[關(guān)鍵詞]光伏發(fā)電；儲(chǔ)能技術(shù)；應(yīng)用；優(yōu)化

引言

新形勢背景下，隨著人們生活質(zhì)量日漸提高，節(jié)能環(huán)保意識(shí)有了顯著增強(qiáng)，人們對綠色節(jié)能環(huán)保技術(shù)有了更多關(guān)注。而太陽能極易獲得，用于發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生污染，是目前新能源技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。但是由于太陽能發(fā)電會(huì)受到天氣、時(shí)間等因素的影響，導(dǎo)致光伏發(fā)電缺少穩(wěn)定性和持續(xù)性，因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)中需要使用儲(chǔ)能技術(shù)儲(chǔ)存太陽能，并根據(jù)需要釋放并調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)，以滿足應(yīng)用需求。實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)光伏發(fā)電系統(tǒng)的需求選擇儲(chǔ)能系統(tǒng)，充分發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的中控和調(diào)節(jié)功能。

一、儲(chǔ)能技術(shù)主要類型

（一）蓄電池儲(chǔ)能

蓄電池儲(chǔ)能是最傳統(tǒng)、最常用的儲(chǔ)能技術(shù)。利用蓄電池能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，并在需要時(shí)釋放。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，常見的蓄電池為鉛酸電池，可以滿足大量電能儲(chǔ)存的需要，壽命相對比較長，還可以靈活根據(jù)需要儲(chǔ)存和釋放電能。蓄電池的優(yōu)勢還在于成本較低，靈活性高，可以根據(jù)需要建立蓄電池組以增加容量。相較于鉛酸蓄電池與鎳氫電池，鋰離子電池?zé)o論是工作電壓和轉(zhuǎn)換效益，還是能量密度，都更高，并且循環(huán)使用年限更長。但是鋰離子電池不僅價(jià)格高，還存在易燃易爆及污染環(huán)境等問題，這大大制約了其使用范圍，只能被應(yīng)用于新能源電動(dòng)汽車、便攜電子產(chǎn)品和分布式電站中。全釩液流電池和鈉硫電池是近年來才發(fā)展起來的新型儲(chǔ)能電池，雖然價(jià)格高，但是容量很大，在電力工業(yè)中有非常好的應(yīng)用前景。

（二）壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能利用電力壓縮空氣，將電能轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的壓力，需要使用時(shí)釋放高壓空氣，將高壓空氣中的壓力轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏?。該技術(shù)是近年來發(fā)展出的全新儲(chǔ)能方式，具有響應(yīng)速度快的特點(diǎn)，可以快速儲(chǔ)存和釋放能量，因此對需求變化的應(yīng)對能力比較強(qiáng)（原理如圖1所示）。該技術(shù)可以利用機(jī)械結(jié)構(gòu)對空氣進(jìn)行壓縮，并將空氣作為儲(chǔ)能介質(zhì)，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性比較強(qiáng)，有較長的使用壽命。

壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的問題在于，需要建立地下設(shè)施用于儲(chǔ)存高壓壓縮氣體，但這一技術(shù)會(huì)受到地理?xiàng)l件的限制。對于地基結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、不利于挖掘的地區(qū)，使用該項(xiàng)技術(shù)的成本比較高，而且存在較大的困難。在壓縮空氣的過程中，系統(tǒng)的預(yù)熱、制冷、壓縮等過程都需要消耗燃料，這不僅會(huì)大大增加儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)營成本，還會(huì)影響環(huán)境。因此，條件滿足要求、對調(diào)峰需求比較高的系統(tǒng)，會(huì)優(yōu)先選擇壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。

（三）飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能是利用旋轉(zhuǎn)飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)，通過將電能轉(zhuǎn)變?yōu)轱w輪旋轉(zhuǎn)，可以在需要使用能量時(shí)，將飛輪和發(fā)電設(shè)備連接，將飛輪動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。一般將飛輪設(shè)置在真空環(huán)境中，避免和空氣摩擦導(dǎo)致能量損失。飛輪儲(chǔ)能效率較高、穩(wěn)定性強(qiáng)且響應(yīng)速度較快。在實(shí)際應(yīng)用中，一般和蓄電池一同使用，以提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量密度，增加儲(chǔ)能系統(tǒng)調(diào)節(jié)的靈活性。

（四）超級(jí)電容

超級(jí)電容是一種基于電化學(xué)雙層理論研發(fā)的容量超大的電容器。相對其他儲(chǔ)能設(shè)備，超級(jí)電容具有非常長的壽命，可以快速進(jìn)行多次充放電，并且可以始終保持比較穩(wěn)定的狀態(tài)。不僅如此，超級(jí)電容有著極高的充放電速率，可以在短時(shí)間內(nèi)快速充放電。當(dāng)電力系統(tǒng)需要高功率輸出時(shí)，超級(jí)電容有非常好的應(yīng)用效果。但目前超級(jí)電容的問題在于能量密度比較低，空間利用率不足，往往需要較高的投資成本。同時(shí)，電能在超級(jí)電容中的儲(chǔ)存也會(huì)逐漸釋放，容易出現(xiàn)能量流失的問題。

