張衛(wèi)東，袁榮國，劉祖明

(1. 成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院，昆明 650032；2．云南師范大學(xué)太陽能研究所/云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室/教育部可再生能源材料先進技術(shù)與制備重點實驗室，昆明 650092)

光伏發(fā)電的波動平抑技術(shù)綜述

張衛(wèi)東1,2*，袁榮國1，劉祖明2

(1. 成都軍區(qū)昆明總醫(yī)院，昆明 650032；2．云南師范大學(xué)太陽能研究所/云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室/教育部可再生能源材料先進技術(shù)與制備重點實驗室，昆明 650092)

隨著光伏應(yīng)用的規(guī)?；头植际焦夥⒕W(wǎng)的實踐，光伏發(fā)電的波動問題愈顯突出。本文以光伏發(fā)電的波動特性及其平抑技術(shù)為綜述對象，首先對光伏發(fā)電波動平抑技術(shù)進行了分類綜述，接著對各種平抑技術(shù)根據(jù)優(yōu)勢、不足和成熟度進行了綜合評價，通過發(fā)展歷程的分析指出幾種較有前景、經(jīng)濟性好的平抑技術(shù)，其結(jié)果對波動平抑技術(shù)在光伏發(fā)電中的應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

光伏發(fā)電系統(tǒng)；波動平抑；儲能系統(tǒng)；地理平滑；功率縮減

0 引言

利用太陽能成為各國制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容，其中光伏發(fā)電是適應(yīng)“節(jié)能減排”要求的重要技術(shù)[1]，但由于光伏發(fā)電對太陽輻照等氣象因素的天然依賴，與其它可再生能源一樣，具有波動的自然屬性[2]。1955年貝爾實驗室做出第一塊野外用硅電池模塊用于驅(qū)動通訊設(shè)備，開啟了光伏應(yīng)用的進程[3]，截止2010年，全球光伏累積安裝量已達到40GW，每年產(chǎn)生的電力達到50TWh[4]。光伏應(yīng)用伴隨著光伏電池效率的提升而逐步發(fā)展，其應(yīng)用形式先是從空間走向地面，再從單一走向多元、從獨立走向并網(wǎng)、從簡單走向深入。隨著對光伏發(fā)電波動屬性認(rèn)識的深入，其應(yīng)用也得到升級和發(fā)展，早期的獨立和并網(wǎng)兩種分類系統(tǒng)已不能很好概括近年來光伏應(yīng)用形式的變化，即是說，光伏波動平抑技術(shù)的提升帶來了光伏應(yīng)用形式的變化，故在此綜述光伏波動平抑技術(shù)十分必要。

圖1 光伏發(fā)電的能量鏈?zhǔn)疽鈭DFig.1 Energy chains of PV power generation

光伏發(fā)電系統(tǒng)是將光能轉(zhuǎn)換為電能并應(yīng)用的過程，其能量鏈如圖1所示，太陽光的一部分到達地球，經(jīng)地球上的空氣和云層的衰減后到達光伏電池板，完成光電轉(zhuǎn)換后以電能形式輸出到應(yīng)用設(shè)備，其能量經(jīng)多次衰減、反射、散射及熱耗散后僅很小部分轉(zhuǎn)換為電能。

本文涉及的光伏發(fā)電系統(tǒng)均指地面系統(tǒng)，除有特殊說明，后面提到的輻照均為地面太陽輻照。為研究方便，在分類上將以一年或一日為周期的源自天體運動的波動歸為確定性波動，將由地球內(nèi)部云層和環(huán)境條件(空氣質(zhì)量、反射條件和散射條件變化)的變化造成的周期在數(shù)秒至數(shù)小時的波動歸為隨機性波動。任一光伏發(fā)電系統(tǒng)均受確定性波動和隨機性波動的共同作用，其輸出功率因之表現(xiàn)為兩種波動類型共同作用下的變化特性。

光伏功率的隨機性波動主要源自于移動云層，移動云層給光伏面板帶來兩個效應(yīng)：總輻照度波動效應(yīng)和不均勻光照效應(yīng)，前者直接導(dǎo)致了光伏功率的波動，后者則可能加重光伏功率的波動[2]。本文討論的平抑技術(shù)以隨機性波動為主，當(dāng)然也不回避確定性波動的影響，因為確定性波動是客觀存在的。

1 光伏功率波動平抑技術(shù)的研究現(xiàn)狀

光伏應(yīng)用始終與光伏功率的波動特性相伴，伴隨對光伏波動性認(rèn)識的深入，其應(yīng)用形式也在不斷發(fā)展。獨立系統(tǒng)依靠蓄電池等儲能元件解決能量的儲存與釋放，其后的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)也將電網(wǎng)作為一個無限大的儲能設(shè)備[5]，因為儲能可以平抑光伏功率的波動，光伏與儲能相互依存。當(dāng)然，光伏功率的波動平抑技術(shù)，除了儲能之外，近年來的研究也提出了許多新的方法，如地理平滑(geographic smoothing)、卸流負(fù)載(dump load)、功率縮減(curtailment of the generated power)、變換連接方式、與其它能源相結(jié)合以及上述方式的綜合，這些方法更新或升級了光伏應(yīng)用的形式，使光伏應(yīng)用形式更加豐富。

此處分析的波動平抑對象以隨機性波動為主(周期一般以數(shù)秒至數(shù)小時之間)，也涉及部分確定性波動(比如儲能系統(tǒng))。平抑目標(biāo)和平抑成本常需要權(quán)衡：波動周期越短，其波動幅度和波動能量越小，要求平抑裝置的能量級別相對小，從能量角度看來相對容易平抑[6]，但相應(yīng)地須增強平抑裝置的高頻率響應(yīng)，可能會增加少量成本。

