光伏并网发电系统中的储能技术研究

北京夏初科技集团有限公司 王 菲

结合国家统计局公布的相关数据，截至2023年9月，我国光伏发电新增并网容量已突破1.28936亿kW，集中式光伏电站占据约47.93%；分布式光伏发电站占比52.07%。为顺应时代发展趋势，某公司将改革中心放于光伏并网发电系统储能项目上，采用对比分析法进行储能选型研究，以期满足公司创新发展需求。

1 光伏并网发电系统中储能技术应用场景

1.1 停电应急

某公司运行的光伏并网发电系统，主要包括变压器、计量器、电缆、保护装置、逆变器以及光伏电池组件等结构。之所以需要对比分析多项储能技术应用效果，实则为了满足某公司光伏发电能量储备不同需求。其中，较为主要的是某公司在光伏发电项目中，往日曾因系统故障引起断电后果，造成用户满意度下降。

为给某公司备用电源给予储能保障，实现全天候稳定发电，及时在系统故障情况下转而启动备用电源，实现储备能量的有效供应，具体结合下列公式了解公司光伏组件发电情况，继而确定储能技术应用需求。即：q=Iaσγ，式中：q表示光伏并网发电系统中光伏组件日发电量（Ah）；I、a、σ、γ分别表示峰值工作电流（A）、峰值日照时数（h）、斜面修正系数与衰减损耗系数。

1.2 调峰平峰

某公司运行光伏并网发电系统期间，受雨天、光照强度等外在因素影响发电量，导致不同气候下容易出现供电不稳现象。尤其在连雨天里，需及时利用储能技术补充电能。假设以蓄电池作为储能载体，其补充容量（q补）可以结合下列公式进行分析，表明之所以要应用储能技术，是为了借助调峰平峰作用增强发电稳定性。

式中：φ、q负载、H分别指代安全系数、负载日平均耗电量（Ah）、最大连雨天数（d）；P负载、V负载、H’表示负载功率（W）、负载工作电压（V）、每日工作小时数（h）。发电系统运行期间常将天气好时多余发电量储备在储能装置内，以备恶劣天气下保持峰谷平稳，应对发电系统与发电负荷不均衡风险。

1.3 电网支撑

某公司应用储能技术时，除了在上述两个应用场景内有明确需求外，还期待依靠储能技术产生电网频率支撑效果，以此最大化保护电力设备运行安全。根据往日调查发现在电网频率波动明显情况下，容易诱发电力设备损毁状况，无形中加大厂内设备维修成本。若能及时运用储能技术，将在充放电流量灵活调节下保持电网频率持稳，即高频率下高效储能，继而在调频作用下始终将电网频率控制在50Hz左右[1]。

2 光伏并网发电系统中储能技术关键点

从上述研究中确定储能技术在多场景中均有适用性，因而某公司主要围绕常见的三种储能技术类型展开对比分析，并从中找到更合乎生产规模和运行条件的储能技术，以便从储能技术研究分析中积攒实践经验。

2.1 机械储能技术

2.1.1 抽水蓄能

抽水蓄能技术实则是指利用水库水资源地势差异储备多余电能，多在电厂周边建设抽水蓄电站，此项技术基本上能有40年到60年的储能寿命，其循环效率最高可达到85%，容量为500MWh至8000MWh，属于一项成熟度较高的储能技术。根据统计全国范围内抽水蓄能站数量，2023年共有239个，其储能容量大概为8.23亿kW，截至2022年年末已成功完成4579万kW装机任务，总投资额已超过1万亿元，且至少有90%的抽水蓄电站由中国电建负责建设和设计事项。

虽然此项储能技术确有可行性，但在实际分析中发现在某公司周边修建抽水蓄电站的可能性较小，而且尚不具备抽水蓄能条件，同时从抽水蓄能技术应用后引发的电价变化结果，根据下述公式确定该技术投入成本略高于储能技术预算标准：W=a+b+c+d+e，式中：W代表抽水蓄能技术应用后工商户用电价格（元/kW）；a、b、c、d、e代表上网电价、线损费用、输配电价、系统运行费用、政府性基金及附加费用。而在《关于抽水蓄电站容量电价及有关事项的通知533号（2023）》规定中，预计2025年电价加权平均值在565.2元/kW左右，到2030年抽水蓄能站装机规模将超过1.67亿kW，全国范围内光伏发电站预估运行费用在1002亿元左右，此时将加剧电厂经济负担。据此，依据相关在试验研究中暂时不考虑应用该技术储备多余电能。

2.1.2 压缩空气储能

在某公司选择机械储能技术期间，尝试依靠电动空气压缩装置储备多余电能，随即在压缩空气辅助下促进汽轮机正常发电，在机械能与电能转换中实现有效储能。针对此项技术应购进空气压缩装置、发电机、离合器等设备，同时需增设燃烧室，购买燃料。

考虑到在尝试应用压缩空气储能技术期间，引发了严重的环境污染后果，违背了绿色发展理念，所以为消除此项技术环境污染风险，从百兆瓦先进压缩空气示范项目中汲取经验确立改进思路，预计在百兆瓦先进压缩空气储能装备助力下，能够达到1.32亿kW的年发电量，其标准煤节省数量为4.2万t，碳排放量减少10.9万t。

另外，某公司在研究该技术时，发现100倍大气压压缩空气，1m³对应12.9kWh电能；200倍大气压下1m³压缩空气对应28.3kWh电能。若从20℃增至300℃，此时压缩空气储备电量可达到54.4kWh，并且对某公司尝试应用空气压缩储能技术期间，预测初期装载相关设备可能需要1200元/kWh，运行维护费用在0.15元到0.25元/kWh以内，然而虽然此项技术有一定开发价值，但因其效率在70%左右，且响应时间最长为9min，故而对中小型生产规模仍有不足，根据试运行后系统效率分析，未实现高效储能目的。

