王澤輝
(中國大唐集團技術經濟研究院有限責任公司,北京 100043)
0 引 言
能源短缺是我國乃至全世界面臨的緊要問題,在石油、天然氣、煤炭等一次能源儲量減少,生態環境污染加劇的情況下,太陽能作為一種可再生清潔能源,利用太陽能的光伏發電技術已經得到廣泛應用[1]。但在現實情況下,光伏并網發電系統易受光照影響,運行過程中可能存在一定的波動或間歇,導致供電不穩定。因此,有必要對光伏并網發電系統中的儲能單元展開細致研究,在確保儲能單元具有優越性能的基礎上,還需要結合系統的實際運行狀況選擇合適的儲能單元結構。通過對儲能技術的科學應用,調節光伏并網發電系統中電能的收集和釋放過程,提高系統運行的可靠性。
1 光伏并網發電系統的結構及特點
光伏并網發電系統作為電力輸送的關鍵,主要由光伏陣列、儲能單元、送變器、最大功率跟蹤裝置、交流配電箱、電表以及各類負載等組成,如圖1 所示。其中,光伏陣列作為基礎組成部分,將串聯好的電池結構依照系統的實際需求,并聯在一起形成陣列結構。由于光伏并網發電系統具有非線性特征,其發電功率易受負載、光照、溫度等多因素影響,因此采用最大功率跟蹤裝置保證系統始終處在最大功率運行[2]。儲能單元在整個系統中發揮著調節與控制的重要作用,根據電能的實際消耗情況,將預先經過高效儲存的電能通過逆變器實現對系統輸出功率的調整,從而確保系統輸出處在均衡狀態。而交流配電箱則由并網逆變和電壓控制系統組成,主要負責將直流電轉換為可直接使用的交流電。

圖1 光伏并網發電系統
光伏并網發電系統具有如下特點:一是系統實際運行中易受到溫度、光照等外界因素的影響,致使系統輸出功率有所變化,特別是在多變或特殊天氣下,系統的輸出功率會出現不可控的情況;二是系統整體造價較高,需要利用最大功率點跟蹤技術,確保在最大限度上實現對太陽能資源的高效利用;三是系統并網電流和電壓應與電網系統保持同相,系統僅提供有功功率,從而實現對光伏電能的高效利用。
2 光伏并網發電系統中的儲能技術
2.1 蓄電池儲能技術
蓄電池儲能技術的應用前景良好,具有模塊化特點,可實現氧化還原反應充放電,更好地滿足光伏并網發電系統在峰值負載下的電源需求,適用于既定負荷范圍內仍需高電能供給的配網,可靠性較高。同時,蓄電池儲能技術在光伏并網發電系統中的應用支持無功補償裝置,有助于系統電壓波動及閃變現象的控制[3]。目前,蓄電池儲能常見的有鈉硫電池、鉛酸電池、鋰離子電池以及機液流電池等,詳細參數如表1 所示。

表1 常見幾種蓄電池的參數對比
2.2 超級電容儲能技術
超級電容是利用特定材料制成的多孔介質,與常規電容相比,電阻值、容量較高,峰值較低。超級電容儲能技術的優勢在于充放電效率快、周期長,即便在惡劣溫度條件下也具有良好的充放電性能和使用壽命。但其缺點也較為明顯,超級電容的能量密度相對較低,串聯均壓且末端的電壓波動范圍較大。現階段,光伏并網發電系統廣泛應用超級電容儲能技術,可大幅提升儲能單元的效能,減少內部損失,延長儲能單元的使用壽命,并且超級電容還可以與蓄電池結合使用,通過二者之間的優勢互補,有助于電網系統運行可靠性與經濟性的提升。
2.3 飛輪儲能技術
飛輪儲能技術的建設周期短、儲能高、效率高、充放電次數不限且速度較快,使用壽命長,也不會對周圍環境產生污染。但與其他儲能技術相比,飛輪儲能技術最大的劣勢在于后期維護難度大、成本高。
2.4 超導磁儲能技術
超導磁儲能技術依托超導線圈存儲電網供電勵磁磁場中的電能,并依據需要情況將儲存的電能返還給電網[4]。超導磁儲能系統由超導線圈、真空泵以及設備控制系統組成,其中超導線圈的電流循環于閉合電感,不會出現能量損失。這種儲能技術的優勢表現在于無損耗、效率高,且能量釋放的速度較快。
3 儲能技術在光伏并網發電系統中的主要應用分析
3.1 儲能技術在光伏電站層面的應用
