儲能技術(shù)在光伏發(fā)電系統中的應用

0   引言

近年來(lái)，由于國家的扶持、政策的導向等，光伏發(fā)電的裝機容量越來(lái)越大。尤其是在我國西北地區，太陽(yáng)能資源豐富，建設了許多大型光伏電站。到2030 年，我國非化石能源占一次能源消費比重將達到25%左右，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機容量將達到12 億千瓦以上^[1]。但是，光伏發(fā)電的大量并網(wǎng)也造成了一些不利的影響。由于光伏發(fā)電受天氣的影響較大，因此具有一定的波動(dòng)與間歇性，并網(wǎng)之后會(huì )對電網(wǎng)造成一定的沖擊。另外，由于一些地區負荷較少，發(fā)電量較多，太陽(yáng)能消納的矛盾凸顯出來(lái)，造成了大量的棄光現象。

因此，利用儲能技術(shù)調節電網(wǎng)的穩定性，提高太陽(yáng)能的消納，減少棄光現象是當務(wù)之急。本文介紹了當前光伏發(fā)電系統中主要應用的儲能技術(shù)，對儲能技術(shù)如何調節電網(wǎng)，增加消納能力進(jìn)行了分析，并對將來(lái)更深的應用做了展望。

1   儲能的主要類(lèi)型

1.1 蓄電池儲能

蓄電池儲能是將電能轉化為化學(xué)能進(jìn)行能量存儲，主要包括鋰電池、鉛酸電池、鈉硫電池以及液流電池等。當前，鉛酸電池的應用較為廣泛，而液流電池具備大規模儲能的潛力。蓄電池的優(yōu)點(diǎn)在于成本較低、配置靈活且可以構成蓄電池組以增大容量，當前已經(jīng)有許多即插即用式的移動(dòng)儲能電站。其缺點(diǎn)在于普遍壽命較短。

1.2 飛輪儲能

在飛輪儲能系統中，電能將加速一個(gè)放在真空外殼內的轉子（達幾萬(wàn)轉/ 每分鐘），即由固體材料制成的大質(zhì)量圓柱體，從而將電能以動(dòng)能形式儲存起來(lái)（利用大轉輪所儲存的慣性能量）。當需要釋放電能時(shí)，便利用這些動(dòng)能來(lái)發(fā)電。飛輪儲能一般運行在真空環(huán)境下，這樣可以最大程度降低風(fēng)阻及摩擦帶來(lái)的損耗。飛輪儲能的優(yōu)點(diǎn)是壽命長(cháng)、效率高、穩定性好、較少需要維護、有較高的功率密度及響應速度快。缺點(diǎn)是能量密度低，只可持續幾秒至幾分鐘。當前一般應用在蓄電池系統中進(jìn)行補充。

1.3 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能采用空氣作為能量的載體。該方法響應速度快、壽命長(cháng)、轉化效率較高，一般維持在75%上下。缺點(diǎn)是受地理條件限制，且需要與燃氣輪機配合，需要一定燃氣作為燃料。在諸多儲能技術(shù)中，壓縮空氣儲能是最具有發(fā)展潛力的技術(shù)，通常用在備用電源以及系統調峰當中。

1.4 抽水蓄能

抽水蓄能是在電網(wǎng)負荷低谷時(shí)，利用過(guò)剩的電力將水從低地勢的水庫抽到高地勢的水庫，在電網(wǎng)負荷處于高峰水平時(shí)將高標高水庫中的水流到下水庫，推動(dòng)水輪機發(fā)電。抽水蓄能電站屬于大規模的集中式能量存儲，當前技術(shù)已經(jīng)相當成熟，可用于電網(wǎng)的能量管理和調峰等。抽水蓄能電站的效率較高，一般可達到65% ～ 75%，最高可達到80% ～ 85%。其負荷響應速度也較快，從全停到滿(mǎn)發(fā)電僅需5 min，從全停到滿(mǎn)載抽水僅需1 min。但是，抽水蓄能電站的選址建設受地理環(huán)境影響，且建設周期長(cháng)，建設投資高，因此而受到了制約。此外，在電站距離負荷中心較遠時(shí)，需要長(cháng)距離輸電，造成大量的能量損耗。

1.5 超級電容儲能

超級電容器是根據電化學(xué)雙層理論研制而成的，因此又稱(chēng)為雙電層電容器。該方式的優(yōu)點(diǎn)是壽命長(cháng)、循環(huán)次數大、充放電速率快、響應時(shí)間短、能量轉化率高、維護較少、無(wú)旋轉部件、運行溫度范圍廣、環(huán)境友好等。缺點(diǎn)是能量密度低、投資建設花費大、有一定的自放電率，且超級電容器的電介質(zhì)耐壓很低，儲能水平受到了耐壓的限制，因而儲存的能量不大。在相關(guān)電力系統中，通常用于改善電能質(zhì)量，為電壓跌落或者瞬態(tài)干擾的情況提供電能。

1.6 超導儲能

超導儲能系統是由用超導材料制成的、放在一個(gè)低溫容器中的線(xiàn)圈、功率調節系統和低溫制冷系統等組成。能量以超導線(xiàn)圈中循環(huán)流動(dòng)的直流電流方式儲存在磁場(chǎng)之中。由于該儲能方式直接將電能儲存在磁場(chǎng)當中，沒(méi)有能量形式的轉換，因此功率密度很高，能量的充放電速度非?？?，響應速度與轉換效率也較高。但是由于其材料價(jià)格昂貴，維護較為復雜，且需要維持低溫環(huán)境等原因，當前階段在電力系統中應用較少。

