储能技术在光伏发电系统中的应用

许 泽

（中广核太阳能敦煌有限公司，甘肃 敦煌 736200）

0 引 言

由于不可再生能源的使用带来了环境污染等问题，因此新能源开发备受关注，各国都已经开始加强新能源建设。新能源建设与应用涉及到微电网，包括“采、发、输、配、用以及储”6部分。其中，储能是微电网和新能源并网的关键技术之一，新能源储能技术的研究和应用势在必行。目前，储能技术不仅是光伏发电、风力发电、潮汐发电以及生物发电等分布式发电的核心技术，而且也是未来智能电网建设的关键技术。

1 储能技术

目前储能技术包括电磁储能、电化学储能以及物理储能等，不同的储能技术在重量、能量、体积以及功率密度等方面具有自己的典型特征。其中，电化学储能包括超级电容储能、蓄电池储能等；物理储能包括压缩空气储能、飞轮储能、抽水蓄能等；电磁储能包括超导储能等。

1.1 蓄电池储能

作为目前最成熟且应用最多的储能技术，蓄电池储能还可以根据应用化学物质的差异分为不同的类型，包括锂离子电池储能、铅酸蓄电池储能、全钒液流电池储能、钠硫电池储能、镍氢电池储能以及镍镉电池储能等。铅酸蓄电池具备性能良好、成本价格低、技术发展成熟、储能容量大以及年生产量大的典型优势，被广泛应用在小型风光发电系统、电动汽车、家用照明、通信连接设备中。锂离子电池和铅酸蓄电池、镍氢电池相比，其工作电压、转换效率以及能量密度更高，且具有更长的循环寿命。由于锂离子电池自身的成本较高，而且易爆易燃、对环境存在污染，因此其应用具有一定限制，目前主要在新能源电动汽车、便携电子产品以及分布式电站中应用。全钒液流电池和钠硫电池作为今年的新型储能电池，虽然成本相对昂贵，但容量较大，在电力行业也得到了广泛应用。

1.2 超级电容储能

超级电容储能技术最早出现在1957年BECKER的专利中，该技术和专利经过相关研究人员开发之后实现了生产工业化。在电解质溶液中放置电极后，电极表面电荷异性的离子会吸附到电极表面，并形成双电层。超级电容充放电是物理过程，并没有发生化学变化，保证了电池支持多次循环充放电，具有较长的使用寿命[1-3]。

但是，单一超级电容的能量密度和电压较低，如果超级电容过度放电会导致两端电压的大幅度波动，这些因素限制了超级电容的大规模应用。为保证超级电容的大规模应用，一般将多个超级电容器进行并联，以此满足运行系统高功率、大容量的实际需求。

1.3 HESS储能技术

2002年R.A.Dougal等人首次提出HESS储能技术，并且针对该技术进行了理论推导，通过理论分析证明了其充分融合了超级电容和蓄电池的优势，实现了优势互补。HESS储能技术不仅能够满足运行系统对容量和功率的实际需求，而且还能有效减少蓄电池的充放电次数，提升电池使用寿命。基于这些优越性，HESS储能技术获得了相关研究者和企业的广泛关注，在风力发电、光伏发电以及微电网中得到了广泛应用。

2 储能技术在光伏并网发电系统中的应用

2.1 电网层面

2.1.1 电力调峰

电网运行中的一个重要问题是不同时间段对功率负荷的要求不同，高峰时段大功率负荷对电网要求较高，引入储能技术之后能够进行电力调峰，从而减轻电网运行负荷和运行压力。储能装置在电网中的应用具有一定的灵活性，在电网负荷较低时能够对光伏发电系统中产生的电能进行有效存储，同时在电网负荷较高时能够释放电能，保证电网正常运行。通过这种方式可以实现电力调峰，保证高负荷和低负荷条件下电网正常、稳定供电。

2.1.2 微电网

输配电系统发展的一个重要趋势是微电网并网，通过此种方式能够提升电网系统的可靠性与稳定性。如果微电网和系统发生分离，就会将微电网置于孤岛状态，独立进行电网供电。将光伏发电系统引入到微电网中，保证了储能系统的稳定、安全供电。

2.1.3 电网电能质量控制

将储能技术引入到光伏发电系统，实现对电网电能质量的有效控制，同时有效提升光伏发电系统的供电性能。储能技术中的逆变控制措施对优化光伏发电系统和提高电网电能质量具有重要意义，可以实现稳定电压、调整相角的作用。

2.2 光伏电站层面

2.2.1 负荷响应

通过使用储能技术和储能装置，电网能够更加准确、有效地进行高功率负荷控制，尤其是在负荷高峰期进行交替工作，保证负荷高峰期电网安全稳定运行。为保证储能技术能够高质量应用于电力用户，需要在光伏储能电站和电网之间构架一条通信线路用于负荷响应控制系统的连接，从而有效降低负荷响应策略可能会对高功率设备产生的影响[4]。

