儲能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

周春生

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

在我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的形勢下，我國的用電負(fù)荷不斷增加，而且由于目前全球資源緊缺和環(huán)境惡化問題的不斷加劇，我國也加大了開發(fā)和利用清潔型可再生能源的力度。其中光伏發(fā)電機(jī)組的建設(shè)規(guī)模在不斷擴(kuò)大，裝機(jī)容量也在不斷增加，其并網(wǎng)發(fā)電為緩解目前電力系統(tǒng)的電能供應(yīng)壓力和我國電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整有著重要作用。但由于光伏發(fā)電隨光照強(qiáng)度的變化，穩(wěn)定性較差，且光伏發(fā)電產(chǎn)生電量無法儲存，給光伏并網(wǎng)電能質(zhì)量造成一定影響，所以只能將其轉(zhuǎn)換為電能進(jìn)行儲存來滿足電網(wǎng)用電負(fù)荷高峰時的使用，而且光伏發(fā)電的輸出功率容易受到環(huán)境條件中光照強(qiáng)度以及溫度等因素變化的影響，在并網(wǎng)發(fā)電時容易對電網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊影響，因此需要采用適當(dāng)?shù)膬δ芗夹g(shù)對其進(jìn)行控制以及對并網(wǎng)發(fā)電時對電網(wǎng)的沖擊進(jìn)行減弱，在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中占有重要地位。

1 光伏并網(wǎng)儲能系統(tǒng)的組成

典型的光伏并網(wǎng)存儲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由光伏陣列、最大功率跟蹤器、存儲系統(tǒng)和太陽能逆變器四部分組成。光伏陣列是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，通過光伏組件按一定規(guī)律串、并聯(lián)組成，是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的能量轉(zhuǎn)換單元。光伏陣列的輸出直接受到光照、溫度和負(fù)載的影響。最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制可以保證在自然條件下的最大功率輸出，最大限度地利用光伏能量。儲能系統(tǒng)起到調(diào)節(jié)和控制的作用，在光照好、功率充足時儲存一部分電能，在需要時釋放一部分電能。太陽能逆變器的作用是將光伏陣列的低壓直流轉(zhuǎn)換為合適電壓水平的交流，從而為光伏并網(wǎng)發(fā)電提供必要的條件。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)影響

2.1 對線路潮流的影響

電網(wǎng)正常運(yùn)行過程中支路潮流通常情況下呈現(xiàn)出單向流動特征，而且會隨著與升壓站（匯集站）之間距離的增加導(dǎo)致配電網(wǎng)有功潮流單調(diào)逐漸減小。然而，當(dāng)光伏電源接入電力系統(tǒng)時，其出力是不可預(yù)測的。功率的變化使電壓調(diào)節(jié)更加困難，和電壓調(diào)節(jié)裝置在整個電力系統(tǒng)經(jīng)常出現(xiàn)異常，節(jié)點(diǎn)電壓超限和變壓器容量超限，將嚴(yán)重影響整個供電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。此外，由于潮流的隨機(jī)性，會影響電廠的發(fā)電規(guī)劃。

2.2 對于系統(tǒng)保護(hù)的影響

光伏電站的整體輸出功率本身就是受光照的影響，如果光照加強(qiáng)，相應(yīng)的輸出功率和短路電流會相應(yīng)增加，所以當(dāng)前可能導(dǎo)致局部電流過大，短路或其他意想不到的情況下，熔斷器熔斷等原因造成無法正常工作。此外，的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，功率流的原始單向操作分支已經(jīng)改變，和分銷網(wǎng)絡(luò)也被成功地轉(zhuǎn)化為一個多源電網(wǎng)，但由于沒有明確的方向之前或之后連接到光伏系統(tǒng)，必須增加防止孤島，逆功率保護(hù)等保護(hù)措施保證光伏電站的安全運(yùn)行。

2.3 對電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的影響

光伏電源本身輸出功率不穩(wěn)定，影響電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)電網(wǎng)運(yùn)行完成后，需要增加一定容量的備用，這樣才能充分保證系統(tǒng)具備調(diào)峰、調(diào)頻等基本技能。由此可見，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率主要基于機(jī)組利用小時數(shù)的減少，從而影響整個電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。同時，在實(shí)際分析電網(wǎng)節(jié)能環(huán)保效果時，要充分考慮儲備所產(chǎn)生的能源消耗和排放。

3 儲能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 在電網(wǎng)電能質(zhì)量控制上的應(yīng)用

在電網(wǎng)電能質(zhì)量控制上，將儲能技術(shù)應(yīng)用在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，可以對光伏電源的供電特性進(jìn)行改善，進(jìn)而提高供電的穩(wěn)定性，利用合理的逆變控制措施，儲能技術(shù)讓光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)可以對調(diào)整相角、有源濾波及電壓等進(jìn)行控制。光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的儲能技術(shù)可以為用戶提供良好的電能保護(hù)功能，當(dāng)無法為用戶提供正常供電時，光伏系統(tǒng)可以為用戶提供電能，但當(dāng)電力系統(tǒng)本身發(fā)生故障或?qū)τ脩粲形ｋU時，光伏發(fā)電系統(tǒng)將選擇自動切斷電源，電源切斷后存儲電能。荷載傳遞由儲能技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中基于分時的使用和充電電力市場光伏發(fā)電用戶。就其本身而言，該技術(shù)類似于用于峰值負(fù)荷調(diào)節(jié)的技術(shù)，即存儲系統(tǒng)可以存儲滿足基本需求的多余電能，并在峰值時釋放出來。此外，儲能技術(shù)在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，也可以減少負(fù)荷響應(yīng)策略對于高峰負(fù)荷時大功率交流運(yùn)行的不利影響。

