光伏并网发电系统中储能技术的应用探讨

郑立明，叶 骏，丛建鸥

（中国华电科工集团有限公司，北京 100160）

1 光伏并网发电系统组成及特征

太阳能光伏发电并网系统的基本架构主要包括5个部分，分别是储能装置、光伏阵列、逆变器、功率最大点跟踪装置以及并网变压器[1]。

光伏阵列是构成太阳能光伏发电系统的主要部分，它是单体太阳能光伏电池进行串联后封装而成，然而按照系统要求，电池组还要通过并联、串联等方式进行装配，随后安装于支架上。光伏阵列是把太阳能收集起来并转化成电能的基本单元。功率最大点跟踪装置是用于确保太阳能光伏列阵始终处于太阳最佳照射角度的控制装置，太阳能光伏电池阵列具有非线性的典型特征，输出时易受负载、光照以及温度影响，实施功率最大点跟踪控制，能够保障太阳能光伏电池阵列在任何环境下都能输出最大功率，从而使太阳能光伏电池达到充分应用[2]。储能应用系统具有对并网太阳能光伏发电应用系统的控制和调节作用，可以在光照及电量充足时把盈余的电能转移储存，之后再结合具体情况将电能加以释放，达到保障电源不断输出、调节电网平衡供电的目的。并网变压器与逆变器的目的是把光伏应用阵列输出的低电压直流电集中转化成为与电压实际等级相匹配的交流电，以便为太阳能光伏系统发电运行提供保障[3]。

并网太阳能光伏发电系统的主要特征包括以下3个方面：（1）影响太阳能光伏发电应用系统运行输出的主要因素有温度及光照等，输出功率受其影响会产生非常明显的变化，尤其在天气频繁变化时，系统输出功率就会表现出较强的不可控和随机性特征；（2）因为光伏并网发电应用系统的成本比较高，想要谋求系统资源效益最大化，需要应用功率最大点跟踪技术，同时促使电网尽可能地吸收和应用；（3）为实现太阳能的高效应用，系统在进行并网时要保证与并网点的电压和电流具有一致性，也就是说系统只输出有功的功率[4]。

2 太阳能光伏发电产生的电网冲击

如今，太阳能光伏发电应用系统的使用规模比现有电网的规模要小，而且系统的储能设备需要较高的成本投入，太阳能光伏系统在并网进行发电时未选择使用储能设备，因此光伏并网系统在使用中会给电网造成不利影响，同时由于光伏系统的使用规模越来越广，太阳能光伏电源的应用率越来越高，产生的影响必须要加以关注[5]。根据对太阳能光伏发电系统进行分析和研究可知，该系统影响电网运行的主要问题是电源不够稳定，易对电网运行的稳定性、安全性等方面造成影响，可见加装太阳能光伏储能设备对电网具有重要作用。

2.1 线路的潮流

在没有接入太阳能光伏系统时，发电电网的支路通电潮流通常为单方向运行流动，相对于光伏配电网而言，电网在接入太阳能光伏电源后，电网就会彻底改变潮流运行的模式，而且变得难以预测。线路潮流发生改变令电压难以控制，造成配电网控制电压装置无法正常工作，并且还会导致支路通电潮流、节点输出电压以及变压器出现越限，对系统正常供电的安全和稳定造成不利影响，同时由于潮流具有一定的不确定性，因此会给电厂生产技术制定带来一定的困难。

2.2 电能的质量

由于光伏电池经常会受到云层的遮挡，使得太阳能光伏电源输出的功率经常会在瞬间由100%下降至30%，甚至更低，也可能会从30%升到100%，因此对于大型的太阳能光伏发电系统而言，容易产生波动性电压和电压闪变，也会产生频率的变化波动[6]。同时，因为太阳能光伏发电并网系统的输出电能是直流电，需要逆变设备使其转变成交流电以后才能融进电网，整个过程会引发谐波，从而影响电网的运行质量。

2.3 系统的保护

在光照比较好的时候，太阳能光伏电站实际输出的功率比较大，这会增强输出的电流，容易造成过流安全保护装置失误性动作，当短路输出电流过大时还会对熔断器运行造成不利影响。另外，相较于配电网而言，在没有接入到光伏系统时支路输出潮流通常为单向，且保护缺少方向性，但若是接入到光伏系统，则配电网就会转为多源输出网络，其潮流流向表现出明显的不确定性，因此在保护系统上必须增加方向性的保护装置[7]。

2.4 运行的调度

太阳能光伏电源实际输出的功率容易受到天气影响，因此增加了控制难度，进而也限制了太阳能光伏电源的调度能力，如果在发电系统内太阳能光伏电源达到一定的占比时，电网经营者就要充分考虑对电力实施安全、稳定的调度。此外，常规的电价和光伏的电价不同，怎样才能即达到系统运行的安全性，又能实现电网的经济效益是值得今后探讨的问题。

3 光伏发电并网系统中相关储能应用技术

太阳能光伏电站实现并网，特别是大型太阳能光伏电站的并网会给电网造成一定影响。如今，解决太阳能光伏电站并网所带来的不利影响，增加并网电站容量的办法有两个，其一是以电网为基础增加电网适用性，打造智能型电网；其二是以太阳能光伏电站为基础，给光伏并网电站增设储能备[8]。电力系统的储能应用技术一般被应用于太阳能光伏电站中，能利用充放电的适当调控解决并网电站存在的输出异常问题，防止因为太阳能光伏电源不够稳定而产生的一切不利影响。太阳能光伏并网电站在增设储能设备后，不但可以解决以上问题，还能使用相应控制方法，最终给用户及电网带来环保、效益以及成本方面的利益[9]。