2.2.2 负荷转移

电荷转移和电力调峰具有一定的类似性，可以提升电网运行的灵活性。储能系统能够在负荷低谷时存储光伏发电系统产生的多余电能，在负荷高峰时释放已存储的多余电能，保证在负荷高峰和负荷低谷时电网均能稳定供电。在光伏发电系统中配备储能系统，两者协调配合能够有效降低高功率负荷交替运行带来的不良影响，提高经济效益。

2.2.3 断电保护

在光伏发电系统中引入储能技术之后能够给用户提供断电保护，在市电无法正常供电的情况下由光伏发电系统进行供电。如果电力系统存在隐患或发生故障，光伏发电系统将自动断电，同时利用储能技术自动存储断电后的电能，保证在没有市电供电的情况下用户还能正常用电，同时有效降低用电高峰的电网电力负荷。

3 基于HESS储能技术的光伏发电系统构建

3.1 光储并网发电系统的结构模型

光伏-HESS并网发电结构如图1所示。

图1 光伏-HESS并网发电结构

根据图1，光伏-HESS并网发电结构包括3个模块。第一个模块是Boost升压变换器，该模块可以升高光伏阵列电压，保证在光照条件下系统能够输出最大能量；第二个模块是DC/AC逆变器，其能够实现直流侧电网、电容以及电阻电感的连接、交流电和直流电的转变，而且引入的滤波装置能够有效滤除并网电流谐波；第三个模块是双向DC/DC变换器连接的HESS，该模块可以有效平衡光伏发电系统的波动功率。

3.2 光伏发电系统的能量流动模型

光伏发电系统通过光伏阵列的光电转换得到并网能量，受外部环境温度、外部光辐射度等因素的影响，光伏并网能量流动会发生变化。将HESS储能技术引入到光伏发电系统后，充分利用HESS储能技术的负载性实现多余能量高效储存，同时还能向光伏发电系统的并网提供能量。通过HESS充放电实现对光伏并网功率的调节，保证光伏发电系统能够并网。HESS储能技术在光伏发电系统并网中的应用会随着外部环境的改变而切换为不同的能量流模式，目前常用的能量流模式主要包括强光照运行模式、弱光照运行模式以及无光照运行模式[5]。

3.2.1 强光照运行模式

在光照辐射强度较大时执行强光照运行模式，此时光伏阵列输出功率相对较高，该模式主要应用于逆变并网。在HESS储能系统中存储多余的能量，以此保证光伏发电系统和储能系统功率的平衡性，同时有效保障直流母线电压的稳定性。光伏阵列单独为HESS和电网供电模型如图2所示。

图2 光伏阵列单独为HESS和电网供电模型

3.2.2 弱光照运行模式

多云天气下主要采用弱光照运行模式。多云天气下云彩的遮挡会导致太阳光强度存在波动，致使光伏阵列输出功率也存在一定波动，不能满足并网逆变器侧功率需求。为保证功率正常，需由HESS储能系统进行功率弥补。HESS储能系统在放电状态下能够保证光伏放电系统和储能系统的功率平衡，同时保证直流母线电压的稳定性。光伏阵列和HESS共同为电网供电模型如图3所示。

图3 光伏阵列和HESS共同为电网供电模型

3.2.3 无光照运行模式

在雨雪天气或夜晚主要采用无光照运行模式。这类情况下缺乏太阳光照，导致光伏阵列的输出功率为0，其能量均由HESS储能系统提供。HESS单独为电网供电模型如图4所示。

图4 HESS单独为电网供电模型

4 储能系统发展需求

4.1 控制技术

在储能技术和储能装置发展中，相关电池的充电环境一般较差，在频繁的充放电过程中电流功率会发生变化，其使用寿命会受到直接影响。为促进储能系统的发展，需要不断研发更加先进的储能技术和装置，有效解决储能系统中的充放电问题。目前工频交流电应用性较差，未来发展中为满足储能技术的发展需求，还需要加大配套电能转化装置的研发力度。

4.2 储能技术

在未来储能技术的研究中，需要进一步提升能量密度和功率密度。同时对于储能装置在不同环境下的运行情况还需要加强研究，进一步扩展其应用领域，提升储能装置的可靠性与安全性。对于储能装置的充放电速度、使用寿命也需要不断深入创新优化，在保证稳定性和高效性的基础上尽可能延长使用寿命。此外，储能装置与储能技术的成本也是值得关注的问题，研究人员需在保证高质量应用的同时降低成本。

4.3 系统建模

在新技术不断发展的背景下，需要不断加强对储能技术和储能装置的全面综合分析，包括运行可靠性、运行经济性以及运行系统管理等。对于储能系统在光伏发电系统中的应用，需要充分考虑光伏行业标准与光伏发电系统特征，对周期性和经济性进行综合分析比较。根据系统建模分析光伏发电储能系统运行概况，在模拟分析的基础上发现问题并进行改进，从而提升光伏发电系统中储能技术的应用价值和应用效果。

5 结 论

光伏发电系统的发展带动了储能技术的发展和革新，储能技术的不断优化在提升用户使用体验的同时也带来了较好的经济效益。此外，储能技术在光伏发电系统中的应用有效解决了光伏并网存在的问题，在未来光伏发电系统的升级改造中具有广阔的发展空间。