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(huán)境污染等問題，因此新能源開發(fā)備受關(guān)注，各國(guó)都已經(jīng)開始加強(qiáng)新能源建設(shè)。新能源建設(shè)與應(yīng)用涉及到微電網(wǎng)，包括“采、發(fā)、輸、配、用以及儲(chǔ)”6部分。其中，儲(chǔ)能是微電網(wǎng)和新能源并網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，新能源儲(chǔ)能技術(shù)的研究和應(yīng)用勢(shì)在必行。目前，儲(chǔ)能技術(shù)不僅是光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、潮汐發(fā)電以及生物發(fā)電等分布式發(fā)電的核心技術(shù)，而且也是未來智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)。

1 儲(chǔ)能技術(shù)

目前儲(chǔ)能技術(shù)包括電磁儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能以及物理儲(chǔ)能等，不同的儲(chǔ)能技術(shù)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(xué)儲(chǔ)能包括超級(jí)電容儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能等；物理儲(chǔ)能包括壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、抽水蓄能等；電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)儲(chǔ)能等。

1.1 蓄電池儲(chǔ)能

作為目前最成熟且應(yīng)用最多的儲(chǔ)能技術(shù)，蓄電池儲(chǔ)能還可以根據(jù)應(yīng)用化學(xué)物質(zhì)的差異分為不同的類型，包括鋰離子電池儲(chǔ)能、鉛酸蓄電池儲(chǔ)能、全釩液流電池儲(chǔ)能、鈉硫電池儲(chǔ)能、鎳氫電池儲(chǔ)能以及鎳鎘電池儲(chǔ)能等。鉛酸蓄電池具備性能良好、成本價(jià)格低、技術(shù)發(fā)展成熟、儲(chǔ)能容量大以及年生產(chǎn)量大的典型優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用在小型風(fēng)光發(fā)電系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、家用照明、通信連接設(shè)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(zhuǎn)換效率以及能量密度更高，且具有更長(zhǎng)的循環(huán)壽命。由于鋰離子電池自身的成本較高，而且易爆易燃、對(duì)環(huán)境存在污染，因此其應(yīng)用具有一定限制，目前主要在新能源電動(dòng)汽車、便攜電子產(chǎn)品以及分布式電站中應(yīng)用。全釩液流電池和鈉硫電池作為今年的新型儲(chǔ)能電池，雖然成本相對(duì)昂貴，但容量較大，在電力行業(yè)也得到了廣泛應(yīng)用。

1.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能

超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)最早出現(xiàn)在1957年BECKER的專利中，該技術(shù)和專利經(jīng)過相關(guān)研究人員開發(fā)之后實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工業(yè)化。在電解質(zhì)溶液中放置電極后，電極表面電荷異性的離子會(huì)吸附到電極表面，并形成雙電層。超級(jí)電容充放電是物理過程，并沒有發(fā)生化學(xué)變化，保證了電池支持多次循環(huán)充放電，具有較長(zhǎng)的使用壽命[1-3]。

但是，單一超級(jí)電容的能量密度和電壓較低，如果超級(jí)電容過度放電會(huì)導(dǎo)致兩端電壓的大幅度波動(dòng)，這些因素限制了超級(jí)電容的大規(guī)模應(yīng)用。為保證超級(jí)電容的大規(guī)模應(yīng)用，一般將多個(gè)超級(jí)電容器進(jìn)行并聯(lián)，以此滿足運(yùn)行系統(tǒng)高功率、大容量的實(shí)際需求。

1.3 HESS儲(chǔ)能技術(shù)

2002年R.A.Dougal等人首次提出HESS儲(chǔ)能技術(shù)，并且針對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了理論推導(dǎo)，通過理論分析證明了其充分融合了超級(jí)電容和蓄電池的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。HESS儲(chǔ)能技術(shù)不僅能夠滿足運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)容量和功率的實(shí)際需求，而且還能有效減少蓄電池的充放電次數(shù)，提升電池使用壽命?；谶@些優(yōu)越性，HESS儲(chǔ)能技術(shù)獲得了相關(guān)研究者和企業(yè)的廣泛關(guān)注，在風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電以及微電網(wǎng)中得到了廣泛應(yīng)用。

