儲能技術在光伏發(fā)電系統中的應用

閆中元

中煤天津設計工程有限責任公司 天津 300131

社會的持續(xù)性發(fā)展，使得能源需求不斷增加，基于能源需求與環(huán)境惡化的矛盾日益凸顯，需要大力發(fā)展光伏發(fā)電系統進行彌補。當前，我國能源結構不斷的優(yōu)化，傳統能源與光伏發(fā)電系統共存，導致電網系統更加復雜?；诠夥l(fā)電系統的強力支持下，需要大力推動光伏發(fā)電系統領域的光伏發(fā)電系統，保障社會的用電壓力需求。在光伏發(fā)電系統中合理應用儲能裝置，可以有效降低光伏發(fā)電機組實際工作過程中因波動引起的功率變化，降低功率變化對電網和敏感負荷的影響，并保證光伏系統能夠實現從離網狀態(tài)到并網狀態(tài)的平穩(wěn)過渡，實現整體供電質量的提高。

1 光伏發(fā)電系統概述

從當前的角度對能源技術進行分析，太陽能是最常見的新能源。利用光伏發(fā)電為電網提供電力，保障源源不斷的電力，依托的是太陽本身較強的可再生性。與其他能源相比較，太陽擁有的能源是取之不竭的，并且具有穩(wěn)定性?？梢栽谠O備轉化基礎上，將其轉化為電能。例如，太陽能池板利用設備收集太陽能，對太陽能進行處理后，產生集熱效應。但是與其他的新能源相比較，光伏發(fā)電系統能提供的電能較低，難以為功率較大的電力設備提供電力。因此，只能應用于功率較小的設備或者系統中，保障光伏發(fā)電的有效應用。同時，研究人員需要基于太陽能的應用基礎上，著手研發(fā)新技術，保障光伏發(fā)電系統能得到更廣泛的應用，提升太陽能的利用率。

2 光伏發(fā)電系統對電網運行帶來的影響

當前關于光伏發(fā)電系統的開發(fā)領域，對于能源的轉化主要集中于太陽能源上，利用設備轉化能源，保障光伏發(fā)電系統的有效運行。與傳統的能源相比較來說，風能等能源進行光伏發(fā)電系統電力供應，更受制于自然環(huán)境的影響，會因為環(huán)境因素，存在一定的間歇性問題。若將光伏發(fā)電系統應用于電網運行中，難以保障電網的穩(wěn)定性，嚴重時會對社會用電造成影響。光伏發(fā)電過程中，當其裝機占據整體系統一定比例，過小還可以保障電網運行；當占據比例過大，無法保障電網的穩(wěn)定性，需要借助儲能系統降低其不確定因素帶來的影響，為電網提供穩(wěn)定的電力。因此，加強儲能技術的研究，也是推動可再生能源進一步發(fā)展的重要條件，也是未來光伏發(fā)電系統供電發(fā)展的必然趨勢。

2.1 運行調度

光伏電源自身具有一定的可調度性，但是這種可調度性會在一定程度上受到外界天氣因素的影響，尤其是在一些天氣變化相對較快的城市或是海拔相對較高的地區(qū)，天空中的云層對于光伏電源可調度性的影響更加明顯。在電網運行商的調度系統中，如果光伏電源的整體占比相對較高，且高于臨界比例，在進行電力調度的過程中就需要采取一系列的保障措施，確保電網運行過程中的可靠性以及安全性能夠切實得到保障。除此之外，常規(guī)電價與光伏電價之間還普遍存在一定的差異，因此，在對電網進行調度的過程中也需要充分考慮經濟性的相關問題，但是上述的所有操作都需要最大限度地避免給電網系統運行過程中的安全帶來不利影響。

2.2 系統保護

光伏發(fā)電系統在實際運轉的過程中，如果遇到光照相對強烈的情況，那么電站在實際進行輸出的過程中功率也會相應增加，進而引發(fā)一系列的連鎖反應，最直接的表現就是短路電流的增加，進而增加過流保護在配合過程中的難度，加大失誤問題的發(fā)生概率。除此之外，電站輸出功率的變化也會在一定程度上影響熔斷器的常規(guī)工作，進而給電網系統的整體運轉帶來十分不利的影響。若光伏發(fā)電系統在工作的過程中沒有正常接入配電網，支路潮流在實際運轉的過程中則多數情況下是屬于單向性輸出，且這種單向性輸出缺乏必要的保護措施。而在光伏發(fā)電系統運轉的過程中，當配電網接入之后，配電網絡自身的性質也會相應地發(fā)生變化，轉成多元配電網絡，但是在這一過程中，網絡潮流的流向則會體現出較強的隨機性特點，控制難度進一步增加，為了保證系統整體的運轉安全，則需要在系統中常規(guī)進行方向性保護裝置的安裝。

