儲能技術在光伏發電系統中的應用

許 澤

（中廣核太陽能敦煌有限公司，甘肅 敦煌 736200）

0 引 言

由于不可再生能源的使用帶來了環境污染等問題，因此新能源開發備受關注，各國都已經開始加強新能源建設。新能源建設與應用涉及到微電網，包括“采、發、輸、配、用以及儲”6部分。其中，儲能是微電網和新能源并網的關鍵技術之一，新能源儲能技術的研究和應用勢在必行。目前，儲能技術不僅是光伏發電、風力發電、潮汐發電以及生物發電等分布式發電的核心技術，而且也是未來智能電網建設的關鍵技術。

1 儲能技術

目前儲能技術包括電磁儲能、電化學儲能以及物理儲能等，不同的儲能技術在重量、能量、體積以及功率密度等方面具有自己的典型特征。其中，電化學儲能包括超級電容儲能、蓄電池儲能等；物理儲能包括壓縮空氣儲能、飛輪儲能、抽水蓄能等；電磁儲能包括超導儲能等。

1.1 蓄電池儲能

作為目前最成熟且應用最多的儲能技術，蓄電池儲能還可以根據應用化學物質的差異分為不同的類型，包括鋰離子電池儲能、鉛酸蓄電池儲能、全釩液流電池儲能、鈉硫電池儲能、鎳氫電池儲能以及鎳鎘電池儲能等。鉛酸蓄電池具備性能良好、成本價格低、技術發展成熟、儲能容量大以及年生產量大的典型優勢，被廣泛應用在小型風光發電系統、電動汽車、家用照明、通信連接設備中。鋰離子電池和鉛酸蓄電池、鎳氫電池相比，其工作電壓、轉換效率以及能量密度更高，且具有更長的循環壽命。由于鋰離子電池自身的成本較高，而且易爆易燃、對環境存在污染，因此其應用具有一定限制，目前主要在新能源電動汽車、便攜電子產品以及分布式電站中應用。全釩液流電池和鈉硫電池作為今年的新型儲能電池，雖然成本相對昂貴，但容量較大，在電力行業也得到了廣泛應用。

1.2 超級電容儲能

超級電容儲能技術最早出現在1957年BECKER的專利中，該技術和專利經過相關研究人員開發之后實現了生產工業化。在電解質溶液中放置電極后，電極表面電荷異性的離子會吸附到電極表面，并形成雙電層。超級電容充放電是物理過程，并沒有發生化學變化，保證了電池支持多次循環充放電，具有較長的使用壽命[1-3]。

但是，單一超級電容的能量密度和電壓較低，如果超級電容過度放電會導致兩端電壓的大幅度波動，這些因素限制了超級電容的大規模應用。為保證超級電容的大規模應用，一般將多個超級電容器進行并聯，以此滿足運行系統高功率、大容量的實際需求。

1.3 HESS儲能技術

2002年R.A.Dougal等人首次提出HESS儲能技術，并且針對該技術進行了理論推導，通過理論分析證明了其充分融合了超級電容和蓄電池的優勢，實現了優勢互補。HESS儲能技術不僅能夠滿足運行系統對容量和功率的實際需求，而且還能有效減少蓄電池的充放電次數，提升電池使用壽命。基于這些優越性，HESS儲能技術獲得了相關研究者和企業的廣泛關注，在風力發電、光伏發電以及微電網中得到了廣泛應用。

2 儲能技術在光伏并網發電系統中的應用

2.1 電網層面

2.1.1 電力調峰

電網運行中的一個重要問題是不同時間段對功率負荷的要求不同，高峰時段大功率負荷對電網要求較高，引入儲能技術之后能夠進行電力調峰，從而減輕電網運行負荷和運行壓力。儲能裝置在電網中的應用具有一定的靈活性，在電網負荷較低時能夠對光伏發電系統中產生的電能進行有效存儲，同時在電網負荷較高時能夠釋放電能，保證電網正常運行。通過這種方式可以實現電力調峰，保證高負荷和低負荷條件下電網正常、穩定供電。

2.1.2 微電網

輸配電系統發展的一個重要趨勢是微電網并網，通過此種方式能夠提升電網系統的可靠性與穩定性。如果微電網和系統發生分離，就會將微電網置于孤島狀態，獨立進行電網供電。將光伏發電系統引入到微電網中，保證了儲能系統的穩定、安全供電。

2.1.3 電網電能質量控制

將儲能技術引入到光伏發電系統，實現對電網電能質量的有效控制，同時有效提升光伏發電系統的供電性能。儲能技術中的逆變控制措施對優化光伏發電系統和提高電網電能質量具有重要意義，可以實現穩定電壓、調整相角的作用。

2.2 光伏電站層面

2.2.1 負荷響應

通過使用儲能技術和儲能裝置，電網能夠更加準確、有效地進行高功率負荷控制，尤其是在負荷高峰期進行交替工作，保證負荷高峰期電網安全穩定運行。為保證儲能技術能夠高質量應用于電力用戶，需要在光伏儲能電站和電網之間構架一條通信線路用于負荷響應控制系統的連接，從而有效降低負荷響應策略可能會對高功率設備產生的影響[4]。

