王泽辉
（中国大唐集团技术经济研究院有限责任公司，北京 100043）
0 引 言
能源短缺是我国乃至全世界面临的紧要问题，在石油、天然气、煤炭等一次能源储量减少，生态环境污染加剧的情况下，太阳能作为一种可再生清洁能源，利用太阳能的光伏发电技术已经得到广泛应用[1]。但在现实情况下，光伏并网发电系统易受光照影响，运行过程中可能存在一定的波动或间歇，导致供电不稳定。因此，有必要对光伏并网发电系统中的储能单元展开细致研究，在确保储能单元具有优越性能的基础上，还需要结合系统的实际运行状况选择合适的储能单元结构。通过对储能技术的科学应用，调节光伏并网发电系统中电能的收集和释放过程，提高系统运行的可靠性。
1 光伏并网发电系统的结构及特点
光伏并网发电系统作为电力输送的关键，主要由光伏阵列、储能单元、送变器、最大功率跟踪装置、交流配电箱、电表以及各类负载等组成，如图1 所示。其中，光伏阵列作为基础组成部分，将串联好的电池结构依照系统的实际需求，并联在一起形成阵列结构。由于光伏并网发电系统具有非线性特征，其发电功率易受负载、光照、温度等多因素影响，因此采用最大功率跟踪装置保证系统始终处在最大功率运行[2]。储能单元在整个系统中发挥着调节与控制的重要作用，根据电能的实际消耗情况，将预先经过高效储存的电能通过逆变器实现对系统输出功率的调整，从而确保系统输出处在均衡状态。而交流配电箱则由并网逆变和电压控制系统组成，主要负责将直流电转换为可直接使用的交流电。
图1 光伏并网发电系统
光伏并网发电系统具有如下特点：一是系统实际运行中易受到温度、光照等外界因素的影响，致使系统输出功率有所变化，特别是在多变或特殊天气下，系统的输出功率会出现不可控的情况；二是系统整体造价较高，需要利用最大功率点跟踪技术，确保在最大限度上实现对太阳能资源的高效利用；三是系统并网电流和电压应与电网系统保持同相，系统仅提供有功功率，从而实现对光伏电能的高效利用。
2 光伏并网发电系统中的储能技术
2.1 蓄电池储能技术
蓄电池储能技术的应用前景良好，具有模块化特点，可实现氧化还原反应充放电，更好地满足光伏并网发电系统在峰值负载下的电源需求，适用于既定负荷范围内仍需高电能供给的配网，可靠性较高。同时，蓄电池储能技术在光伏并网发电系统中的应用支持无功补偿装置，有助于系统电压波动及闪变现象的控制[3]。目前，蓄电池储能常见的有钠硫电池、铅酸电池、锂离子电池以及机液流电池等，详细参数如表1 所示。
表1 常见几种蓄电池的参数对比
2.2 超级电容储能技术
超级电容是利用特定材料制成的多孔介质，与常规电容相比，电阻值、容量较高，峰值较低。超级电容储能技术的优势在于充放电效率快、周期长，即便在恶劣温度条件下也具有良好的充放电性能和使用寿命。但其缺点也较为明显，超级电容的能量密度相对较低，串联均压且末端的电压波动范围较大。现阶段，光伏并网发电系统广泛应用超级电容储能技术，可大幅提升储能单元的效能，减少内部损失，延长储能单元的使用寿命，并且超级电容还可以与蓄电池结合使用，通过二者之间的优势互补，有助于电网系统运行可靠性与经济性的提升。
2.3 飞轮储能技术
飞轮储能技术的建设周期短、储能高、效率高、充放电次数不限且速度较快，使用寿命长，也不会对周围环境产生污染。但与其他储能技术相比，飞轮储能技术最大的劣势在于后期维护难度大、成本高。
2.4 超导磁储能技术
超导磁储能技术依托超导线圈存储电网供电励磁磁场中的电能，并依据需要情况将储存的电能返还给电网[4]。超导磁储能系统由超导线圈、真空泵以及设备控制系统组成，其中超导线圈的电流循环于闭合电感，不会出现能量损失。这种储能技术的优势表现在于无损耗、效率高，且能量释放的速度较快。
3 储能技术在光伏并网发电系统中的主要应用分析
3.1 储能技术在光伏电站层面的应用
