儲能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

[關(guān)鍵詞]光伏發(fā)電；儲能技術(shù)；應(yīng)用；優(yōu)化

引言

新形勢背景下，隨著人們生活質(zhì)量日漸提高，節(jié)能環(huán)保意識有了顯著增強(qiáng)，人們對綠色節(jié)能環(huán)保技術(shù)有了更多關(guān)注。而太陽能極易獲得，用于發(fā)電不會產(chǎn)生污染，是目前新能源技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。但是由于太陽能發(fā)電會受到天氣、時間等因素的影響，導(dǎo)致光伏發(fā)電缺少穩(wěn)定性和持續(xù)性，因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要使用儲能技術(shù)儲存太陽能，并根據(jù)需要釋放并調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)，以滿足應(yīng)用需求。實際應(yīng)用中，需要根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的需求選擇儲能系統(tǒng)，充分發(fā)揮儲能系統(tǒng)的中控和調(diào)節(jié)功能。

一、儲能技術(shù)主要類型

（一）蓄電池儲能

蓄電池儲能是最傳統(tǒng)、最常用的儲能技術(shù)。利用蓄電池能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，并在需要時釋放。在光伏發(fā)電系統(tǒng)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(jù)需要儲存和釋放電能。蓄電池的優(yōu)勢還在于成本較低，靈活性高，可以根據(jù)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?zé)o論是工作電壓和轉(zhuǎn)換效益，還是能量密度，都更高，并且循環(huán)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(huán)境等問題，這大大制約了其使用范圍，只能被應(yīng)用于新能源電動汽車、便攜電子產(chǎn)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(fā)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(yè)中有非常好的應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。該技術(shù)是近年來發(fā)展出的全新儲能方式，具有響應(yīng)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(yīng)對能力比較強(qiáng)（原理如圖1所示）。該技術(shù)可以利用機(jī)械結(jié)構(gòu)對空氣進(jìn)行壓縮，并將空氣作為儲能介質(zhì)，使得儲能系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性比較強(qiáng)，有較長的使用壽命。

壓縮空氣儲能系統(tǒng)的問題在于，需要建立地下設(shè)施用于儲存高壓壓縮氣體，但這一技術(shù)會受到地理條件的限制。對于地基結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、不利于挖掘的地區(qū)，使用該項技術(shù)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(tǒng)的預(yù)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(tǒng)的運(yùn)營成本，還會影響環(huán)境。因此，條件滿足要求、對調(diào)峰需求比較高的系統(tǒng)，會優(yōu)先選擇壓縮空氣儲能系統(tǒng)。

（三）飛輪儲能

飛輪儲能是利用旋轉(zhuǎn)飛輪儲能的技術(shù)，通過將電能轉(zhuǎn)變?yōu)轱w輪旋轉(zhuǎn)，可以在需要使用能量時，將飛輪和發(fā)電設(shè)備連接，將飛輪動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。一般將飛輪設(shè)置在真空環(huán)境中，避免和空氣摩擦導(dǎo)致能量損失。飛輪儲能效率較高、穩(wěn)定性強(qiáng)且響應(yīng)速度較快。在實際應(yīng)用中，一般和蓄電池一同使用，以提高儲能系統(tǒng)的能量密度，增加儲能系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性。

（四）超級電容

超級電容是一種基于電化學(xué)雙層理論研發(fā)的容量超大的電容器。相對其他儲能設(shè)備，超級電容具有非常長的壽命，可以快速進(jìn)行多次充放電，并且可以始終保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。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(nèi)快速充放電。當(dāng)電力系統(tǒng)需要高功率輸出時，超級電容有非常好的應(yīng)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(xiàn)能量流失的問題。

二、儲能技術(shù)應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要作用

（一）提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)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(wǎng)運(yùn)營過程中的負(fù)荷壓力。儲能技術(shù)除了能大幅提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，還能避免因為電力用電供應(yīng)不足導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，確保電力供應(yīng)始終保持連續(xù)和穩(wěn)定的狀態(tài)。

（二）提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率

我國西部地區(qū)擁有豐富的光能資源，但長期以來由于技術(shù)限制和基礎(chǔ)設(shè)施不足，這些資源并未得到充分的開發(fā)利用，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率較低。為了充分利用該部分資源，提高光電轉(zhuǎn)換效率，發(fā)電企業(yè)應(yīng)采取有效的措施，其中儲能技術(shù)的應(yīng)用尤為重要。過去，由于諸多原因，西部地區(qū)的光伏發(fā)電系統(tǒng)并未得到廣泛的推廣和應(yīng)用，這對太陽能的利用率產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響。然而，隨著科技的進(jìn)步和儲能技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以通過有效應(yīng)用儲能技術(shù)，提高該部分資源的利用率。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)因天氣等原因發(fā)電容量不足時，儲能技術(shù)可以將之前儲存的能量釋放出來并轉(zhuǎn)化為電能，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用儲能技術(shù)，不僅可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，使其在不同天氣條件下都能保持穩(wěn)定的電力輸出，還可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

三、儲能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用方法

（一）控制電網(wǎng)電能質(zhì)量

利用儲能設(shè)備能實現(xiàn)對電力輸入和輸出的控制，通過調(diào)整電能的儲存和釋放，可以將多余發(fā)電儲存起來，便于在電力缺口時使用。建立合理的調(diào)節(jié)機(jī)制，能減少電力系統(tǒng)的波動，避免出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定和頻率偏差等問題，以確保供電質(zhì)量。目前在控制過程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以利用監(jiān)測設(shè)備確定電力系統(tǒng)的電壓、電流、功率方面的變化，并根據(jù)數(shù)據(jù)確定自身儲能系統(tǒng)的控制策略，確保系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

