儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

閆中元

中煤天津設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司 天津 300131

社會(huì)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(tǒng)進(jìn)行彌補(bǔ)。當(dāng)前，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)不斷的優(yōu)化，傳統(tǒng)能源與光伏發(fā)電系統(tǒng)共存，導(dǎo)致電網(wǎng)系統(tǒng)更加復(fù)雜?；诠夥l(fā)電系統(tǒng)的強(qiáng)力支持下，需要大力推動(dòng)光伏發(fā)電系統(tǒng)領(lǐng)域的光伏發(fā)電系統(tǒng)，保障社會(huì)的用電壓力需求。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中合理應(yīng)用儲(chǔ)能裝置，可以有效降低光伏發(fā)電機(jī)組實(shí)際工作過(guò)程中因波動(dòng)引起的功率變化，降低功率變化對(duì)電網(wǎng)和敏感負(fù)荷的影響，并保證光伏系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)從離網(wǎng)狀態(tài)到并網(wǎng)狀態(tài)的平穩(wěn)過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)整體供電質(zhì)量的提高。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

從當(dāng)前的角度對(duì)能源技術(shù)進(jìn)行分析，太陽(yáng)能是最常見(jiàn)的新能源。利用光伏發(fā)電為電網(wǎng)提供電力，保障源源不斷的電力，依托的是太陽(yáng)本身較強(qiáng)的可再生性。與其他能源相比較，太陽(yáng)擁有的能源是取之不竭的，并且具有穩(wěn)定性?？梢栽谠O(shè)備轉(zhuǎn)化基礎(chǔ)上，將其轉(zhuǎn)化為電能。例如，太陽(yáng)能池板利用設(shè)備收集太陽(yáng)能，對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行處理后，產(chǎn)生集熱效應(yīng)。但是與其他的新能源相比較，光伏發(fā)電系統(tǒng)能提供的電能較低，難以為功率較大的電力設(shè)備提供電力。因此，只能應(yīng)用于功率較小的設(shè)備或者系統(tǒng)中，保障光伏發(fā)電的有效應(yīng)用。同時(shí)，研究人員需要基于太陽(yáng)能的應(yīng)用基礎(chǔ)上，著手研發(fā)新技術(shù)，保障光伏發(fā)電系統(tǒng)能得到更廣泛的應(yīng)用，提升太陽(yáng)能的利用率。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)的影響

當(dāng)前關(guān)于光伏發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，對(duì)于能源的轉(zhuǎn)化主要集中于太陽(yáng)能源上，利用設(shè)備轉(zhuǎn)化能源，保障光伏發(fā)電系統(tǒng)的有效運(yùn)行。與傳統(tǒng)的能源相比較來(lái)說(shuō)，風(fēng)能等能源進(jìn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)電力供應(yīng)，更受制于自然環(huán)境的影響，會(huì)因?yàn)榄h(huán)境因素，存在一定的間歇性問(wèn)題。若將光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于電網(wǎng)運(yùn)行中，難以保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)社會(huì)用電造成影響。光伏發(fā)電過(guò)程中，當(dāng)其裝機(jī)占據(jù)整體系統(tǒng)一定比例，過(guò)小還可以保障電網(wǎng)運(yùn)行；當(dāng)占據(jù)比例過(guò)大，無(wú)法保障電網(wǎng)的穩(wěn)定性，需要借助儲(chǔ)能系統(tǒng)降低其不確定因素帶來(lái)的影響，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力。因此，加強(qiáng)儲(chǔ)能技術(shù)的研究，也是推動(dòng)可再生能源進(jìn)一步發(fā)展的重要條件，也是未來(lái)光伏發(fā)電系統(tǒng)供電發(fā)展的必然趨勢(shì)。

2.1 運(yùn)行調(diào)度

光伏電源自身具有一定的可調(diào)度性，但是這種可調(diào)度性會(huì)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(duì)較快的城市或是海拔相對(duì)較高的地區(qū)，天空中的云層對(duì)于光伏電源可調(diào)度性的影響更加明顯。在電網(wǎng)運(yùn)行商的調(diào)度系統(tǒng)中，如果光伏電源的整體占比相對(duì)較高，且高于臨界比例，在進(jìn)行電力調(diào)度的過(guò)程中就需要采取一系列的保障措施，確保電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的可靠性以及安全性能夠切實(shí)得到保障。除此之外，常規(guī)電價(jià)與光伏電價(jià)之間還普遍存在一定的差異，因此，在對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行調(diào)度的過(guò)程中也需要充分考慮經(jīng)濟(jì)性的相關(guān)問(wèn)題，但是上述的所有操作都需要最大限度地避免給電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的安全帶來(lái)不利影響。

2.2 系統(tǒng)保護(hù)

