關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；并網(wǎng)；儲(chǔ)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(shí)一次能源的大量消耗給我們的生活環(huán)境帶來(lái)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(yáng)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(yáng)能利用的一種方式在過(guò)去的幾年里迅猛發(fā)展起來(lái)，目前，全球光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恳殉^(guò)15GW，約占全球發(fā)電總裝機(jī)容量的1%，預(yù)計(jì)至2030年，全球光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘繉⒊^(guò)300GW，將提供全球15%的電能[6-10]?？梢?jiàn)，在可預(yù)測(cè)到的未來(lái)，無(wú)論是對(duì)環(huán)境保護(hù)還是對(duì)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，它對(duì)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(duì)電網(wǎng)帶來(lái)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(diǎn)，分析了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響，并根據(jù)儲(chǔ)能技術(shù)的作用機(jī)理分別從電網(wǎng)角度和用戶(hù)角度提出了儲(chǔ)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(chǔ)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(diǎn)
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(diǎn)跟蹤（MPPT）裝置、儲(chǔ)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(yáng)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(guò)串、并聯(lián)連接并裝在支架上構(gòu)成，光伏陣列是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換單元；最大功率點(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)光伏能源的充分利用；儲(chǔ)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(shí)將部分電能儲(chǔ)存起來(lái)，再根據(jù)需要在適當(dāng)時(shí)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(jí)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(gè)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(huì)呈現(xiàn)較大的變化，特別是天氣多變時(shí)，其發(fā)電功率呈現(xiàn)較為明顯的隨機(jī)性與不可控性；2）由于光伏發(fā)電系統(tǒng)造價(jià)相對(duì)較高，為了實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能資源利用的最大化，系統(tǒng)多采用最大功率點(diǎn)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(yáng)能的目的，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)時(shí)通常使并網(wǎng)電流和并網(wǎng)點(diǎn)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(duì)電網(wǎng)的影響
目前，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模相對(duì)于電網(wǎng)規(guī)模較小，同時(shí)也由于儲(chǔ)能系統(tǒng)成本較高，光伏系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電時(shí)通常不采用儲(chǔ)能系統(tǒng)，這使得光伏系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)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(kuò)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(guò)對(duì)光伏發(fā)電的特性分析可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)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(jì)運(yùn)行的角度分析，不加儲(chǔ)能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)造成的影響主要有以下幾點(diǎn)[25-31]。
1）對(duì)線路潮流的影響。未接入光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的時(shí)候，電網(wǎng)支路潮流一般是單向流動(dòng)的，并且對(duì)于配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)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(wú)法預(yù)測(cè)。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(kāi)關(guān)電容器組)出現(xiàn)異常響應(yīng)，同時(shí)，也可能造成支路潮流越限、節(jié)點(diǎn)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(jī)性也不利于制定發(fā)電廠發(fā)電計(jì)劃。
2）對(duì)系統(tǒng)保護(hù)的影響。當(dāng)光照良好，光伏并網(wǎng)電站輸出功率較大時(shí)，短路電流將會(huì)增大，可能會(huì)導(dǎo)致過(guò)流保護(hù)配合失誤，而且過(guò)大的短路電流還會(huì)影響熔斷器的正常工作。此外，對(duì)于配電網(wǎng)來(lái)說(shuō)，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(hù)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(hù)裝置。
3）對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性運(yùn)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(yùn)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(shuō)，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)供電，降低了機(jī)組利用小時(shí)數(shù)，犧牲了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行。并且，在分析電網(wǎng)的節(jié)能環(huán)保效果時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮這部分旋轉(zhuǎn)備用的耗能和排放。
4）對(duì)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(shí)間內(nèi)從100%降到30%以下，或由30%以下增至100%，對(duì)于大型光伏并網(wǎng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，會(huì)引起電壓的波動(dòng)與閃變或頻率波動(dòng)。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(guò)逆變裝置接入電網(wǎng)，這一過(guò)程必將產(chǎn)生諧波，對(duì)電網(wǎng)造成影響。
5）對(duì)運(yùn)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(gè)系統(tǒng)中光伏電源所占到一定比例后，電網(wǎng)運(yùn)行商應(yīng)認(rèn)真考慮如何安全可靠地進(jìn)行電力調(diào)度。另外，光伏電價(jià)與常規(guī)電價(jià)也存在著差異，如何在滿足各種安全約束的條件下對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性調(diào)度也將成為一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題。
3儲(chǔ)能在光伏并網(wǎng)發(fā)電中的應(yīng)用
