何 帆

中國能源建設(shè)集團浙江火電建設(shè)有限公司 浙江 杭州 310002

如今，我國工業(yè)步伐正不斷加快，化石能源日漸枯竭，而且一次能源的使用還給人類賴以生存的自然環(huán)境造成很大污染，在這種實際情況下，迫切的需要采用污染水平較低且可實現(xiàn)再生的能源來逐步取代傳統(tǒng)能源。在不同的可再生能源類型中，太陽能不僅分布極為廣泛，而且取之不盡用之不竭，成為當(dāng)前發(fā)電的主要清潔能源類型，光伏發(fā)電因此得到很快的發(fā)展，光伏發(fā)電總裝機容量在全球發(fā)電總裝機容量中的占比不斷提高，據(jù)初步統(tǒng)計，到2030年，光伏發(fā)電總裝機容量將突破300GW，從而提供15%左右的電能。由此可見，光伏發(fā)電無論是在環(huán)保還是在滿足用電需求上都有重要現(xiàn)實作用與意義。然而，光伏發(fā)電和傳統(tǒng)發(fā)電模式有很大不同，光伏系統(tǒng)輸出功率會由于受到環(huán)境因素及其變化的影響而改變，有很大不可控性，所以如果光伏系統(tǒng)取代傳統(tǒng)系統(tǒng)進行大規(guī)模發(fā)電難免會給電網(wǎng)造成一定程度的沖擊影響，這必須引起相關(guān)人員的高度重視，尤其是在當(dāng)前光伏系統(tǒng)在整個電網(wǎng)中占據(jù)的比例不斷增加的局勢下，光伏系統(tǒng)并入可能給電網(wǎng)造成的影響必須得到有效治理，以免給供電可靠性與安全性造成影響。因此，在光伏系統(tǒng)不斷應(yīng)用與發(fā)展的過程中，需要在明確光伏系統(tǒng)引入可能造成的不利影響基礎(chǔ)上，通過對儲能技術(shù)的應(yīng)用來解決各種不利影響，從而良好適應(yīng)光伏系統(tǒng)引入提出的需求。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

光伏系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包含以下幾部分：(1) 光伏陣列；(2)MPPT裝置；(3) 儲能系統(tǒng)；(4) 并網(wǎng)逆變器；(5) 并網(wǎng)變壓器。其中，光伏陣列為系統(tǒng)基本單元，按照系統(tǒng)需要，采用串并聯(lián)的方式并裝于支架，主要完成能量轉(zhuǎn)換；MPPT是對光伏能源予以高效利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于光伏陣列有顯著的非線性特征，其輸出會受到包含負載、光照強度及溫度等在內(nèi)一系列因素的直接影響，采用MPPT能使光伏陣列在任意情況下始終以最大功率進行輸出，從而保證光伏能源得到高效利用；儲能系統(tǒng)在光伏系統(tǒng)中負責(zé)調(diào)節(jié)與控制，在光照條件良好的情況下對部分電能進行存儲，然后按照實際需要對存儲的電能進行釋放，使光伏系統(tǒng)輸出保持穩(wěn)定；而并網(wǎng)逆變器與變壓器主要作用在于將從陣列中發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化成交流電， 從而為光伏并網(wǎng)創(chuàng)造必要條件[1]。

光伏系統(tǒng)主要具有下列幾方面特征：

(1) 系統(tǒng)輸出會受到外部環(huán)境因素的直接影響，如光照強度與氣溫，使系統(tǒng)輸出功率有很大變化，尤其是在天氣多變的情況下，發(fā)電功率有顯著隨機性和不可控性；

(2) 因光伏系統(tǒng)成本很高，為了使太陽能資源得到最大化利用，光伏系統(tǒng)需引入MPPT，而且電網(wǎng)應(yīng)能最大長度對光伏電能進行吸收；

(3) 為了使太陽能得到充分利用，在并網(wǎng)過程中需要確保并網(wǎng)電流與電壓達到同相，光伏系統(tǒng)只能提供有功。

2 光伏系統(tǒng)可能給電網(wǎng)造成的影響

因光伏系統(tǒng)的規(guī)模比電網(wǎng)小，加之儲能系統(tǒng)造價很高，所以很多光伏系統(tǒng)在并網(wǎng)發(fā)電過程中都不配備儲能系統(tǒng)，這樣雖然能減少系統(tǒng)一次投入，但會給電網(wǎng)造成不利影響，而且當(dāng)光伏系統(tǒng)規(guī)模持續(xù)擴大時，這種不利影響也會越來越大，必須引起相關(guān)人員的高度重視。根據(jù)光伏發(fā)電技術(shù)特性，光伏系統(tǒng)對電網(wǎng)有不利影響的主要原因為光伏電源不夠穩(wěn)定，以下從安全性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性三個方面入手分析未采用儲能系統(tǒng)的系統(tǒng)可能給電網(wǎng)帶來的不利影響：