1.1 儲能系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

近年來對儲能設(shè)備的研究文獻較多，本文先介紹光伏發(fā)電系統(tǒng)常用的幾種儲能設(shè)備，再介紹綜合分析的文獻，文獻選取標(biāo)準(zhǔn)是與光伏發(fā)電功率隨機性波動直接相關(guān)。

1.1.1 蓄電池

蓄電池應(yīng)用于光伏發(fā)電可分為兩類：一類是獨立系統(tǒng)中維持全天運行，另一類是并網(wǎng)系統(tǒng)特別是分布式并網(wǎng)用于平抑波動[7]，前者為克服光伏發(fā)電的確定性波動所必須而后者則以平抑隨機性波動為主。在一個時間段內(nèi)，光照強度可能比較穩(wěn)定，也可能受云層的影響突然變?nèi)?，?dāng)云層散開時光照又會很快恢復(fù)變強，根據(jù)穩(wěn)定、變?nèi)鹾妥儚娺@三種光照情況，以蓄電池為主的儲能系統(tǒng)有三種運行工況：一、光照強度相對穩(wěn)定時，光伏陣列發(fā)出的能量全部經(jīng)過并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)，儲能系統(tǒng)幾乎沒有能量流動；二、光照強度突然變?nèi)鯐r，不但光伏陣列發(fā)出的能量全部經(jīng)過并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)，而且儲能系統(tǒng)還要釋放出一部分能量，此時，儲能系統(tǒng)通過“填谷”來控制光伏系統(tǒng)并網(wǎng)功率陡降；三、光照強度突然變強時，光伏陣列發(fā)出的能量一部分經(jīng)過并網(wǎng)逆變器并入電網(wǎng)，剩下的能量存儲到儲能系統(tǒng)。此時，儲能系統(tǒng)通過“削峰”來防止并網(wǎng)功率突增[8]，其中蓄電池起到了“削峰填谷”的緩沖作用。在平抑效果上，邱培春通過仿真和實驗，驗證了蓄電池儲能系統(tǒng)對波動周期在0.5～100秒、持續(xù)時長約0.3～20秒的光伏功率波動有較好的平抑效果，并對其電路結(jié)構(gòu)、控制方法有明確的探討[9]。

蓄電池又分鉛酸電池、鋰離子電池、鎳鎘電池和鎳錳電池，鉛酸電池由于價格低廉占據(jù)了光伏應(yīng)用的最大市場，而鋰離子電池要相對好的性能指標(biāo)，總體來說，目前還沒有一種適用于所有光伏系統(tǒng)的蓄電池[10]，如何繼續(xù)改進蓄電池性能以滿足光伏需要尚需深入。鉛酸蓄電池作為光伏儲能元件有其固有的優(yōu)點：成熟、低成本及高能量密度，在此基礎(chǔ)上發(fā)展的閥控鉛酸(VRLA)蓄電池以其良好的性能得到較多研究[8, 9, 11]，如Hund利用VRLA電池作為暫時能量存儲裝置以平抑并網(wǎng)光伏逆變器的功率輸出，采用輻照平均算法，逆變器的輸出被控制在前1小時平均太陽輻照水平上，測試結(jié)果顯示該系統(tǒng)取得了較好的平抑效果[11]。鉛酸蓄電池在應(yīng)用中的一個難題是剩余容量的判斷，這方面李義鵬通過實驗確定：在一定條件下(放電一段時間及交流負(fù)載)，剩余容量與蓄電池端電壓成正比例關(guān)系[12]，但這也只能是條件約束下的簡便方法。在蓄電池組的應(yīng)用結(jié)構(gòu)上，有研究指出：蓄電池串聯(lián)后以組運行，其非均衡性會產(chǎn)生“落后電池”，降低了系統(tǒng)的可靠性，增加了系統(tǒng)的故障率，縮短了蓄電池的更換周期[13]。

總之，蓄電池對光伏發(fā)電具有“削峰填谷”的緩沖作用；鉛酸蓄電池應(yīng)用于光伏獨立系統(tǒng)的設(shè)計已趨成熟，鋰離子電池具有相對更高的性能但其價格是制約因素，但目前所有蓄電池對光伏應(yīng)用來說均非理想[15]；蓄電池應(yīng)用于平抑光伏并網(wǎng)功率波動性的研究是近幾年的熱點，蓄電池與直流母線的連接一般采用雙向DC-DC變換，充放電控制算法方面有低通濾波算法和輻照度平均算法。已有研究的不足體現(xiàn)在蓄電池系統(tǒng)的理想化，對蓄電池長期運行的性能變化尚缺乏考慮，特別在并網(wǎng)應(yīng)用方面尚缺乏規(guī)模應(yīng)用的實例。

1.1.2 超級電容結(jié)合蓄電池

圖 2 超級電容結(jié)合蓄電池儲能系統(tǒng)的兩種結(jié)構(gòu)Fig. 2 combined supercapacitor with LA-battery

由于超級電容具有較高的功率密度而蓄電池具有較高的能量密度，二者結(jié)合應(yīng)用于光伏波動性平抑方面的研究一直受到重視。以中國科學(xué)院電工研究所唐西勝、齊智平為代表的課題組提出了上述混合儲能的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對其電路拓?fù)溥M行了研究，由于超級電容耐壓低，需組合成不同形式的超級電容器組，由于超級電容組和蓄電池充放電功率存在較大差異，兩種儲能材料之間需設(shè)置并聯(lián)控制器(圖 2(a))，并提出了有源式和無源式兩種控制結(jié)構(gòu)，有源式控制算法復(fù)雜、成本高，無源式只使用一只二極管實現(xiàn)并聯(lián)(圖 2(b))，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，可用于獨立光伏系統(tǒng)平抑輸出功率[16-18]；此類系統(tǒng)的仿真結(jié)果表明，在光伏電池輸出功率存在波動且負(fù)載發(fā)生脈動的情況下，儲能系統(tǒng)能迅速平衡系統(tǒng)瞬時功率，維持系統(tǒng)可靠運行[19, 20]；在獨立系統(tǒng)的充放電控制方面，一般以光伏實時功率與負(fù)載所需功率的差值作為混合儲能的充放電基準(zhǔn)[21]；前期的研究多以獨立系統(tǒng)為主[16-18]，逐漸轉(zhuǎn)向微網(wǎng)[22]，尚未有應(yīng)用于光伏并網(wǎng)的研究。總之，超級電容結(jié)合蓄電池用于平抑光伏波動，是較為理想的一種應(yīng)用形式，其相對不足在于協(xié)調(diào)控制相對復(fù)雜。

