譚宇良，李建林*，唐建華

(1.儲能技術(shù)工程研究中心(北方工業(yè)大學)，北京 100144；2.南京中核能源工程有限公司，南京 210018)

0 引言

光伏發(fā)電已成為當今一種重要的清潔電力來源，但由于光伏出力具有波動性等特點，制約了其向電網(wǎng)輸電；且部分地區(qū)因消納能力不足、外送困難等原因采取了限制光伏發(fā)電的措施。針對上述問題，常用的解決方法包括進行并網(wǎng)監(jiān)控、配置儲能系統(tǒng)等。而儲能技術(shù)作為大規(guī)模新能源發(fā)電接入電網(wǎng)的高效支撐技術(shù)，所起到的作用越來越明顯[1]。

儲能技術(shù)已逐漸向高質(zhì)量、低成本、大規(guī)模的方向發(fā)展，其對光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展也產(chǎn)生了推動作用[2]。因此，將光伏發(fā)電系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)進行結(jié)合的光儲系統(tǒng)得到了越來越多的應用。本文對2019～2020年國家及地方政府發(fā)布的光伏發(fā)電相關(guān)政策進行了梳理；然后討論了光儲系統(tǒng)的應用類型和能量匯聚方式，并給出了相應的示意圖；最后針對光儲技術(shù)的發(fā)展給出了建議。

1 光儲系統(tǒng)的發(fā)展契機

由于光伏發(fā)電具有波動性、間歇性的特點，導致光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展受到影響，而儲能系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電能的時空平移，將光伏發(fā)電的午間出力轉(zhuǎn)移至其他時段，削減光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力尖峰、降低棄光率，從而改善電能質(zhì)量，提高光伏發(fā)電的利用率[3-4]。因此，近年來國家及地方政府也非常重視光儲系統(tǒng)的發(fā)展，并以法令和政策的形式促進光儲系統(tǒng)的應用及光儲技術(shù)的發(fā)展。

圖1 2019Q1～2020Q2我國光伏發(fā)電裝機容量情況Fig. 1 Situation of installed capacity of PV power generation in China during 2019Q1～2020Q2

雖然受新冠疫情的影響，2020年以來我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展緩慢，但總體來說，我國光伏發(fā)電已經(jīng)步入“平價上網(wǎng)”的軌道，光伏發(fā)電從補充能源轉(zhuǎn)向替代能源的步伐也將加速。2019Q1～2020Q2我國光伏發(fā)電裝機容量的情況如圖1所示?！笆奈濉逼陂g，隨著光伏發(fā)電成本的進一步降低，以及光儲模式的進一步推廣，我國中部及“三北”地區(qū)可利用其自身優(yōu)勢合理配置風、光資源，提高外送通道中新能源的比例，支持和促進全國的能源轉(zhuǎn)型[5-6]。

國家及地方政府層面出臺了不少與光伏發(fā)電相關(guān)的政策，具體如表1、表2所示。這些政策在確保新冠疫情期間光伏產(chǎn)業(yè)運轉(zhuǎn)及能源供給正常的同時，直接或間接地促進了光儲系統(tǒng)的發(fā)展。

表1 國家層面出臺的光伏發(fā)電相關(guān)政策Table 1 Relevant policies on PV power generation issued at national level

表2 地方政府層面出臺的光伏發(fā)電相關(guān)政策Table 2 Relevant policies on PV power generation issued at local government level

上述政策的出臺有助于推動光伏電站加配儲能系統(tǒng)，在促進光伏發(fā)電消納的同時，增強了儲能的調(diào)峰、調(diào)頻能力。

2 光儲系統(tǒng)的類型

光儲系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的配置不同。光儲系統(tǒng)需配置蓄電池及蓄電池充放電裝備，以延長儲能系統(tǒng)的使用壽命、減少蓄電池的充放電次數(shù)為目標。

光儲系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：在光伏發(fā)電高峰時段，利用儲能系統(tǒng)儲電，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的出力進行削峰[8]；然后在光伏發(fā)電高峰時段之后，利用儲能系統(tǒng)放電。該方式有助于平滑光伏出力的波動性和實現(xiàn)儲能系統(tǒng)的調(diào)峰功能，以達到儲能作用的最大化[9-10]。

根據(jù)應用類型不同，光儲系統(tǒng)可以分為光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)、光伏并網(wǎng)儲能系統(tǒng)及光伏并離網(wǎng)儲能系統(tǒng)。

無論光儲系統(tǒng)采用何種類型，蓄電池都是儲能系統(tǒng)中必不可少的組成部分，主要作用是存儲光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電能，并在光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量不足以滿足負載需求或出現(xiàn)緊急情況時為負載供電。

