如今，全球環(huán)境問題愈發(fā)嚴重，溫室效應(yīng)和環(huán)境惡化已經(jīng)對我們的生存和發(fā)展造成了嚴重影響。我國政府高度重視這個問題，將“碳中和與碳達峰”納入國家經(jīng)濟社會發(fā)展和生態(tài)文明建設(shè)的大局，致力于走上一條資源節(jié)約、環(huán)境友好的低碳經(jīng)濟之路。

近年來，我國大力發(fā)展可再生能源，風能和太陽能新能源發(fā)電取得了飛速進步。風電和光伏發(fā)電的年裝機容量和累計裝機總量連續(xù)多年穩(wěn)居世界首位，新型電力系統(tǒng)以新能源發(fā)電為主導(dǎo)，正在緊鑼密鼓地構(gòu)建中。

新能源發(fā)電有個特點，那就是“看天吃飯”，風力和太陽光源的變化讓發(fā)電量波動較大，電力系統(tǒng)的隨機性、波動性和不穩(wěn)定性也因此增強。那么，如何管控新能源發(fā)電接入電網(wǎng)后的架構(gòu)，確保光儲聯(lián)合系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，就成了全球電力領(lǐng)域科研人員共同面臨的難題。

今天，就讓本文帶你了解我國科研人員如何悉心研究，攻克這個難關(guān)，為確保光儲聯(lián)合系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行付出的努力吧！

1" 什么是光儲聯(lián)合系統(tǒng)

眾所周知，電能的產(chǎn)生與消耗必須同步進行，發(fā)電后需立即使用。太陽能發(fā)電由于其顯著的不穩(wěn)定性，無法直接利用。然而，通過引入儲能電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)電能的有效存儲，并確保向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的電力供應(yīng)。光儲聯(lián)合系統(tǒng)是一種將光電轉(zhuǎn)換與能量存儲技術(shù)相結(jié)合的先進能源系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，當太陽能發(fā)電量低于負載需求時，系統(tǒng)將同時利用太陽能和電網(wǎng)供電；反之，若太陽能發(fā)電量超過負載需求，則多余的電力將被儲存于儲能設(shè)備中。光儲聯(lián)合系統(tǒng)的典型架構(gòu)如下圖所示。

光儲聯(lián)合系統(tǒng)的典型架構(gòu)

從圖中可以清晰地觀察到，光儲聯(lián)合系統(tǒng)主要由光伏陣列、儲能電池、光伏逆變器、儲能雙向變流器、變壓器以及控制系統(tǒng)等核心組件構(gòu)成。

光儲聯(lián)合系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，涵蓋了家庭與商業(yè)供電、電網(wǎng)的峰谷調(diào)節(jié)、偏遠地區(qū)的電力供應(yīng)、新能源汽車的充電設(shè)施以及移動電源等多個方面。該系統(tǒng)能夠為用戶提供獨立的清潔能源供應(yīng)，降低對傳統(tǒng)電網(wǎng)的依賴，進而有助于減少溫室氣體的排放。

光儲聯(lián)合系統(tǒng)以其高效性、靈活性、可靠性、環(huán)保性、低維護成本以及能量調(diào)度管理能力等顯著特點而著稱。其關(guān)鍵技術(shù)主要集中在以下四個領(lǐng)域：光電能量轉(zhuǎn)換技術(shù)（涉及太陽能電池的制造和光電轉(zhuǎn)換效率等）、儲能技術(shù)（包括儲能電池的制造和儲能效率的提升等）、能量管理與控制技術(shù)（涉及能量監(jiān)測和功率調(diào)控平衡等），以及系統(tǒng)集成與優(yōu)化技術(shù)（包括系統(tǒng)模型的優(yōu)化和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計等）。

2" 光儲聯(lián)合系統(tǒng)的瓶頸

光儲聯(lián)合系統(tǒng)是一個高度復(fù)雜的系統(tǒng)，特別是那些輸出功率巨大的系統(tǒng)，它們由眾多規(guī)格各異的能量型和功率型設(shè)備構(gòu)成。如何實現(xiàn)這些多元異構(gòu)設(shè)備的智能集成和協(xié)同控制，并確保與復(fù)雜場景下源荷動態(tài)匹配，已經(jīng)成為一個全球性的難題。這一難題主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先，必須實現(xiàn)所有設(shè)備之間的順暢交互；其次，需要實現(xiàn)眾多逆變器/變流器的協(xié)同調(diào)控，以使儲能設(shè)備能夠參與電網(wǎng)的運作；第三，對于各種任務(wù)場景的復(fù)雜響應(yīng)，必須能夠?qū)崿F(xiàn)各工作點的快速而平滑的切換；第四點尤為重要，即如何確保如此復(fù)雜的光儲系統(tǒng)的整體安全性，這需要對直流電弧故障以及儲能電池的短路、熱失控等進行監(jiān)控和安全預(yù)警；第五，國內(nèi)光儲聯(lián)合系統(tǒng)的綜合評測極為關(guān)鍵，但目前我國尚處于發(fā)展階段，尚無法進行綜合評測；第六，光儲聯(lián)合系統(tǒng)應(yīng)用場景廣泛，配置方式和規(guī)模呈現(xiàn)多樣化，目前嚴重缺乏能夠全面覆蓋實際系統(tǒng)在特定運行場景下的性能評價標準。等等。

這些挑戰(zhàn)已經(jīng)成為我國光儲聯(lián)合系統(tǒng)發(fā)展道路上的障礙，嚴重影響了我國新能源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

