關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；并網(wǎng)；儲能技術(shù)
隨著工業(yè)步伐的加速發(fā)展，煤和石油等化石能源終將消耗殆盡，同時一次能源的大量消耗給我們的生活環(huán)境帶來了嚴(yán)重的污染，因此，人們迫切地需要發(fā)展低污染的可再生能源技術(shù)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源[1-5]。太陽能是一種分布廣泛、取之不盡用之不竭的可再生能源，光伏發(fā)電作為太陽能利用的一種方式在過去的幾年里迅猛發(fā)展起來，目前，全球光伏發(fā)電裝機總?cè)萘恳殉^15GW，約占全球發(fā)電總裝機容量的1%，預(yù)計至2030年，全球光伏發(fā)電裝機總?cè)萘繉⒊^300GW，將提供全球15%的電能[6-10]?？梢?，在可預(yù)測到的未來，無論是對環(huán)境保護還是對能源戰(zhàn)略光伏發(fā)電都具有重大意義。
光伏電源不同于傳統(tǒng)電源，它的輸出功率隨光照強度、溫度等環(huán)境因素的改變而劇烈變化，而且具有不可控性，因此，光伏發(fā)電若要取代傳統(tǒng)能源實現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，它對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊影響是不可忽視的[11-15]，并且，隨著光伏系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占比例的不斷增大，它對電網(wǎng)帶來的影響必須得到有效地治理以保證供電的安全可靠性[16-19]。本文根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點，分析了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)帶來的影響，并根據(jù)儲能技術(shù)的作用機理分別從電網(wǎng)角度和用戶角度提出了儲能在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)，最后分析了用于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的儲能系統(tǒng)發(fā)展需求。
1光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點
如圖1所示，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)應(yīng)該包含5部分：光伏陣列、最大功率點跟蹤（MPPT）裝置、儲能系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變器以及并網(wǎng)變壓器。
光伏陣列是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，它是由太陽能光伏電池單體串、并封裝成組件，再根據(jù)系統(tǒng)的需要，經(jīng)過串、并聯(lián)連接并裝在支架上構(gòu)成，光伏陣列是將太陽能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換單元；最大功率點跟蹤（MPPT）裝置是保障光伏能源充分利用的必要控制環(huán)節(jié)，光伏電池陣列具有強烈的非線性特性，它的輸出直接受光照、溫度、負(fù)載等因素的影響，最大功率點跟蹤控制可以保證光伏電池陣列在任何條件下始終可以輸出相應(yīng)的最大功率，實現(xiàn)光伏能源的充分利用；儲能系統(tǒng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)、控制環(huán)節(jié)，它在光照良好發(fā)電充足時將部分電能儲存起來，再根據(jù)需要在適當(dāng)時候釋放這部分電能，起到穩(wěn)定光伏電源輸出和調(diào)節(jié)供用電平衡的作用[20-24]；并網(wǎng)逆變器和變壓器作用是將光伏陣列所發(fā)出的電壓較低的直流電轉(zhuǎn)化為電壓等級適合的交流電，為光伏并網(wǎng)發(fā)電提供必備條件。
光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有如下幾個典型特征：1）光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出受光照、溫度等環(huán)境因素的影響，輸出功率會呈現(xiàn)較大的變化，特別是天氣多變時，其發(fā)電功率呈現(xiàn)較為明顯的隨機性與不可控性；2）由于光伏發(fā)電系統(tǒng)造價相對較高，為了實現(xiàn)太陽能資源利用的最大化，系統(tǒng)多采用最大功率點跟蹤(MPPT)技術(shù)，并且要求電網(wǎng)能最大限度地吸收利用光伏電能；3）為達(dá)到高效利用太陽能的目的，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時通常使并網(wǎng)電流和并網(wǎng)點電壓同相，即系統(tǒng)僅提供有功功率。
