光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術(shù)的應(yīng)用探討

鄭立明，葉 駿，叢建鷗

（中國華電科工集團(tuán)有限公司，北京 100160）

1 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成及特征

太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的基本架構(gòu)主要包括5個(gè)部分，分別是儲能裝置、光伏陣列、逆變器、功率最大點(diǎn)跟蹤裝置以及并網(wǎng)變壓器[1]。

光伏陣列是構(gòu)成太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要部分，它是單體太陽能光伏電池進(jìn)行串聯(lián)后封裝而成，然而按照系統(tǒng)要求，電池組還要通過并聯(lián)、串聯(lián)等方式進(jìn)行裝配，隨后安裝于支架上。光伏陣列是把太陽能收集起來并轉(zhuǎn)化成電能的基本單元。功率最大點(diǎn)跟蹤裝置是用于確保太陽能光伏列陣始終處于太陽最佳照射角度的控制裝置，太陽能光伏電池陣列具有非線性的典型特征，輸出時(shí)易受負(fù)載、光照以及溫度影響，實(shí)施功率最大點(diǎn)跟蹤控制，能夠保障太陽能光伏電池陣列在任何環(huán)境下都能輸出最大功率，從而使太陽能光伏電池達(dá)到充分應(yīng)用[2]。儲能應(yīng)用系統(tǒng)具有對并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)的控制和調(diào)節(jié)作用，可以在光照及電量充足時(shí)把盈余的電能轉(zhuǎn)移儲存，之后再結(jié)合具體情況將電能加以釋放，達(dá)到保障電源不斷輸出、調(diào)節(jié)電網(wǎng)平衡供電的目的。并網(wǎng)變壓器與逆變器的目的是把光伏應(yīng)用陣列輸出的低電壓直流電集中轉(zhuǎn)化成為與電壓實(shí)際等級相匹配的交流電，以便為太陽能光伏系統(tǒng)發(fā)電運(yùn)行提供保障[3]。

并網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要特征包括以下3個(gè)方面：（1）影響太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行輸出的主要因素有溫度及光照等，輸出功率受其影響會產(chǎn)生非常明顯的變化，尤其在天氣頻繁變化時(shí)，系統(tǒng)輸出功率就會表現(xiàn)出較強(qiáng)的不可控和隨機(jī)性特征；（2）因?yàn)楣夥⒕W(wǎng)發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)的成本比較高，想要謀求系統(tǒng)資源效益最大化，需要應(yīng)用功率最大點(diǎn)跟蹤技術(shù)，同時(shí)促使電網(wǎng)盡可能地吸收和應(yīng)用；（3）為實(shí)現(xiàn)太陽能的高效應(yīng)用，系統(tǒng)在進(jìn)行并網(wǎng)時(shí)要保證與并網(wǎng)點(diǎn)的電壓和電流具有一致性，也就是說系統(tǒng)只輸出有功的功率[4]。

2 太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)生的電網(wǎng)沖擊

如今，太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)的使用規(guī)模比現(xiàn)有電網(wǎng)的規(guī)模要小，而且系統(tǒng)的儲能設(shè)備需要較高的成本投入，太陽能光伏系統(tǒng)在并網(wǎng)進(jìn)行發(fā)電時(shí)未選擇使用儲能設(shè)備，因此光伏并網(wǎng)系統(tǒng)在使用中會給電網(wǎng)造成不利影響，同時(shí)由于光伏系統(tǒng)的使用規(guī)模越來越廣，太陽能光伏電源的應(yīng)用率越來越高，產(chǎn)生的影響必須要加以關(guān)注[5]。根據(jù)對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行分析和研究可知，該系統(tǒng)影響電網(wǎng)運(yùn)行的主要問題是電源不夠穩(wěn)定，易對電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性等方面造成影響，可見加裝太陽能光伏儲能設(shè)備對電網(wǎng)具有重要作用。