2.3 電能質量

光伏發(fā)電系統在日常開展發(fā)電工作的過程中，經常會受到外界環(huán)境因素的影響，尤其是在陰雨天，空中巨大的云層，在一定程度上會遮擋住陽光，就會導致光伏電源的功率在短時間內大幅度上升或是下降，尤其是對大型的光伏系統影響更為普遍，系統內的電壓在短時間內就有可能出現閃變，進而出現較大的頻率波動，除此之外，也有部分類型的光伏發(fā)電系統是進行直流電發(fā)電的，在進行電網接入的過程中，如果采用的是逆變裝置法，那么，諧波的出現概率也會大幅度增加，進而使電網系統的正常運轉受到影響。

3 儲能技術需求

光伏發(fā)電系統互聯網呈現出明顯的開發(fā)性、互動性、智能性，以先進的技術為基礎，形成完整的體系，為人們提供優(yōu)質的服務，其能源網絡對儲能技術的需求主要表現在以下幾方面：

3.1 發(fā)電領域的需求

光伏發(fā)電系統的互聯網架構具有很強的特點，需要根據建立太陽能、風電等可再生能源發(fā)電基地。但在實際應用過程中仍存在一些技術問題，制約了其整體發(fā)展，需要進一步的技術創(chuàng)新才能滿足實際需要。比如現有的太陽能、風電等發(fā)電能源呈現出明顯的波動性和間歇性，對光伏發(fā)電系統有一定的影響，因此功能有待進一步完善。光能和風能的預測偏差也是影響資源利用效率的關鍵問題。要突破資源約束，提高資源利用水平。

3.2 配電領域的需求

現階段，在電網發(fā)展過程中，要根據實際情況解決大容量技術中存在的調峰調頻問題，保證電能質量的提高。比如要解決電網頻率調節(jié)不足的問題，減少頻繁切換造成的頻率調節(jié)功率損耗，從而保證整體穩(wěn)定，提高能效。為了提高調度指令的可靠性，可以根據指令的變化對輸出電平進行優(yōu)化，從而保證配電網的可靠性，為用戶提供高質量的服務。同時，要解決傳統的電壓凹陷、諧波等問題，提高電能的整體質量。

3.3 用戶側需求

加強能源用戶需求管理，根據現階段實際情況進行優(yōu)化，確保儲能技術水平的提高，滿足用戶重要負荷的供電可靠性需求。同時，還要優(yōu)化用戶對熱能的需求，優(yōu)化現有的電蓄熱技術，采用不同形式的儲能，實現能源轉換，盡可能減少化石能源的消耗。例如，下表為現階段儲能技術應用需求，如表1 所示。

表1 儲能技術應用需求

4 儲能技術在光伏發(fā)電系統中的應用

4.1 在電力調峰的應用

所謂電力調峰，主要操作的目的就在于使峰電時段電網負荷較大的時候，居民以及工廠的用電需求能夠最大限度地得到滿足，但是，要能夠在一定程度上對于用電進行調控，使電網負荷的壓力能夠得到有效降低。從電網內部儲存裝置自身的特點來講，其本質上具有一定程度的靈活性，在電網功率負荷相對較低的階段，能夠將光伏發(fā)電系統在實際工作過程中產生的電能進行存儲，存儲的電能主要是在負荷高峰時段進行釋放，這樣的操作方式能夠使電網在實際進行供電過程中的可靠性得到較大幅度的提升，使電網系統的常規(guī)運行能夠真正保證穩(wěn)定，有效避免因電網負荷功率較大而導致的電網運轉故障問題出現，保證供電穩(wěn)定的基礎上，使區(qū)域的用電需求能夠真正得以有效滿足。我國各個地區(qū)在不同時間段用電總量存在波峰以及波谷一直是一個普遍存在的問題，且這一問題一直以來都受到了社會各界的關注。尤其是在用電的波峰階段，由于需要加大發(fā)電量來保證電能供給，導致電網的負荷進一步加大，此時一旦電網在運轉的過程中出現故障，則會在一定程度上導致供電停止的問題，不僅會影響人民的生產以及生活，同時還會在一定程度上影響人民對于供電單位的信任，降低本單位自身的市場競爭力。由此可見，通過將儲能技術應用到電力調峰的過程之中，不僅能夠有效減輕供電峰值時期電網所需要承擔的負荷，同時也能夠使在峰谷時期電網能夠正常運轉，進而有效彌補波峰以及波谷不同時段因供電量調整而給光伏發(fā)電系統帶來的沖擊，確保光伏發(fā)電系統能夠維持穩(wěn)定運轉，降低光伏發(fā)電系統故障問題的發(fā)生概率。

4.2 在電網電能質量控制的應用

在光伏并網發(fā)電系統的實際運轉過程中，要想使電網電能的質量能夠得到有效控制，儲能技術的合理應用必不可少，通過在光伏并網發(fā)電系統中合理應用儲能技術，使光伏電源在實際供電的過程中性能能夠得到最大限度的穩(wěn)定。在這一過程中，工作人員通常情況下會采取一系列的措施對光伏并網進行逆變控制，光伏并網發(fā)電系統在實際工作的過程中，其所產生的電能質量也能夠得到有效控制，而在這一過程中，最主要發(fā)揮作用的就是我們所說的儲能控制系統，通過充分發(fā)揮儲能系統自身的作用，不僅能夠對有源濾波進行調整，同時還能起到穩(wěn)定電壓的作用，使相角能夠始終處在合理的范圍之內，并在相角出現偏差的時候，及時進行調整，保證電網的發(fā)電質量。