二、儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的重要作用

（一）提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)置儲(chǔ)能裝置，能在高峰期吸收并儲(chǔ)存多余的電能。倘若電力用電需求量增加，儲(chǔ)存電能則能實(shí)時(shí)釋放，從而最大限度緩解電網(wǎng)運(yùn)營過程中的負(fù)荷壓力。儲(chǔ)能技術(shù)除了能大幅提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，還能避免因?yàn)殡娏τ秒姽?yīng)不足導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失，確保電力供應(yīng)始終保持連續(xù)和穩(wěn)定的狀態(tài)。

（二）提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率

我國西部地區(qū)擁有豐富的光能資源，但長期以來由于技術(shù)限制和基礎(chǔ)設(shè)施不足，這些資源并未得到充分的開發(fā)利用，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率較低。為了充分利用該部分資源，提高光電轉(zhuǎn)換效率，發(fā)電企業(yè)應(yīng)采取有效的措施，其中儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用尤為重要。過去，由于諸多原因，西部地區(qū)的光伏發(fā)電系統(tǒng)并未得到廣泛的推廣和應(yīng)用，這對太陽能的利用率產(chǎn)生了較大的負(fù)面影響。然而，隨著科技的進(jìn)步和儲(chǔ)能技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以通過有效應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)，提高該部分資源的利用率。當(dāng)光伏發(fā)電系統(tǒng)因天氣等原因發(fā)電容量不足時(shí)，儲(chǔ)能技術(shù)可以將之前儲(chǔ)存的能量釋放出來并轉(zhuǎn)化為電能，確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用儲(chǔ)能技術(shù)，不僅可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，使其在不同天氣條件下都能保持穩(wěn)定的電力輸出，還可以提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

三、儲(chǔ)能技術(shù)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用方法

（一）控制電網(wǎng)電能質(zhì)量

利用儲(chǔ)能設(shè)備能實(shí)現(xiàn)對電力輸入和輸出的控制，通過調(diào)整電能的儲(chǔ)存和釋放，可以將多余發(fā)電儲(chǔ)存起來，便于在電力缺口時(shí)使用。建立合理的調(diào)節(jié)機(jī)制，能減少電力系統(tǒng)的波動(dòng)，避免出現(xiàn)電壓不穩(wěn)定和頻率偏差等問題，以確保供電質(zhì)量。目前在控制過程中，光伏發(fā)電系統(tǒng)可以利用監(jiān)測設(shè)備確定電力系統(tǒng)的電壓、電流、功率方面的變化，并根據(jù)數(shù)據(jù)確定自身儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略，確保系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性。

（二）電力調(diào)峰

用電行為明顯的波動(dòng)性和時(shí)段差異性帶來的用電量的巨大變化會(huì)對電力系統(tǒng)帶來較大的沖擊，可能會(huì)導(dǎo)致電力輸配設(shè)備的損壞。將光伏發(fā)電得到的電能儲(chǔ)存在儲(chǔ)能設(shè)備中，并在電力調(diào)峰中使用，可以充分發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)的作用，并確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。在光伏發(fā)電并網(wǎng)時(shí)，就可以設(shè)置儲(chǔ)能設(shè)備，結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓I(yè)結(jié)構(gòu)、用電需求、人口分布狀況、用電規(guī)模等因素，再結(jié)合用電需求的波動(dòng)設(shè)置儲(chǔ)能設(shè)備，在需要調(diào)峰時(shí)釋放儲(chǔ)能設(shè)備中的電能，滿足供電需求。

四、某光伏發(fā)電系統(tǒng)對儲(chǔ)能技術(shù)的選擇案例

（一）項(xiàng)目概況

某清潔能源公司建立了10萬千瓦的光伏電站，為了確保對電力的有效使用，需要設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)存電能，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能得到儲(chǔ)存，并且用于電力供應(yīng)、調(diào)峰等工作。

（二）儲(chǔ)能技術(shù)選擇分析

（1）儲(chǔ)能技術(shù)需求

目前儲(chǔ)能技術(shù)呈現(xiàn)出多元化和復(fù)雜化的特點(diǎn)。各類儲(chǔ)能技術(shù)不斷改進(jìn)，擁有不同的優(yōu)勢和特點(diǎn)。本工程屬于大規(guī)模集中式光伏發(fā)電，儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)置的目標(biāo)在于提高光伏發(fā)電的消納率，抑制短時(shí)間內(nèi)的電力波動(dòng)，并解決跨區(qū)供需矛盾。根據(jù)國家規(guī)定，光伏的消納比應(yīng)控制在5% -10%，為此需要使用儲(chǔ)能技術(shù)削峰填谷，提示消納水平。其次，本項(xiàng)目光伏系統(tǒng)在1分鐘內(nèi)的上下波動(dòng)不能超過裝機(jī)總?cè)萘康?0%，因此需要通過設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)，避免功率變化過大。

