儲能技術在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應用

侯 怡

（北京誠惠電力工程有限公司，北京 102100）

0 引 言

在全球能源結構轉型的背景下，儲能技術的應用為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展提供了新思路。由于光伏發(fā)電的間歇性和波動性，其并網(wǎng)發(fā)電會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。因此，如何提高光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少其對電力系統(tǒng)的負面影響，成為當前研究的主要難點。

1 儲能技術概述

1.1 儲能技術分類

根據(jù)電能的存儲形式，儲能技術一般包括物理儲能、化學儲能以及電磁儲能3 種。物理儲能是一種通過應用物理原理來儲存和產(chǎn)生電能的技術，主要分為抽水蓄能、壓縮空氣儲能以及飛輪儲能3 種。這些儲能方式均基于物理學原理，通過特定的物理過程將電能轉化為其他形式的能量儲存起來，并在需要時再將儲存的能量轉化為電能進行供應[1]?；瘜W儲能主要涵蓋鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池以及液流電池，利用化學反應來實現(xiàn)能量的存儲與釋放。電磁儲能主要包括超級電容儲能和超導儲能，這2 種方式都是通過電磁場來實現(xiàn)電能的存儲與釋放。

1.2 儲能技術原理

儲能技術的核心理念在于將能量轉換為便于存儲的形態(tài)，并在適當?shù)臅r機將其重新釋放以供使用。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，儲能技術可以有效解決光伏發(fā)電的間歇性和波動性問題。

1.3 儲能技術發(fā)展現(xiàn)狀

目前，抽水蓄能與鋰離子電池等成熟技術已被光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)廣泛采納。這些技術的應用顯著提升了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。與此同時，新型儲能技術如壓縮空氣儲能、飛輪儲能等在不斷發(fā)展壯大，并逐步實現(xiàn)商業(yè)化應用。這些新型儲能技術各具特色與優(yōu)勢，能夠滿足不同場景下的儲能需求。

2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)概述

2.1 光伏發(fā)電原理

光伏發(fā)電是基于半導體材料的光生伏特效應進行工作的。簡單來說，當太陽光或其他光源照射在半導體材料（如硅）上時，光子會激發(fā)材料中的電子，使其從共價鍵中掙脫，進而形成電子-空穴對[2]。在內建電場的作用下，這些電子和空穴會被分離，并分別向相反的方向移動，形成電流。

2.2 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)組成

光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池方陣、蓄電池組、充放電控制器、逆變器及交流配電柜等設備組成。其中，太陽能電池方陣負責將太陽能轉換為電能；蓄電池組用于存儲電能，以便在夜間或陰天供電；充放電控制器用于保護蓄電池組，防止過充或過放；逆變器將直流電轉換為交流電，以便并入電網(wǎng)或供給交流負載；交流配電柜負責將電能分配給各個用電設備，根據(jù)各個用電設備的需求，將電能以正確的功率輸出，以滿足設備的正常工作需求。

配電柜的容量應與所連接設備的總需求相匹配，以防止電能過載引發(fā)事故。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)還需要配備太陽跟蹤控制系統(tǒng)等設備。太陽跟蹤控制系統(tǒng)能夠根據(jù)太陽的位置實時自動調整光伏電池板的角度，使其始終垂直于太陽光的入射角度，從而最大限度地提高光能轉化效率。通過精確計算太陽的位置和時間，太陽跟蹤控制系統(tǒng)能夠確保光伏電池板在白天的每個時刻都能面對陽光，并最大限度地吸收太陽輻射能量。太陽跟蹤控制系統(tǒng)由控制器、傳感器、執(zhí)行機構等部件組成?？刂破髫撠熃邮諅鞲衅鞑杉奶栁恢脭?shù)據(jù)，并根據(jù)預設的算法和相關參數(shù)計算出最適合光伏電池板的角度，將調整信號發(fā)送給執(zhí)行機構，以提高太陽能的利用率。