1.1.3 抽水蓄能

光伏與抽水蓄能電站結(jié)合具有互補性，二者組成的混合系統(tǒng)提升了電力供應(yīng)的可靠性，無溫室氣體和廢物排放、對環(huán)境干擾很小、具有適于不同氣候的靈活性等，特別是二者的技術(shù)均較成熟[23]。對高光伏滲透率電網(wǎng)內(nèi)抽水蓄能控制方法研究，得到兩種系統(tǒng)：PSPP(pumped storage power plant)和PSHPP (pumped storage hydro power plant)，仿真結(jié)果顯示前者提升了經(jīng)濟性而后者同時提升了經(jīng)濟性和可靠性[24, 25]。陳巒對光伏－水電站聯(lián)合發(fā)電進行了仿真研究，分別設(shè)置獨立運行、并網(wǎng)和恒功率輸出三種仿真條件，結(jié)合實際全年的氣象數(shù)據(jù)，結(jié)論是三種條件下總能量利用率在75.5～77.4%之間且相差不大[26, 27]。Bocquel等在一個300MW抽水蓄能電站驅(qū)動系統(tǒng)上，利用了可變速度和高動態(tài)功率控制，以提升電網(wǎng)的穩(wěn)定性[28]。嚴(yán)陸光、周孝信等院士從戰(zhàn)略高度提出了水電與光伏發(fā)電相結(jié)合的能源基地建議，其著眼點是利用水電的強可調(diào)節(jié)性解決光伏發(fā)電的波動性造成的不確定性，同時可利用梯級水電站作為儲能設(shè)備，實現(xiàn)發(fā)電端與負(fù)載端的遠(yuǎn)距離輸送，針對抽水蓄能，其著重指出其實用性：轉(zhuǎn)換效率達70%左右，可頻繁起停，響應(yīng)速度從全停到滿載發(fā)電約5分鐘，從全停到滿載抽水約1分鐘，循環(huán)壽命長，運行費用低，并取得核電站領(lǐng)域的應(yīng)用經(jīng)驗[29, 30]，但目前在國內(nèi)尚缺乏規(guī)模應(yīng)用于光伏發(fā)電的先例。總之，在光伏規(guī)模發(fā)電的應(yīng)用場合，抽水蓄能相對于其它儲能方式更具優(yōu)越性(水可以反復(fù)利用)，缺點是啟停的響應(yīng)時間較長，同時，由于水電機組、抽水機組相對于光伏發(fā)電來說是大功率，精細(xì)化控制存在一定困難。

1.1.4 超導(dǎo)儲能

在光伏儲能領(lǐng)域，超導(dǎo)儲能(SMES)研究也是一個較為活躍的領(lǐng)域，SMES因為其在能量儲存和釋放方面獨特的優(yōu)點而受到重視[31]，但其難點是超導(dǎo)狀態(tài)所需超低溫環(huán)境的建立。Seo等將可再生能源發(fā)電和SMES混合應(yīng)用于海島的獨立供電，取得了平抑波動性的效果[32]，國內(nèi)何建森等也通過仿真研究了光伏與SMES混合系統(tǒng)的平抑效果，SMES的快速功率調(diào)節(jié)能力、靈活的四象限運行能力是電網(wǎng)最感興趣的調(diào)節(jié)方式[33]?？傊瑢?dǎo)儲能應(yīng)用于光伏雖有其功率優(yōu)勢，但其實用性尚需深入研究。

1.1.5 儲能的綜合分析

除了前面分析的幾種儲能設(shè)備外，還有飛輪、NaS電池、壓縮空氣儲能等多種，綜合分析的文獻也很多。

Guerrero等綜述了中等能量級別(配套約100kW級別光伏電站)的儲能系統(tǒng)應(yīng)用，涉及壓縮空氣儲能、蓄電池儲能、抽水蓄能、超導(dǎo)儲能、飛輪、超級電容等儲能模式，并重點回顧了超級電容的結(jié)構(gòu)、建模和應(yīng)用原理[34]，Carrasco等則額外論及氫能系統(tǒng)的一些顯著優(yōu)點：易儲存、可運輸、易通用等[35]，也有學(xué)者提及了另外一種液體活塞儲能技術(shù)(Liquid-piston technology)――類似于壓縮空氣儲能和抽水蓄能的結(jié)合，它被認(rèn)為有潛力替代鉛酸蓄電池[36]。以上三篇文獻對各種儲能模式的分析是光伏應(yīng)用的指南，各儲能設(shè)備在功率密度、能量密度坐標(biāo)圖中的位置如圖 3所示。

圖3 儲能設(shè)備的能量密度與功率密度[34]Fig. 3 energy density and power density of energy storage devices[34]