光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，如果遇到光照相對(duì)強(qiáng)烈的情況，那么電站在實(shí)際進(jìn)行輸出的過(guò)程中功率也會(huì)相應(yīng)增加，進(jìn)而引發(fā)一系列的連鎖反應(yīng)，最直接的表現(xiàn)就是短路電流的增加，進(jìn)而增加過(guò)流保護(hù)在配合過(guò)程中的難度，加大失誤問(wèn)題的發(fā)生概率。除此之外，電站輸出功率的變化也會(huì)在一定程度上影響熔斷器的常規(guī)工作，進(jìn)而給電網(wǎng)系統(tǒng)的整體運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)十分不利的影響。若光伏發(fā)電系統(tǒng)在工作的過(guò)程中沒(méi)有正常接入配電網(wǎng)，支路潮流在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中則多數(shù)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(hù)措施。而在光伏發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中，當(dāng)配電網(wǎng)接入之后，配電網(wǎng)絡(luò)自身的性質(zhì)也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，轉(zhuǎn)成多元配電網(wǎng)絡(luò)，但是在這一過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)潮流的流向則會(huì)體現(xiàn)出較強(qiáng)的隨機(jī)性特點(diǎn)，控制難度進(jìn)一步增加，為了保證系統(tǒng)整體的運(yùn)轉(zhuǎn)安全，則需要在系統(tǒng)中常規(guī)進(jìn)行方向性保護(hù)裝置的安裝。

2.3 電能質(zhì)量

光伏發(fā)電系統(tǒng)在日常開(kāi)展發(fā)電工作的過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)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(huì)遮擋住陽(yáng)光，就會(huì)導(dǎo)致光伏電源的功率在短時(shí)間內(nèi)大幅度上升或是下降，尤其是對(duì)大型的光伏系統(tǒng)影響更為普遍，系統(tǒng)內(nèi)的電壓在短時(shí)間內(nèi)就有可能出現(xiàn)閃變，進(jìn)而出現(xiàn)較大的頻率波動(dòng)，除此之外，也有部分類(lèi)型的光伏發(fā)電系統(tǒng)是進(jìn)行直流電發(fā)電的，在進(jìn)行電網(wǎng)接入的過(guò)程中，如果采用的是逆變裝置法，那么，諧波的出現(xiàn)概率也會(huì)大幅度增加，進(jìn)而使電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)受到影響。

3 儲(chǔ)能技術(shù)需求

光伏發(fā)電系統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)出明顯的開(kāi)發(fā)性、互動(dòng)性、智能性，以先進(jìn)的技術(shù)為基礎(chǔ)，形成完整的體系，為人們提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)，其能源網(wǎng)絡(luò)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求主要表現(xiàn)在以下幾方面：

3.1 發(fā)電領(lǐng)域的需求

光伏發(fā)電系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)具有很強(qiáng)的特點(diǎn)，需要根據(jù)建立太陽(yáng)能、風(fēng)電等可再生能源發(fā)電基地。但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在一些技術(shù)問(wèn)題，制約了其整體發(fā)展，需要進(jìn)一步的技術(shù)創(chuàng)新才能滿(mǎn)足實(shí)際需要。比如現(xiàn)有的太陽(yáng)能、風(fēng)電等發(fā)電能源呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)性和間歇性，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)有一定的影響，因此功能有待進(jìn)一步完善。光能和風(fēng)能的預(yù)測(cè)偏差也是影響資源利用效率的關(guān)鍵問(wèn)題。要突破資源約束，提高資源利用水平。

3.2 配電領(lǐng)域的需求

現(xiàn)階段，在電網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中，要根據(jù)實(shí)際情況解決大容量技術(shù)中存在的調(diào)峰調(diào)頻問(wèn)題，保證電能質(zhì)量的提高。比如要解決電網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)不足的問(wèn)題，減少頻繁切換造成的頻率調(diào)節(jié)功率損耗，從而保證整體穩(wěn)定，提高能效。為了提高調(diào)度指令的可靠性，可以根據(jù)指令的變化對(duì)輸出電平進(jìn)行優(yōu)化，從而保證配電網(wǎng)的可靠性，為用戶(hù)提供高質(zhì)量的服務(wù)。同時(shí)，要解決傳統(tǒng)的電壓凹陷、諧波等問(wèn)題，提高電能的整體質(zhì)量。

3.3 用戶(hù)側(cè)需求

加強(qiáng)能源用戶(hù)需求管理，根據(jù)現(xiàn)階段實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，確保儲(chǔ)能技術(shù)水平的提高，滿(mǎn)足用戶(hù)重要負(fù)荷的供電可靠性需求。同時(shí)，還要優(yōu)化用戶(hù)對(duì)熱能的需求，優(yōu)化現(xiàn)有的電蓄熱技術(shù)，采用不同形式的儲(chǔ)能，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)換，盡可能減少化石能源的消耗。例如，下表為現(xiàn)階段儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用需求，如表1 所示。

