光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)化

王澤輝

（中國(guó)大唐集團(tuán)技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100043）

0 引 言

能源短缺是我國(guó)乃至全世界面臨的緊要問題，在石油、天然氣、煤炭等一次能源儲(chǔ)量減少，生態(tài)環(huán)境污染加劇的情況下，太陽能作為一種可再生清潔能源，利用太陽能的光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[1]。但在現(xiàn)實(shí)情況下，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)易受光照影響，運(yùn)行過程中可能存在一定的波動(dòng)或間歇，導(dǎo)致供電不穩(wěn)定。因此，有必要對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能單元展開細(xì)致研究，在確保儲(chǔ)能單元具有優(yōu)越性能的基礎(chǔ)上，還需要結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況選擇合適的儲(chǔ)能單元結(jié)構(gòu)。通過對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，調(diào)節(jié)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中電能的收集和釋放過程，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)作為電力輸送的關(guān)鍵，主要由光伏陣列、儲(chǔ)能單元、送變器、最大功率跟蹤裝置、交流配電箱、電表以及各類負(fù)載等組成，如圖1 所示。其中，光伏陣列作為基礎(chǔ)組成部分，將串聯(lián)好的電池結(jié)構(gòu)依照系統(tǒng)的實(shí)際需求，并聯(lián)在一起形成陣列結(jié)構(gòu)。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有非線性特征，其發(fā)電功率易受負(fù)載、光照、溫度等多因素影響，因此采用最大功率跟蹤裝置保證系統(tǒng)始終處在最大功率運(yùn)行[2]。儲(chǔ)能單元在整個(gè)系統(tǒng)中發(fā)揮著調(diào)節(jié)與控制的重要作用，根據(jù)電能的實(shí)際消耗情況，將預(yù)先經(jīng)過高效儲(chǔ)存的電能通過逆變器實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)輸出功率的調(diào)整，從而確保系統(tǒng)輸出處在均衡狀態(tài)。而交流配電箱則由并網(wǎng)逆變和電壓控制系統(tǒng)組成，主要負(fù)責(zé)將直流電轉(zhuǎn)換為可直接使用的交流電。

圖1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：一是系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中易受到溫度、光照等外界因素的影響，致使系統(tǒng)輸出功率有所變化，特別是在多變或特殊天氣下，系統(tǒng)的輸出功率會(huì)出現(xiàn)不可控的情況；二是系統(tǒng)整體造價(jià)較高，需要利用最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)，確保在最大限度上實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能資源的高效利用；三是系統(tǒng)并網(wǎng)電流和電壓應(yīng)與電網(wǎng)系統(tǒng)保持同相，系統(tǒng)僅提供有功功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電能的高效利用。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能技術(shù)

2.1 蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)

蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用前景良好，具有模塊化特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)充放電，更好地滿足光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在峰值負(fù)載下的電源需求，適用于既定負(fù)荷范圍內(nèi)仍需高電能供給的配網(wǎng)，可靠性較高。同時(shí)，蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用支持無功補(bǔ)償裝置，有助于系統(tǒng)電壓波動(dòng)及閃變現(xiàn)象的控制[3]。目前，蓄電池儲(chǔ)能常見的有鈉硫電池、鉛酸電池、鋰離子電池以及機(jī)液流電池等，詳細(xì)參數(shù)如表1 所示。

表1 常見幾種蓄電池的參數(shù)對(duì)比

2.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)

超級(jí)電容是利用特定材料制成的多孔介質(zhì)，與常規(guī)電容相比，電阻值、容量較高，峰值較低。超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于充放電效率快、周期長(zhǎng)，即便在惡劣溫度條件下也具有良好的充放電性能和使用壽命。但其缺點(diǎn)也較為明顯，超級(jí)電容的能量密度相對(duì)較低，串聯(lián)均壓且末端的電壓波動(dòng)范圍較大?，F(xiàn)階段，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)廣泛應(yīng)用超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)，可大幅提升儲(chǔ)能單元的效能，減少內(nèi)部損失，延長(zhǎng)儲(chǔ)能單元的使用壽命，并且超級(jí)電容還可以與蓄電池結(jié)合使用，通過二者之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有助于電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行可靠性與經(jīng)濟(jì)性的提升。

