储能技术在光伏发电系统中的应用

0   引言

近年来，由于国家的扶持、政策的导向等，光伏发电的装机容量越来越大。尤其是在我国西北地区，太阳能资源丰富，建设了许多大型光伏电站。到2030 年，我国非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量将达到12 亿千瓦以上^[1]。但是，光伏发电的大量并网也造成了一些不利的影响。由于光伏发电受天气的影响较大，因此具有一定的波动与间歇性，并网之后会对电网造成一定的冲击。另外，由于一些地区负荷较少，发电量较多，太阳能消纳的矛盾凸显出来，造成了大量的弃光现象。

因此，利用储能技术调节电网的稳定性，提高太阳能的消纳，减少弃光现象是当务之急。本文介绍了当前光伏发电系统中主要应用的储能技术，对储能技术如何调节电网，增加消纳能力进行了分析，并对将来更深的应用做了展望。

1   储能的主要类型

1.1 蓄电池储能

蓄电池储能是将电能转化为化学能进行能量存储，主要包括锂电池、铅酸电池、钠硫电池以及液流电池等。当前，铅酸电池的应用较为广泛，而液流电池具备大规模储能的潜力。蓄电池的优点在于成本较低、配置灵活且可以构成蓄电池组以增大容量，当前已经有许多即插即用式的移动储能电站。其缺点在于普遍寿命较短。

1.2 飞轮储能

在飞轮储能系统中，电能将加速一个放在真空外壳内的转子（达几万转/ 每分钟），即由固体材料制成的大质量圆柱体，从而将电能以动能形式储存起来（利用大转轮所储存的惯性能量）。当需要释放电能时，便利用这些动能来发电。飞轮储能一般运行在真空环境下，这样可以最大程度降低风阻及摩擦带来的损耗。飞轮储能的优点是寿命长、效率高、稳定性好、较少需要维护、有较高的功率密度及响应速度快。缺点是能量密度低，只可持续几秒至几分钟。当前一般应用在蓄电池系统中进行补充。

1.3 压缩空气储能

压缩空气储能采用空气作为能量的载体。该方法响应速度快、寿命长、转化效率较高，一般维持在75%上下。缺点是受地理条件限制，且需要与燃气轮机配合，需要一定燃气作为燃料。在诸多储能技术中，压缩空气储能是最具有发展潜力的技术，通常用在备用电源以及系统调峰当中。

1.4 抽水蓄能

抽水蓄能是在电网负荷低谷时，利用过剩的电力将水从低地势的水库抽到高地势的水库，在电网负荷处于高峰水平时将高标高水库中的水流到下水库，推动水轮机发电。抽水蓄能电站属于大规模的集中式能量存储，当前技术已经相当成熟，可用于电网的能量管理和调峰等。抽水蓄能电站的效率较高，一般可达到65% ～ 75%，最高可达到80% ～ 85%。其负荷响应速度也较快，从全停到满发电仅需5 min，从全停到满载抽水仅需1 min。但是，抽水蓄能电站的选址建设受地理环境影响，且建设周期长，建设投资高，因此而受到了制约。此外，在电站距离负荷中心较远时，需要长距离输电，造成大量的能量损耗。

1.5 超级电容储能

超级电容器是根据电化学双层理论研制而成的，因此又称为双电层电容器。该方式的优点是寿命长、循环次数大、充放电速率快、响应时间短、能量转化率高、维护较少、无旋转部件、运行温度范围广、环境友好等。缺点是能量密度低、投资建设花费大、有一定的自放电率，且超级电容器的电介质耐压很低，储能水平受到了耐压的限制，因而储存的能量不大。在相关电力系统中，通常用于改善电能质量，为电压跌落或者瞬态干扰的情况提供电能。

1.6 超导储能

超导储能系统是由用超导材料制成的、放在一个低温容器中的线圈、功率调节系统和低温制冷系统等组成。能量以超导线圈中循环流动的直流电流方式储存在磁场之中。由于该储能方式直接将电能储存在磁场当中，没有能量形式的转换，因此功率密度很高，能量的充放电速度非常快，响应速度与转换效率也较高。但是由于其材料价格昂贵，维护较为复杂，且需要维持低温环境等原因，当前阶段在电力系统中应用较少。

