儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

0   引言

近年來，由于國家的扶持、政策的導(dǎo)向等，光伏發(fā)電的裝機(jī)容量越來越大。尤其是在我國西北地區(qū)，太陽能資源豐富，建設(shè)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(fèi)比重將達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá)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(duì)電網(wǎng)造成一定的沖擊。另外，由于一些地區(qū)負(fù)荷較少，發(fā)電量較多，太陽能消納的矛盾凸顯出來，造成了大量的棄光現(xiàn)象。

因此，利用儲(chǔ)能技術(shù)調(diào)節(jié)電網(wǎng)的穩(wěn)定性，提高太陽能的消納，減少棄光現(xiàn)象是當(dāng)務(wù)之急。本文介紹了當(dāng)前光伏發(fā)電系統(tǒng)中主要應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)，對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)如何調(diào)節(jié)電網(wǎng)，增加消納能力進(jìn)行了分析，并對(duì)將來更深的應(yīng)用做了展望。

1   儲(chǔ)能的主要類型

1.1 蓄電池儲(chǔ)能

蓄電池儲(chǔ)能是將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能進(jìn)行能量存儲(chǔ)，主要包括鋰電池、鉛酸電池、鈉硫電池以及液流電池等。當(dāng)前，鉛酸電池的應(yīng)用較為廣泛，而液流電池具備大規(guī)模儲(chǔ)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(gòu)成蓄電池組以增大容量，當(dāng)前已經(jīng)有許多即插即用式的移動(dòng)儲(chǔ)能電站。其缺點(diǎn)在于普遍壽命較短。

1.2 飛輪儲(chǔ)能

在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中，電能將加速一個(gè)放在真空外殼內(nèi)的轉(zhuǎn)子（達(dá)幾萬轉(zhuǎn)/ 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(chǔ)存起來（利用大轉(zhuǎn)輪所儲(chǔ)存的慣性能量）。當(dāng)需要釋放電能時(shí)，便利用這些動(dòng)能來發(fā)電。飛輪儲(chǔ)能一般運(yùn)行在真空環(huán)境下，這樣可以最大程度降低風(fēng)阻及摩擦帶來的損耗。飛輪儲(chǔ)能的優(yōu)點(diǎn)是壽命長、效率高、穩(wěn)定性好、較少需要維護(hù)、有較高的功率密度及響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是能量密度低，只可持續(xù)幾秒至幾分鐘。當(dāng)前一般應(yīng)用在蓄電池系統(tǒng)中進(jìn)行補(bǔ)充。

1.3 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能采用空氣作為能量的載體。該方法響應(yīng)速度快、壽命長、轉(zhuǎn)化效率較高，一般維持在75%上下。缺點(diǎn)是受地理?xiàng)l件限制，且需要與燃?xì)廨啓C(jī)配合，需要一定燃?xì)庾鳛槿剂?。在諸多儲(chǔ)能技術(shù)中，壓縮空氣儲(chǔ)能是最具有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，通常用在備用電源以及系統(tǒng)調(diào)峰當(dāng)中。

1.4 抽水蓄能

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

1.5 超級(jí)電容儲(chǔ)能

超級(jí)電容器是根據(jù)電化學(xué)雙層理論研制而成的，因此又稱為雙電層電容器。該方式的優(yōu)點(diǎn)是壽命長、循環(huán)次數(shù)大、充放電速率快、響應(yīng)時(shí)間短、能量轉(zhuǎn)化率高、維護(hù)較少、無旋轉(zhuǎn)部件、運(yùn)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(shè)花費(fèi)大、有一定的自放電率，且超級(jí)電容器的電介質(zhì)耐壓很低，儲(chǔ)能水平受到了耐壓的限制，因而儲(chǔ)存的能量不大。在相關(guān)電力系統(tǒng)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(dǎo)儲(chǔ)能

超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)是由用超導(dǎo)材料制成的、放在一個(gè)低溫容器中的線圈、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和低溫制冷系統(tǒng)等組成。能量以超導(dǎo)線圈中循環(huán)流動(dòng)的直流電流方式儲(chǔ)存在磁場(chǎng)之中。由于該儲(chǔ)能方式直接將電能儲(chǔ)存在磁場(chǎng)當(dāng)中，沒有能量形式的轉(zhuǎn)換，因此功率密度很高，能量的充放電速度非?？?，響應(yīng)速度與轉(zhuǎn)換效率也較高。但是由于其材料價(jià)格昂貴，維護(hù)較為復(fù)雜，且需要維持低溫環(huán)境等原因，當(dāng)前階段在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較少。

