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

李滿

摘 要：本文通過(guò)重點(diǎn)研究超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等幾種儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)特點(diǎn)，重點(diǎn)探討其在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，目的在于研究?jī)?chǔ)能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，用于提高光伏發(fā)電系統(tǒng)電能的利用效率，及提高發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能;超級(jí)電容儲(chǔ)能;光伏發(fā)電系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.162

0 引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)人類對(duì)能源和環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展的認(rèn)知越來(lái)越高，同時(shí)面臨對(duì)能源的需求越來(lái)越大，光伏發(fā)電技術(shù)越來(lái)越受到重視。但是光伏發(fā)電產(chǎn)生的電源具有一定的間斷性、波動(dòng)性的特點(diǎn)，導(dǎo)致光伏發(fā)電無(wú)法持續(xù)性的供電和夜間無(wú)法發(fā)電的狀況，不能滿足對(duì)負(fù)荷的連續(xù)性需求。引入儲(chǔ)能技術(shù)能較好地改善光伏發(fā)電系統(tǒng)特性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的持續(xù)供電和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但是儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)的分析和研究還處在發(fā)展的初期階段，技術(shù)還不夠成熟、完善，工程應(yīng)用僅限于小容量系統(tǒng)，在大功率光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用受到了一定的限制，隨著光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用將越來(lái)越受到關(guān)注。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)介

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用光伏電池的伏特效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為直流電，通過(guò)光伏并網(wǎng)逆變器轉(zhuǎn)換為與電網(wǎng)同頻率、同相位的三相交流電并入電網(wǎng)的發(fā)電系統(tǒng)[1]。光伏發(fā)電能源無(wú)限、不受區(qū)域的限制、清潔。但是光伏發(fā)電利用率較低，需要建設(shè)大面積的光伏電池組件，同時(shí)受天氣影響巨大，發(fā)電時(shí)間局限性大（只能在有陽(yáng)光的時(shí)段發(fā)電）。因此研究如何有效儲(chǔ)存電能來(lái)提供無(wú)法發(fā)電時(shí)段的電能利用，及減少最大功率發(fā)電無(wú)法存儲(chǔ)而造成的巨大的浪費(fèi)越來(lái)越受到各界的關(guān)注，儲(chǔ)能技術(shù)成為亟待突破的技術(shù)。

2 儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

儲(chǔ)能技術(shù)主要是借助外來(lái)的介質(zhì)實(shí)現(xiàn)多余能量?jī)?chǔ)存，進(jìn)而在需要的時(shí)候釋放能量。常見(jiàn)的電儲(chǔ)能技術(shù)有壓縮空氣儲(chǔ)能、化學(xué)電池儲(chǔ)能、蓄水儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能等。壓縮空氣儲(chǔ)能、蓄水儲(chǔ)能是常規(guī)的儲(chǔ)能方式，目前多有應(yīng)用實(shí)例，地域的局限性也較大。電池儲(chǔ)能可以滿足短時(shí)應(yīng)急電能的利用，且成本過(guò)高、體積過(guò)大。超級(jí)電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能是目前解決成本和地域限制的新型儲(chǔ)能方式，本文主要講述這三類儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2.1 超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

超導(dǎo)磁場(chǎng)儲(chǔ)能是將超導(dǎo)體放在一定的磁場(chǎng)當(dāng)中，對(duì)超導(dǎo)體進(jìn)行降溫，一直到超導(dǎo)體的臨界的溫度以下，然后把磁場(chǎng)撤掉，超導(dǎo)體內(nèi)部將在臨界溫度下因磁場(chǎng)磁力影響下出現(xiàn)感應(yīng)電流。目前為了利用超導(dǎo)體在臨界溫度下產(chǎn)生持續(xù)性的電能，進(jìn)而獲取長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存電能的效果，是現(xiàn)在技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用上亟待解決的問(wèn)題。