2光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響
目前，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模相對于電網(wǎng)規(guī)模較小，同時也由于儲能系統(tǒng)成本較高，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電時通常不采用儲能系統(tǒng)，這使得光伏系統(tǒng)對電網(wǎng)帶來了一些不良的影響，并且，隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大以及光伏電源在系統(tǒng)中所占比例的不斷增加，這些影響變得不可忽視。通過對光伏發(fā)電的特性分析可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響主要是由于光伏電源的不穩(wěn)定性造成的，從電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的角度分析，不加儲能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)造成的影響主要有以下幾點[25-31]。
1）對線路潮流的影響。未接入光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的時候，電網(wǎng)支路潮流一般是單向流動的，并且對于配電網(wǎng)來說隨著距變電站的距離增加有功潮流單調(diào)減少。然而，當(dāng)光伏電源接入電網(wǎng)后，從根本上改變了系統(tǒng)潮流的模式且潮流變得無法預(yù)測。這種潮流的改變使得電壓調(diào)整很難維持，甚至導(dǎo)致配電網(wǎng)的電壓調(diào)整設(shè)備(如階躍電壓調(diào)整器、有載調(diào)壓變壓器、開關(guān)電容器組)出現(xiàn)異常響應(yīng)，同時，也可能造成支路潮流越限、節(jié)點電壓越限、變壓器容量越限等從而影響系統(tǒng)的供電可靠性，此外，這種潮流的隨機性也不利于制定發(fā)電廠發(fā)電計劃。
2）對系統(tǒng)保護的影響。當(dāng)光照良好，光伏并網(wǎng)電站輸出功率較大時，短路電流將會增大，可能會導(dǎo)致過流保護配合失誤，而且過大的短路電流還會影響熔斷器的正常工作。此外，對于配電網(wǎng)來說，未接入光伏發(fā)電系統(tǒng)之前支路潮流一般是單向的，其保護不具有方向性，而接入光伏發(fā)電系統(tǒng)以后，該配電網(wǎng)變成了多源網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)潮流的流向具有不確定性。因此，必須要求增設(shè)具有方向性的保護裝置。
3）對電網(wǎng)經(jīng)濟性運行的影響。由于光伏電源的自身輸出不穩(wěn)定性，當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行后，系統(tǒng)必須增加相應(yīng)容量的旋轉(zhuǎn)備用，以保證系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻能力，也就是說，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電，降低了機組利用小時數(shù)，犧牲了電網(wǎng)的經(jīng)濟性運行。并且，在分析電網(wǎng)的節(jié)能環(huán)保效果時，應(yīng)當(dāng)考慮這部分旋轉(zhuǎn)備用的耗能和排放。
4）對電能質(zhì)量的影響。受云層遮擋的影響，光伏電源的發(fā)出功率可能在短時間內(nèi)從100%降到30%以下，或由30%以下增至100%，對于大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)來說，會引起電壓的波動與閃變或頻率波動。此外，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的電能為直流電，必須經(jīng)過逆變裝置接入電網(wǎng)，這一過程必將產(chǎn)生諧波，對電網(wǎng)造成影響。