2.1 線路的潮流

在沒有接入太陽能光伏系統(tǒng)時(shí)，發(fā)電電網(wǎng)的支路通電潮流通常為單方向運(yùn)行流動(dòng)，相對于光伏配電網(wǎng)而言，電網(wǎng)在接入太陽能光伏電源后，電網(wǎng)就會徹底改變潮流運(yùn)行的模式，而且變得難以預(yù)測。線路潮流發(fā)生改變令電壓難以控制，造成配電網(wǎng)控制電壓裝置無法正常工作，并且還會導(dǎo)致支路通電潮流、節(jié)點(diǎn)輸出電壓以及變壓器出現(xiàn)越限，對系統(tǒng)正常供電的安全和穩(wěn)定造成不利影響，同時(shí)由于潮流具有一定的不確定性，因此會給電廠生產(chǎn)技術(shù)制定帶來一定的困難。

2.2 電能的質(zhì)量

由于光伏電池經(jīng)常會受到云層的遮擋，使得太陽能光伏電源輸出的功率經(jīng)常會在瞬間由100%下降至30%，甚至更低，也可能會從30%升到100%，因此對于大型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，容易產(chǎn)生波動(dòng)性電壓和電壓閃變，也會產(chǎn)生頻率的變化波動(dòng)[6]。同時(shí)，因?yàn)樘柲芄夥l(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)的輸出電能是直流電，需要逆變設(shè)備使其轉(zhuǎn)變成交流電以后才能融進(jìn)電網(wǎng)，整個(gè)過程會引發(fā)諧波，從而影響電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。

2.3 系統(tǒng)的保護(hù)

在光照比較好的時(shí)候，太陽能光伏電站實(shí)際輸出的功率比較大，這會增強(qiáng)輸出的電流，容易造成過流安全保護(hù)裝置失誤性動(dòng)作，當(dāng)短路輸出電流過大時(shí)還會對熔斷器運(yùn)行造成不利影響。另外，相較于配電網(wǎng)而言，在沒有接入到光伏系統(tǒng)時(shí)支路輸出潮流通常為單向，且保護(hù)缺少方向性，但若是接入到光伏系統(tǒng)，則配電網(wǎng)就會轉(zhuǎn)為多源輸出網(wǎng)絡(luò)，其潮流流向表現(xiàn)出明顯的不確定性，因此在保護(hù)系統(tǒng)上必須增加方向性的保護(hù)裝置[7]。

2.4 運(yùn)行的調(diào)度

太陽能光伏電源實(shí)際輸出的功率容易受到天氣影響，因此增加了控制難度，進(jìn)而也限制了太陽能光伏電源的調(diào)度能力，如果在發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)太陽能光伏電源達(dá)到一定的占比時(shí)，電網(wǎng)經(jīng)營者就要充分考慮對電力實(shí)施安全、穩(wěn)定的調(diào)度。此外，常規(guī)的電價(jià)和光伏的電價(jià)不同，怎樣才能即達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行的安全性，又能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益是值得今后探討的問題。

3 光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中相關(guān)儲能應(yīng)用技術(shù)

太陽能光伏電站實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)，特別是大型太陽能光伏電站的并網(wǎng)會給電網(wǎng)造成一定影響。如今，解決太陽能光伏電站并網(wǎng)所帶來的不利影響，增加并網(wǎng)電站容量的辦法有兩個(gè)，其一是以電網(wǎng)為基礎(chǔ)增加電網(wǎng)適用性，打造智能型電網(wǎng)；其二是以太陽能光伏電站為基礎(chǔ)，給光伏并網(wǎng)電站增設(shè)儲能備[8]。電力系統(tǒng)的儲能應(yīng)用技術(shù)一般被應(yīng)用于太陽能光伏電站中，能利用充放電的適當(dāng)調(diào)控解決并網(wǎng)電站存在的輸出異常問題，防止因?yàn)樘柲芄夥娫床粔蚍€(wěn)定而產(chǎn)生的一切不利影響。太陽能光伏并網(wǎng)電站在增設(shè)儲能設(shè)備后，不但可以解決以上問題，還能使用相應(yīng)控制方法，最終給用戶及電網(wǎng)帶來環(huán)保、效益以及成本方面的利益[9]。