在儲能設(shè)備的選擇上，對分布式小型光伏發(fā)電系統(tǒng)，Toledo認(rèn)為在高功率應(yīng)用場合必須選擇超級電容和飛輪，對高能量應(yīng)用(每天一個充放電周期)場合則燃料電池和NaS電池更合適[37]；對大規(guī)模光伏電站，Shah通過比較分析法得出的結(jié)論：在水電為主的電力網(wǎng)中，超級電容與PV集成系統(tǒng)提升平抑能力更有效；而在以熱電為主的電力網(wǎng)中，蓄電池與PV系統(tǒng)結(jié)合提升平抑能力更有效[38]，其結(jié)果對大規(guī)模光伏電站選擇儲能設(shè)備具有一定的指導(dǎo)意義。此外，其它一些學(xué)者也提出了光伏與儲能集成的系統(tǒng)(PV-Storage system)，如SNL實驗室的Hanley和Yuan Guohui，此類集成系統(tǒng)具有相對成本優(yōu)勢并可消除光伏對旋轉(zhuǎn)備用容量的需求[39]，同時可提升分布式電網(wǎng)的可靠性[40]。由此可以看出，光伏-儲能集成系統(tǒng)是提升現(xiàn)代電網(wǎng)特別是分布式并網(wǎng)的可靠性保證，也是未來的研究熱點。

在儲能應(yīng)用于光伏的電路結(jié)構(gòu)上，Citro提出了光伏并網(wǎng)用儲能裝置的三端口雙向轉(zhuǎn)換器的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，針對蓄電池和超級電容應(yīng)用，并指出并聯(lián)超級電容和蓄電池是解決蓄電池功率不足的好方法，但目前看來，儲能裝置僅能滿足低功率水平，多端口轉(zhuǎn)換器尚存在可靠性問題[41]。Szymanski則重點研究了光伏、儲能及并網(wǎng)結(jié)構(gòu)的電磁隔離和諧振功率轉(zhuǎn)換器[42]，其提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對設(shè)備研制具有指導(dǎo)意義。國內(nèi)梁亮等也提出了適用于微網(wǎng)結(jié)構(gòu)的光伏－儲能系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，他們提出光伏混合儲能系統(tǒng)可降低系統(tǒng)容量及增加系統(tǒng)發(fā)電量，并仿真研究了其光伏裝機量、儲能量、與增加發(fā)電量三者之間的內(nèi)部關(guān)系[43]。

分析文獻提及的所有儲能方式，能量型以磷酸鐵鋰電池、鈉硫電池具較好的前景，但鉛酸蓄電池具有應(yīng)用成本和技術(shù)成熟的優(yōu)勢；功率型包括超級電容、飛輪、SMES等方式，其中超級電容技術(shù)已相對成熟，飛輪和SMES尚需應(yīng)用成本上的降低；因此，結(jié)合能量型和功率型儲能設(shè)備(如蓄電池結(jié)合超級電容)近年來頗受重視，具有較好的應(yīng)用前景。儲能設(shè)備應(yīng)用于光伏波動的平抑，其好處不止于并網(wǎng)時削峰，也可在電網(wǎng)故障的情況下保障本地重要負(fù)載的供電[44]，但目前尚需在大容量儲能技術(shù)上有所突破[2]。

1.2 地理平滑

地理平滑(geographic smoothing)作用的原理是，地理上相距一定距離的多個光伏電站不可能同時受同一片云的影響，這些光伏電站組合而成的系統(tǒng)具有自身平衡而總體波動減少的特性。早年以日本研究最多，近年以SNL的研究最為系統(tǒng)。

1997年，日本的Murata和Otani兩個課題組針對光伏的波動性，研究了光伏發(fā)電群的功率輸出因為地理距離而產(chǎn)生的平抑作用，前者采用了全日本800個光伏站點的數(shù)據(jù)分析，結(jié)論是：遠(yuǎn)程互連光伏群能有效降低總輸出功率的波動性和不確定性[45]，后者通過9個光伏站點的互相關(guān)分析估算了一定區(qū)域面積的光伏功率波動程度，并通過波動因子和功率譜密度兩個指數(shù)評價了總輸出功率的平抑效應(yīng)[46]，這兩篇文獻開創(chuàng)了地理平滑研究。而Curtright應(yīng)用功率譜密度(PSD)分析方法對相距110～290km的多個光伏站點組成的光伏群進行了研究，結(jié)果是光伏群的短周期波動的PSD相對于長周期波動(24或12小時)大大降低[47]，說明地理平滑作用對短周期隨機性波動更有效。

Mills認(rèn)為云層引起輻照量的迅速變化，光伏群波動平抑程度則依靠光伏電站的規(guī)模，在多個分立的光伏電站之間，平抑作用甚至發(fā)生在長時間刻度上[48, 49]。SNL的Lave對地理平滑作用進行了系統(tǒng)研究，主要結(jié)論是：光伏發(fā)電的短周期波動更有害，其研究著力于多個光伏電站的地理距離對輻照度平抑效應(yīng)分析，同時，地理距離與平抑的波動頻率有一定關(guān)系，比如相距不超過3km的6個光伏站點，其總功率上時間周期小于5分鐘的總輻照波動幅度明顯減少，而時間周期大于5分鐘的波動幅度減少程度不明顯[50-52]。Kato設(shè)計多個光伏微網(wǎng)互連系統(tǒng)的實踐證明，地理平滑效應(yīng)(smoothing effect)可減小波動強度，配置的儲能量相對減少[53]。

地理平滑是近年內(nèi)國外研究的熱點，研究方法多采用多站點同步數(shù)據(jù)分析，其平抑效果是顯而易見的，平抑波動的時間周期與地理距離有一定的關(guān)系(距離越近，則時間周期的上限越小)，也與云層的移動速度、方向等相聯(lián)系。光伏的地理平滑效應(yīng)目前國內(nèi)尚缺乏文獻支持，分析與光伏裝機量少、數(shù)據(jù)不共享有關(guān)。利用地理平滑效應(yīng)來平抑光伏功率輸出的波動性，極具經(jīng)濟性，可提升可靠性，當(dāng)前迫切需要加強研究工作和已安裝光伏電站的數(shù)據(jù)共享，電網(wǎng)企業(yè)也可發(fā)揮建設(shè)性作用。