表1 儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用需求

4 儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

4.1 在電力調(diào)峰的應(yīng)用

所謂電力調(diào)峰，主要操作的目的就在于使峰電時(shí)段電網(wǎng)負(fù)荷較大的時(shí)候，居民以及工廠的用電需求能夠最大限度地得到滿(mǎn)足，但是，要能夠在一定程度上對(duì)于用電進(jìn)行調(diào)控，使電網(wǎng)負(fù)荷的壓力能夠得到有效降低。從電網(wǎng)內(nèi)部?jī)?chǔ)存裝置自身的特點(diǎn)來(lái)講，其本質(zhì)上具有一定程度的靈活性，在電網(wǎng)功率負(fù)荷相對(duì)較低的階段，能夠?qū)⒐夥l(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際工作過(guò)程中產(chǎn)生的電能進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)的電能主要是在負(fù)荷高峰時(shí)段進(jìn)行釋放，這樣的操作方式能夠使電網(wǎng)在實(shí)際進(jìn)行供電過(guò)程中的可靠性得到較大幅度的提升，使電網(wǎng)系統(tǒng)的常規(guī)運(yùn)行能夠真正保證穩(wěn)定，有效避免因電網(wǎng)負(fù)荷功率較大而導(dǎo)致的電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)故障問(wèn)題出現(xiàn)，保證供電穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，使區(qū)域的用電需求能夠真正得以有效滿(mǎn)足。我國(guó)各個(gè)地區(qū)在不同時(shí)間段用電總量存在波峰以及波谷一直是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題，且這一問(wèn)題一直以來(lái)都受到了社會(huì)各界的關(guān)注。尤其是在用電的波峰階段，由于需要加大發(fā)電量來(lái)保證電能供給，導(dǎo)致電網(wǎng)的負(fù)荷進(jìn)一步加大，此時(shí)一旦電網(wǎng)在運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中出現(xiàn)故障，則會(huì)在一定程度上導(dǎo)致供電停止的問(wèn)題，不僅會(huì)影響人民的生產(chǎn)以及生活，同時(shí)還會(huì)在一定程度上影響人民對(duì)于供電單位的信任，降低本單位自身的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。由此可見(jiàn)，通過(guò)將儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用到電力調(diào)峰的過(guò)程之中，不僅能夠有效減輕供電峰值時(shí)期電網(wǎng)所需要承擔(dān)的負(fù)荷，同時(shí)也能夠使在峰谷時(shí)期電網(wǎng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而有效彌補(bǔ)波峰以及波谷不同時(shí)段因供電量調(diào)整而給光伏發(fā)電系統(tǒng)帶來(lái)的沖擊，確保光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠維持穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，降低光伏發(fā)電系統(tǒng)故障問(wèn)題的發(fā)生概率。

4.2 在電網(wǎng)電能質(zhì)量控制的應(yīng)用

在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，要想使電網(wǎng)電能的質(zhì)量能夠得到有效控制，儲(chǔ)能技術(shù)的合理應(yīng)用必不可少，通過(guò)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中合理應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，使光伏電源在實(shí)際供電的過(guò)程中性能能夠得到最大限度的穩(wěn)定。在這一過(guò)程中，工作人員通常情況下會(huì)采取一系列的措施對(duì)光伏并網(wǎng)進(jìn)行逆變控制，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際工作的過(guò)程中，其所產(chǎn)生的電能質(zhì)量也能夠得到有效控制，而在這一過(guò)程中，最主要發(fā)揮作用的就是我們所說(shuō)的儲(chǔ)能控制系統(tǒng)，通過(guò)充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)自身的作用，不僅能夠?qū)τ性礊V波進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)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(nèi)，并在相角出現(xiàn)偏差的時(shí)候，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，保證電網(wǎng)的發(fā)電質(zhì)量。

4.3 在負(fù)荷轉(zhuǎn)移中的應(yīng)用

在將儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)的過(guò)程中，負(fù)荷轉(zhuǎn)移技術(shù)與前文中提到的電力調(diào)峰技術(shù)在運(yùn)轉(zhuǎn)原理方面有一定的相似之處，但是相比較于電力調(diào)峰技術(shù)來(lái)說(shuō)，負(fù)荷轉(zhuǎn)移技術(shù)具有更高的靈活性。在負(fù)荷的低谷階段，光伏發(fā)電系統(tǒng)在實(shí)際進(jìn)行發(fā)電的過(guò)程中如果產(chǎn)生了多余的電能，為了有效減少能源的浪費(fèi)，則能夠根據(jù)實(shí)際情況對(duì)多余的電能進(jìn)行儲(chǔ)存。而在負(fù)荷的高峰階段，由于用電需求的增加，光伏發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電的過(guò)程中所釋放出的電能則很難滿(mǎn)足實(shí)際需要，此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)就可以將自身在之前儲(chǔ)存的多余的電能釋放出來(lái)，使電網(wǎng)在供電的過(guò)程中能夠最大限度地保證穩(wěn)定。通過(guò)將儲(chǔ)能系統(tǒng)與光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合使用，兩者在相互配合的過(guò)程中，則能夠有效減少光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)在高功率負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中根據(jù)波峰以及波谷用電量的不同而調(diào)整發(fā)電量給系統(tǒng)帶來(lái)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(hù)用電的基礎(chǔ)之上，減少用戶(hù)的用電支出，不僅保障了供電系統(tǒng)自身的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也在一定程度上保障了用戶(hù)的用電需求。

