储能技术在光伏发电系统中的应用研究

李满

摘 要：本文通过重点研究超导磁场储能、超级电容储能、飞轮储能等几种储能技术相关特点，重点探讨其在光伏并网发电系统中的应用，目的在于研究储能技术在光伏并网发电系统中的应用，用于提高光伏发电系统电能的利用效率，及提高发电系统运行的稳定性。

关键词：超导磁场储能;超级电容储能;光伏发电系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.16.162

0 引言

随着现代社会人类对能源和环境保护的协调发展的认知越来越高，同时面临对能源的需求越来越大，光伏发电技术越来越受到重视。但是光伏发电产生的电源具有一定的间断性、波动性的特点，导致光伏发电无法持续性的供电和夜间无法发电的状况，不能满足对负荷的连续性需求。引入储能技术能较好地改善光伏发电系统特性，实现系统的持续供电和系统的稳定性。但是储能技术在光伏发电系统的分析和研究还处在发展的初期阶段，技术还不够成熟、完善，工程应用仅限于小容量系统，在大功率光伏发电系统的应用受到了一定的限制，随着光伏发电装机规模的不断扩大，储能技术在光伏发电系统中应用将越来越受到关注。

1 光伏发电系统简介

光伏发电系统是利用光伏电池的伏特效应将光能转化为直流电，通过光伏并网逆变器转换为与电网同频率、同相位的三相交流电并入电网的发电系统[1]。光伏发电能源无限、不受区域的限制、清洁。但是光伏发电利用率较低，需要建设大面积的光伏电池组件，同时受天气影响巨大，发电时间局限性大（只能在有阳光的时段发电）。因此研究如何有效储存电能来提供无法发电时段的电能利用，及减少最大功率发电无法存储而造成的巨大的浪费越来越受到各界的关注，储能技术成为亟待突破的技术。

2 储能技术在光伏发电系统中的应用

储能技术主要是借助外来的介质实现多余能量储存，进而在需要的时候释放能量。常见的电储能技术有压缩空气储能、化学电池储能、蓄水储能、超级电容储能和飞轮储能、超导磁场储能等。压缩空气储能、蓄水储能是常规的储能方式，目前多有应用实例，地域的局限性也较大。电池储能可以满足短时应急电能的利用，且成本过高、体积过大。超级电容储能和飞轮储能、超导磁场储能是目前解决成本和地域限制的新型储能方式，本文主要讲述这三类储能技术在光伏发电系统中的应用。

2.1 超导磁场储能在光伏发电系统中的应用

超导磁场储能是将超导体放在一定的磁场当中，对超导体进行降温，一直到超导体的临界的温度以下，然后把磁场撤掉，超导体内部将在临界温度下因磁场磁力影响下出现感应电流。目前为了利用超导体在临界温度下产生持续性的电能，进而获取长时间储存电能的效果，是现在技术和实际应用上亟待解决的问题。

光伏发电系统和超导储能系统通过交流母线相连为本地负荷供电。有学者就利用光伏出力与本地负荷需求的差值作为SMES控制器的功率控制信号策略，建立了超导储能系统模型，并对其在光伏发电系统的中的运行控制方式进行研究，很好地解决光伏发电功率易受环境影响、不可调节、难于满足负荷需求的问题，对由负荷变化引起的母线电压波动和故障引起的母线电压跌落具有良好的补偿作用[2]。

2.2 超级电容储能在光伏发电系统中的应用

超级电容储能利用双电层充放电原理来工作，其电解液中的阴、阳离子在电场的作用下分别向正、负电极移动，最终在电极表面形成双电层，通过高度可逆的化学吸附、脱附和氧化还原反应来存储能量。作为新兴的储能材料，超级电容具有功率密度高、充放电效率高、无污染等优点。

近年来，对超级电容储能技术进行大量研究开发，并取得显著的成果。有人利用超級电容容量大、可无限次循环充放电的特点，将超级电容器与功率器件组合成的功率变换电路接入光伏发电阵列与负载之间，通过补偿光伏电池输出电压来改变光伏阵列输出特性，从而控制光伏发电系统完成最大功率点跟踪[3]，实验验证该技术可以实现MPPT快速、稳定跟踪，取得一定的成果。设计了超级电容器的充电控制器和放电控制器，对系统的总体结构和控制系统进行设计，搭建超级电容器储能的独立光伏发电系统的小功率实验平台，并通过仿真和实验结果验证了方案的可行性以及良好的可靠性和稳定性[4]。

2.3 飞轮储能在光伏发电系统中的应用

飞轮储能系统是一种新型的储能元件，是机械能和电能的交换装置，具有充电、放电和能量保持三种工作模式。可以采取多种充电模式，放电时通过飞轮的带动发电机发电，并通过电力电子装置的转换成可利用的电能，保持阶段保持飞轮的额定转速转动，既不充电也不放电[4]。其经济性较强，满足绿色和高效的需求，安全性和可靠性显著、功率容量十分巨大，具有发展前景良好，拥有巨大的市场潜力。因此，飞轮储能系统受到行业内很大的关注。有人提出了一种基于模糊控制的光伏飞轮储能系统有功平滑控制策略，将模糊控制应用于平抑有功功率，有效地提高了功率的平滑输出、较大程度地减小了光伏发电的功率波动、提高了电能质量、降低了对电网的冲击[5]。同时有文献中设计了基于飞轮储能的可并网电源方案和相关硬件电路系统，通过仿真验证BOOST逆变电路的可行性。特别是一些学者在研究基于飞轮储能的充放电特性在风光互补多逆变器串联发电系统中的电压稳定性问题，将飞轮电池并联在风力发电单元的直流母线上，增加系统的最大可发电功率，提高系统的电压稳定性。

3 结论

本文通过对几种储能方式进行研究分析，探讨了其在光伏发电系统的应用和目前的发展状况，展望未来储能技术在光伏发电系统中可以提高电能的转换效率、输出电能质量、供电安全性与可靠性等，具有很好的应用前景。

参考文献：

[1]靳志会.太阳能光伏发电系统设计及运行分析[D].河北工业大学，2012.

[2]刘金栋.超级电容器在光伏发电系统中的研究与应用[D].长安大学，2015.

[3]彭道福.超级电容器储能系统在光伏发电系统中的研究与应用[D].北京交通大学，2011.

[4]马骏毅，巴宇，赵伟等.飞轮储能的关键技术分析及研究状况[J].智能电网，2017（01）.

[5]马骏毅，卫志农，汤同峰等.基于模糊控制的光伏飞轮储能系统有功平滑控制[J].水电能源科学，2013（03）.