光伏發(fā)電系統(tǒng)和超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)交流母線相連為本地負(fù)荷供電。有學(xué)者就利用光伏出力與本地負(fù)荷需求的差值作為SMES控制器的功率控制信號(hào)策略，建立了超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，并對(duì)其在光伏發(fā)電系統(tǒng)的中的運(yùn)行控制方式進(jìn)行研究，很好地解決光伏發(fā)電功率易受環(huán)境影響、不可調(diào)節(jié)、難于滿足負(fù)荷需求的問(wèn)題，對(duì)由負(fù)荷變化引起的母線電壓波動(dòng)和故障引起的母線電壓跌落具有良好的補(bǔ)償作用[2]。

2.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

超級(jí)電容儲(chǔ)能利用雙電層充放電原理來(lái)工作，其電解液中的陰、陽(yáng)離子在電場(chǎng)的作用下分別向正、負(fù)電極移動(dòng)，最終在電極表面形成雙電層，通過(guò)高度可逆的化學(xué)吸附、脫附和氧化還原反應(yīng)來(lái)存儲(chǔ)能量。作為新興的儲(chǔ)能材料，超級(jí)電容具有功率密度高、充放電效率高、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行大量研究開(kāi)發(fā)，并取得顯著的成果。有人利用超級(jí)電容容量大、可無(wú)限次循環(huán)充放電的特點(diǎn)，將超級(jí)電容器與功率器件組合成的功率變換電路接入光伏發(fā)電陣列與負(fù)載之間，通過(guò)補(bǔ)償光伏電池輸出電壓來(lái)改變光伏陣列輸出特性，從而控制光伏發(fā)電系統(tǒng)完成最大功率點(diǎn)跟蹤[3]，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)MPPT快速、穩(wěn)定跟蹤，取得一定的成果。設(shè)計(jì)了超級(jí)電容器的充電控制器和放電控制器，對(duì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，搭建超級(jí)電容器儲(chǔ)能的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的小功率實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性以及良好的可靠性和穩(wěn)定性[4]。

2.3 飛輪儲(chǔ)能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是一種新型的儲(chǔ)能元件，是機(jī)械能和電能的交換裝置，具有充電、放電和能量保持三種工作模式。可以采取多種充電模式，放電時(shí)通過(guò)飛輪的帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，并通過(guò)電力電子裝置的轉(zhuǎn)換成可利用的電能，保持階段保持飛輪的額定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，既不充電也不放電[4]。其經(jīng)濟(jì)性較強(qiáng)，滿足綠色和高效的需求，安全性和可靠性顯著、功率容量十分巨大，具有發(fā)展前景良好，擁有巨大的市場(chǎng)潛力。因此，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)受到行業(yè)內(nèi)很大的關(guān)注。有人提出了一種基于模糊控制的光伏飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有功平滑控制策略，將模糊控制應(yīng)用于平抑有功功率，有效地提高了功率的平滑輸出、較大程度地減小了光伏發(fā)電的功率波動(dòng)、提高了電能質(zhì)量、降低了對(duì)電網(wǎng)的沖擊[5]。同時(shí)有文獻(xiàn)中設(shè)計(jì)了基于飛輪儲(chǔ)能的可并網(wǎng)電源方案和相關(guān)硬件電路系統(tǒng)，通過(guò)仿真驗(yàn)證BOOST逆變電路的可行性。特別是一些學(xué)者在研究基于飛輪儲(chǔ)能的充放電特性在風(fēng)光互補(bǔ)多逆變器串聯(lián)發(fā)電系統(tǒng)中的電壓穩(wěn)定性問(wèn)題，將飛輪電池并聯(lián)在風(fēng)力發(fā)電單元的直流母線上，增加系統(tǒng)的最大可發(fā)電功率，提高系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)幾種儲(chǔ)能方式進(jìn)行研究分析，探討了其在光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用和目前的發(fā)展?fàn)顩r，展望未來(lái)儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中可以提高電能的轉(zhuǎn)換效率、輸出電能質(zhì)量、供電安全性與可靠性等，具有很好的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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