng)化調(diào)整大功率負(fù)荷。較高負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，不同部分電網(wǎng)一般情況下會(huì)交替運(yùn)行，如此即可確保電網(wǎng)運(yùn)行即便在高峰時(shí)段也能使人們的需求得到滿足，促進(jìn)供電穩(wěn)定性的提高。

在光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)用中，負(fù)荷響應(yīng)系統(tǒng)與電站中，工作人員理應(yīng)高度重視其間電網(wǎng)連接問題，通信線路中維持正常運(yùn)行狀態(tài)的線路不得低于一條，如此一來即可實(shí)現(xiàn)高功率設(shè)備的有效規(guī)避，促使負(fù)荷響應(yīng)需求得到有效滿足。在負(fù)荷響應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用下，通過替換使用不同電網(wǎng)，即可有效控制系統(tǒng)運(yùn)行中故障發(fā)生情況。同時(shí)，在負(fù)荷相應(yīng)技術(shù)的運(yùn)用下酌情調(diào)整高功率負(fù)荷控制在臨界值范圍內(nèi)，能保證工作穩(wěn)定性及電能供應(yīng)質(zhì)量，且能盡量減少供電量調(diào)整帶給電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響，從而為電力系統(tǒng)運(yùn)行及電能供應(yīng)的穩(wěn)定性提供保障。

3.4 電網(wǎng)電能質(zhì)量控制的應(yīng)用

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能技術(shù)控制電網(wǎng)電能質(zhì)量時(shí)，能促使光伏電源具備更優(yōu)異的供電特性，從而達(dá)成更穩(wěn)定的供電。該過程中，工作人員在適宜逆變控制措施的運(yùn)用下，即可保障光伏并網(wǎng)系統(tǒng)電能的質(zhì)量，而該過程中儲(chǔ)能控制系統(tǒng)也發(fā)揮著不可忽視的作用[5]。在儲(chǔ)能系統(tǒng)本身優(yōu)勢(shì)的發(fā)揮下，可實(shí)現(xiàn)有源濾波的有效調(diào)整，保證相角范圍始終合理，當(dāng)相角有偏差出現(xiàn)時(shí)能夠迅速展開調(diào)整，從而為電能供應(yīng)質(zhì)量及電壓穩(wěn)定性提供保障。

3.5 斷電保護(hù)中的應(yīng)用

自動(dòng)斷電保護(hù)能夠?yàn)橛脩籼峁┓€(wěn)定用電的保障。光伏并網(wǎng)發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)在用戶市電供應(yīng)出現(xiàn)異常的情況時(shí)，能夠迅速釋放能滿足用戶需求的電能。有故障出現(xiàn)在電網(wǎng)系統(tǒng)中、或是用電中存在一定安全隱患時(shí)，該系統(tǒng)能夠第一時(shí)間下達(dá)斷點(diǎn)指令并自動(dòng)檢測(cè)電力運(yùn)行狀態(tài)，斷電后由儲(chǔ)能裝置負(fù)責(zé)對(duì)電能展開儲(chǔ)存。處于孤島運(yùn)行模式下的系統(tǒng)，能為用戶及電網(wǎng)電力運(yùn)行提供穩(wěn)定性與安全性保障，且能在一定程度上降低高峰用電時(shí)段電力負(fù)荷，同時(shí)在用戶無市電供應(yīng)時(shí)同樣能為電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性提供保障。

4 結(jié)語

儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展不僅能夠加快光伏并網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展速度，同時(shí)能進(jìn)一步凸顯光伏并網(wǎng)發(fā)電的價(jià)值作用。在應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)后，光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在供電穩(wěn)定性、電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性方面能夠得到更可靠的保障，可妥善化解光伏并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)構(gòu)成的影響，是與現(xiàn)階段可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相符合的關(guān)鍵舉措。綜合儲(chǔ)能技術(shù)在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用來看，目前主要包含電力調(diào)峰、微電網(wǎng)、負(fù)荷轉(zhuǎn)移、負(fù)荷相應(yīng)、控制電能質(zhì)量及斷電保護(hù)等為主，能夠大幅提高供電效果，能夠持續(xù)、穩(wěn)定且安全地供電，充分發(fā)揮儲(chǔ)能型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)本身的作用與價(jià)值。