(1) 對電網(wǎng)潮流的影響。將系統(tǒng)接入到電網(wǎng)時，支路潮流通常為單向流動，而且對配網(wǎng)而言，伴隨與變電站之間距離的不斷增加，潮流單調(diào)將不斷減小。但在接入光伏電源之后，會使潮流模式發(fā)生了根本變化，使潮流變得不能預(yù)測。潮流一旦發(fā)生變化，將使電壓調(diào)整難以維持，嚴(yán)重時將使電壓調(diào)整設(shè)備產(chǎn)生異常響應(yīng)，并使潮流越限，進而給系統(tǒng)運行可靠性造成很大影響。除此之外，潮流隨機性還會影響到發(fā)電計劃的制定[2]。

(2) 對系統(tǒng)保護造成影響。在光照條件良好的情況下，光伏系統(tǒng)實際輸出功率相對較大，使短路電流變大，容易使過流保護異常配合，并且當(dāng)短路電流增大時，還有可能對熔斷器工作造成很大影響。另外，從配網(wǎng)的角度講，接入光伏系統(tǒng)前，潮流通常為單向，系統(tǒng)保護不具方向性，但在接入系統(tǒng)后，會使配網(wǎng)變成一個多源的網(wǎng)絡(luò)，使潮流流向無法確定。可見，為保證系統(tǒng)正常運行，必須設(shè)置保護裝置[3]。

(3) 電網(wǎng)經(jīng)濟性受到的影響。以內(nèi)光伏系統(tǒng)輸出具有不穩(wěn)定性，所以將系統(tǒng)接入到電網(wǎng)后，需增加容量一定的旋轉(zhuǎn)備用，增強系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力，當(dāng)光伏系統(tǒng)為電網(wǎng)供電時，會使機組利用時間減少，從而給電網(wǎng)經(jīng)濟性造成一定程度的影響。另外，對電網(wǎng)節(jié)能環(huán)保性進行分析時，需要充分考慮旋轉(zhuǎn)備用對應(yīng)的排放及能耗。

(4) 電能質(zhì)量受到的影響。由于受到云層遮擋等因素的影響，使光伏系統(tǒng)實際功率瞬時從最大功率減小至不足30%，也可能從不足30%升高到最大功率，這對規(guī)模較大的光伏系統(tǒng)而言，可能導(dǎo)致電壓或頻率發(fā)生波動。另外，因光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能屬于直流電，需通過逆變裝置與電網(wǎng)相接，所以該過程必然產(chǎn)生一定諧波，進而給電網(wǎng)造成不利影響[4]。

(5) 對電網(wǎng)運行調(diào)度造成影響。光伏系統(tǒng)由于受到天氣變化因素的影響使輸出功率產(chǎn)生變化，而且這種變化不可控，使光伏系統(tǒng)自身可調(diào)度性受到很大制約，在光伏系統(tǒng)在電網(wǎng)中占據(jù)一定比例后，運營商必須對電力調(diào)度引起足夠的重視。此外，光伏系統(tǒng)的電價也和常規(guī)電能存在一定差異，如何在適應(yīng)所有約束條件的基礎(chǔ)上對電網(wǎng)實施經(jīng)濟性調(diào)度也需要引起相關(guān)人員的重視。

3 光伏并網(wǎng)發(fā)電對儲能技術(shù)的應(yīng)用

從以上分析結(jié)果可以看出，光伏電站并網(wǎng)給電網(wǎng)造成的不利影響是不容忽視的。為了從本質(zhì)上解決這種不利影響，保證電網(wǎng)容量，需要從以下兩個角度入手：其一，盡可能提高電網(wǎng)自身靈活性，打造智能電網(wǎng)；其二，為光伏系統(tǒng)引入儲能裝置。儲能技術(shù)是典型的靈活輸電技術(shù)，引入到光伏系統(tǒng)后，可通過充電與放電控制，保證光伏系統(tǒng)輸出穩(wěn)定性，防止因光伏系統(tǒng)輸出不穩(wěn)定導(dǎo)致電網(wǎng)受到不利影響。將儲能裝置引入到光伏系統(tǒng)后，采取適當(dāng)?shù)目刂撇呗阅転殡娋W(wǎng)及用戶帶來更好的利益[5]。