通過(guò)上面分析可見(jiàn)，光伏電站并網(wǎng)、尤其是大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響是不可忽視的。目前，解決光伏并網(wǎng)電站對(duì)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(chǔ)能裝置。電力儲(chǔ)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(guò)適當(dāng)?shù)某浞烹娍刂?，解決光伏電站輸出不穩(wěn)定的問(wèn)題，從而避免了由于光伏電源的輸出不穩(wěn)定引起的對(duì)電網(wǎng)的一系列不良影響。光伏電站中配置適當(dāng)儲(chǔ)能裝置后，除了能解決上述問(wèn)題外，通過(guò)采取一定的控制策略，還可以對(duì)電網(wǎng)和用戶(hù)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行以及環(huán)境上的利益[32-43]。從電網(wǎng)角度來(lái)講，儲(chǔ)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(shí)段對(duì)電能的集中需求，以減少對(duì)電網(wǎng)的負(fù)荷壓力，光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)可根據(jù)需要在負(fù)荷低谷時(shí)將光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái)，在負(fù)荷高峰時(shí)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(chǔ)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(guò)合適的逆變控制策略，光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)輸配電系統(tǒng)的一個(gè)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(shí)，即微電網(wǎng)運(yùn)行在孤島模式
時(shí)，微電網(wǎng)電源將獨(dú)立承擔(dān)負(fù)荷的供電任務(wù)，此時(shí)，在光伏電源構(gòu)成的微電網(wǎng)中，儲(chǔ)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(hù)角度來(lái)講，儲(chǔ)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(lái)講，負(fù)荷轉(zhuǎn)移和調(diào)峰類(lèi)似，但它的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用是以光伏并網(wǎng)用戶(hù)使用分時(shí)計(jì)費(fèi)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(chǔ)能系統(tǒng)可在負(fù)荷低谷時(shí)將光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái)而不是完全送入電網(wǎng)，待到負(fù)荷高峰時(shí)再使用，這樣，儲(chǔ)能系統(tǒng)和光伏系統(tǒng)配合使用可以減少用戶(hù)在對(duì)峰時(shí)市電的需求，使用戶(hù)獲得更大的經(jīng)濟(jì)利益。
2）負(fù)荷響應(yīng)：為保證在負(fù)荷高峰時(shí)電網(wǎng)可以安全可靠的運(yùn)行，電網(wǎng)會(huì)選定一些高功率的負(fù)荷進(jìn)行控制，使它們?cè)谪?fù)荷高峰期時(shí)交替工作，當(dāng)這些電力用戶(hù)配置光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)后，則可以避免負(fù)荷響應(yīng)策略對(duì)上述高功率設(shè)備的正常運(yùn)行帶來(lái)的影響。負(fù)荷響應(yīng)控制系統(tǒng)需要光伏儲(chǔ)能電站和電網(wǎng)之間至少有一條通訊線路。
3）斷電保護(hù)：光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)一個(gè)重要的好處就是可以為用戶(hù)提供斷電保護(hù)，即。在用戶(hù)無(wú)法得到正常的市電供應(yīng)時(shí)，可以由光伏系統(tǒng)提供用戶(hù)所需電能。這種有意實(shí)現(xiàn)的電力孤島對(duì)用戶(hù)和電網(wǎng)來(lái)說(shuō)都是有好處的，它既可以允許電網(wǎng)在用電高峰時(shí)切掉部分電力負(fù)荷，又可以使電力用戶(hù)在沒(méi)有市電供應(yīng)時(shí)保持正常工作。
4儲(chǔ)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(chǔ)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(jià)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(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展需求要從以下三個(gè)方向考慮：儲(chǔ)能技術(shù)、控制技術(shù)以及綜合系統(tǒng)分析技術(shù)。
1）儲(chǔ)能技術(shù)。用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)的充放電條件也比較差，并且有時(shí)需要頻繁的充放電小循環(huán)。針對(duì)于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)以及儲(chǔ)能裝置的發(fā)展現(xiàn)狀，應(yīng)用于光伏并網(wǎng)發(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)在以下幾個(gè)方面做出發(fā)展和改進(jìn)：a.加大能量密度和功率密度；b.延長(zhǎng)儲(chǔ)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(yùn)行；e.降低成本。
2）控制技術(shù)。為了使儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)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(duì)儲(chǔ)能裝置的特點(diǎn)設(shè)置適合該種儲(chǔ)能裝置的充放電策略。例如，傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池需要一個(gè)長(zhǎng)時(shí)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(guò)大，會(huì)降低電池的儲(chǔ)電能力并縮短電池壽命。光伏電池作為儲(chǔ)能裝置的充電電源難以保證一個(gè)良好的充電條件，因此，開(kāi)發(fā)先進(jìn)的儲(chǔ)能裝置控制管理系統(tǒng)對(duì)解決儲(chǔ)能裝置的合理充放電問(wèn)題顯得尤為重要。此外，對(duì)于目前常用的儲(chǔ)能設(shè)備（如蓄電池、超級(jí)電容器、飛輪儲(chǔ)能等），其本身并不能直接使用工頻交流電，因此，開(kāi)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(kāi)發(fā)一個(gè)合理的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)，需要在之前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行全面綜合的分析，包括經(jīng)濟(jì)性分析、運(yùn)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(chǔ)能系統(tǒng)的生命周期成本的方法，這個(gè)方法將用于衡量光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。目前，儲(chǔ)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(jì)者需要在開(kāi)發(fā)系統(tǒng)之前通過(guò)建模和仿真的方法對(duì)光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)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(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行情況，從而提供更為又實(shí)用價(jià)值的分析結(jié)果[44-49]。
5結(jié)論
儲(chǔ)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(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的不良影響提供了可行性方案，并且，它的應(yīng)用無(wú)論是在用戶(hù)側(cè)還是在電網(wǎng)側(cè)都將帶來(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益。因此，儲(chǔ)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(gè)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(chǔ)能技術(shù)提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域和發(fā)展方向，而儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展、突破也將進(jìn)一步促進(jìn)光伏并網(wǎng)發(fā)電的實(shí)用化進(jìn)程。