2   儲能技術(shù)在光伏發(fā)電系統中的應用

2.1 平滑出力波動(dòng)

光伏發(fā)電系統的能量來(lái)源是太陽(yáng)能，在夜晚光伏發(fā)電系統無(wú)法發(fā)電。利用儲能裝置，采用相關(guān)的控制策略，可以跟蹤光伏發(fā)電系統的出力，在出力尖端時(shí)吸收電能，在出力低谷時(shí)釋放電能，從而保持輸出功率的平滑，也使對光伏發(fā)電出力的預測更為準確。從現有的研究成果可知，電池儲能系統對于平滑光伏發(fā)電系統的出力波動(dòng)具有顯著(zhù)作用^[2]。

2.2 增加太陽(yáng)能的消納能力

我國西北部太陽(yáng)能資源豐富，是我國太陽(yáng)能資源分布的Ⅰ類(lèi)地區。然而，西北部在我國又屬于地廣人稀的高原地帶，人口密度低、數量少。同時(shí)，西北地區工業(yè)相比其他地區較為落后。因此，西北地區的負荷壓力遠遠小于華北、華中、華南等地區。因此，在光伏滲透率較高的西北地區，由于發(fā)電量與負荷的不匹配，棄光的現象時(shí)常發(fā)生，造成巨大的損失以及消極的影響。此時(shí)，將儲能系統應用到電力系統中的調峰調頻等輔助服務(wù)中，通過(guò)能源管理系統的統一調度，與光伏電站的自動(dòng)控制系統相結合，從而控制儲能系統的充放電時(shí)間及次數等，可以在發(fā)電側減少棄光現象，增加太陽(yáng)能的消納能力，提升能源利用率，帶來(lái)良好的經(jīng)濟效益。

2.3 提升供電可靠性

儲能系統可以發(fā)揮削峰填谷作用。在負荷高峰期，儲能系統可以將自身儲存的能量轉化為電能，并注入到電網(wǎng)中。在負荷低谷期，儲能系統可以將電網(wǎng)中多余的電能吸收并轉化為儲能裝置對應的能源形式儲存起來(lái)，通過(guò)削峰填谷來(lái)平衡電網(wǎng)的功率水平。同時(shí)，儲能系統可以發(fā)揮備用電源功能。在一些微電網(wǎng)系統中，當微電網(wǎng)在孤島運行模式時(shí)，儲能系統可以為孤島狀態(tài)下的微電網(wǎng)提供所需電能。

2.4 改善電能質(zhì)量

由于受到天氣、溫度、組件傾角等因素的影響，光伏發(fā)電系統的輸出功率會(huì )有所變化，造成了發(fā)電量的不穩定，使發(fā)電量預測的難度增加，對饋入電網(wǎng)的諧波產(chǎn)生影響。并且，隨著(zhù)太陽(yáng)光照強度的變化，光伏發(fā)電功率會(huì )對電網(wǎng)

潮流中的負荷特性產(chǎn)生一定的影響。光伏發(fā)電系統并入電網(wǎng)之后，會(huì )對電網(wǎng)潮流的方向、現有電網(wǎng)調度、規劃運行方式等產(chǎn)生影響，加大對電網(wǎng)調度及控制的難度。當大量光伏發(fā)電系統接入電網(wǎng)后，將加劇電壓波動(dòng)，引起電壓調節裝置的頻繁動(dòng)作，使電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降。當儲能接入光伏發(fā)電系統后，由相應的能量轉換系統控制儲能裝置的充放電，可以達到對電網(wǎng)調峰的目的，使光伏發(fā)電系統的發(fā)電量得到有效控制。此外，儲能裝置的接入可以抑制電網(wǎng)潮流方向的改變，增加電網(wǎng)的穩定性，從而提升光伏發(fā)電系統接入電網(wǎng)之后的電能質(zhì)量[3]。

3   結束語(yǔ)

由于光伏發(fā)電本身帶有的間歇性與波動(dòng)性，在并入電網(wǎng)后，對電網(wǎng)的穩定性造成了一定的影響。而儲能裝置的引入與應用，在很大程度上解決了這一問(wèn)題。儲能系統在一定程度上解決了電能只能即發(fā)即用的問(wèn)題，提高了供電的可靠性，改善了電能質(zhì)量，增強電網(wǎng)的穩定性。

在未來(lái)的發(fā)展中，由于源源不斷的太陽(yáng)能，光伏發(fā)電勢不可擋，必定會(huì )在我國的能源體系中占據越來(lái)越重要的地位。以光伏發(fā)電為代表的清潔能源發(fā)電在我國電網(wǎng)中的滲透率必將越來(lái)越高。儲能系統作為平滑新能源發(fā)電出力曲線(xiàn)、解決新能源消納問(wèn)題、削峰填谷、改善電能質(zhì)量、提高電力系統穩定性的重要手段，在未來(lái)的發(fā)展與研究中，必定會(huì )成為重中之重。儲能技術(shù)發(fā)展的愈加成熟，我國能源體系的改善就愈加完善。

參考文獻：

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[2] 杜芳.儲能技術(shù)在新能源電力系統中的應用分析[J].中國高新科技,2020(20):17-18.

[3] 寧陽(yáng)天,李相俊,董德華,等.儲能系統平抑風(fēng)光發(fā)電出力波動(dòng)的研究方法綜述[J].供用電,2017,34(04):2-11.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）