儲能系統(tǒng)中常用的蓄電池類型有鉛酸蓄電池、鋰離子蓄電池、堿性蓄電池、超級電容等[11]。目前，鉛酸蓄電池的商業(yè)化程度最高，占據(jù)我國電化學儲能領(lǐng)域的絕大部分市場份額，并由此衍生出很多種類，例如富液鉛酸蓄電池、閥控密封鉛酸電池、膠體電池、鉛碳電池等。部分蓄電池的性能對比如表3所示。

表3 部分蓄電池的性能對比Table 3 Performance comparison of some batteries

2.1 光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)

光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)通過光伏組件將太陽能轉(zhuǎn)換成電能供給負載，并將多余的能量存儲在儲能系統(tǒng)中，儲能系統(tǒng)的存在提高了光伏利用率[12]。該類系統(tǒng)不依賴電網(wǎng)，獨立運行，形成了閉合的系統(tǒng)內(nèi)部回路，因此多用于遠離電網(wǎng)，發(fā)電需要自給自足的通信基站、海島等地區(qū)。

光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖2所示。此類系統(tǒng)主要由光伏組件、逆變器、蓄電池、直流負載、交流負載及控制器等構(gòu)成。在光照充足的情況下，交、直流負載所需電量由光伏發(fā)電供給； 當光伏發(fā)電有剩余時，將電能供給給蓄電池進行存儲；當光照不足、光伏發(fā)電不足以滿足負載需求時，蓄電池充當備用電源繼續(xù)給負載供電。

光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)的工作模式很多，既可以儲能系統(tǒng)和光伏發(fā)電系統(tǒng)同時工作，也可以在負載用電低谷時段先為儲能系統(tǒng)充電，在負載用電高峰時段利用儲能系統(tǒng)放電，以保證負載用電的穩(wěn)定性。

由于光伏離網(wǎng)儲能系統(tǒng)的發(fā)電成本低于燃油發(fā)電成本，所以目前該類系統(tǒng)的應用較為普遍。2010～2015年全球已投運的光伏離網(wǎng)儲能電站如表4所示。

表4 2010～2015年全球已投運的光伏離網(wǎng)儲能電站Table 4 PV off-grid storage energy power stations that have been put into operation around the world during 2010～2015

2.2 光伏并網(wǎng)儲能系統(tǒng)

光伏并網(wǎng)儲能系統(tǒng)多用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的電力滿足負載需求后有剩余且峰值電價較高的大型城市，儲能可以存儲多余的發(fā)電量，提高光伏發(fā)電自發(fā)自用的比例。光伏并網(wǎng)儲能系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖3所示。此類系統(tǒng)主要由光伏組件、蓄電池、并網(wǎng)逆變器、并網(wǎng)儲能機、電流傳感器、負載及電網(wǎng)構(gòu)成。該系統(tǒng)中，當蓄電池處于未充滿狀態(tài)時，若此時電流傳感器檢測到有電流流向電網(wǎng)，則并網(wǎng)儲能機開始工作，其會先將光伏電力存儲到蓄電池中，直至蓄電池充滿后，光伏電力才通過并網(wǎng)逆變器為負載供電；當蓄電池處于充滿狀態(tài)且光伏電力可滿足負載用電時，光伏電力則會通過并網(wǎng)逆變器將電力并入電網(wǎng)；而當電網(wǎng)無法供電時，則可通過蓄電池放電來為負載供電[13]。這樣儲能系統(tǒng)既起到了調(diào)峰、調(diào)頻的作用，又可以因光伏電力上網(wǎng)而獲得一定的收入。

圖3 光伏并網(wǎng)儲能系統(tǒng)的工作原理示意圖Fig. 3 Schematic diagram of working principle of PV gridconnected storage energy system

目前我國已建的大部分光儲項目多采用光伏并網(wǎng)儲能系統(tǒng)，負載用電量較小時可利用儲能系統(tǒng)儲電，負載用電量較大時可利用儲能系統(tǒng)放電，從而保證負載用電的穩(wěn)定性，提高光伏發(fā)電的電能質(zhì)量[14]。國內(nèi)部分已建的光儲電站如表5所示。

表5 國內(nèi)部分已建的光儲電站Table 5 Some domestic completed PV storage energy power stations

2.3 光伏并離網(wǎng)儲能系統(tǒng)