2.3 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)工作原理

太陽能電池方陣吸收太陽能并將其轉換為直流電。直流電經(jīng)過充放電控制器調節(jié)后，一部分供給直流負載使用，另一部分存儲到蓄電池組中。當需要供給交流負載或并入電網(wǎng)時，逆變器將直流電轉換為交流電，交流電經(jīng)過交流配電柜分配后，供給各個交流負載使用或并入電網(wǎng)。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的作用非常關鍵，不僅要將直流電轉換為交流電，還要根據(jù)電網(wǎng)的電壓和頻率等參數(shù)進行調節(jié)，實時檢測電網(wǎng)的電壓和頻率。通過逆變器內置的電壓和頻率傳感器，精確捕捉電網(wǎng)的實時電壓和頻率數(shù)據(jù)。在獲取到電網(wǎng)的電壓和頻率數(shù)據(jù)后，逆變器會將這些數(shù)據(jù)與預設的參考電壓和頻率進行比較。如果檢測到電網(wǎng)電壓或頻率出現(xiàn)偏差，逆變器將啟動自身的調節(jié)機制。然后逆變器會根據(jù)比較結果調整自身的輸出參數(shù)，包括調整逆變器的輸出電壓和頻率，使其與電網(wǎng)的電壓和頻率保持一致，以確保輸出的交流電符合電網(wǎng)的要求。

3 儲能技術在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應用

3.1 儲能技術在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的重要性

儲能技術能夠解決光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率波動問題。在光照不足或天氣惡劣的情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率會大幅下降，甚至可能出現(xiàn)停電的情況[3]。而儲能技術可以在光照充足時儲存多余的電能，在光照不足時釋放儲存的電能，從而保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出，滿足用戶的用電需求。

3.2 儲能技術在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應用場景

儲能技術被廣泛應用于匹配電力生產(chǎn)和消納、減輕電網(wǎng)壓力等。在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中，由于光伏發(fā)電的波動性，電網(wǎng)需要不斷調節(jié)電力供應來平衡負載[4]。而儲能技術可以在光伏發(fā)電高峰期將多余的電能儲存起來，在光伏發(fā)電低谷期釋放儲存的電能，從而匹配電力生產(chǎn)和消納。當電網(wǎng)出現(xiàn)故障或進行檢修時，儲能系統(tǒng)可以迅速啟動，作為備用電源為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電力支持，確保系統(tǒng)的連續(xù)運行。此外，儲能技術還能有效緩解電網(wǎng)阻塞問題，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。對于數(shù)據(jù)中心而言，儲能系統(tǒng)所釋放出的電力作為數(shù)據(jù)中心的備用電源，能夠在電網(wǎng)故障或檢修時迅速補充電力，保證數(shù)據(jù)中心的正常運行和數(shù)據(jù)安全，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有力保障。

綜上所述，儲能技術應用于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)中心領域，不僅能提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還能降低運營成本，為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟價值。儲能技術在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應用數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 儲能技術在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應用數(shù)據(jù)

3.3 儲能技術在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的效果評估

經(jīng)過對某30 MW 光伏電站的深入分析與研究，為確保電站功率波動的平穩(wěn)抑制和調度計劃的精準跟蹤，決定為該電站配置3 MW/1.8 MW·h 的儲能技術。依據(jù)儲能電池的詳細特性參數(shù)和經(jīng)過嚴格核算的成本模型，根據(jù)儲能電池的單位能量價格、單位功率價格以及輔助設施成本，結合儲能技術的額定功率和額定放電時間，可以計算出年均安裝成本[5]。

年均安裝成本是評估儲能項目投資回報的重要指標之一，在計算時需考慮其他因素，如設備購置費、安裝費用、維護費用及檢修費用等。為了更全面地評估儲能技術的經(jīng)濟性，可以將年均安裝成本與其他投資項目進行對比，如光伏發(fā)電、風能發(fā)電等。