3" “敢為人先”的創(chuàng)新團隊

在應(yīng)對我國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型和新能源發(fā)展的迫切需求以及面臨的重大挑戰(zhàn)時，為了擺脫對外部技術(shù)的依賴，確保技術(shù)自主性，避免受制于外部勢力，上海復(fù)旦大學(xué)的孫耀杰教授和國網(wǎng)上海市電力公司的張宇高級工程師所領(lǐng)導(dǎo)的團隊，不畏艱難，勇?lián)厝?。他們?lián)合了上海交通大學(xué)、中國電力科學(xué)研究院等眾多科研機構(gòu)和企業(yè)，共同承擔了國家重大專項課題——《光儲聯(lián)合系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用》項目。經(jīng)過十年的不懈努力和產(chǎn)學(xué)研用的緊密合作，他們成功攻克了光儲聯(lián)合系統(tǒng)在多目標協(xié)調(diào)控制、多設(shè)備協(xié)同集群、多維度測試評價以及多層級容量配置規(guī)劃與整站設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)難題。在2022年度上海市科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，該項目榮獲了“上海市科技進步一等獎”的殊榮。

4" 創(chuàng)新成果及應(yīng)用

孫耀杰教授和他的小伙伴們在他們的項目里搞出了不少酷炫的新玩意兒，讓咱們國家在大型光儲聯(lián)合系統(tǒng)的核心技術(shù)上變得超級給力，跟其他國家的差距也變得像小貓咪和大象那么大。這些成果對我們國家的能源轉(zhuǎn)型和新電力系統(tǒng)的建設(shè)簡直是錦上添花。他們主要的創(chuàng)新點有：

（1） 他們搞出了一個超級棒的方法，可以把很多不同類型的設(shè)備整合到一起，讓它們像一個團隊一樣協(xié)作。這個方法可以用在很多不同的地方，比如讓電網(wǎng)的負荷更平穩(wěn)，或者在緊急情況下供電。

（2） 他們還開發(fā)了一種技術(shù)，可以讓各種設(shè)備很容易地連接到系統(tǒng)中，并且能夠自己監(jiān)控自己。這個技術(shù)讓設(shè)備可以自動識別、注冊、確認，還能自己處理數(shù)據(jù)，用起來很方便，而且反應(yīng)速度很快，精確度也很高。

（3） 他們提出了新的技術(shù)，可以解決在電網(wǎng)條件不好的時候，變流器之間的一些問題。這樣可以讓變流器更快更準確地響應(yīng)電網(wǎng)的需求。

（4） 他們深入研究了在不同情況下，比如光伏出力平滑、負荷跟隨和峰谷套利等，系統(tǒng)應(yīng)該怎么工作。他們還提出了一個方法，可以最大化系統(tǒng)效率和儲能的使用，讓整個系統(tǒng)運行得更好。

（5） 為了保證整個系統(tǒng)的安全，他們設(shè)計了一套可以檢測和報警的機制，用來發(fā)現(xiàn)變流器的電弧故障。他們還用數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法來預(yù)測儲能電池可能出現(xiàn)的問題，并且能夠快速地做出反應(yīng)。

（6） 他們還創(chuàng)造了一種新的測試方法，可以用來評估儲能系統(tǒng)在不同情況下的性能。他們還建了一個測試平臺，是國內(nèi)第一個專門用來測試光儲聯(lián)合系統(tǒng)的。

（7） 他們用一個模型來描述儲能系統(tǒng)在它整個生命周期里的運行情況，并且提出了一個方法來規(guī)劃儲能容量，這個方法考慮了整個生命周期和可能的市場收益。他們還詳細規(guī)定了光儲聯(lián)合系統(tǒng)的建設(shè)標準，這樣可以更好地建設(shè)和管理這些系統(tǒng)。

（8） 這個項目搞定了好多專利，還帶頭弄了20多個國內(nèi)外的標準呢。特別是那兩個國際標準IEC TS 62933-2-2和IEC TR 62933-2-200，歐盟那邊的國家都開始用了。還有IEEE P2836，美國那邊也把它加到儲能安全的標準里了。這下子，全球在光儲這塊兒算是有了新的突破。

此外，團隊所創(chuàng)新的光電儲能聯(lián)合技術(shù)，成功孕育了國內(nèi)首個集光電儲能與充電功能于一體的綜合電站，并成功研發(fā)出四種類別、十余項光伏聯(lián)合系統(tǒng)產(chǎn)品。這些成果已在國內(nèi)外超過兩百座光電儲能電站中得到廣泛應(yīng)用，涉及十二個國家和地區(qū)。這些成就體現(xiàn)了我國在光電儲能聯(lián)合技術(shù)領(lǐng)域的方案和智慧，為全球能源轉(zhuǎn)型作出了重要貢獻。

5" 結(jié)" 語

至此，各位讀者應(yīng)已對光儲聯(lián)合系統(tǒng)的功能及其關(guān)鍵挑戰(zhàn)有所認識，同時亦能體會到我國科研工作者在這一領(lǐng)域所作出的卓越貢獻。我們深知，攀登之路無止境，勇者自當成為英雄。衷心期望更多的科研團隊能夠致力于我國新能源事業(yè)的研究與開發(fā)，攻克技術(shù)難關(guān)，勇攀科學(xué)高峰，為我國能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建貢獻力量。

（科學(xué)性審查人員：鄒其文 高級工程師）

*基金項目： 上海市科委科普項目資助（24DZ2304500）