5）對運行調(diào)度的影響。光伏電源的輸出功率直接受天氣變化影響而不可控制，因此，光伏電源的可調(diào)度性也受到制約，當(dāng)某個系統(tǒng)中光伏電源所占到一定比例后，電網(wǎng)運行商應(yīng)認(rèn)真考慮如何安全可靠地進行電力調(diào)度。另外，光伏電價與常規(guī)電價也存在著差異，如何在滿足各種安全約束的條件下對電網(wǎng)進行經(jīng)濟性調(diào)度也將成為一個值得關(guān)注的問題。
3儲能在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的應(yīng)用
通過上面分析可見，光伏電站并網(wǎng)、尤其是大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)對電網(wǎng)帶來的影響是不可忽視的。目前，解決光伏并網(wǎng)電站對電網(wǎng)的影響、提高光伏電站并網(wǎng)容量的措施有兩種，一是從電網(wǎng)角度，提高電網(wǎng)的靈活性，建設(shè)智能電網(wǎng)；二是從光伏電站角度，為并網(wǎng)光伏電站配置儲能裝置。電力儲能技術(shù)屬于靈活輸電技術(shù)范疇，它在并網(wǎng)光伏電站中應(yīng)用，可以通過適當(dāng)?shù)某浞烹娍刂疲鉀Q光伏電站輸出不穩(wěn)定的問題，從而避免了由于光伏電源的輸出不穩(wěn)定引起的對電網(wǎng)的一系列不良影響。光伏電站中配置適當(dāng)儲能裝置后，除了能解決上述問題外，通過采取一定的控制策略，還可以對電網(wǎng)和用戶帶來經(jīng)濟、運行以及環(huán)境上的利益[32-43]。從電網(wǎng)角度來講，儲能在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的應(yīng)用技術(shù)有以下幾種。
1）電力調(diào)峰：調(diào)峰的目的是為了盡量減少大功率負(fù)荷在峰電時段對電能的集中需求，以減少對電網(wǎng)的負(fù)荷壓力，光伏儲能系統(tǒng)可根據(jù)需要在負(fù)荷低谷時將光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能儲存起來，在負(fù)荷高峰時再釋放這部分電能為負(fù)荷供電，提高電網(wǎng)的功率峰值輸出能力和供電可靠性。
2）電網(wǎng)電能質(zhì)量控制：儲能系統(tǒng)投入并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中后，可改善光伏電源的供電特性，使供電更加穩(wěn)定，因此，通過合適的逆變控制策略，光伏儲能系統(tǒng)還可以實現(xiàn)對電能質(zhì)量的控制，包括穩(wěn)定電壓、調(diào)整相角以及有源濾波等。
3）微電網(wǎng)：微電網(wǎng)并網(wǎng)是未來輸配電系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向，它可以顯著提高供電可靠性。當(dāng)微電網(wǎng)與系統(tǒng)分離時，即微電網(wǎng)運行在孤島模式
時，微電網(wǎng)電源將獨立承擔(dān)負(fù)荷的供電任務(wù)，此時，在光伏電源構(gòu)成的微電網(wǎng)中，儲能系統(tǒng)將是為負(fù)載提供安全穩(wěn)定供電的重要保證。
從用戶角度來講，儲能在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的應(yīng)用技術(shù)有以下幾種。
1）負(fù)荷轉(zhuǎn)移：從技術(shù)角度來講，負(fù)荷轉(zhuǎn)移和調(diào)峰類似，但它的實現(xiàn)應(yīng)用是以光伏并網(wǎng)用戶使用分時計費市電為基礎(chǔ)的。許多負(fù)荷高峰并不是發(fā)生在光伏系統(tǒng)發(fā)電充足的白天，而是發(fā)生在光伏發(fā)電高峰期以后，儲能系統(tǒng)可在負(fù)荷低谷時將光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能儲存起來而不是完全送入電網(wǎng)，待到負(fù)荷高峰時再使用，這樣，儲能系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)配合使用可以減少用戶在對峰時市電的需求，使用戶獲得更大的經(jīng)濟利益。
2）負(fù)荷響應(yīng)：為保證在負(fù)荷高峰時電網(wǎng)可以安全可靠的運行，電網(wǎng)會選定一些高功率的負(fù)荷進行控制，使它們在負(fù)荷高峰期時交替工作，當(dāng)這些電力用戶配置光伏儲能系統(tǒng)后，則可以避免負(fù)荷響應(yīng)策略對上述高功率設(shè)備的正常運行帶來的影響。負(fù)荷響應(yīng)控制系統(tǒng)需要光伏儲能電站和電網(wǎng)之間至少有一條通訊線路。