2 儲(chǔ)能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 電網(wǎng)層面

2.1.1 電力調(diào)峰

電網(wǎng)運(yùn)行中的一個(gè)重要問題是不同時(shí)間段對(duì)功率負(fù)荷的要求不同，高峰時(shí)段大功率負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)要求較高，引入儲(chǔ)能技術(shù)之后能夠進(jìn)行電力調(diào)峰，從而減輕電網(wǎng)運(yùn)行負(fù)荷和運(yùn)行壓力。儲(chǔ)能裝置在電網(wǎng)中的應(yīng)用具有一定的靈活性，在電網(wǎng)負(fù)荷較低時(shí)能夠?qū)夥l(fā)電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電能進(jìn)行有效存儲(chǔ)，同時(shí)在電網(wǎng)負(fù)荷較高時(shí)能夠釋放電能，保證電網(wǎng)正常運(yùn)行。通過這種方式可以實(shí)現(xiàn)電力調(diào)峰，保證高負(fù)荷和低負(fù)荷條件下電網(wǎng)正常、穩(wěn)定供電。

2.1.2 微電網(wǎng)

輸配電系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)是微電網(wǎng)并網(wǎng)，通過此種方式能夠提升電網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。如果微電網(wǎng)和系統(tǒng)發(fā)生分離，就會(huì)將微電網(wǎng)置于孤島狀態(tài)，獨(dú)立進(jìn)行電網(wǎng)供電。將光伏發(fā)電系統(tǒng)引入到微電網(wǎng)中，保證了儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全供電。

2.1.3 電網(wǎng)電能質(zhì)量控制

將儲(chǔ)能技術(shù)引入到光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的有效控制，同時(shí)有效提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電性能。儲(chǔ)能技術(shù)中的逆變控制措施對(duì)優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)和提高電網(wǎng)電能質(zhì)量具有重要意義，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電壓、調(diào)整相角的作用。

2.2 光伏電站層面

2.2.1 負(fù)荷響應(yīng)

通過使用儲(chǔ)能技術(shù)和儲(chǔ)能裝置，電網(wǎng)能夠更加準(zhǔn)確、有效地進(jìn)行高功率負(fù)荷控制，尤其是在負(fù)荷高峰期進(jìn)行交替工作，保證負(fù)荷高峰期電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。為保證儲(chǔ)能技術(shù)能夠高質(zhì)量應(yīng)用于電力用戶，需要在光伏儲(chǔ)能電站和電網(wǎng)之間構(gòu)架一條通信線路用于負(fù)荷響應(yīng)控制系統(tǒng)的連接，從而有效降低負(fù)荷響應(yīng)策略可能會(huì)對(duì)高功率設(shè)備產(chǎn)生的影響[4]。

2.2.2 負(fù)荷轉(zhuǎn)移

電荷轉(zhuǎn)移和電力調(diào)峰具有一定的類似性，可以提升電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性。儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠在負(fù)荷低谷時(shí)存儲(chǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的多余電能，在負(fù)荷高峰時(shí)釋放已存儲(chǔ)的多余電能，保證在負(fù)荷高峰和負(fù)荷低谷時(shí)電網(wǎng)均能穩(wěn)定供電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中配備儲(chǔ)能系統(tǒng)，兩者協(xié)調(diào)配合能夠有效降低高功率負(fù)荷交替運(yùn)行帶來的不良影響，提高經(jīng)濟(jì)效益。

2.2.3 斷電保護(hù)

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中引入儲(chǔ)能技術(shù)之后能夠給用戶提供斷電保護(hù)，在市電無法正常供電的情況下由光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行供電。如果電力系統(tǒng)存在隱患或發(fā)生故障，光伏發(fā)電系統(tǒng)將自動(dòng)斷電，同時(shí)利用儲(chǔ)能技術(shù)自動(dòng)存儲(chǔ)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(shí)有效降低用電高峰的電網(wǎng)電力負(fù)荷。

3 基于HESS儲(chǔ)能技術(shù)的光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)建

3.1 光儲(chǔ)并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型

光伏-HESS并網(wǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光伏-HESS并網(wǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1，光伏-HESS并網(wǎng)發(fā)電結(jié)構(gòu)包括3個(gè)模塊。第一個(gè)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(tǒng)能夠輸出最大能量；第二個(gè)模塊是DC/AC逆變器，其能夠?qū)崿F(xiàn)直流側(cè)電網(wǎng)、電容以及電阻電感的連接、交流電和直流電的轉(zhuǎn)變，而且引入的濾波裝置能夠有效濾除并網(wǎng)電流諧波；第三個(gè)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(fā)電系統(tǒng)的波動(dòng)功率。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量流動(dòng)模型

光伏發(fā)電系統(tǒng)通過光伏陣列的光電轉(zhuǎn)換得到并網(wǎng)能量，受外部環(huán)境溫度、外部光輻射度等因素的影響，光伏并網(wǎng)能量流動(dòng)會(huì)發(fā)生變化。將HESS儲(chǔ)能技術(shù)引入到光伏發(fā)電系統(tǒng)后，充分利用HESS儲(chǔ)能技術(shù)的負(fù)載性實(shí)現(xiàn)多余能量高效儲(chǔ)存，同時(shí)還能向光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)提供能量。通過HESS充放電實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏并網(wǎng)功率的調(diào)節(jié)，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠并網(wǎng)。HESS儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)中的應(yīng)用會(huì)隨著外部環(huán)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(qiáng)光照運(yùn)行模式、弱光照運(yùn)行模式以及無光照運(yùn)行模式[5]。