首先,儲能技術在負荷轉移中的應用。將儲能技術應用于負荷轉移主要是實現對峰值負荷的調整。當處在負荷高峰期時,合理匹配發電系統與儲能技術,釋放小負荷光伏裝置儲備的能量,從而降低峰值期間的用電消耗,提高用戶效益。其次,儲能技術在峰值功耗控制中的應用。儲能技術通過大容量存儲設備對電能的高效存儲,能夠有效提高光伏并網發電系統峰值負載的整體性能。再次,儲能技術在電能質量控制中的應用。應用儲能技術可以通過對光伏并網發電系統負載、損耗、相角等參數的調節,實現對光伏發電系統性能的優化,從而根據實際用電需求,對系統負載進行轉移或調節。在用電需求較小時,對光伏電站的剩余電量進行存儲,避免將其全部傳輸給配電網造成浪費;在用電需求較大時,由儲能裝置釋放存儲的電量,以滿足用戶需求[5]。最后,儲能技術在自動保護中的應用。當光伏并網發電系統無法正常供電時,將儲能單元存儲的能量進行供電。當配網出現故障或安全隱患時,光伏并網發電系統可發出斷電保護指令,儲能單元則會對停電后的電量進行自動存儲,這種“孤島”方式為配網運行和供電穩定性提供了有力保障,可在一定程度上自動減輕部分負載。
3.2 儲能技術在電網層面的應用
儲能技術在電網層面的應用主要體現在電力調峰和微電網2 個方面。
3.2.1 儲能技術在電力調峰中的應用
當電網系統的功率負荷較大時,光伏并網發電系統輸出具有鮮明的時段特征表現,也就是在用電高峰階段,用電需求量亟劇增加,會影響電網系統的穩定運行[6]。由此可以利用儲能技術在用電低峰階段對光伏并網系統輸出的多余電能進行存儲,并將儲存好的電能在用電高峰期間釋放出去,以有效緩解電網系統的運行壓力。通過對負荷供電效果進行調整,進一步提高電網系統的供電水平。
3.2.2 儲能技術在微電網調節中的應用
微電網是目前輸電系統發展的主要趨勢,為了保證電力系統的穩定供應,必須對微電網進行合理使用。當微電網和大電網分類后,微電網獨立運行,承擔著一定的電力供給任務。而儲能技術在微電網中的應用,則能有效提升微電網的運行效果,并具有自動調節的功能,在極大程度上提升了微電網運行的穩定性與安全性,保證微電網的負載均衡。
4 復合儲能技術在光伏并網系統中的應用
目前,在光伏并網發電系統的儲能單元中,復合儲能技術的應用最具代表性,蓄電池結合超級電容混合儲能系統(Hybrid Energy Storage Systems,HESS),憑借二者的互補性能夠有效降低電流中的諧波含量,盡可能規避系統功率出現波動的情況,改善電流波形質量,切實提高系統的可調度性。同時,復合儲能技術也有助于降低外界因素對其運行造成的干擾,提升儲能單元的使用效率[7]。現階段,HESS 主要有2 種類型,分別是有源式和無源式。
4.1 有源式HESS
有源式HESS 指的是將DC/DC 功率變換器增設在直流母線與HESS 的連接節點位置,可有效解決無源式HESS 對儲能單元充放電功率難以實現有效控制的情況,以實現對HESS 容量的充分利用。該類型HESS 具有以下3 種拓撲結構:其一是在直流母線上利用雙向DC/DC 功率變換器并聯蓄電池與超級電容,能夠盡量減少短時高功率下蓄電池受到的充放電電流沖擊,延長蓄電池壽命,同時也能夠充分發揮超級電容的充放電特性,但這種拓撲結構要求超級電容數量與直流母線的電壓值保持一致[8]。其二是在直流母線上利用雙向DC/DC 功率變換器并聯超級電容與蓄電池,此結構下超級電容對電壓的要求有所降低,也可以實現對超級電容容量的充分利用,但卻無法充分利用蓄電池的容量;其三是在直流母線上,將蓄電池和超級電容分別經過雙向DC/DC 功率變換器進行連接,這種方式在兼顧二者容量的同時,可加強對充放電功率的控制,并實現對儲能單元運行的優化。
4.2 無源式HESS
無源式HESS 則是直接并聯蓄電池與超級電容,或利用電感、二極管等無源器件并聯的方式,結構相對簡單且無需進行充放電控制。此類型的HESS 主要分為以下2 種拓撲結構:其一是蓄電池與超級電容直接并聯在直流母線上,結構簡單、成本低,但卻難以實現對二者性能的充分利用,功率分配不易控制,且要求二者電壓與母線保持一致[9];其二是將電感與蓄電池串聯,再與超級電容并聯,以減少蓄電池的電流變換幅度,穩流效果較強,但存在超級電容容量利用率低、充放電電流不易控制的弊端。在應用復合儲能技術的過程中,可以結合實際需要對上述幾種拓撲結構進行合理選擇,以增強儲能技術應用的效果,促使光伏并網發電系統的經濟效益得到進一步提高。
5 結 論
儲能技術在光伏并網發電系統中的應用與我國的可持續發展戰略相符,表現出明顯的應用優勢。現實中,儲能技術的應用涉及多個方面,發電企業必須緊跟時代發展潮流,妥善分析儲能技術應用的實施條件和影響因素,在排除各類影響因素的同時,通過對技術的合理應用來進一步提高光伏并網發電系統的儲能性能,并在不斷的改進與優化下,推動我國光伏并網發電系統的可持續發展,在確保電力穩定供應的基礎上提高發電企業的經濟效益。