3.1 電網(wǎng)中的應(yīng)用

（1）電力的調(diào)峰。進(jìn)行調(diào)峰的作用是要降低峰電期大功率荷載對電能的使用需求，可以降低對電網(wǎng)造成的壓力。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)儲能設(shè)備可以按照實(shí)際需求在最低負(fù)荷時(shí)把電能集中儲存起來，當(dāng)進(jìn)入高負(fù)荷期時(shí)加以釋放，增強(qiáng)電網(wǎng)輸出功率，提高供電的安全穩(wěn)定性。

（2）控制電能的質(zhì)量。系統(tǒng)儲能設(shè)備接入光伏系統(tǒng)，對太陽能光伏電源具有改善作用，提高供電的穩(wěn)定性，故此根據(jù)相應(yīng)逆變對策，儲能功能還能對電能的質(zhì)量加以控制，對相角調(diào)整和平穩(wěn)電壓等具有控制作用。

（3）微電網(wǎng)。該電網(wǎng)發(fā)電并網(wǎng)將成為輸配電未來發(fā)展的主要方向，能夠有效增強(qiáng)供電的安全穩(wěn)定性能，若將系統(tǒng)同微電網(wǎng)進(jìn)行分離，微電網(wǎng)就如同在孤島上運(yùn)行，其電源只能獨(dú)立承擔(dān)負(fù)荷輸送任務(wù)，同時(shí)在太陽能光伏電源所構(gòu)建的電網(wǎng)中，儲能功能是負(fù)責(zé)提供給負(fù)載可靠安全供電的基本保障。

3.2 電站中具體應(yīng)用

3.2.1 負(fù)荷的轉(zhuǎn)移

站在技術(shù)層面看，對負(fù)荷的轉(zhuǎn)移與調(diào)峰相似，只是實(shí)現(xiàn)負(fù)荷應(yīng)用的基礎(chǔ)是以用戶實(shí)際使用市電計(jì)費(fèi)情況而定，大部分負(fù)荷的高峰期都不在發(fā)電量較高的白天，多數(shù)出現(xiàn)在高峰發(fā)電期之后，儲能功能能夠在負(fù)荷較低的時(shí)候把光伏電能有效保存起來，等到出現(xiàn)高峰時(shí)投入，如此儲能功能與光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用能夠降低用戶的高峰用電量，給用戶帶來經(jīng)濟(jì)效益[10]。

3.2.2 負(fù)荷的響應(yīng)

為了確保電網(wǎng)在高負(fù)荷時(shí)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)能自動(dòng)選擇高功率負(fù)荷加以控制，以保證它們可以在高負(fù)荷期相互交替進(jìn)行工作。在給這些用戶配備太陽能光伏儲能功能后，可防止負(fù)荷應(yīng)用控制給高功率的設(shè)備運(yùn)行造成不利影響，負(fù)荷應(yīng)用控制功能的實(shí)現(xiàn)需要通過電網(wǎng)與電站之間的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。

3.2.3 斷電的保護(hù)

太陽能光伏儲能功能最大的益處是能夠?yàn)橛脩魧?shí)現(xiàn)斷電安全保護(hù)，也就是當(dāng)用戶不能得到市電正常供電時(shí)，可用光伏并網(wǎng)系統(tǒng)為其提供充足的電能。如此形成電力供應(yīng)孤島是有利于電網(wǎng)及用戶的，即能讓電網(wǎng)在處于用電高峰期將部分負(fù)荷切掉，又能保證電力使用者在無電力供應(yīng)情況下繼續(xù)工作。

