儲能技術在光伏發電系統中的應用研究

李滿

摘 要：本文通過重點研究超導磁場儲能、超級電容儲能、飛輪儲能等幾種儲能技術相關特點，重點探討其在光伏并網發電系統中的應用，目的在于研究儲能技術在光伏并網發電系統中的應用，用于提高光伏發電系統電能的利用效率，及提高發電系統運行的穩定性。

關鍵詞：超導磁場儲能;超級電容儲能;光伏發電系統

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

0 引言

隨著現代社會人類對能源和環境保護的協調發展的認知越來越高，同時面臨對能源的需求越來越大，光伏發電技術越來越受到重視。但是光伏發電產生的電源具有一定的間斷性、波動性的特點，導致光伏發電無法持續性的供電和夜間無法發電的狀況，不能滿足對負荷的連續性需求。引入儲能技術能較好地改善光伏發電系統特性，實現系統的持續供電和系統的穩定性。但是儲能技術在光伏發電系統的分析和研究還處在發展的初期階段，技術還不夠成熟、完善，工程應用僅限于小容量系統，在大功率光伏發電系統的應用受到了一定的限制，隨著光伏發電裝機規模的不斷擴大，儲能技術在光伏發電系統中應用將越來越受到關注。

1 光伏發電系統簡介

光伏發電系統是利用光伏電池的伏特效應將光能轉化為直流電，通過光伏并網逆變器轉換為與電網同頻率、同相位的三相交流電并入電網的發電系統[1]。光伏發電能源無限、不受區域的限制、清潔。但是光伏發電利用率較低，需要建設大面積的光伏電池組件，同時受天氣影響巨大，發電時間局限性大（只能在有陽光的時段發電）。因此研究如何有效儲存電能來提供無法發電時段的電能利用，及減少最大功率發電無法存儲而造成的巨大的浪費越來越受到各界的關注，儲能技術成為亟待突破的技術。

2 儲能技術在光伏發電系統中的應用

儲能技術主要是借助外來的介質實現多余能量儲存，進而在需要的時候釋放能量。常見的電儲能技術有壓縮空氣儲能、化學電池儲能、蓄水儲能、超級電容儲能和飛輪儲能、超導磁場儲能等。壓縮空氣儲能、蓄水儲能是常規的儲能方式，目前多有應用實例，地域的局限性也較大。電池儲能可以滿足短時應急電能的利用，且成本過高、體積過大。超級電容儲能和飛輪儲能、超導磁場儲能是目前解決成本和地域限制的新型儲能方式，本文主要講述這三類儲能技術在光伏發電系統中的應用。

2.1 超導磁場儲能在光伏發電系統中的應用

超導磁場儲能是將超導體放在一定的磁場當中，對超導體進行降溫，一直到超導體的臨界的溫度以下，然后把磁場撤掉，超導體內部將在臨界溫度下因磁場磁力影響下出現感應電流。目前為了利用超導體在臨界溫度下產生持續性的電能，進而獲取長時間儲存電能的效果，是現在技術和實際應用上亟待解決的問題。

光伏發電系統和超導儲能系統通過交流母線相連為本地負荷供電。有學者就利用光伏出力與本地負荷需求的差值作為SMES控制器的功率控制信號策略，建立了超導儲能系統模型，并對其在光伏發電系統的中的運行控制方式進行研究，很好地解決光伏發電功率易受環境影響、不可調節、難于滿足負荷需求的問題，對由負荷變化引起的母線電壓波動和故障引起的母線電壓跌落具有良好的補償作用[2]。

2.2 超級電容儲能在光伏發電系統中的應用

超級電容儲能利用雙電層充放電原理來工作，其電解液中的陰、陽離子在電場的作用下分別向正、負電極移動，最終在電極表面形成雙電層，通過高度可逆的化學吸附、脫附和氧化還原反應來存儲能量。作為新興的儲能材料，超級電容具有功率密度高、充放電效率高、無污染等優點。

近年來，對超級電容儲能技術進行大量研究開發，并取得顯著的成果。有人利用超級電容容量大、可無限次循環充放電的特點，將超級電容器與功率器件組合成的功率變換電路接入光伏發電陣列與負載之間，通過補償光伏電池輸出電壓來改變光伏陣列輸出特性，從而控制光伏發電系統完成最大功率點跟蹤[3]，實驗驗證該技術可以實現MPPT快速、穩定跟蹤，取得一定的成果。設計了超級電容器的充電控制器和放電控制器，對系統的總體結構和控制系統進行設計，搭建超級電容器儲能的獨立光伏發電系統的小功率實驗平臺，并通過仿真和實驗結果驗證了方案的可行性以及良好的可靠性和穩定性[4]。

2.3 飛輪儲能在光伏發電系統中的應用

飛輪儲能系統是一種新型的儲能元件，是機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，放電時通過飛輪的帶動發電機發電，并通過電力電子裝置的轉換成可利用的電能，保持階段保持飛輪的額定轉速轉動，既不充電也不放電[4]。其經濟性較強，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，具有發展前景良好，擁有巨大的市場潛力。因此，飛輪儲能系統受到行業內很大的關注。有人提出了一種基于模糊控制的光伏飛輪儲能系統有功平滑控制策略，將模糊控制應用于平抑有功功率，有效地提高了功率的平滑輸出、較大程度地減小了光伏發電的功率波動、提高了電能質量、降低了對電網的沖擊[5]。同時有文獻中設計了基于飛輪儲能的可并網電源方案和相關硬件電路系統，通過仿真驗證BOOST逆變電路的可行性。特別是一些學者在研究基于飛輪儲能的充放電特性在風光互補多逆變器串聯發電系統中的電壓穩定性問題，將飛輪電池并聯在風力發電單元的直流母線上，增加系統的最大可發電功率，提高系統的電壓穩定性。

3 結論

本文通過對幾種儲能方式進行研究分析，探討了其在光伏發電系統的應用和目前的發展狀況，展望未來儲能技術在光伏發電系統中可以提高電能的轉換效率、輸出電能質量、供電安全性與可靠性等，具有很好的應用前景。

參考文獻：

[1]靳志會.太陽能光伏發電系統設計及運行分析[D].河北工業大學，2012.

[2]劉金棟.超級電容器在光伏發電系統中的研究與應用[D].長安大學，2015.

[3]彭道福.超級電容器儲能系統在光伏發電系統中的研究與應用[D].北京交通大學，2011.

[4]馬駿毅，巴宇，趙偉等.飛輪儲能的關鍵技術分析及研究狀況[J].智能電網，2017（01）.

[5]馬駿毅，衛志農，湯同峰等.基于模糊控制的光伏飛輪儲能系統有功平滑控制[J].水電能源科學，2013（03）.