1.3 功率縮減

功率縮減(power curtailment)是在光伏電站的控制算法中按一定規(guī)則自動減少自身的輸出功率以達到減少功率波動的目的，其作用是避免在光照較強時并網(wǎng)電壓或逆變電壓越限、提升分布性電網(wǎng)的可靠性、提高光伏在電網(wǎng)中的滲透率。根據(jù)其負(fù)載形式可分為硬縮減和軟縮減兩種。

硬縮減主要由卸流負(fù)載(dump load)實現(xiàn)，即通過專門設(shè)置的大功率負(fù)載(電阻、電加熱器等)來吸收超出設(shè)定限值的光伏發(fā)電功率。在光伏獨立系統(tǒng)中都需蓄電池配置，為了防止蓄電池過充，可在蓄電池電壓到高限時開啟卸流負(fù)載以吸收多余光伏功率，此卸流負(fù)載可設(shè)計為電加熱器，通過改變卸流負(fù)載上的電壓以控制吸收功率[54]。但卸流負(fù)載目前存在價格較高、能量損失不可彌補、平抑波動的能力也相對不足的缺點[55]，造成其應(yīng)用受限。

軟縮減主要通過光伏功率耦合器(如最大功率追蹤控制器)內(nèi)的控制算法實現(xiàn)，其算法大致可分為兩種：固定縮減率、電壓越限控制。固定縮減率是在小于光伏峰值功率的范圍內(nèi)確定一個合理的輸出功率上限，當(dāng)光伏功率大于上限值時僅以此限值輸出，如某1.2MW的光伏電站確定的光伏輸出功率上限為600kW[56]；而電壓越限控制則是在光伏功率突強并可能使其并網(wǎng)電壓越限時的控制，這實質(zhì)上也是對光伏功率的主動縮減，其實現(xiàn)方式有改變電流和改變功率兩種，前者如式所示，參考電流值在最大功率點電流IMPPT值附近變化(DI是電流變化率)，從而保證輸出電壓在(VLIMIT-DV)～VLIMIT之間變化[57]；

改變功率則如式所示，光伏逆變器的輸出平時保持在最大功率點功率PMPPT，當(dāng)并網(wǎng)電壓V大于設(shè)定值Vcri時，即以二者的差值乘以一定的縮減因子m得到輸出功率的減小值[58-60]。

無論是改變電流還是改變功率，均是以避免電壓越限為目標(biāo)，實際效果上是光伏功率的主動縮減。

功率縮減方法無需多余的硬件投資，在回收周期上有較大優(yōu)勢[55, 60]，多用于海島型獨立光伏系統(tǒng)[56, 61]或混合能源系統(tǒng)[59]，近期研究表明，功率縮減也適用于分布式光伏并網(wǎng)的研究中[56, 58, 60]。也有學(xué)者認(rèn)為功率縮減是增加可再生能源運行柔性的一個方向，可再生能源都必須有一定的功率縮減額度[61, 62]。

無論是硬縮減還是軟縮減，功率縮減的特點是單向性和能量損失，即僅在光照突強(光伏功率突增)時主動削減光伏輸出功率，光照突弱時則無能為力，主動削減的功率不可恢復(fù)，造成一定的能量損失。

1.4 變換連接方式

理論研究表明，在局部陰影或不均勻光照的情況下，將盡可能多的太陽電池并聯(lián)而非串聯(lián)將提高光伏系統(tǒng)的輸出，此方向的經(jīng)典研究是針對便攜式光伏系統(tǒng)的情況，光伏電池單體3串27并的光伏系統(tǒng)對比20串4并的光伏系統(tǒng)，在復(fù)雜的光照條件下，前者的輸出能力是后者的2 倍[63]，但其條件是：少數(shù)電池單體串聯(lián)的低電壓能滿足后級升壓變換器的輸入要求。類似的研究還有多人作過[64, 65]，均取得了較好的輸出效果。準(zhǔn)確地說，更多光伏電池單體的并列目前來看僅是針對不均勻光照提高輸出能力的有效手段，要應(yīng)用于平抑光照波動產(chǎn)生的功率波動，尚需要工作中根據(jù)光照條件適時變換連接形式這一必不可少的條件，這方面丁明教授做了很好的探索，其適時重構(gòu)光伏系統(tǒng)的實驗取得了輸出功率增加22%的效果[66]，但在不均勻光照檢測、不同連接方式輸出預(yù)測和多重開關(guān)管的復(fù)雜控制方面需要深入研究。從應(yīng)用前景來說，適時重構(gòu)技術(shù)的復(fù)雜性可能阻礙其進一步發(fā)展。

1.5 結(jié)合其它能源

結(jié)合其它能源形式來平抑光伏的波動，是研究較早的平抑方式之一，早期光伏與風(fēng)電的結(jié)合是研究較多的，后來發(fā)現(xiàn)這兩種形式結(jié)合仍無法完全滿足可靠性的要求，又加入了蓄電池儲能系統(tǒng)，這就使光伏、風(fēng)電、蓄電池混合的系統(tǒng)具有了獨立供電的能力，在電網(wǎng)故障的情況，提升了本地負(fù)載供電的可靠性[67]。

近年來，光伏與微型燃?xì)廨啓C的結(jié)合研究較多，為克服燃?xì)廨啓C響應(yīng)速度慢的缺點，有的提出加權(quán)移動平均法預(yù)測光伏功率[68]，有的提出了時間序列法超前預(yù)測光伏與負(fù)載功率[69]，有的以超級電容彌補燃?xì)廨啓C功率的滯后[70, 71]，這種方法對于天然氣資源豐富的地區(qū)如四川等地是十分合適的，但光伏功率的預(yù)測是一個難點，采用超級電容補償燃?xì)廨啓C的滯后效應(yīng)不失為一個好方法。