3.2.1 強(qiáng)光照運(yùn)行模式

在光照輻射強(qiáng)度較大時(shí)執(zhí)行強(qiáng)光照運(yùn)行模式，此時(shí)光伏陣列輸出功率相對(duì)較高，該模式主要應(yīng)用于逆變并網(wǎng)。在HESS儲(chǔ)能系統(tǒng)中存儲(chǔ)多余的能量，以此保證光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)功率的平衡性，同時(shí)有效保障直流母線電壓的穩(wěn)定性。光伏陣列單獨(dú)為HESS和電網(wǎng)供電模型如圖2所示。

圖2 光伏陣列單獨(dú)為HESS和電網(wǎng)供電模型

3.2.2 弱光照運(yùn)行模式

多云天氣下主要采用弱光照運(yùn)行模式。多云天氣下云彩的遮擋會(huì)導(dǎo)致太陽光強(qiáng)度存在波動(dòng)，致使光伏陣列輸出功率也存在一定波動(dòng)，不能滿足并網(wǎng)逆變器側(cè)功率需求。為保證功率正常，需由HESS儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行功率彌補(bǔ)。HESS儲(chǔ)能系統(tǒng)在放電狀態(tài)下能夠保證光伏放電系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率平衡，同時(shí)保證直流母線電壓的穩(wěn)定性。光伏陣列和HESS共同為電網(wǎng)供電模型如圖3所示。

圖3 光伏陣列和HESS共同為電網(wǎng)供電模型

3.2.3 無光照運(yùn)行模式

在雨雪天氣或夜晚主要采用無光照運(yùn)行模式。這類情況下缺乏太陽光照，導(dǎo)致光伏陣列的輸出功率為0，其能量均由HESS儲(chǔ)能系統(tǒng)提供。HESS單獨(dú)為電網(wǎng)供電模型如圖4所示。

圖4 HESS單獨(dú)為電網(wǎng)供電模型

4 儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展需求

4.1 控制技術(shù)

在儲(chǔ)能技術(shù)和儲(chǔ)能裝置發(fā)展中，相關(guān)電池的充電環(huán)境一般較差，在頻繁的充放電過程中電流功率會(huì)發(fā)生變化，其使用壽命會(huì)受到直接影響。為促進(jìn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的發(fā)展，需要不斷研發(fā)更加先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)和裝置，有效解決儲(chǔ)能系統(tǒng)中的充放電問題。目前工頻交流電應(yīng)用性較差，未來發(fā)展中為滿足儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展需求，還需要加大配套電能轉(zhuǎn)化裝置的研發(fā)力度。

4.2 儲(chǔ)能技術(shù)

在未來儲(chǔ)能技術(shù)的研究中，需要進(jìn)一步提升能量密度和功率密度。同時(shí)對(duì)于儲(chǔ)能裝置在不同環(huán)境下的運(yùn)行情況還需要加強(qiáng)研究，進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，提升儲(chǔ)能裝置的可靠性與安全性。對(duì)于儲(chǔ)能裝置的充放電速度、使用壽命也需要不斷深入創(chuàng)新優(yōu)化，在保證穩(wěn)定性和高效性的基礎(chǔ)上盡可能延長(zhǎng)使用壽命。此外，儲(chǔ)能裝置與儲(chǔ)能技術(shù)的成本也是值得關(guān)注的問題，研究人員需在保證高質(zhì)量應(yīng)用的同時(shí)降低成本。

4.3 系統(tǒng)建模

在新技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，需要不斷加強(qiáng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)和儲(chǔ)能裝置的全面綜合分析，包括運(yùn)行可靠性、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性以及運(yùn)行系統(tǒng)管理等。對(duì)于儲(chǔ)能系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，需要充分考慮光伏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與光伏發(fā)電系統(tǒng)特征，對(duì)周期性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合分析比較。根據(jù)系統(tǒng)建模分析光伏發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行概況，在模擬分析的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行改進(jìn)，從而提升光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用效果。

5 結(jié) 論

光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展帶動(dòng)了儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和革新，儲(chǔ)能技術(shù)的不斷優(yōu)化在提升用戶使用體驗(yàn)的同時(shí)也帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益。此外，儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用有效解決了光伏并網(wǎng)存在的問題，在未來光伏發(fā)電系統(tǒng)的升級(jí)改造中具有廣闊的發(fā)展空間。