3.2 負(fù)荷轉(zhuǎn)移

從技術(shù)角度看，負(fù)荷轉(zhuǎn)移類似于調(diào)峰負(fù)荷，但其實(shí)現(xiàn)是基于用戶使用分時計量電力。許多高峰負(fù)荷時不發(fā)生在白天光伏系統(tǒng)是完全充電，但在高峰期后，從光伏系統(tǒng)能量存儲系統(tǒng)可以存儲能量較低的加載時間而不是向網(wǎng)格使用它完全在峰值負(fù)載的時候，能量存儲系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)可以減少電力需求在高峰時間，并讓用戶獲得更多的經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 負(fù)載響應(yīng)

為了保證電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行負(fù)荷高峰期間，選擇一些大功率負(fù)載控制和使他們能夠交替操作負(fù)荷高峰期間，當(dāng)這些高級用戶配備光伏儲能系統(tǒng)中，負(fù)載響應(yīng)策略的影響大功率設(shè)備的正常運(yùn)行是可以避免的。負(fù)荷響應(yīng)控制系統(tǒng)要求光伏儲能電站與電網(wǎng)之間至少有一條通信線路。

3.4 斷電保護(hù)

光伏儲能系統(tǒng)的一個重要優(yōu)點(diǎn)是可以為用戶提供斷電保護(hù)，即在用戶無法得到正常供電時，光伏系統(tǒng)可以為用戶提供所需的電能。這種孤島對用戶和電網(wǎng)都是有益的，它不僅可以讓電網(wǎng)在高峰負(fù)荷時切斷部分電力負(fù)荷，還可以在無電的情況下讓電力用戶繼續(xù)工作。

3.5 儲能單元控制

能源存儲單元控制，以確保能源存儲單元來滿足光伏系統(tǒng)需求的響應(yīng)，而且提高儲能單元充電和放電環(huán)境，設(shè)計合理、有效的控制策略根據(jù)不同工作模式的能量存儲單元。

3.6 改善儲能技術(shù)

能源存儲設(shè)備用于發(fā)電的光伏發(fā)電往往在嚴(yán)酷的環(huán)境下運(yùn)作，和儲能系統(tǒng)的充放電條件差是由于光伏發(fā)電的輸出不穩(wěn)定，有時需要頻繁的充電和放電的小周期。鑒于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn)和儲能裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，光伏并網(wǎng)發(fā)電的儲能技術(shù)需要從以下幾個方面進(jìn)行發(fā)展和完善：a提高能量密度和功率密度；b延長儲能裝置的循環(huán)壽命；c提高充放電速度；d確保在更廣泛的環(huán)境下安全可靠地運(yùn)行；e降低成本。

4 能量存儲系統(tǒng)開發(fā)需求

4.1 控制技術(shù)

根據(jù)能源存儲設(shè)備的使用特點(diǎn)建立合理的充放電控制設(shè)備，能源存儲設(shè)備發(fā)揮最大能量輸出，讓能源存儲設(shè)備使用效率和使用壽命達(dá)到最好的。與傳統(tǒng)的鉛酸電池一樣，它需要長時間的低電流充電，以防止鉛板結(jié)晶，這會降低電池的存儲容量和使用壽命。光伏電池的充電環(huán)境較差，充放電頻繁，電流功率由高到低變化，影響電池的自適應(yīng)壽命。然后需要開發(fā)先進(jìn)的儲能裝置控制管理系統(tǒng)，這樣儲能裝置的充放電才能得到有效的解決。然而，交流工頻在目前的儲能設(shè)備中還不能直接使用，配套的功率轉(zhuǎn)換裝置還需要不斷的研發(fā)。

4.2 儲能技術(shù)

光伏并網(wǎng)發(fā)電儲能裝置工作環(huán)境惡劣，光伏發(fā)電出力不穩(wěn)定，影響儲能裝置工作。儲能系統(tǒng)的充放電條件也很差，有時需要小周期的頻繁充放電。鑒于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)和儲能裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，光伏并網(wǎng)發(fā)電的儲能技術(shù)需要從以下幾個方面進(jìn)行發(fā)展和完善：提高能量密度和功率密度，延長儲能裝置的循環(huán)壽命，提高充放電速度，保證在更廣闊的環(huán)境下安全可靠地運(yùn)行，降低成本。

4.3 系統(tǒng)建模全面分析

為了使光伏儲能系統(tǒng)的發(fā)展科學(xué)合理，需要對光伏儲能系統(tǒng)進(jìn)行全面的分析，包括系統(tǒng)運(yùn)行管理、運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性等。根據(jù)光伏行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，對光伏儲能系統(tǒng)的生命周期和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析是十分必要的。有必要開發(fā)人員根據(jù)系統(tǒng)建立模型，模擬能量存儲系統(tǒng)的應(yīng)用在并網(wǎng)光伏電站，光伏儲能系統(tǒng)全面的分析操作，不斷分析和改善，促進(jìn)儲能系統(tǒng)在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)合理的應(yīng)用，讓儲能系統(tǒng)成熟、合理的發(fā)展，提高光伏儲能系統(tǒng)的應(yīng)用效果與價值。

5 結(jié)語

儲能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，為解決光伏發(fā)電對電網(wǎng)的不利影響提供了一種可行的方案。它的應(yīng)用，無論是在用戶端還是在電網(wǎng)端，都將帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益。因此，儲能技術(shù)的應(yīng)用將成為未來一個重要的研究方向。