4 儲能應(yīng)用技術(shù)的未來發(fā)展

如今，在太陽能光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中使用蓄電池作為儲能設(shè)備，可蓄電池存在使用壽命短、價(jià)格高、充電和放電條件嚴(yán)格、功率密度較低等缺點(diǎn)，使其在并網(wǎng)系統(tǒng)中的廣泛推廣和使用受到制約。為了有效的推廣應(yīng)用儲能功能，快速提升光伏電網(wǎng)的性能，儲能應(yīng)用系統(tǒng)的未來發(fā)展應(yīng)遵循控制應(yīng)用技術(shù)、儲能應(yīng)用技術(shù)以及綜合分析應(yīng)用技術(shù)。

4.1 控制技術(shù)

為了有效延長儲能設(shè)備的使用期限，實(shí)現(xiàn)能量的最大輸出和使用效率的最佳狀態(tài)，就要根據(jù)儲能設(shè)備特征合理配置充放電措施。例如，給原有鉛酸類蓄電池充電，需要具備低電流和長時(shí)間的充電環(huán)境，以防止產(chǎn)生結(jié)晶，若是充電時(shí)電流特別大，電池自身儲電功能就會降低，電池的壽命也會隨之減少。將太陽能光伏電池用于電網(wǎng)儲能需要提供完善的充電環(huán)境，故此研發(fā)新的儲能功能應(yīng)用系統(tǒng)有效解決充放電控制問題非常關(guān)鍵。除此之外，用于儲能的常用設(shè)備的工頻型交流電不能直接應(yīng)用，可見研發(fā)與之相配的轉(zhuǎn)化電能裝置顯得尤為重要。

4.2 儲能技術(shù)

在光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中所使用蓄能設(shè)備的工作環(huán)境非常惡劣，另外因?yàn)楣夥l(fā)電存在電力輸出不太穩(wěn)定的情況，同時(shí)也存在蓄能設(shè)備充電、放電的條件相對很差以及充電、放電的頻率較高的問題。因此，根據(jù)光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和蓄能設(shè)備研發(fā)的現(xiàn)狀，提出今后光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)中的蓄能設(shè)備發(fā)展方向如下：（1）蓄能設(shè)備必須增大能量儲備的密度以及功率輸出的密度；（2）蓄能設(shè)備循環(huán)使用的壽命必須得到延長；（3）蓄能設(shè)備充電、放電的速度必須加快；（4）蓄能設(shè)備使用的環(huán)境應(yīng)該更為寬泛；（5）蓄能設(shè)備的成本必須得到降低。

4.3 建模分析

在建立光伏發(fā)電以及電力蓄能時(shí)，首先要對其進(jìn)行綜合的、全面的分析研究，其中包括系統(tǒng)可靠性的分析、管理運(yùn)行的分析以及經(jīng)濟(jì)性的分析。在分析的過程中，要依據(jù)現(xiàn)有光伏發(fā)電行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，分析出蓄能在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的使用成本，根據(jù)分析出的成本推算出蓄能在光伏系統(tǒng)中產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。當(dāng)前，蓄能設(shè)備在光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行中還存在不足，因此光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行設(shè)計(jì)之初，開發(fā)人員會利用仿真與建模的方式對蓄能設(shè)備應(yīng)用于光伏發(fā)電并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，仿真軟件能夠真實(shí)地模擬出蓄能設(shè)備與光伏發(fā)電站運(yùn)行的實(shí)際狀況，從而為設(shè)計(jì)者提供接近真實(shí)的有關(guān)數(shù)據(jù)。

5 結(jié) 論

在當(dāng)前的光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)中使用蓄能技術(shù)是徹底解決由于光伏發(fā)出電能存在波動(dòng)對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的主要解決方案，不僅為用戶創(chuàng)造了一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且也為電網(wǎng)補(bǔ)充了電力，為電力企業(yè)創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)利益。所以說，儲能技術(shù)應(yīng)用到光伏電網(wǎng)的研究將是光伏發(fā)電研究的一個(gè)方向，蓄能技術(shù)研究成果將會推動(dòng)光伏發(fā)電以及并網(wǎng)供電走上實(shí)用化的道路。