光伏并離網(wǎng)儲能系統(tǒng)多用于存在峰谷電價差和用電量較大的地區(qū)，以及行政中心、銀行、數(shù)據(jù)中心等重要場所。與光伏并網(wǎng)儲能系統(tǒng)相比，光伏并離網(wǎng)儲能系統(tǒng)可以作為備用電源給不停電負載供電，所以其應用范圍更加廣泛；在電價為峰值時，此類系統(tǒng)可以以額定功率輸出，減少電費開支，并利用峰谷電價差獲取利潤。

光伏并離網(wǎng)儲能系統(tǒng)的工作原理示意圖如圖4所示。此類系統(tǒng)主要由光伏組件、并離網(wǎng)一體機、蓄電池、電網(wǎng)、逆變器、一般負載和不停電負載構(gòu)成。電網(wǎng)、光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池均可為一般負載供電，而不停電負載是由光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池同時供電。當電網(wǎng)停止供電時，并離網(wǎng)一體機切換成離網(wǎng)工作模式，光伏發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池作為備用電源同時為一般負載和不停電負載供電，從而可保證負載用電的穩(wěn)定性。

圖4 光伏并離網(wǎng)儲能系統(tǒng)的工作原理示意圖Fig. 4 Schematic diagram of working principle of PV on-offgrid storage energy system

2.4 直流耦合和交流耦合

雖然光儲系統(tǒng)的技術(shù)線路很多，但能量都需要在某一點匯聚，根據(jù)能量匯聚方式的不同，光儲系統(tǒng)可分為直流耦合和交流耦合2 種形式。

直流耦合是將光伏組件發(fā)出來的直流電通過控制器存儲到蓄電池中，電網(wǎng)也可以通過DC-AC雙向變流器向蓄電池充電。這種形式下能量的匯集點是在直流蓄電池端。

交流耦合是將光伏組件發(fā)出來的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電，直接供給負載或送入電網(wǎng)，電網(wǎng)也可以通過DC-AC雙向變流器向蓄電池充電。這種形式下能量的匯集點是在交流用戶端。

光儲系統(tǒng)直流耦合和交流耦合的拓撲圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 光儲系統(tǒng)的直流耦合拓撲圖Fig. 5 DC coupling topology diagram of PV storage energy system

圖6 光儲系統(tǒng)的交流耦合拓撲圖Fig. 6 AC coupling topology diagram of PV storage energy system

3 建議

隨著大規(guī)模的新能源并網(wǎng)，調(diào)峰、調(diào)頻的需求增加，配置儲能系統(tǒng)已成為主要的調(diào)節(jié)手段[15-17]。我國西北地區(qū)充足的光照資源為發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)提供了良好的基礎(chǔ)，為保證光伏產(chǎn)業(yè)平穩(wěn)、有序的發(fā)展，現(xiàn)提出以下幾條建議：

1)因地制宜地建設(shè)光伏電站。對于新疆維吾爾自治區(qū)、西藏自治區(qū)等邊遠地區(qū)，可采用規(guī)模較小的集中式光伏電站和戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)解決日常生活用電問題。在大中型城市可以發(fā)展光伏建筑一體化、光伏發(fā)電照明等光伏發(fā)電應用方式，提倡在高檔住宅區(qū)、旅游景區(qū)應用光伏發(fā)電照明，實現(xiàn)用電的自給自足。

2)光儲系統(tǒng)的投資主體、盈利模式、成本等都需要根據(jù)相關(guān)政策進行明確，以保證政策執(zhí)行的確定性、連續(xù)性，為今后“新能源+儲能”技術(shù)的進一步推廣打下堅實的基礎(chǔ)。

3)光儲電站的典型設(shè)計、選址、選點布局、容量配置，以及電站的后期維護、電池狀態(tài)等影響光儲電站壽命周期的因素都需要開發(fā)專業(yè)軟件進行計算與規(guī)劃，以便充分挖掘儲能系統(tǒng)的潛力。

4)開展光儲電站試點，在甘肅省、寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)等太陽能資源豐富的地區(qū)建設(shè)大型光伏并網(wǎng)儲能電站和光伏離網(wǎng)儲能電站，利用儲能系統(tǒng)實現(xiàn)電站的削峰填谷、調(diào)峰、調(diào)頻、平抑光伏發(fā)電波動性等功能，可為后期光伏發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)提供實踐基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

儲能技術(shù)作為大規(guī)模光伏發(fā)電接入電網(wǎng)時的高效支撐技術(shù)，可有效平滑光伏發(fā)電的波動，改善電能質(zhì)量。本文對2019～2020年國家及地方政府發(fā)布的光伏發(fā)電相關(guān)政策進行了梳理；討論了將光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)相結(jié)合的光儲系統(tǒng)的應用類型和能量匯聚方式，并針對光儲技術(shù)的發(fā)展給出了幾點建議。