2.1.3 飞轮储能

飞轮储能技术同样是在飞轮机辅助下进行有效储能，以电动机驱动作用，促使飞轮机飞轮保持旋转状态，随即通过电磁感应储能，其飞轮转动能量（Q动）与转速（v）有一定关联。即：Q动=0.5mv，式中：m代表飞轮质量（kg），转速越快动能越大。此项技术属于一项环保性强且储能效率较高的储能技术。经过研究发现，此项技术在中小型光伏发电站中未实现全面推广，更多用于风力发电站中。因此，经分析某公司难以利用该技术获得储能服务。

2.2 电磁储能技术

2.2.1 超级电容器

某公司光伏并网发电系统储能技术对比分析试验中，还提出以超级电容器作为储能装置，根据了解：此项技术充放电次数至少为10万，且具备可逆性储能特征。将传统储能装置与超级电容器进行比较，显然超级电容器可获得10%到20%的内阻变化幅值，功率密度在100至1万W/kg以内。而且超级电容器在恶劣条件下仍旧适用，在-40℃到+80℃高低温条件下，均能保持良好储能状态，并且基本无需额外维护。在其储能作业中结合下列公式能明确储能电量（Q）和充放电变化规律：，式中：C表示超级电容器电容量（F）；V为电压（V）；I为充电电流（A）；t为充电时间（s）；R为电阻（Ω）。充电时间越长，储备的电能越多。由此表示在提高环保水平时，可以考虑以超级电容器充当储能装置。

2.2.2 超导磁储能

超导磁储能技术的设想最早出现在1969年，由学者Ferrier提出，而目前中国科学院电工研究所等机构可以提供技术支持，于2011年首次在10.5kV超导变电站内配备1MJ/0.5MWA高温超导磁储能装置。实际应用阶段，需要先行采集储能信号，随即在变压器、控制器、变流器、磁体保护系统、超导磁体作用下进行储能。虽然经过分析确定此项技术确有高效率优势，但在投入成本和运行条件（持续低温环境）部分仍有局限性。经过尝试应用多种储能技术，可从中归纳出技术优势，表1兼顾某公司生产条件优选超级电容器。而对于适用性较强且广泛应用的电化学储能技术，也在某公司内作为备选储能技术展开深度研究。

表1 某公司不同储能技术方案试运行分析结果

2.3 电化学储能技术

2.3.1 铅酸储能

电化学储能技术因其易于操作，更易满足某公司迫切储能需求。其中，铅酸储能技术主要是在光伏并网发电系统运行中安装铅酸蓄电池，结合下列公式可知晓储能效果：Q电=I电h，式中：Q电代表铅酸蓄电池储备能量（Ah）；I电为铅酸蓄电池电流（A）；h为储能时间（h）。

某公司在尝试使用铅酸蓄电池储备多余电能时，发现虽然该项技术采购成本低，但源于电池槽内无极板配件，且充盈着大量硫酸电解液，造成使用期间很容易出现故障，整体维护成本较高。在对试运行中配备的铅酸电池损坏原因进行分析后，确定多与运行环境有关。即厂内安装铅酸蓄电池期间，放电后温度未保持在-15℃到50℃以内，充电后温度未合理控制在40℃以内，储能中温度也低于-15℃，由此表明在高温或低温条件下，都会加剧损坏风险。一般最佳温度应为10℃至35℃，增温1℃将增加5个循环次数，若将其置于50℃高温环境下，将缩短使用寿命。

考虑到某公司在环境温度控制上仍未达到铅酸蓄电池运行标准，所以此项技术也缺乏可行性。为进一步摸索电化学储能技术的实践价值，还提出在厂内以锂离子电池替代铅酸蓄电池进行储能作业。

2.3.2 锂离子电池

锂离子电池具体以氧化锂钴和石墨充当正负极材料，充电时锂离子脱离，使三价碳氧化为四价碳，之后到达石墨负极后提供电子。锂离子电池不仅具备储能功能，而且还能直观显示储能状态，继而根据电池剩余容量占比（SOC）判断某公司储能容量：SOC=Qc/Ci，式中：Qc、Ci各自指代锂离子电池剩余容量（Ah）、恒定电流放电时电池容量（Ah）。

在判断锂离子电池是否可作为优选储能技术时，某公司整合了铅酸蓄电池和锂离子电池分析结果，见表2，确认此项技术具备循环寿命长、运行效率高特征。另外，为落实该技术，还提出了明确的技术管理规定：电池电压误差＜±30mV；SOC指标诊断精度在5%左右；电池健康状态诊断精度在8%左右；配备散热和监控装置，预计引进电池管理系统对锂离子电池蓄能效果展开全方位监督。经由上述对两种电化学储能技术的综合分析，明显锂离子电池值得作为高效储能技术进行厂内推广[2]。

表2 电化学储能技术对比分析

某公司在光伏并网发电系统运行储能阶段，主要围绕机械储能、电磁储能和电化学储能技术展开研究，并从中判断不同储能技术的适用范围，随即考虑到某公司属于中小型发电站，主要有备用电源储能需求和环保要求，故可以选择超级电容器进行储能，又或是选用应用广泛的锂离子电池，将其作为后备电源储能载体，进而促使在可靠的储能技术保障下有效改进电力服务质量。