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)備受關注，各國都已經(jīng)開始加強新能源建設。新能源建設與應用涉及到微電網(wǎng)，包括“采、發(fā)、輸、配、用以及儲”6部分。其中，儲能是微電網(wǎng)和新能源并網(wǎng)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(fā)電、風力發(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，而且也是未來智能電網(wǎng)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(jù)應用化學物質(zhì)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(fā)展成熟、儲能容量大以及年生產(chǎn)量大的典型優(yōu)勢，被廣泛應用在小型風光發(fā)電系統(tǒng)、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(zhuǎn)換效率以及能量密度更高，且具有更長的循環(huán)壽命。由于鋰離子電池自身的成本較高，而且易爆易燃、對環(huán)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(chǎn)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(yè)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(xiàn)在1957年BECKER的專利中，該技術和專利經(jīng)過相關研究人員開發(fā)之后實現(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(fā)生化學變化，保證了電池支持多次循環(huán)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(guī)模應用。為保證超級電容的大規(guī)模應用，一般將多個超級電容器進行并聯(lián)，以此滿足運行系統(tǒng)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(yōu)勢，實現(xiàn)了優(yōu)勢互補。HESS儲能技術不僅能夠滿足運行系統(tǒng)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(shù)，提升電池使用壽命。基于這些優(yōu)越性，HESS儲能技術獲得了相關研究者和企業(yè)的廣泛關注，在風力發(fā)電、光伏發(fā)電以及微電網(wǎng)中得到了廣泛應用。

2 儲能技術在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應用

2.1 電網(wǎng)層面

2.1.1 電力調(diào)峰

電網(wǎng)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(wǎng)要求較高，引入儲能技術之后能夠進行電力調(diào)峰，從而減輕電網(wǎng)運行負荷和運行壓力。儲能裝置在電網(wǎng)中的應用具有一定的靈活性，在電網(wǎng)負荷較低時能夠?qū)夥l(fā)電系統(tǒng)中產(chǎn)生的電能進行有效存儲，同時在電網(wǎng)負荷較高時能夠釋放電能，保證電網(wǎng)正常運行。通過這種方式可以實現(xiàn)電力調(diào)峰，保證高負荷和低負荷條件下電網(wǎng)正常、穩(wěn)定供電。

2.1.2 微電網(wǎng)

輸配電系統(tǒng)發(fā)展的一個重要趨勢是微電網(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，就會將微電網(wǎng)置于孤島狀態(tài)，獨立進行電網(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

將儲能技術引入到光伏發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)對電網(wǎng)電能質(zhì)量的有效控制，同時有效提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電性能。儲能技術中的逆變控制措施對優(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 負荷響應

通過使用儲能技術和儲能裝置，電網(wǎng)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(wǎng)安全穩(wěn)定運行。為保證儲能技術能夠高質(zhì)量應用于電力用戶，需要在光伏儲能電站和電網(wǎng)之間構架一條通信線路用于負荷響應控制系統(tǒng)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(chǎn)生的影響[4]。

2.2.2 負荷轉(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)運行的靈活性。儲能系統(tǒng)能夠在負荷低谷時存儲光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)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(wǎng)均能穩(wěn)定供電。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中配備儲能系統(tǒng)，兩者協(xié)調(diào)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(jīng)濟效益。

2.2.3 斷電保護

在光伏發(fā)電系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)進行供電。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(wǎng)電力負荷。

3 基于HESS儲能技術的光伏發(fā)電系統(tǒng)構建

3.1 光儲并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構模型

光伏-HESS并網(wǎng)發(fā)電結(jié)構如圖1所示。

圖1 光伏-HESS并網(wǎng)發(fā)電結(jié)構

根據(jù)圖1，光伏-HESS并網(wǎng)發(fā)電結(jié)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(tǒng)能夠輸出最大能量；第二個模塊是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)的波動功率。

3.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量流動模型

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)能量流動會發(fā)生變化。將HESS儲能技術引入到光伏發(fā)電系統(tǒng)后，充分利用HESS儲能技術的負載性實現(xiàn)多余能量高效儲存，同時還能向光伏發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)提供能量。通過HESS充放電實現(xiàn)對光伏并網(wǎng)功率的調(diào)節(jié)，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠并網(wǎng)。HESS儲能技術在光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)中的應用會隨著外部環(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(zhí)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(wǎng)。在HESS儲能系統(tǒng)中存儲多余的能量，以此保證光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)功率的平衡性，同時有效保障直流母線電壓的穩(wěn)定性。光伏陣列單獨為HESS和電網(wǎng)供電模型如圖2所示。

圖2 光伏陣列單獨為HESS和電網(wǎng)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(wǎng)逆變器側(cè)功率需求。為保證功率正常，需由HESS儲能系統(tǒng)進行功率彌補。HESS儲能系統(tǒng)在放電狀態(tài)下能夠保證光伏放電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的功率平衡，同時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(tǒng)提供。HESS單獨為電網(wǎng)供電模型如圖4所示。

圖4 HESS單獨為電網(wǎng)供電模型

4 儲能系統(tǒng)發(fā)展需求

4.1 控制技術

在儲能技術和儲能裝置發(fā)展中，相關電池的充電環(huán)境一般較差，在頻繁的充放電過程中電流功率會發(fā)生變化，其使用壽命會受到直接影響。為促進儲能系統(tǒng)的發(fā)展，需要不斷研發(fā)更加先進的儲能技術和裝置，有效解決儲能系統(tǒng)中的充放電問題。目前工頻交流電應用性較差，未來發(fā)展中為滿足儲能技術的發(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(huán)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(chuàng)新優(yōu)化，在保證穩(wěn)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(zhì)量應用的同時降低成本。

4.3 系統(tǒng)建模

在新技術不斷發(fā)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(jīng)濟性以及運行系統(tǒng)管理等。對于儲能系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應用，需要充分考慮光伏行業(yè)標準與光伏發(fā)電系統(tǒng)特征，對周期性和經(jīng)濟性進行綜合分析比較。根據(jù)系統(tǒng)建模分析光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)運行概況，在模擬分析的基礎上發(fā)現(xiàn)問題并進行改進，從而提升光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能技術的應用價值和應用效果。

5 結(jié) 論

光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展帶動了儲能技術的發(fā)展和革新，儲能技術的不斷優(yōu)化在提升用戶使用體驗的同時也帶來了較好的經(jīng)濟效益。此外，儲能技術在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應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)的升級改造中具有廣闊的發(fā)展空間。