在實際應用中，儲能技術可以分為2 類：一類是用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的儲能技術；另一類是用于新能源消納的儲能技術。針對這2 類儲能技術，計算其年均安裝成本時，所考慮的因素和計算方法略有不同。對于用于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的儲能技術，其在電力系統(tǒng)中的應用價值和效益主要體現(xiàn)在減少系統(tǒng)調峰負荷、提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、降低系統(tǒng)運行成本等方面。因此，在計算這類儲能技術的年均安裝成本時，應充分考慮其在提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性方面的作用，并對比年均安裝成本與系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高程度，從而評估儲能項目的投資回報。對于用于新能源消納的儲能技術，其主要作用是提高新能源發(fā)電的消納能力，減少新能源發(fā)電的棄風棄光現(xiàn)象。在計算這類儲能技術的年均安裝成本時，應充分考慮其在提高新能源消納能力方面的作用，并將年均安裝成本與新能源消納量的增加程度進行對比，從而評估儲能項目的投資回報。

儲能技術在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的收益主要來自減少的考核費用和增加的發(fā)電量收益。根據(jù)光伏發(fā)電站并網(wǎng)運行管理的實施細則，當光伏發(fā)電站因自身原因造成脫網(wǎng)時，將產(chǎn)生一定的考核費用。配置儲能技術后，可以有效減少脫網(wǎng)考核費用。假設減少的脫網(wǎng)考核月度收益為Ikh1，那么年度收益為12×Ikh1。光伏電站出力不足時放電，從而增加上網(wǎng)電量。假設增加的上網(wǎng)電量月度收益為Isw，那么年度收益為12×Isw。綜合這2 項收益，可以得出儲能技術的總收益。儲能技術在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的收益來源如表2 所示。

從表2 可以看出，儲能技術的總收益主要來自2 個方面，即減少的脫網(wǎng)考核收益和增加的上網(wǎng)電量收益。光伏發(fā)電站因自身原因造成脫網(wǎng)時會產(chǎn)生一定的考核費用，而配置儲能技術后能夠有效減少此類費用。在表2 中，月度減少的脫網(wǎng)考核收益為1.0×105元，年度減少的脫網(wǎng)考核收益則達到1.2×106元，當光伏電站出力不足時，儲能技術可以放電以增加上網(wǎng)電量，從而獲得更多收益；月度增加的上網(wǎng)電量收益為1.5×105元，年度增加的上網(wǎng)電量收益則達到1.8×106元，證實了儲能技術在提高光伏電站發(fā)電效益方面的積極作用。

儲能技術在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應用，已經(jīng)成為提高電站經(jīng)濟效益的重要手段。它主要通過2 大途徑為光伏電站帶來顯著的經(jīng)濟收益：一是大幅減少脫網(wǎng)考核費用，儲能系統(tǒng)能在電網(wǎng)需求低谷時充電，在高峰時放電，有效平衡電網(wǎng)負荷，避免因突發(fā)狀況導致的脫網(wǎng)，從而降低相關考核費用；二是顯著增加上網(wǎng)電量收益，借助儲能技術，光伏電站能在日照充足時存儲多余電能，在非高峰時段或夜間釋放，從而增加售電量，提高收益。儲能技術憑借在提升光伏電站運營效益方面的卓越表現(xiàn)，在光伏領域的應用越來越廣泛。隨著技術的不斷進步和成本的持續(xù)降低，儲能技術將成為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中不可或缺的一部分，為清潔能源的可持續(xù)發(fā)展貢獻力量。

4 結 論

在某30 MW 光伏電站的實例中，光伏電站成功減少了脫網(wǎng)考核費用，同時增加了上網(wǎng)電量收益，大幅提升了光伏電站的運營效益。隨著全球對清潔能源的需求不斷增長，儲能技術的引入能夠極大提高光伏發(fā)電的穩(wěn)定性和可調節(jié)性，從而使其更好地適應電網(wǎng)的需求和波動。