關鍵詞：光伏發(fā)電；并網；儲能技術
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)電裝機總容量已超過15GW，約占全球發(fā)電總裝機容量的1%，預計至2030年，全球光伏發(fā)電裝機總容量將超過300GW，將提供全球15%的電能[6-10]?？梢?，在可預測到的未來，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)能源實現大規(guī)模并網發(fā)電，它對電網產生的沖擊影響是不可忽視的[11-15]，并且，隨著光伏系統(tǒng)在電網中所占比例的不斷增大，它對電網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]。本文根據光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點，分析了光伏并網發(fā)電系統(tǒng)對電網帶來的影響，并根據儲能技術的作用機理分別從電網角度和用戶角度提出了儲能在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中的應用技術，最后分析了用于光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的儲能系統(tǒng)發(fā)展需求。
1光伏并網發(fā)電系統(tǒng)結構及特點
如圖1所示，光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的典型結構應該包含5部分：光伏陣列、最大功率點跟蹤（MPPT）裝置、儲能系統(tǒng)、并網逆變器以及并網變壓器。
光伏陣列是光伏并網發(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，再根據系統(tǒng)的需要，經過串、并聯連接并裝在支架上構成，光伏陣列是將太陽能轉化為電能的能量轉換單元；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的最大功率，實現光伏能源的充分利用；儲能系統(tǒng)是光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的調節(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，再根據需要在適當時候釋放這部分電能，起到穩(wěn)定光伏電源輸出和調節(jié)供用電平衡的作用[20-24]；并網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化為電壓等級適合的交流電，為光伏并網發(fā)電提供必備條件。
光伏并網發(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，輸出功率會呈現較大的變化，特別是天氣多變時，其發(fā)電功率呈現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，并且要求電網能最大限度地吸收利用光伏電能；3）為達到高效利用太陽能的目的，光伏發(fā)電系統(tǒng)并網時通常使并網電流和并網點電壓同相，即系統(tǒng)僅提供有功功率。
2光伏并網發(fā)電系統(tǒng)對電網的影響
目前，由于光伏發(fā)電系統(tǒng)規(guī)模相對于電網規(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)對電網的影響主要是由于光伏電源的不穩(wěn)定性造成的，從電網安全、穩(wěn)定、經濟運行的角度分析，不加儲能的光伏并網發(fā)電系統(tǒng)對電網造成的影響主要有以下幾點[25-31]。
1）對線路潮流的影響。未接入光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的時候，電網支路潮流一般是單向流動的，并且對于配電網來說隨著距變電站的距離增加有功潮流單調減少。然而，當光伏電源接入電網后，從根本上改變了系統(tǒng)潮流的模式且潮流變得無法預測。這種潮流的改變使得電壓調整很難維持，甚至導致配電網的電壓調整設備(如階躍電壓調整器、有載調壓變壓器、開關電容器組)出現異常響應，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。當光照良好，光伏并網電站輸出功率較大時，短路電流將會增大，可能會導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，該配電網變成了多源網絡，網絡潮流的流向具有不確定性。因此，必須要求增設具有方向性的保護裝置。
3）對電網經濟性運行的影響。由于光伏電源的自身輸出不穩(wěn)定性，當光伏發(fā)電系統(tǒng)并網運行后，系統(tǒng)必須增加相應容量的旋轉備用，以保證系統(tǒng)的調峰、調頻能力，也就是說，光伏并網發(fā)電系統(tǒng)向電網供電，降低了機組利用小時數，犧牲了電網的經濟性運行。并且，在分析電網的節(jié)能環(huán)保效果時，應當考慮這部分旋轉備用的耗能和排放。
4）對電能質量的影響。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從100%降到30%以下，或由30%以下增至100%，對于大型光伏并網系統(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，必須經過逆變裝置接入電網，這一過程必將產生諧波，對電網造成影響。