光伏發(fā)電與儲氫燃料電池結(jié)合也是國外研究較多的一個平抑技術(shù)，燃料電池的氫原料也由光伏發(fā)電產(chǎn)生，光伏發(fā)電功率的輸出基于一條預(yù)置的曲線，高于曲線的光伏功率部分用于生產(chǎn)氫并儲存起來，當(dāng)光伏功率低于預(yù)置曲線時，燃料電池利用儲存的氫彌補不足之功率部分，預(yù)置功率曲線常用單指數(shù)平抑算法，將此系統(tǒng)用于大規(guī)模光伏并網(wǎng)可平抑光伏的短周期功率波動，可不依賴氣象數(shù)據(jù)，但需要過去的光伏功率數(shù)據(jù)[72]，仍具一定的局限性。

光伏結(jié)合多種能源形式的微網(wǎng)演示系統(tǒng)取得了一定的成效，其假定了多種能源(光伏、柴油發(fā)電、蓄電池、超級電容、功率調(diào)節(jié)裝置)及其結(jié)合的仿真研究[73]，特別是克服光伏波動造成的電網(wǎng)電壓和頻率波動，提出了一些可借鑒的分析結(jié)果。

結(jié)合電網(wǎng)能力平抑光伏功率的波動，也是一個重要的研究方向，近年來開始受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，其要點是：在具備電網(wǎng)的地區(qū)(城區(qū)強電網(wǎng)和偏遠(yuǎn)的弱電網(wǎng))，充分利用電網(wǎng)的調(diào)節(jié)能力實時補充由于光伏功率波動導(dǎo)致的不足部分，具有事半功倍的功效。其結(jié)合形式可分為三種：一是光伏發(fā)電加蓄電池再加市電的方案，光伏發(fā)電供給負(fù)載的同時也給蓄電池充電，光伏功率不足時由蓄電池供給負(fù)載，蓄電池電壓下降到過放點時自動切換為電網(wǎng)供電[74-77]；二，硬件配置與第一類相似，增加的一項功能是市電經(jīng)整流后也可給蓄電池充電，避免蓄電池過放情況發(fā)生[78-81]，可延長蓄電池壽命，比第一類方案更實用；三，不用蓄電池，僅由光伏與市電在電路結(jié)構(gòu)上結(jié)合，但光伏并不并網(wǎng)，首先保證光伏發(fā)電“盡發(fā)盡用”，當(dāng)光伏功率不足時由市電補充不足部分，當(dāng)光伏功率為零時完全由市電供電[82, 83]，在此基礎(chǔ)上有的學(xué)者甚至提出了構(gòu)建直流電網(wǎng)的設(shè)想(如適用于LED照明的48V DC電網(wǎng))[84]，由于沒有蓄電池等儲能設(shè)備，可減少光伏安裝量，此種結(jié)合形式更具經(jīng)濟性，當(dāng)然應(yīng)用條件也相對受限。顯然，在有電網(wǎng)條件的地區(qū)，利用電網(wǎng)的供電能力平抑光伏輸出功率的波動性，降低了蓄電池等儲能設(shè)備的容量，無疑具有較好的經(jīng)濟性，目前尚需在應(yīng)用條件、電路結(jié)構(gòu)等方面深入研究。

光伏結(jié)合其它能源形式，其電路基礎(chǔ)是多輸入單輸出變換器，這方面國內(nèi)外均有學(xué)者做出了貢獻，國內(nèi)以南京航空航天大學(xué)的團隊為代表分析了此類變換器的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[85-87]，國外以Gavris、Chen、Chiu、Huang-Jen等為代表[88-90]，這也是一種電路底層的平抑光伏波動方法，同樣具有較為重要的意義。

總之，光伏與風(fēng)電、燃?xì)廨啓C、燃料電池、柴油發(fā)電、電網(wǎng)等能源形式結(jié)合具有互補特性和平抑波動的能力，在具備電網(wǎng)條件的地區(qū)采用光伏、電網(wǎng)結(jié)合之路具有競爭優(yōu)勢，并在電路基礎(chǔ)上結(jié)合多輸入單輸出變換器，能取得較好的效果，此類結(jié)合形式還在不斷的發(fā)展中。

2 波動平抑技術(shù)的綜合評價和存在的問題

隨著光伏組件價格的降低和歐美等國的“雙反”調(diào)查，目前的光伏應(yīng)用有向兩個方面推進的趨勢：一是多個大規(guī)模光伏并網(wǎng)系統(tǒng)處于蓄勢待發(fā)狀態(tài)；二是適應(yīng)屋頂安裝的光伏微網(wǎng)有逐漸擴大之勢。兩個方面的共同之處均是光伏滲透水平的提高，均對平抑技術(shù)有較高要求。如此，平抑技術(shù)直接關(guān)系光伏應(yīng)用的層次與水平，只有那些全壽命成本低、可靠性高的技術(shù)具有更多的優(yōu)勢。以此為標(biāo)準(zhǔn)判斷前述五種波動平抑技術(shù)，以其優(yōu)勢、不足和相對成熟主列表為表1，詳述如下：

表1 光伏波動平抑技術(shù)評價Tab. 1 Evaluation of PV fluctuation smoothing technologies

2.1 儲能系統(tǒng)

蓄電池具有大能量密度的優(yōu)勢，鉛酸蓄電池應(yīng)用于光伏獨立系統(tǒng)的設(shè)計已趨成熟，鋰離子電池具有相對更高的性能，但二者對光伏應(yīng)用來說均非理想，其原因是：鉛酸蓄電池的相對低壽命和鋰離子電池的相對高價格，這也是其最大不足，總的應(yīng)用趨勢是相對成熟，除獨立系統(tǒng)外，目前尚缺乏規(guī)模應(yīng)用的實例。