4.4 復(fù)合型儲(chǔ)能光伏并網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所需要應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)十分簡(jiǎn)單，而且其功率運(yùn)行并不十分穩(wěn)定，所以在此基礎(chǔ)上，通過(guò)技術(shù)升級(jí)并使用復(fù)合技術(shù)，就能保證復(fù)合儲(chǔ)能型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用可以真正實(shí)現(xiàn)提高當(dāng)前并網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用效率。在我國(guó)的光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中，這種復(fù)合型技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，其中很多企業(yè)在建設(shè)復(fù)合儲(chǔ)能型光伏電網(wǎng)的應(yīng)用時(shí)，可以使用超級(jí)電容器加蓄電池的組合方式，這樣通過(guò)蓄能就能保證在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以有效降低整體網(wǎng)流的諧波含量，這也可以保障電網(wǎng)功率輸出的穩(wěn)定性獲得有效提升。同時(shí)，這種系統(tǒng)還可以搭載變轉(zhuǎn)器和光伏陣列等其他電子元件，實(shí)現(xiàn)利用超級(jí)容器和蓄電池之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)來(lái)確保在進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中可以使功率波動(dòng)問(wèn)題得到有效緩解，還能真正實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流波的質(zhì)量進(jìn)行調(diào)整，這樣就能確保通過(guò)此方式來(lái)提高光伏電站的整體應(yīng)用性能。

5 多元復(fù)合儲(chǔ)能

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用的過(guò)程中，除要考慮所選儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)性能之外，還應(yīng)當(dāng)將經(jīng)濟(jì)性作為考慮因素。不同的儲(chǔ)能裝置技術(shù)參數(shù)有所差別，具體包括以下幾個(gè)方面：循環(huán)壽命、能量、周期效率等等。然而，現(xiàn)階段并沒(méi)有任何一種儲(chǔ)能裝置可以完全達(dá)到上述要求，解決這一問(wèn)題最為有效的途徑是多元復(fù)合儲(chǔ)能。所謂的多元復(fù)合儲(chǔ)能實(shí)質(zhì)上就是將機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能等不同類(lèi)型的儲(chǔ)能技術(shù)或裝置，通過(guò)合理的方法組合到一起，形成一個(gè)全新的儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備多種儲(chǔ)能技術(shù)的性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。通過(guò)SMES 與蓄電池復(fù)合的儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的功率波動(dòng)進(jìn)行平抑，確保風(fēng)電處理的平穩(wěn)性與可控性。超導(dǎo)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(tǒng)當(dāng)中，需要對(duì)直流進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使其變?yōu)榻涣鳎@個(gè)過(guò)程可以通過(guò)變流器來(lái)實(shí)現(xiàn)。變流器會(huì)按照控制器實(shí)時(shí)傳輸?shù)闹噶?，?duì)兩個(gè)儲(chǔ)能單元的充電與放電過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)控制，通過(guò)變流器與復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)作，可實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)電流的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。儲(chǔ)能單元的能量變換由斬波器與變流器配合實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上，可通過(guò)直流電流的形式，對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)。之所以采用上述結(jié)構(gòu)，與其所具備的優(yōu)勢(shì)密切相關(guān)，具體如下：復(fù)合儲(chǔ)能系統(tǒng)中的儲(chǔ)能單元能夠擁有屬于自己的獨(dú)立變流器，這樣便可按照上層傳輸過(guò)來(lái)的指令實(shí)現(xiàn)精確控制。

6 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)階段光伏發(fā)電系統(tǒng)中所使用的儲(chǔ)能技術(shù)相較于以往已經(jīng)有了較大幅度的進(jìn)步，但是，研究人員還需要進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新的儲(chǔ)能裝置，使我國(guó)光伏并網(wǎng)發(fā)電能夠真正得到發(fā)展，使其應(yīng)用范圍能夠真正得到擴(kuò)大，讓太陽(yáng)能光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)能夠真正使我國(guó)的更多人民受益，使發(fā)電能夠真正做到綠色環(huán)保，進(jìn)而有效減少以往火力發(fā)電給環(huán)境帶來(lái)的不利影響。