2.3 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的建設(shè)周期短、儲(chǔ)能高、效率高、充放電次數(shù)不限且速度較快，使用壽命長(zhǎng)，也不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境產(chǎn)生污染。但與其他儲(chǔ)能技術(shù)相比，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)最大的劣勢(shì)在于后期維護(hù)難度大、成本高。

2.4 超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能技術(shù)依托超導(dǎo)線圈存儲(chǔ)電網(wǎng)供電勵(lì)磁磁場(chǎng)中的電能，并依據(jù)需要情況將儲(chǔ)存的電能返還給電網(wǎng)[4]。超導(dǎo)磁儲(chǔ)能系統(tǒng)由超導(dǎo)線圈、真空泵以及設(shè)備控制系統(tǒng)組成，其中超導(dǎo)線圈的電流循環(huán)于閉合電感，不會(huì)出現(xiàn)能量損失。這種儲(chǔ)能技術(shù)的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在于無損耗、效率高，且能量釋放的速度較快。

3 儲(chǔ)能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的主要應(yīng)用分析

3.1 儲(chǔ)能技術(shù)在光伏電站層面的應(yīng)用

首先，儲(chǔ)能技術(shù)在負(fù)荷轉(zhuǎn)移中的應(yīng)用。將儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用于負(fù)荷轉(zhuǎn)移主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)峰值負(fù)荷的調(diào)整。當(dāng)處在負(fù)荷高峰期時(shí)，合理匹配發(fā)電系統(tǒng)與儲(chǔ)能技術(shù)，釋放小負(fù)荷光伏裝置儲(chǔ)備的能量，從而降低峰值期間的用電消耗，提高用戶效益。其次，儲(chǔ)能技術(shù)在峰值功耗控制中的應(yīng)用。儲(chǔ)能技術(shù)通過大容量存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)電能的高效存儲(chǔ)，能夠有效提高光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)峰值負(fù)載的整體性能。再次，儲(chǔ)能技術(shù)在電能質(zhì)量控制中的應(yīng)用。應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)可以通過對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)負(fù)載、損耗、相角等參數(shù)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的優(yōu)化，從而根據(jù)實(shí)際用電需求，對(duì)系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行轉(zhuǎn)移或調(diào)節(jié)。在用電需求較小時(shí)，對(duì)光伏電站的剩余電量進(jìn)行存儲(chǔ)，避免將其全部傳輸給配電網(wǎng)造成浪費(fèi)；在用電需求較大時(shí)，由儲(chǔ)能裝置釋放存儲(chǔ)的電量，以滿足用戶需求[5]。最后，儲(chǔ)能技術(shù)在自動(dòng)保護(hù)中的應(yīng)用。當(dāng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)無法正常供電時(shí)，將儲(chǔ)能單元存儲(chǔ)的能量進(jìn)行供電。當(dāng)配網(wǎng)出現(xiàn)故障或安全隱患時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可發(fā)出斷電保護(hù)指令，儲(chǔ)能單元?jiǎng)t會(huì)對(duì)停電后的電量進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，這種“孤島”方式為配網(wǎng)運(yùn)行和供電穩(wěn)定性提供了有力保障，可在一定程度上自動(dòng)減輕部分負(fù)載。

3.2 儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)層面的應(yīng)用

儲(chǔ)能技術(shù)在電網(wǎng)層面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在電力調(diào)峰和微電網(wǎng)2 個(gè)方面。

3.2.1 儲(chǔ)能技術(shù)在電力調(diào)峰中的應(yīng)用

當(dāng)電網(wǎng)系統(tǒng)的功率負(fù)荷較大時(shí)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出具有鮮明的時(shí)段特征表現(xiàn)，也就是在用電高峰階段，用電需求量亟劇增加，會(huì)影響電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[6]。由此可以利用儲(chǔ)能技術(shù)在用電低峰階段對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出的多余電能進(jìn)行存儲(chǔ)，并將儲(chǔ)存好的電能在用電高峰期間釋放出去，以有效緩解電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行壓力。通過對(duì)負(fù)荷供電效果進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步提高電網(wǎng)系統(tǒng)的供電水平。

3.2.2 儲(chǔ)能技術(shù)在微電網(wǎng)調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