超級電容結(jié)合蓄電池的優(yōu)勢是較為理想的功率型與能量型儲能結(jié)合方案，其相對不足是由于兩種儲能介質(zhì)的結(jié)合造成控制結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度增大，目前的研究主要集中于獨立光伏系統(tǒng)，已觸及可再生能源微網(wǎng)架構(gòu)，用于光伏柔性并網(wǎng)甚至大規(guī)模光伏并網(wǎng)的研究尚缺乏，總的趨勢是漸趨成熟。

抽水蓄能的優(yōu)勢是適用于大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)，由于水能的能量大、分布范圍廣，加上我國的梯級地貌特點，特別適于發(fā)展抽水蓄能，理論上僅需將已開發(fā)水能的少部分用于抽水蓄能，即可全面解決可再生能源的平抑問題。抽水蓄能的不足之處是響應(yīng)時間相對較長，其水能機組功率較大，精細(xì)化控制上尚顯困難，總的趨勢是尚待大力開發(fā)。

超導(dǎo)儲能具有大功率優(yōu)勢，可實現(xiàn)瞬間放電，其不足之處是需復(fù)雜的超導(dǎo)設(shè)備，目前尚缺少應(yīng)用實例。

2.2 地理平滑

利用地理平滑效應(yīng)平抑光伏功率波動是一種廉價有效的技術(shù)，其優(yōu)勢在于相對低成本，目前的研究對波動的周期性刻度與地理距離的關(guān)系研究較為透徹，但相距一定距離的光伏電站之間電纜上頻繁通過雙向潮流是一個值得重視的問題。由于需要增加各光伏電站之間平抑輸出的連接線，電網(wǎng)企業(yè)的支持必不可少，目前所有研究均集中于仿真研究，尚缺乏工程實踐的應(yīng)用。

2.3 功率縮減

硬縮減技術(shù)依賴于價格昂貴的卸流負(fù)載，造成其成本較高，其優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)和控制算法簡單，總體評價是相對成熟。

軟縮減依賴于控制算法，其優(yōu)勢是無需增加硬件，成本很低，不足之處是控制算法較為復(fù)雜，總體來說應(yīng)用前景較好。已有的文獻分析來看，對控制算法的縮減率、縮減方向和縮減實現(xiàn)方式等理論研究仍顯不足。

功率縮減具有單向性，且均有一定量的能量損失，這種損失也是實現(xiàn)原理上所必需的。按照光伏發(fā)電的P-V或P-I曲線，最大功率Pmpp對應(yīng)最大功率點電壓Vmpp、最大功率點電流Impp，在Vmpp處增大或減少參考電壓、或在Impp處增大或減少參考電流均可以使輸出功率小于最大功率Pmpp，而且增大和減小對輸出功率的減小幅度是不相同的，但據(jù)已有文獻分析，此問題并沒有被具體分析，此外，功率縮減后對光伏面板是否產(chǎn)生不良的影響(如更高的溫升)，目前仍不明確，總之仍有深入研究的必要。

2.4 變換連接方式

此種方式來源于對不均勻光照情況下光伏輸出能量最大化的研究，繼而推廣到光伏輸出功率的平抑。在光照突強、突弱的變換中，功率的平衡輸出離不開光伏電池單體或組件連接結(jié)構(gòu)的適時重構(gòu)技術(shù)，從理論上來說，這種重構(gòu)雖復(fù)雜也能實現(xiàn)，但從工程實踐方面來看，需增加電子開關(guān)元件，檢測和控制均可能是大復(fù)雜度的，其復(fù)雜性可能阻礙其進一步發(fā)展，總體上仍需深入研究。

2.5 結(jié)合其它能源

光伏與風(fēng)電具有一定的互補性，這是許多研究文獻的結(jié)論，但僅這兩種能源的結(jié)合仍不能克服其合并輸出的波動性，特別是在短周期波動方面。在實踐中常增加蓄電池以構(gòu)成風(fēng)光蓄混合系統(tǒng)并已實用化，廣泛應(yīng)用于偏遠(yuǎn)地區(qū)的獨立系統(tǒng)中。

光伏與柴油發(fā)電機結(jié)合的優(yōu)勢是可提高供電可靠性，這對偏遠(yuǎn)無電地區(qū)或重要設(shè)施來說是至關(guān)重要的，其不足是功率不易被控制，實踐中常增加風(fēng)電、蓄電池等設(shè)施構(gòu)成風(fēng)光柴蓄系統(tǒng)，目前這類系統(tǒng)已實用化。

光伏與燃?xì)廨啓C或燃料電池的結(jié)合與柴油發(fā)電機類似，優(yōu)勢是可提高供電可靠性，區(qū)分在于發(fā)電燃料的不同，不足之處前者需可燃?xì)庠粗С?、反?yīng)時間較長，后者是燃料成本較高，兩者的總體評價均是趨于成熟。

光伏與電網(wǎng)結(jié)合技術(shù)在有電網(wǎng)條件地區(qū)具有良好的應(yīng)用前景，其優(yōu)勢是經(jīng)濟性和可靠性俱佳，無明顯不足?；诖思夹g(shù)的研究尚處于起步階段，鑒于該技術(shù)的優(yōu)勢，在具體實現(xiàn)方式特別是促使二者結(jié)合的功率耦合器方面值得深入研究。

3 波動平抑技術(shù)的發(fā)展趨勢

Omran利用NREL的10分鐘氣象數(shù)據(jù)進行仿真，探索和評價了減少波動的三種方法：電池儲能系統(tǒng)、卸流負(fù)載(dump load)和功率縮減(curtailment of the generated power)，并對目前常用的多種儲能系統(tǒng)進行了評價，他認(rèn)為，從發(fā)展趨勢來看：鈉流電池優(yōu)于鉛酸蓄電池，儲能電池與功率縮減相結(jié)合的方法是最好的平抑方法[55]，無論如何，其評價尚不全面。