5）對運行調度的影響。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，光伏電源的可調度性也受到制約，當某個系統(tǒng)中光伏電源所占到一定比例后，電網運行商應認真考慮如何安全可靠地進行電力調度。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進行經濟性調度也將成為一個值得關注的問題。
3儲能在光伏并網發(fā)電中的應用
通過上面分析可見，光伏電站并網、尤其是大規(guī)模光伏電站并網對電網帶來的影響是不可忽視的。目前，解決光伏并網電站對電網的影響、提高光伏電站并網容量的措施有兩種，一是從電網角度，提高電網的靈活性，建設智能電網；二是從光伏電站角度，為并網光伏電站配置儲能裝置。電力儲能技術屬于靈活輸電技術范疇，它在并網光伏電站中應用，可以通過適當的充放電控制，解決光伏電站輸出不穩(wěn)定的問題，從而避免了由于光伏電源的輸出不穩(wěn)定引起的對電網的一系列不良影響。光伏電站中配置適當儲能裝置后，除了能解決上述問題外，通過采取一定的控制策略，還可以對電網和用戶帶來經濟、運行以及環(huán)境上的利益[32-43]。從電網角度來講，儲能在光伏并網發(fā)電中的應用技術有以下幾種。
1）電力調峰：調峰的目的是為了盡量減少大功率負荷在峰電時段對電能的集中需求，以減少對電網的負荷壓力，光伏儲能系統(tǒng)可根據需要在負荷低谷時將光伏系統(tǒng)發(fā)出的電能儲存起來，在負荷高峰時再釋放這部分電能為負荷供電，提高電網的功率峰值輸出能力和供電可靠性。
2）電網電能質量控制：儲能系統(tǒng)投入并網光伏發(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)還可以實現對電能質量的控制，包括穩(wěn)定電壓、調整相角以及有源濾波等。
3）微電網：微電網并網是未來輸配電系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向，它可以顯著提高供電可靠性。當微電網與系統(tǒng)分離時，即微電網運行在孤島模式
時，微電網電源將獨立承擔負荷的供電任務，此時，在光伏電源構成的微電網中，儲能系統(tǒng)將是為負載提供安全穩(wěn)定供電的重要保證。
從用戶角度來講，儲能在光伏并網發(fā)電中的應用技術有以下幾種。
1）負荷轉移：從技術角度來講，負荷轉移和調峰類似，但它的實現應用是以光伏并網用戶使用分時計費市電為基礎的。許多負荷高峰并不是發(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，待到負荷高峰時再使用，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濟利益。
2）負荷響應：為保證在負荷高峰時電網可以安全可靠的運行，電網會選定一些高功率的負荷進行控制，使它們在負荷高峰期時交替工作，當這些電力用戶配置光伏儲能系統(tǒng)后，則可以避免負荷響應策略對上述高功率設備的正常運行帶來的影響。負荷響應控制系統(tǒng)需要光伏儲能電站和電網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時，可以由光伏系統(tǒng)提供用戶所需電能。這種有意實現的電力孤島對用戶和電網來說都是有好處的，它既可以允許電網在用電高峰時切掉部分電力負荷，又可以使電力用戶在沒有市電供應時保持正常工作。
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、充放電要求嚴格、價格較昂貴，限制了它在光伏并網發(fā)電中的大規(guī)模應用。為了實現儲能技術在光伏并網發(fā)電中的廣泛應用，提高光伏并網性能，儲能系統(tǒng)發(fā)展需求要從以下三個方向考慮：儲能技術、控制技術以及綜合系統(tǒng)分析技術。
1）儲能技術。用于光伏并網發(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)。針對于光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的特點以及儲能裝置的發(fā)展現狀，應用于光伏并網發(fā)電的儲能技術應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。為了使儲能裝置實現最長的使用壽命、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現行行業(yè)標準確定光伏儲能系統(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)的經濟性。目前，儲能系統(tǒng)在光伏并網系統(tǒng)中的應用還不成熟，因此光伏系統(tǒng)設計者需要在開發(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果[44-49]。
5結論
儲能技術在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中的應用，為解決光伏發(fā)電對電網帶來的不良影響提供了可行性方案，并且，它的應用無論是在用戶側還是在電網側都將帶來一定的經濟效益。因此，儲能技術在光伏并網發(fā)電系統(tǒng)中的的應用將成為今后的一個重要研究方向。
光伏并網發(fā)電技術的迅猛發(fā)展為儲能技術提供了新的應用領域和發(fā)展方向，而儲能技術的發(fā)展、突破也將進一步促進光伏并網發(fā)電的實用化進程。