2   储能技术在光伏发电系统中的应用

2.1 平滑出力波动

光伏发电系统的能量来源是太阳能，在夜晚光伏发电系统无法发电。利用储能装置，采用相关的控制策略，可以跟踪光伏发电系统的出力，在出力尖端时吸收电能，在出力低谷时释放电能，从而保持输出功率的平滑，也使对光伏发电出力的预测更为准确。从现有的研究成果可知，电池储能系统对于平滑光伏发电系统的出力波动具有显著作用^[2]。

2.2 增加太阳能的消纳能力

我国西北部太阳能资源丰富，是我国太阳能资源分布的Ⅰ类地区。然而，西北部在我国又属于地广人稀的高原地带，人口密度低、数量少。同时，西北地区工业相比其他地区较为落后。因此，西北地区的负荷压力远远小于华北、华中、华南等地区。因此，在光伏渗透率较高的西北地区，由于发电量与负荷的不匹配，弃光的现象时常发生，造成巨大的损失以及消极的影响。此时，将储能系统应用到电力系统中的调峰调频等辅助服务中，通过能源管理系统的统一调度，与光伏电站的自动控制系统相结合，从而控制储能系统的充放电时间及次数等，可以在发电侧减少弃光现象，增加太阳能的消纳能力，提升能源利用率，带来良好的经济效益。

2.3 提升供电可靠性

储能系统可以发挥削峰填谷作用。在负荷高峰期，储能系统可以将自身储存的能量转化为电能，并注入到电网中。在负荷低谷期，储能系统可以将电网中多余的电能吸收并转化为储能装置对应的能源形式储存起来，通过削峰填谷来平衡电网的功率水平。同时，储能系统可以发挥备用电源功能。在一些微电网系统中，当微电网在孤岛运行模式时，储能系统可以为孤岛状态下的微电网提供所需电能。

2.4 改善电能质量

由于受到天气、温度、组件倾角等因素的影响，光伏发电系统的输出功率会有所变化，造成了发电量的不稳定，使发电量预测的难度增加，对馈入电网的谐波产生影响。并且，随着太阳光照强度的变化，光伏发电功率会对电网

潮流中的负荷特性产生一定的影响。光伏发电系统并入电网之后，会对电网潮流的方向、现有电网调度、规划运行方式等产生影响，加大对电网调度及控制的难度。当大量光伏发电系统接入电网后，将加剧电压波动，引起电压调节装置的频繁动作，使电网的电能质量下降。当储能接入光伏发电系统后，由相应的能量转换系统控制储能装置的充放电，可以达到对电网调峰的目的，使光伏发电系统的发电量得到有效控制。此外，储能装置的接入可以抑制电网潮流方向的改变，增加电网的稳定性，从而提升光伏发电系统接入电网之后的电能质量[3]。

3   结束语

由于光伏发电本身带有的间歇性与波动性，在并入电网后，对电网的稳定性造成了一定的影响。而储能装置的引入与应用，在很大程度上解决了这一问题。储能系统在一定程度上解决了电能只能即发即用的问题，提高了供电的可靠性，改善了电能质量，增强电网的稳定性。

在未来的发展中，由于源源不断的太阳能，光伏发电势不可挡，必定会在我国的能源体系中占据越来越重要的地位。以光伏发电为代表的清洁能源发电在我国电网中的渗透率必将越来越高。储能系统作为平滑新能源发电出力曲线、解决新能源消纳问题、削峰填谷、改善电能质量、提高电力系统稳定性的重要手段，在未来的发展与研究中，必定会成为重中之重。储能技术发展的愈加成熟，我国能源体系的改善就愈加完善。

参考文献：

[1] 习近平.继往开来,开启全球应对气候变化新征程——在气候雄心峰会上的讲话[J].中华人民共和国国务院公报,2020(35):7.

[2] 杜芳.储能技术在新能源电力系统中的应用分析[J].中国高新科技,2020(20):17-18.

[3] 宁阳天,李相俊,董德华,等.储能系统平抑风光发电出力波动的研究方法综述[J].供用电,2017,34(04):2-11.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年11月期）