從平抑周期來看，光伏應(yīng)用的初期是平抑日周期以上的光伏波動(確定性波動伴隨小波峰的隨機性波動)，此種平抑方法造成儲能系統(tǒng)容量超過系統(tǒng)日負(fù)載量的3～5倍直至15倍，而儲能又是光伏系統(tǒng)全壽命周期上最為薄弱的環(huán)節(jié)，實踐也證明這種光伏應(yīng)用的適應(yīng)面有限。前述的分析表明，平抑光伏功率中確定性波動(日周期以上)既無必要也不具經(jīng)濟性，平抑其隨機性波動甚至短周期波動成為研究的熱點，波動周期越短，所需的儲能量越小，愈顯其經(jīng)濟性。綜合光伏發(fā)電功率的波動平抑技術(shù)研究的歷史和現(xiàn)狀，有前景的技術(shù)必然有其固有的生命力，總結(jié)起來就是三原則：一、尊重光伏發(fā)電的自然規(guī)律；二、必須多種技術(shù)綜合應(yīng)用；三、必須注重經(jīng)濟性。只有遵守三原則，才會有持久性即生命力。

從發(fā)展趨勢看，儲能技術(shù)可能最先成熟，特別是蓄電池結(jié)合超級電容技術(shù)，但蓄電池結(jié)合功率縮減技術(shù)(軟縮減)更值得關(guān)注，因為功率縮減不會增加過多的成本卻會大大提升蓄電池在功率密度上的不足(降低對蓄電池充電功率的要求)；而抽水蓄能技術(shù)在光伏和梯級水電條件都優(yōu)越的西部地區(qū)應(yīng)予重視和發(fā)展，如云南北部光伏條件優(yōu)越，同時梯級水電站密布金沙江沿線，適合于大型光伏電站和抽水蓄能電站建設(shè)；結(jié)合其它能源(包括市電電網(wǎng))也是一個有前景的平抑手段；實踐中應(yīng)本著具體分析的原則，多種技術(shù)綜合應(yīng)用。

國內(nèi)對光伏波動平抑技術(shù)研究還不算多，甚至對波動性重視程度還不夠，這有兩方面原因：一是光伏應(yīng)用的規(guī)模和成熟度還不夠；二是光伏并網(wǎng)還未限制功率變化率，尚未得到足夠關(guān)注。從前面的分析來看，以蓄電池與功率縮減結(jié)合技術(shù)的深入研究和光伏與市電結(jié)合的功率耦合器研究，無疑值得更多關(guān)注。

4 結(jié)論

隨著光伏應(yīng)用的規(guī)?；头植蓟娋W(wǎng)的實踐，光伏發(fā)電功率波動特性得到更多關(guān)注，研究其波動性是為了更有效、更經(jīng)濟地應(yīng)用光伏發(fā)電，因此，其波動平抑技術(shù)顯得愈加重要，現(xiàn)有的平抑技術(shù)包括儲能系統(tǒng)、地理平滑、卸流負(fù)載、功率縮減、變換連接方式、結(jié)合其它能源形式等，評價其優(yōu)劣的唯一指標(biāo)是應(yīng)用的經(jīng)濟性，從此角度出發(fā)，蓄電池與超級電容結(jié)合或蓄電池與功率縮減的結(jié)合有較好的前景，在有條件的地區(qū)，光伏與市電結(jié)合有更高的經(jīng)濟性，而地理平滑技術(shù)則需要電網(wǎng)企業(yè)的更多支持。從發(fā)展來看，兩項研究較具價值，即以蓄電池與功率縮減結(jié)合技術(shù)的深入研究、光伏與市電結(jié)合的功率耦合器研究。

致 謝

本文得到云南師范大學(xué)太陽能研究所團隊的大力支持，文獻分析和收集得到高文峰副教授的幫助，在此向他(她)們表示衷心的感謝。

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Overview of Fluctuation Smoothing Technologies of Photovoltaic Power Generation Systems

ZHANG Weidong1,2*, YUAN Rongguo1, LIU Zuming2
(1. Kunming General Hospital of Chengdu Military Command, Kunming 650032, China; 2. Solar Research Institution, Yunnan Normal Uniνersity; Key Laboratory of Yunnan Proνincial Renewable Energy Engineering, Key Laboratory of Renewable Energy Adνanced Materials and Manufacturing Technology, Ministry of Education, Kunming 650092, China)

With the practice of large-scale photovoltaic applications and distributed photovoltaic grid, photovoltaic power fluctuation became a more outstanding issue. The object of this overview is the fluctuation characteristic of the photovoltaic power generation and fluctuation smoothing technology. Firstly fluctuation smoothing technologies of PV power generation systems are classified and reviewed, then the various smoothing technologies is comprehensively evaluated based on the advantage, disadvantage and maturity, and finally several promising and cost-effective technologies are highlighted through the analysis of the development process of PV smoothing technologies. These results have certain significance for guiding the fluctuation smoothing technologies to apply to photovoltaic power generation systems.

photovoltaic power generation systems; fluctuation smoothing; energy storage system; geographic smoothing; power curtailment

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.01.01

國家自然科學(xué)基金面上項目(51367019)

張衛(wèi)東(1970-), 男, 博士, 高級工程師, 研究方向為光伏系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù); 袁榮國(1975-), 男, 碩士研究生, 研究方向為光伏電池材料; 劉祖明(1962-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師, 研究方向為光伏電池材料和系統(tǒng)應(yīng)用。

張衛(wèi)東，袁榮國，劉祖明．光伏發(fā)電的波動平抑技術(shù)綜述[J]．新型工業(yè)化，2015，5(1)：1-14