在電網(wǎng)方面，可采用以下技術(shù)手段實現(xiàn)儲能：

(1) 電力調(diào)峰。對調(diào)峰而言，其主要目的在于盡可能減小用電高峰給電能提出的集中需求，緩解電網(wǎng)承擔(dān)的負荷壓力，儲能系統(tǒng)按照具體需要在低估時間對光伏系統(tǒng)電能進行儲存，并在高峰時間對存儲的電能進行釋放，以此保證供電可靠性。

(2) 電能質(zhì)量控制。將儲能系統(tǒng)接入到電網(wǎng)后，能使光伏系統(tǒng)自身供電特性得到很大的改善，保證供電的穩(wěn)定性，另外，通過對各項逆變控制策略的制定，還能使儲能系統(tǒng)對電能的質(zhì)量予以控制，如電壓穩(wěn)定控制、相角調(diào)整與有源濾波。

(3) 微電網(wǎng)。這是未來很長一段時間輸配電系統(tǒng)主流發(fā)展方向之一，能有效改善電網(wǎng)供電的可靠性。如果微電網(wǎng)和系統(tǒng)之間分離，則微電網(wǎng)采用孤島形式運行，此時微電網(wǎng)電源將承擔(dān)所有供電任務(wù)，從而為負載提供可靠且安全的電能[6]。

在用戶方面，可采用以下技術(shù)手段實現(xiàn)儲能：

(1) 負荷轉(zhuǎn)移。從技術(shù)層面講，負荷轉(zhuǎn)移與調(diào)峰相似，但其應(yīng)用需將分時計費作為前提。很多情況下的負荷高峰并非產(chǎn)生于發(fā)電較為充足的時間，而是在光伏系統(tǒng)發(fā)電高峰期之后，采用儲能系統(tǒng)可以在負荷相對較低的時間對光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能進行儲存，然后在負荷較高的時間釋放，這樣一來，通過對儲能與光伏系統(tǒng)之間的結(jié)合，可以降低用戶在高峰時段對市電提出的需求，從而使用戶獲得理想經(jīng)濟效益。

(2) 負荷響應(yīng)。為了使高峰時段的電網(wǎng)保持可靠運行狀態(tài)，電網(wǎng)往往選擇高功率負荷予以控制，確保這些負荷可以在高峰時間段交替工作，如果這些用戶均能配備儲能系統(tǒng)，則能有效規(guī)避負荷響應(yīng)策略可能給高功率設(shè)備造成的影響。但對于負荷響應(yīng)系統(tǒng)，往往需要在電網(wǎng)與儲能電站間提供一條以上通訊線路[7]。

(3) 斷電保護。對光伏儲能系統(tǒng)而言，其一個顯著的優(yōu)勢在于能為用戶提供良好斷電保護功能。當(dāng)用戶無法獲得正常市電時，在光伏系統(tǒng)支持下依然能獲得滿足使用要求的電能。這種與電力孤島類似的功能無論是對電網(wǎng)還是對用戶而言都是有利的，除了能在高峰時期切掉部分負荷，還能確保在市電無法供應(yīng)的情況下依然保持正常運行。

4 光伏儲能系統(tǒng)未來發(fā)展

就當(dāng)前形勢看，光伏系統(tǒng)常用儲能系統(tǒng)為蓄電池，存在壽命相對較短、功率密度不高和對充放電有很高要求的問題，對儲能裝置在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用造成一定影響。為了使儲能技術(shù)廣泛應(yīng)用于光伏系統(tǒng)，保證并網(wǎng)后的性能，在今后的儲能系統(tǒng)發(fā)展過程中，要充分考慮一下幾方面：