4.3 在負荷轉移中的應用

在將儲能技術應用在光伏發(fā)電系統的過程中，負荷轉移技術與前文中提到的電力調峰技術在運轉原理方面有一定的相似之處，但是相比較于電力調峰技術來說，負荷轉移技術具有更高的靈活性。在負荷的低谷階段，光伏發(fā)電系統在實際進行發(fā)電的過程中如果產生了多余的電能，為了有效減少能源的浪費，則能夠根據實際情況對多余的電能進行儲存。而在負荷的高峰階段，由于用電需求的增加，光伏發(fā)電系統在發(fā)電的過程中所釋放出的電能則很難滿足實際需要，此時，儲能系統就可以將自身在之前儲存的多余的電能釋放出來，使電網在供電的過程中能夠最大限度地保證穩(wěn)定。通過將儲能系統與光伏并網發(fā)電系統聯合使用，兩者在相互配合的過程中，則能夠有效減少光伏并網發(fā)電系統在高功率負荷運轉的過程中根據波峰以及波谷用電量的不同而調整發(fā)電量給系統帶來的沖擊，使高峰階段市電的需求能夠得到有效減少，在保證用戶用電的基礎之上，減少用戶的用電支出，不僅保障了供電系統自身的經濟效益，同時也在一定程度上保障了用戶的用電需求。

4.4 復合型儲能光伏并網技術的應用

傳統的光伏并網發(fā)電系統所需要應用的儲能技術十分簡單，而且其功率運行并不十分穩(wěn)定，所以在此基礎上，通過技術升級并使用復合技術，就能保證復合儲能型光伏并網系統的應用可以真正實現提高當前并網系統的應用效率。在我國的光伏發(fā)電系統當中，這種復合型技術的應用十分廣泛，其中很多企業(yè)在建設復合儲能型光伏電網的應用時，可以使用超級電容器加蓄電池的組合方式，這樣通過蓄能就能保證在系統運動時，可以有效降低整體網流的諧波含量，這也可以保障電網功率輸出的穩(wěn)定性獲得有效提升。同時，這種系統還可以搭載變轉器和光伏陣列等其他電子元件，實現利用超級容器和蓄電池之間的優(yōu)勢互補來確保在進行運轉的過程中可以使功率波動問題得到有效緩解，還能真正實現對并網電流波的質量進行調整，這樣就能確保通過此方式來提高光伏電站的整體應用性能。

5 多元復合儲能

在光伏發(fā)電系統中對儲能技術進行應用的過程中，除要考慮所選儲能系統的技術性能之外，還應當將經濟性作為考慮因素。不同的儲能裝置技術參數有所差別，具體包括以下幾個方面：循環(huán)壽命、能量、周期效率等等。然而，現階段并沒有任何一種儲能裝置可以完全達到上述要求，解決這一問題最為有效的途徑是多元復合儲能。所謂的多元復合儲能實質上就是將機械儲能、電磁儲能、電化學儲能等不同類型的儲能技術或裝置，通過合理的方法組合到一起，形成一個全新的儲能系統，該系統具備多種儲能技術的性能，并且能夠實現技術方面的優(yōu)勢互補。通過SMES 與蓄電池復合的儲能系統對風電場的功率波動進行平抑，確保風電處理的平穩(wěn)性與可控性。超導磁的輸出與蓄電池的輸出相同，全部都是直流，為確保輸出能夠順利接入到電力系統當中，需要對直流進行轉換，使其變?yōu)榻涣?，這個過程可以通過變流器來實現。變流器會按照控制器實時傳輸的指令，對兩個儲能單元的充電與放電過程進行精準控制，通過變流器與復合儲能系統的協同運作，可實現電力系統電流的動態(tài)調節(jié)。儲能單元的能量變換由斬波器與變流器配合實現，在此基礎上，可通過直流電流的形式，對能量進行存儲。之所以采用上述結構，與其所具備的優(yōu)勢密切相關，具體如下：復合儲能系統中的儲能單元能夠擁有屬于自己的獨立變流器，這樣便可按照上層傳輸過來的指令實現精確控制。

6 結語

現階段光伏發(fā)電系統中所使用的儲能技術相較于以往已經有了較大幅度的進步，但是，研究人員還需要進一步開發(fā)新的儲能裝置，使我國光伏并網發(fā)電能夠真正得到發(fā)展，使其應用范圍能夠真正得到擴大，讓太陽能光伏并網發(fā)電技術能夠真正使我國的更多人民受益，使發(fā)電能夠真正做到綠色環(huán)保，進而有效減少以往火力發(fā)電給環(huán)境帶來的不利影響。