3.1 电网中的应用

（1）电力的调峰。进行调峰的作用是要降低峰电期大功率荷载对电能的使用需求，可以降低对电网造成的压力。太阳能光伏发电系统储能设备可以按照实际需求在最低负荷时把电能集中储存起来，当进入高负荷期时加以释放，增强电网输出功率，提高供电的安全稳定性。

（2）控制电能的质量。系统储能设备接入光伏系统，对太阳能光伏电源具有改善作用，提高供电的稳定性，故此根据相应逆变对策，储能功能还能对电能的质量加以控制，对相角调整和平稳电压等具有控制作用。

（3）微电网。该电网发电并网将成为输配电未来发展的主要方向，能够有效增强供电的安全稳定性能，若将系统同微电网进行分离，微电网就如同在孤岛上运行，其电源只能独立承担负荷输送任务，同时在太阳能光伏电源所构建的电网中，储能功能是负责提供给负载可靠安全供电的基本保障。

3.2 电站中具体应用

3.2.1 负荷的转移

站在技术层面看，对负荷的转移与调峰相似，只是实现负荷应用的基础是以用户实际使用市电计费情况而定，大部分负荷的高峰期都不在发电量较高的白天，多数出现在高峰发电期之后，储能功能能够在负荷较低的时候把光伏电能有效保存起来，等到出现高峰时投入，如此储能功能与光伏并网系统结合应用能够降低用户的高峰用电量，给用户带来经济效益[10]。

3.2.2 负荷的响应

为了确保电网在高负荷时能够安全稳定运行，电网能自动选择高功率负荷加以控制，以保证它们可以在高负荷期相互交替进行工作。在给这些用户配备太阳能光伏储能功能后，可防止负荷应用控制给高功率的设备运行造成不利影响，负荷应用控制功能的实现需要通过电网与电站之间的通信网络实现。

3.2.3 断电的保护

太阳能光伏储能功能最大的益处是能够为用户实现断电安全保护，也就是当用户不能得到市电正常供电时，可用光伏并网系统为其提供充足的电能。如此形成电力供应孤岛是有利于电网及用户的，即能让电网在处于用电高峰期将部分负荷切掉，又能保证电力使用者在无电力供应情况下继续工作。

4 储能应用技术的未来发展

如今，在太阳能光伏发电并网系统中使用蓄电池作为储能设备，可蓄电池存在使用寿命短、价格高、充电和放电条件严格、功率密度较低等缺点，使其在并网系统中的广泛推广和使用受到制约。为了有效的推广应用储能功能，快速提升光伏电网的性能，储能应用系统的未来发展应遵循控制应用技术、储能应用技术以及综合分析应用技术。

4.1 控制技术

为了有效延长储能设备的使用期限，实现能量的最大输出和使用效率的最佳状态，就要根据储能设备特征合理配置充放电措施。例如，给原有铅酸类蓄电池充电，需要具备低电流和长时间的充电环境，以防止产生结晶，若是充电时电流特别大，电池自身储电功能就会降低，电池的寿命也会随之减少。将太阳能光伏电池用于电网储能需要提供完善的充电环境，故此研发新的储能功能应用系统有效解决充放电控制问题非常关键。除此之外，用于储能的常用设备的工频型交流电不能直接应用，可见研发与之相配的转化电能装置显得尤为重要。

4.2 储能技术

在光伏发电并网运行系统中所使用蓄能设备的工作环境非常恶劣，另外因为光伏发电存在电力输出不太稳定的情况，同时也存在蓄能设备充电、放电的条件相对很差以及充电、放电的频率较高的问题。因此，根据光伏发电并网运行系统的结构和蓄能设备研发的现状，提出今后光伏发电并网运行系统中的蓄能设备发展方向如下：（1）蓄能设备必须增大能量储备的密度以及功率输出的密度；（2）蓄能设备循环使用的寿命必须得到延长；（3）蓄能设备充电、放电的速度必须加快；（4）蓄能设备使用的环境应该更为宽泛；（5）蓄能设备的成本必须得到降低。

4.3 建模分析

在建立光伏发电以及电力蓄能时，首先要对其进行综合的、全面的分析研究，其中包括系统可靠性的分析、管理运行的分析以及经济性的分析。在分析的过程中，要依据现有光伏发电行业的标准，分析出蓄能在光伏发电系统中的使用成本，根据分析出的成本推算出蓄能在光伏系统中产生的经济价值。当前，蓄能设备在光伏发电并网运行中还存在不足，因此光伏发电并网运行设计之初，开发人员会利用仿真与建模的方式对蓄能设备应用于光伏发电并网运行系统进行仿真分析，仿真软件能够真实地模拟出蓄能设备与光伏发电站运行的实际状况，从而为设计者提供接近真实的有关数据。

5 结 论

在当前的光伏发电并网系统中使用蓄能技术是彻底解决由于光伏发出电能存在波动对电网产生影响的主要解决方案，不仅为用户创造了一定的经济价值，而且也为电网补充了电力，为电力企业创造了经济利益。所以说，储能技术应用到光伏电网的研究将是光伏发电研究的一个方向，蓄能技术研究成果将会推动光伏发电以及并网供电走上实用化的道路。