2.2.2 負荷轉移

電荷轉移和電力調峰具有一定的類似性，可以提升電網運行的靈活性。儲能系統能夠在負荷低谷時存儲光伏發電系統產生的多余電能，在負荷高峰時釋放已存儲的多余電能，保證在負荷高峰和負荷低谷時電網均能穩定供電。在光伏發電系統中配備儲能系統，兩者協調配合能夠有效降低高功率負荷交替運行帶來的不良影響，提高經濟效益。

2.2.3 斷電保護

在光伏發電系統中引入儲能技術之后能夠給用戶提供斷電保護，在市電無法正常供電的情況下由光伏發電系統進行供電。如果電力系統存在隱患或發生故障，光伏發電系統將自動斷電，同時利用儲能技術自動存儲斷電后的電能，保證在沒有市電供電的情況下用戶還能正常用電，同時有效降低用電高峰的電網電力負荷。

3 基于HESS儲能技術的光伏發電系統構建

3.1 光儲并網發電系統的結構模型

光伏-HESS并網發電結構如圖1所示。

圖1 光伏-HESS并網發電結構

根據圖1，光伏-HESS并網發電結構包括3個模塊。第一個模塊是Boost升壓變換器，該模塊可以升高光伏陣列電壓，保證在光照條件下系統能夠輸出最大能量；第二個模塊是DC/AC逆變器，其能夠實現直流側電網、電容以及電阻電感的連接、交流電和直流電的轉變，而且引入的濾波裝置能夠有效濾除并網電流諧波；第三個模塊是雙向DC/DC變換器連接的HESS，該模塊可以有效平衡光伏發電系統的波動功率。

3.2 光伏發電系統的能量流動模型

光伏發電系統通過光伏陣列的光電轉換得到并網能量，受外部環境溫度、外部光輻射度等因素的影響，光伏并網能量流動會發生變化。將HESS儲能技術引入到光伏發電系統后，充分利用HESS儲能技術的負載性實現多余能量高效儲存，同時還能向光伏發電系統的并網提供能量。通過HESS充放電實現對光伏并網功率的調節，保證光伏發電系統能夠并網。HESS儲能技術在光伏發電系統并網中的應用會隨著外部環境的改變而切換為不同的能量流模式，目前常用的能量流模式主要包括強光照運行模式、弱光照運行模式以及無光照運行模式[5]。

3.2.1 強光照運行模式

在光照輻射強度較大時執行強光照運行模式，此時光伏陣列輸出功率相對較高，該模式主要應用于逆變并網。在HESS儲能系統中存儲多余的能量，以此保證光伏發電系統和儲能系統功率的平衡性，同時有效保障直流母線電壓的穩定性。光伏陣列單獨為HESS和電網供電模型如圖2所示。

圖2 光伏陣列單獨為HESS和電網供電模型

3.2.2 弱光照運行模式

多云天氣下主要采用弱光照運行模式。多云天氣下云彩的遮擋會導致太陽光強度存在波動，致使光伏陣列輸出功率也存在一定波動，不能滿足并網逆變器側功率需求。為保證功率正常，需由HESS儲能系統進行功率彌補。HESS儲能系統在放電狀態下能夠保證光伏放電系統和儲能系統的功率平衡，同時保證直流母線電壓的穩定性。光伏陣列和HESS共同為電網供電模型如圖3所示。

圖3 光伏陣列和HESS共同為電網供電模型

3.2.3 無光照運行模式

在雨雪天氣或夜晚主要采用無光照運行模式。這類情況下缺乏太陽光照，導致光伏陣列的輸出功率為0，其能量均由HESS儲能系統提供。HESS單獨為電網供電模型如圖4所示。

圖4 HESS單獨為電網供電模型

4 儲能系統發展需求

4.1 控制技術

在儲能技術和儲能裝置發展中，相關電池的充電環境一般較差，在頻繁的充放電過程中電流功率會發生變化，其使用壽命會受到直接影響。為促進儲能系統的發展，需要不斷研發更加先進的儲能技術和裝置，有效解決儲能系統中的充放電問題。目前工頻交流電應用性較差，未來發展中為滿足儲能技術的發展需求，還需要加大配套電能轉化裝置的研發力度。

4.2 儲能技術

在未來儲能技術的研究中，需要進一步提升能量密度和功率密度。同時對于儲能裝置在不同環境下的運行情況還需要加強研究，進一步擴展其應用領域，提升儲能裝置的可靠性與安全性。對于儲能裝置的充放電速度、使用壽命也需要不斷深入創新優化，在保證穩定性和高效性的基礎上盡可能延長使用壽命。此外，儲能裝置與儲能技術的成本也是值得關注的問題，研究人員需在保證高質量應用的同時降低成本。

4.3 系統建模

在新技術不斷發展的背景下，需要不斷加強對儲能技術和儲能裝置的全面綜合分析，包括運行可靠性、運行經濟性以及運行系統管理等。對于儲能系統在光伏發電系統中的應用，需要充分考慮光伏行業標準與光伏發電系統特征，對周期性和經濟性進行綜合分析比較。根據系統建模分析光伏發電儲能系統運行概況，在模擬分析的基礎上發現問題并進行改進，從而提升光伏發電系統中儲能技術的應用價值和應用效果。

5 結 論

光伏發電系統的發展帶動了儲能技術的發展和革新，儲能技術的不斷優化在提升用戶使用體驗的同時也帶來了較好的經濟效益。此外，儲能技術在光伏發電系統中的應用有效解決了光伏并網存在的問題，在未來光伏發電系統的升級改造中具有廣闊的發展空間。