2   儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 平滑出力波動(dòng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量來源是太陽能，在夜晚光伏發(fā)電系統(tǒng)無法發(fā)電。利用儲(chǔ)能裝置，采用相關(guān)的控制策略，可以跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)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(duì)光伏發(fā)電出力的預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確。從現(xiàn)有的研究成果可知，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)于平滑光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力波動(dòng)具有顯著作用^[2]。

2.2 增加太陽能的消納能力

我國西北部太陽能資源豐富，是我國太陽能資源分布的Ⅰ類地區(qū)。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(shù)量少。同時(shí)，西北地區(qū)工業(yè)相比其他地區(qū)較為落后。因此，西北地區(qū)的負(fù)荷壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于華北、華中、華南等地區(qū)。因此，在光伏滲透率較高的西北地區(qū)，由于發(fā)電量與負(fù)荷的不匹配，棄光的現(xiàn)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(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用到電力系統(tǒng)中的調(diào)峰調(diào)頻等輔助服務(wù)中，通過能源管理系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，與光伏電站的自動(dòng)控制系統(tǒng)相結(jié)合，從而控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電時(shí)間及次數(shù)等，可以在發(fā)電側(cè)減少棄光現(xiàn)象，增加太陽能的消納能力，提升能源利用率，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2.3 提升供電可靠性

儲(chǔ)能系統(tǒng)可以發(fā)揮削峰填谷作用。在負(fù)荷高峰期，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將自身儲(chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為電能，并注入到電網(wǎng)中。在負(fù)荷低谷期，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以將電網(wǎng)中多余的電能吸收并轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)能裝置對(duì)應(yīng)的能源形式儲(chǔ)存起來，通過削峰填谷來平衡電網(wǎng)的功率水平。同時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以發(fā)揮備用電源功能。在一些微電網(wǎng)系統(tǒng)中，當(dāng)微電網(wǎng)在孤島運(yùn)行模式時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)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(tǒng)的輸出功率會(huì)有所變化，造成了發(fā)電量的不穩(wěn)定，使發(fā)電量預(yù)測(cè)的難度增加，對(duì)饋入電網(wǎng)的諧波產(chǎn)生影響。并且，隨著太陽光照強(qiáng)度的變化，光伏發(fā)電功率會(huì)對(duì)電網(wǎng)

潮流中的負(fù)荷特性產(chǎn)生一定的影響。光伏發(fā)電系統(tǒng)并入電網(wǎng)之后，會(huì)對(duì)電網(wǎng)潮流的方向、現(xiàn)有電網(wǎng)調(diào)度、規(guī)劃運(yùn)行方式等產(chǎn)生影響，加大對(duì)電網(wǎng)調(diào)度及控制的難度。當(dāng)大量光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)后，將加劇電壓波動(dòng)，引起電壓調(diào)節(jié)裝置的頻繁動(dòng)作，使電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降。當(dāng)儲(chǔ)能接入光伏發(fā)電系統(tǒng)后，由相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)控制儲(chǔ)能裝置的充放電，可以達(dá)到對(duì)電網(wǎng)調(diào)峰的目的，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量得到有效控制。此外，儲(chǔ)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(wěn)定性，從而提升光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)之后的電能質(zhì)量[3]。

3   結(jié)束語

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(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成了一定的影響。而儲(chǔ)能裝置的引入與應(yīng)用，在很大程度上解決了這一問題。儲(chǔ)能系統(tǒng)在一定程度上解決了電能只能即發(fā)即用的問題，提高了供電的可靠性，改善了電能質(zhì)量，增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

在未來的發(fā)展中，由于源源不斷的太陽能，光伏發(fā)電勢(shì)不可擋，必定會(huì)在我國的能源體系中占據(jù)越來越重要的地位。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越高。儲(chǔ)能系統(tǒng)作為平滑新能源發(fā)電出力曲線、解決新能源消納問題、削峰填谷、改善電能質(zhì)量、提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要手段，在未來的發(fā)展與研究中，必定會(huì)成為重中之重。儲(chǔ)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(xiàn)：

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）