（二）電力調(diào)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(tǒng)帶來較大的沖擊，可能會導(dǎo)致電力輸配設(shè)備的損壞。將光伏發(fā)電得到的電能儲存在儲能設(shè)備中，并在電力調(diào)峰中使用，可以充分發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)的作用，并確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。在光伏發(fā)電并網(wǎng)時，就可以設(shè)置儲能設(shè)備，結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓I(yè)結(jié)構(gòu)、用電需求、人口分布狀況、用電規(guī)模等因素，再結(jié)合用電需求的波動設(shè)置儲能設(shè)備，在需要調(diào)峰時釋放儲能設(shè)備中的電能，滿足供電需求。

四、某光伏發(fā)電系統(tǒng)對儲能技術(shù)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(shè)置儲能系統(tǒng)儲存電能，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能得到儲存，并且用于電力供應(yīng)、調(diào)峰等工作。

（二）儲能技術(shù)選擇分析

（1）儲能技術(shù)需求

目前儲能技術(shù)呈現(xiàn)出多元化和復(fù)雜化的特點。各類儲能技術(shù)不斷改進(jìn)，擁有不同的優(yōu)勢和特點。本工程屬于大規(guī)模集中式光伏發(fā)電，儲能系統(tǒng)設(shè)置的目標(biāo)在于提高光伏發(fā)電的消納率，抑制短時間內(nèi)的電力波動，并解決跨區(qū)供需矛盾。根據(jù)國家規(guī)定，光伏的消納比應(yīng)控制在5% -10%，為此需要使用儲能技術(shù)削峰填谷，提示消納水平。其次，本項目光伏系統(tǒng)在1分鐘內(nèi)的上下波動不能超過裝機(jī)總?cè)萘康?0%，因此需要通過設(shè)置儲能系統(tǒng)，避免功率變化過大。

（2）儲能技術(shù)配置模擬優(yōu)化

結(jié)合成本、實際應(yīng)用狀況、技術(shù)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(shè)備，并根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置和模擬，分析最合理的配置模式。表1是模擬系統(tǒng)的具體設(shè)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(fā)現(xiàn)，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(fā)電功率也更高。通過對不同參數(shù)下儲能系統(tǒng)應(yīng)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(yōu)配置。

（三）能量管理系統(tǒng)設(shè)計

為了發(fā)揮儲能設(shè)備的作用，光伏電站需要設(shè)置能量管理系統(tǒng)來控制儲能系統(tǒng)的能量儲存和釋放，以此保證電力系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定、可靠，并最大化利用可再生能源。本項目將能量管理系統(tǒng)設(shè)置為三個層級，包括物理層、設(shè)備控制層、系統(tǒng)控制層，每個層級承擔(dān)著不同的功能。

通過三級調(diào)度和優(yōu)化，可以完成對電力系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的信息匯總，以避免出現(xiàn)信息孤島，還可以進(jìn)一步強(qiáng)化不同層級之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，實現(xiàn)高效的能量調(diào)度和最優(yōu)化控制，確保系統(tǒng)的運(yùn)營效率和可靠性。在控制過程中，控制系統(tǒng)需要同時考慮單支路的阻抗特征和多支路協(xié)調(diào)的阻抗特性，以確保在瞬時狀態(tài)下可以進(jìn)行多支路系統(tǒng)的控制。通過模擬，系統(tǒng)的恒負(fù)載功率支路等效功率為3 kW。對0.5、2、3 kW三個梯度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)功率負(fù)載中等效電容、等效阻抗處于低阻尼LC環(huán)節(jié)時，電源和儲能裝置會產(chǎn)生相互作用，造成負(fù)載的穩(wěn)定裕度降低。因此，系統(tǒng)在控制過程中需要避免恒功率負(fù)載過大導(dǎo)致穩(wěn)定裕度下降。

（四）系統(tǒng)安全設(shè)計

（1）結(jié)構(gòu)消防安全設(shè)計

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)消防安全設(shè)計時，系統(tǒng)需要使用優(yōu)質(zhì)磷酸鐵鋰電池，并在電池模組之間設(shè)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(shè)計。另外，電池組周圍應(yīng)做好防護(hù)，避免出現(xiàn)短路、高溫高壓、沖撞或碾壓等問題。

（2）電氣設(shè)備安全設(shè)計

在進(jìn)行電氣設(shè)備安全設(shè)計時，可以使用阻燃電纜完成電力系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備的連接。且為了滿足冗余需求，設(shè)計時要根據(jù)需要對電器保護(hù)設(shè)備進(jìn)行選型，以進(jìn)一步提高儲能系統(tǒng)的承受能力。此外，電器保護(hù)設(shè)備在選型時需要檢查和驗證其性能，檢查質(zhì)量和可靠性，結(jié)合環(huán)境進(jìn)行選型。

結(jié)語

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用中，儲能技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。為滿足社會發(fā)展的客觀需求，發(fā)電企業(yè)應(yīng)緊跟時代步伐，結(jié)合實際需求積極采用前沿的互聯(lián)網(wǎng)處理技術(shù)，以實現(xiàn)對儲能技術(shù)使用過程中關(guān)鍵因素的有效管理。這不僅有助于規(guī)避外界風(fēng)險帶來的潛在影響，還有助于提高發(fā)電企業(yè)在儲能技術(shù)應(yīng)用和管理上的水平。通過制定科學(xué)性和可行性的獎懲機(jī)制，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)能夠構(gòu)建一套完善的專業(yè)人才資源管理體系，搭建因地制宜、統(tǒng)籌規(guī)劃的方案，以確保光伏發(fā)電操作系統(tǒng)在安全性、可靠性、穩(wěn)定性方面均達(dá)到最高標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而為國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長和社會的和諧健康發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。