3）斷電保護：光伏儲能系統(tǒng)一個重要的好處就是可以為用戶提供斷電保護，即。在用戶無法得到正常的市電供應(yīng)時，可以由光伏系統(tǒng)提供用戶所需電能。這種有意實現(xiàn)的電力孤島對用戶和電網(wǎng)來說都是有好處的，它既可以允許電網(wǎng)在用電高峰時切掉部分電力負(fù)荷，又可以使電力用戶在沒有市電供應(yīng)時保持正常工作。
4儲能系統(tǒng)發(fā)展需求
目前，常用于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲能裝置是蓄電池，但是，蓄電池的循環(huán)壽命短、功率密度低、充放電要求嚴(yán)格、價格較昂貴，限制了它在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的大規(guī)模應(yīng)用。為了實現(xiàn)儲能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的廣泛應(yīng)用，提高光伏并網(wǎng)性能，儲能系統(tǒng)發(fā)展需求要從以下三個方向考慮：儲能技術(shù)、控制技術(shù)以及綜合系統(tǒng)分析技術(shù)。
1）儲能技術(shù)。用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的儲能裝置往往工作環(huán)境比較惡劣，而且，受于光伏發(fā)電輸出不穩(wěn)定的影響，儲能系統(tǒng)的充放電條件也比較差，并且有時需要頻繁的充放電小循環(huán)。針對于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點以及儲能裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的儲能技術(shù)應(yīng)在以下幾個方面做出發(fā)展和改進：a.加大能量密度和功率密度；b.延長儲能裝置的循環(huán)壽命；c.增加充放電速度；d.在更寬泛的環(huán)境下保證安全可靠運行；e.降低成本。
2）控制技術(shù)。為了使儲能裝置實現(xiàn)最長的使用壽命、最大的能量輸出以及最優(yōu)的使用效率，需要針對儲能裝置的特點設(shè)置適合該種儲能裝置的充放電策略。例如，傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池需要一個長時間、低電流的充電條件以避免在電池鉛版上形成結(jié)晶，如果充電電流過大，會降低電池的儲電能力并縮短電池壽命。光伏電池作為儲能裝置的充電電源難以保證一個良好的充電條件，因此，開發(fā)先進的儲能裝置控制管理系統(tǒng)對解決儲能裝置的合理充放電問題顯得尤為重要。此外，對于目前常用的儲能設(shè)備（如蓄電池、超級電容器、飛輪儲能等），其本身并不能直接使用工頻交流電，因此，開發(fā)配套的電能轉(zhuǎn)化裝置也是必要的。
3）系統(tǒng)建模及綜合分析工具。如要開發(fā)一個合理的光伏儲能系統(tǒng)，需要在之前對系統(tǒng)進行全面綜合的分析，包括經(jīng)濟性分析、運行管理分析、可靠性分析等。這些分析還必須包括根據(jù)現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)確定光伏儲能系統(tǒng)的生命周期成本的方法，這個方法將用于衡量光伏儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性。目前，儲能系統(tǒng)在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用還不成熟，因此光伏系統(tǒng)設(shè)計者需要在開發(fā)系統(tǒng)之前通過建模和仿真的方法對光伏儲能系統(tǒng)的運行情況作全面的分析，這就要求軟件系統(tǒng)能夠盡量逼真的模擬光伏電站以及儲能系統(tǒng)的運行情況，從而提供更為又實用價值的分析結(jié)果[44-49]。
5結(jié)論
儲能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，為解決光伏發(fā)電對電網(wǎng)帶來的不良影響提供了可行性方案，并且，它的應(yīng)用無論是在用戶側(cè)還是在電網(wǎng)側(cè)都將帶來一定的經(jīng)濟效益。因此，儲能技術(shù)在光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)中的的應(yīng)用將成為今后的一個重要研究方向。
光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的迅猛發(fā)展為儲能技術(shù)提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展方向，而儲能技術(shù)的發(fā)展、突破也將進一步促進光伏并網(wǎng)發(fā)電的實用化進程。