（2）儲(chǔ)能技術(shù)配置模擬優(yōu)化

結(jié)合成本、實(shí)際應(yīng)用狀況、技術(shù)成熟度等多方面因素，本項(xiàng)目使用磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能設(shè)備，并根據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置和模擬，分析最合理的配置模式。表1是模擬系統(tǒng)的具體設(shè)定。

通過模擬研究得到了電站典型日出力曲線。如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)，電站的功率受到日照的影響比較多。每天的中午時(shí)段由于陽光更加充足，因此發(fā)電功率也更高。通過對不同參數(shù)下儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用效果的分析，在本項(xiàng)目10萬千瓦的配置下，線路容量比為0．5、棄光率為5%、日配容量為24，000 kW可以獲得最優(yōu)配置。

（三）能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了發(fā)揮儲(chǔ)能設(shè)備的作用，光伏電站需要設(shè)置能量管理系統(tǒng)來控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量儲(chǔ)存和釋放，以此保證電力系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定、可靠，并最大化利用可再生能源。本項(xiàng)目將能量管理系統(tǒng)設(shè)置為三個(gè)層級(jí)，包括物理層、設(shè)備控制層、系統(tǒng)控制層，每個(gè)層級(jí)承擔(dān)著不同的功能。

通過三級(jí)調(diào)度和優(yōu)化，可以完成對電力系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備的信息匯總，以避免出現(xiàn)信息孤島，還可以進(jìn)一步強(qiáng)化不同層級(jí)之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)高效的能量調(diào)度和最優(yōu)化控制，確保系統(tǒng)的運(yùn)營效率和可靠性。在控制過程中，控制系統(tǒng)需要同時(shí)考慮單支路的阻抗特征和多支路協(xié)調(diào)的阻抗特性，以確保在瞬時(shí)狀態(tài)下可以進(jìn)行多支路系統(tǒng)的控制。通過模擬，系統(tǒng)的恒負(fù)載功率支路等效功率為3 kW。對0.5、2、3 kW三個(gè)梯度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)功率負(fù)載中等效電容、等效阻抗處于低阻尼LC環(huán)節(jié)時(shí)，電源和儲(chǔ)能裝置會(huì)產(chǎn)生相互作用，造成負(fù)載的穩(wěn)定裕度降低。因此，系統(tǒng)在控制過程中需要避免恒功率負(fù)載過大導(dǎo)致穩(wěn)定裕度下降。

（四）系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

（1）結(jié)構(gòu)消防安全設(shè)計(jì)

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)消防安全設(shè)計(jì)時(shí)，系統(tǒng)需要使用優(yōu)質(zhì)磷酸鐵鋰電池，并在電池模組之間設(shè)置足夠的電芯間距，在保證散熱效果的同時(shí)，滿足防火隔離的需要。不僅如此，電池簇需要保證防火間隔距離，并做好防坍塌設(shè)計(jì)。另外，電池組周圍應(yīng)做好防護(hù)，避免出現(xiàn)短路、高溫高壓、沖撞或碾壓等問題。

（2）電氣設(shè)備安全設(shè)計(jì)

在進(jìn)行電氣設(shè)備安全設(shè)計(jì)時(shí)，可以使用阻燃電纜完成電力系統(tǒng)內(nèi)電氣設(shè)備的連接。且為了滿足冗余需求，設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)需要對電器保護(hù)設(shè)備進(jìn)行選型，以進(jìn)一步提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的承受能力。此外，電器保護(hù)設(shè)備在選型時(shí)需要檢查和驗(yàn)證其性能，檢查質(zhì)量和可靠性，結(jié)合環(huán)境進(jìn)行選型。

結(jié)語

在光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用中，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。為滿足社會(huì)發(fā)展的客觀需求，發(fā)電企業(yè)應(yīng)緊跟時(shí)代步伐，結(jié)合實(shí)際需求積極采用前沿的互聯(lián)網(wǎng)處理技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)對儲(chǔ)能技術(shù)使用過程中關(guān)鍵因素的有效管理。這不僅有助于規(guī)避外界風(fēng)險(xiǎn)帶來的潛在影響，還有助于提高發(fā)電企業(yè)在儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用和管理上的水平。通過制定科學(xué)性和可行性的獎(jiǎng)懲機(jī)制，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)能夠構(gòu)建一套完善的專業(yè)人才資源管理體系，搭建因地制宜、統(tǒng)籌規(guī)劃的方案，以確保光伏發(fā)電操作系統(tǒng)在安全性、可靠性、穩(wěn)定性方面均達(dá)到最高標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而為國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長和社會(huì)的和諧健康發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。