微電網(wǎng)是目前輸電系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)，為了保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定供應(yīng)，必須對(duì)微電網(wǎng)進(jìn)行合理使用。當(dāng)微電網(wǎng)和大電網(wǎng)分類后，微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，承擔(dān)著一定的電力供給任務(wù)。而儲(chǔ)能技術(shù)在微電網(wǎng)中的應(yīng)用，則能有效提升微電網(wǎng)的運(yùn)行效果，并具有自動(dòng)調(diào)節(jié)的功能，在極大程度上提升了微電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性，保證微電網(wǎng)的負(fù)載均衡。

4 復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能單元中，復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用最具代表性，蓄電池結(jié)合超級(jí)電容混合儲(chǔ)能系統(tǒng)（Hybrid Energy Storage Systems，HESS），憑借二者的互補(bǔ)性能夠有效降低電流中的諧波含量，盡可能規(guī)避系統(tǒng)功率出現(xiàn)波動(dòng)的情況，改善電流波形質(zhì)量，切實(shí)提高系統(tǒng)的可調(diào)度性。同時(shí)，復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)也有助于降低外界因素對(duì)其運(yùn)行造成的干擾，提升儲(chǔ)能單元的使用效率[7]。現(xiàn)階段，HESS 主要有2 種類型，分別是有源式和無源式。

4.1 有源式HESS

有源式HESS 指的是將DC/DC 功率變換器增設(shè)在直流母線與HESS 的連接節(jié)點(diǎn)位置，可有效解決無源式HESS 對(duì)儲(chǔ)能單元充放電功率難以實(shí)現(xiàn)有效控制的情況，以實(shí)現(xiàn)對(duì)HESS 容量的充分利用。該類型HESS 具有以下3 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：其一是在直流母線上利用雙向DC/DC 功率變換器并聯(lián)蓄電池與超級(jí)電容，能夠盡量減少短時(shí)高功率下蓄電池受到的充放電電流沖擊，延長(zhǎng)蓄電池壽命，同時(shí)也能夠充分發(fā)揮超級(jí)電容的充放電特性，但這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求超級(jí)電容數(shù)量與直流母線的電壓值保持一致[8]。其二是在直流母線上利用雙向DC/DC 功率變換器并聯(lián)超級(jí)電容與蓄電池，此結(jié)構(gòu)下超級(jí)電容對(duì)電壓的要求有所降低，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)超級(jí)電容容量的充分利用，但卻無法充分利用蓄電池的容量；其三是在直流母線上，將蓄電池和超級(jí)電容分別經(jīng)過雙向DC/DC 功率變換器進(jìn)行連接，這種方式在兼顧二者容量的同時(shí)，可加強(qiáng)對(duì)充放電功率的控制，并實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能單元運(yùn)行的優(yōu)化。

4.2 無源式HESS

無源式HESS 則是直接并聯(lián)蓄電池與超級(jí)電容，或利用電感、二極管等無源器件并聯(lián)的方式，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單且無需進(jìn)行充放電控制。此類型的HESS 主要分為以下2 種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：其一是蓄電池與超級(jí)電容直接并聯(lián)在直流母線上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但卻難以實(shí)現(xiàn)對(duì)二者性能的充分利用，功率分配不易控制，且要求二者電壓與母線保持一致[9]；其二是將電感與蓄電池串聯(lián)，再與超級(jí)電容并聯(lián)，以減少蓄電池的電流變換幅度，穩(wěn)流效果較強(qiáng)，但存在超級(jí)電容容量利用率低、充放電電流不易控制的弊端。在應(yīng)用復(fù)合儲(chǔ)能技術(shù)的過程中，可以結(jié)合實(shí)際需要對(duì)上述幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行合理選擇，以增強(qiáng)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的效果，促使光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益得到進(jìn)一步提高。

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)用與我國(guó)的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略相符，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)實(shí)中，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用涉及多個(gè)方面，發(fā)電企業(yè)必須緊跟時(shí)代發(fā)展潮流，妥善分析儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用的實(shí)施條件和影響因素，在排除各類影響因素的同時(shí)，通過對(duì)技術(shù)的合理應(yīng)用來進(jìn)一步提高光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能性能，并在不斷的改進(jìn)與優(yōu)化下，推動(dòng)我國(guó)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展，在確保電力穩(wěn)定供應(yīng)的基礎(chǔ)上提高發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。