首先，储能技术在负荷转移中的应用。将储能技术应用于负荷转移主要是实现对峰值负荷的调整。当处在负荷高峰期时，合理匹配发电系统与储能技术，释放小负荷光伏装置储备的能量，从而降低峰值期间的用电消耗，提高用户效益。其次，储能技术在峰值功耗控制中的应用。储能技术通过大容量存储设备对电能的高效存储，能够有效提高光伏并网发电系统峰值负载的整体性能。再次，储能技术在电能质量控制中的应用。应用储能技术可以通过对光伏并网发电系统负载、损耗、相角等参数的调节，实现对光伏发电系统性能的优化，从而根据实际用电需求，对系统负载进行转移或调节。在用电需求较小时，对光伏电站的剩余电量进行存储，避免将其全部传输给配电网造成浪费；在用电需求较大时，由储能装置释放存储的电量，以满足用户需求[5]。最后，储能技术在自动保护中的应用。当光伏并网发电系统无法正常供电时，将储能单元存储的能量进行供电。当配网出现故障或安全隐患时，光伏并网发电系统可发出断电保护指令，储能单元则会对停电后的电量进行自动存储，这种“孤岛”方式为配网运行和供电稳定性提供了有力保障，可在一定程度上自动减轻部分负载。
3.2 储能技术在电网层面的应用
储能技术在电网层面的应用主要体现在电力调峰和微电网2 个方面。
3.2.1 储能技术在电力调峰中的应用
当电网系统的功率负荷较大时，光伏并网发电系统输出具有鲜明的时段特征表现，也就是在用电高峰阶段，用电需求量亟剧增加，会影响电网系统的稳定运行[6]。由此可以利用储能技术在用电低峰阶段对光伏并网系统输出的多余电能进行存储，并将储存好的电能在用电高峰期间释放出去，以有效缓解电网系统的运行压力。通过对负荷供电效果进行调整，进一步提高电网系统的供电水平。
3.2.2 储能技术在微电网调节中的应用
微电网是目前输电系统发展的主要趋势，为了保证电力系统的稳定供应，必须对微电网进行合理使用。当微电网和大电网分类后，微电网独立运行，承担着一定的电力供给任务。而储能技术在微电网中的应用，则能有效提升微电网的运行效果，并具有自动调节的功能，在极大程度上提升了微电网运行的稳定性与安全性，保证微电网的负载均衡。
4 复合储能技术在光伏并网系统中的应用
目前，在光伏并网发电系统的储能单元中，复合储能技术的应用最具代表性，蓄电池结合超级电容混合储能系统（Hybrid Energy Storage Systems，HESS），凭借二者的互补性能够有效降低电流中的谐波含量，尽可能规避系统功率出现波动的情况，改善电流波形质量，切实提高系统的可调度性。同时，复合储能技术也有助于降低外界因素对其运行造成的干扰，提升储能单元的使用效率[7]。现阶段，HESS 主要有2 种类型，分别是有源式和无源式。
4.1 有源式HESS
有源式HESS 指的是将DC/DC 功率变换器增设在直流母线与HESS 的连接节点位置，可有效解决无源式HESS 对储能单元充放电功率难以实现有效控制的情况，以实现对HESS 容量的充分利用。该类型HESS 具有以下3 种拓扑结构：其一是在直流母线上利用双向DC/DC 功率变换器并联蓄电池与超级电容，能够尽量减少短时高功率下蓄电池受到的充放电电流冲击，延长蓄电池寿命，同时也能够充分发挥超级电容的充放电特性，但这种拓扑结构要求超级电容数量与直流母线的电压值保持一致[8]。其二是在直流母线上利用双向DC/DC 功率变换器并联超级电容与蓄电池，此结构下超级电容对电压的要求有所降低，也可以实现对超级电容容量的充分利用，但却无法充分利用蓄电池的容量；其三是在直流母线上，将蓄电池和超级电容分别经过双向DC/DC 功率变换器进行连接，这种方式在兼顾二者容量的同时，可加强对充放电功率的控制，并实现对储能单元运行的优化。
4.2 无源式HESS
无源式HESS 则是直接并联蓄电池与超级电容，或利用电感、二极管等无源器件并联的方式，结构相对简单且无需进行充放电控制。此类型的HESS 主要分为以下2 种拓扑结构：其一是蓄电池与超级电容直接并联在直流母线上，结构简单、成本低，但却难以实现对二者性能的充分利用，功率分配不易控制，且要求二者电压与母线保持一致[9]；其二是将电感与蓄电池串联，再与超级电容并联，以减少蓄电池的电流变换幅度，稳流效果较强，但存在超级电容容量利用率低、充放电电流不易控制的弊端。在应用复合储能技术的过程中，可以结合实际需要对上述几种拓扑结构进行合理选择，以增强储能技术应用的效果，促使光伏并网发电系统的经济效益得到进一步提高。
5 结 论
储能技术在光伏并网发电系统中的应用与我国的可持续发展战略相符，表现出明显的应用优势。现实中，储能技术的应用涉及多个方面，发电企业必须紧跟时代发展潮流，妥善分析储能技术应用的实施条件和影响因素，在排除各类影响因素的同时，通过对技术的合理应用来进一步提高光伏并网发电系统的储能性能，并在不断的改进与优化下，推动我国光伏并网发电系统的可持续发展，在确保电力稳定供应的基础上提高发电企业的经济效益。