(1) 儲能技術(shù)。在光伏系統(tǒng)中使用的儲能系統(tǒng)通常處于惡劣的工作環(huán)境，并且由于光伏系統(tǒng)輸出具有不穩(wěn)定性，所以儲能系統(tǒng)實際充放電條件很差，有時面臨到頻繁充放電工況。基于光伏系統(tǒng)發(fā)電特點與儲能系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)展局勢，在光伏系統(tǒng)中應(yīng)用的儲能技術(shù)，需在下列幾方面進行適當(dāng)?shù)母倪M：其一，增大能量與功率密度；其二，盡可能延長裝置自身使用壽命；其三，加快充電和放電的速度；其四，在更加寬泛的條件下確保系統(tǒng)運行的安全性與可靠性；其五，降低成本。

超級電容器是當(dāng)前新型儲能元件，不同于普通電容器與化學(xué)電池，有極大的電容量，可達數(shù)法拉甚至數(shù)千法拉。超級電容器的功率密度與靜電電容器相當(dāng)，能量密度則與化學(xué)電池相當(dāng)，是處在兩者之間的儲能器件。從儲能方面看，該器件有獨特優(yōu)勢，得到越來越多人的關(guān)注和重視，整備大量研究和應(yīng)用。超級電容器與靜電電容器和化學(xué)電池的技術(shù)性能對比如表1所示。

表1 超級電容器與靜電電容器和化學(xué)電池的技術(shù)性能對比

從表1數(shù)據(jù)可以看出，與靜電電容器相比，超級電容器有更高能量密度，盡管能量密度低于化學(xué)電池，但其它技術(shù)性能均優(yōu)于化學(xué)電池。而與化學(xué)電池相比，超級電容器具有如下優(yōu)勢：功率密度較高、充電速度快、循環(huán)使用壽命長、無污染，環(huán)保效益明顯、工作溫度范圍廣，-40℃到85℃范圍內(nèi)均可工作、使用管理方便。

(2) 控制技術(shù)。為延長裝置使用壽命，提高能量輸出與使用效率，要根據(jù)儲能裝置自身特點，制定與儲能裝置相適應(yīng)的充放電策略。比如，對鉛酸蓄電池而言，對充電提出了長時間和低電流要求，否則將在鉛板上產(chǎn)生結(jié)晶，若充電過程中電流較大，將減弱電池自身儲能能力，同時縮短電池的使用壽命。如果采用光伏電池，則很難達到理想的充電條件，基于此，應(yīng)開發(fā)先進可行的儲能裝置控制管理策略，以此從根本上解決充放電方面的問題。另外，針對現(xiàn)階段經(jīng)常使用的裝置，如飛輪儲能、蓄電池及超級電容器，都無法直接利用工頻交流電，所以還需加大力度開發(fā)相應(yīng)的轉(zhuǎn)化裝置[8]。

(3) 系統(tǒng)建模工具與綜合分析軟件。要想開發(fā)出先進合理的儲能系統(tǒng)，必須在此之前綜合分析整個光伏系統(tǒng)，需涵蓋的內(nèi)容有：運行經(jīng)濟性、運行管理及可靠性。在進行這些分析時，應(yīng)將當(dāng)前的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)采取適宜的全壽命周期分析方法，以此保證經(jīng)濟性分析的系統(tǒng)性。就目前來看，光伏系統(tǒng)對儲能技術(shù)的應(yīng)用還不夠成熟，所以對光伏系統(tǒng)的設(shè)計人員而言，應(yīng)在系統(tǒng)開發(fā)前采用建模或仿真等方法全面分析儲能系統(tǒng)實際運行狀況，為達到這一要求，軟件系統(tǒng)應(yīng)能對整個光伏電站與其儲能系統(tǒng)進行動態(tài)模擬，進而得到真實可信的分析成果，為儲能系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)與運行提供可靠的參考依據(jù)。

5 結(jié)語

綜上所述，光伏發(fā)電是指利用廣泛分布的太陽能進行發(fā)電，目前光伏發(fā)電技術(shù)已經(jīng)得到了很大的提升，在我國很多地區(qū)都得到了廣泛應(yīng)用，但需要注意的是，光伏系統(tǒng)接入到電網(wǎng)后，可能對電網(wǎng)運行造成很大影響，導(dǎo)致電網(wǎng)供電不穩(wěn)定或不可靠。而解決這一問題的關(guān)鍵在于在光伏系統(tǒng)引入儲能技術(shù)，實踐表明，通過對儲能技術(shù)的合理應(yīng)用，無論是對用戶側(cè)還是對電網(wǎng)側(cè)，均能帶來顯著的經(jīng)濟效益，在光伏技術(shù)今后發(fā)展中必須將儲能技術(shù)及其應(yīng)用作為重點。