储能技术在光伏发电系统中的应用研究

杨淳驿

摘要：储能技术的发展对新能源发电的应用具有一定的促進作用。针对光伏发电稳定性问题，在总结各类储能技术研究现状和优缺点对比的基础上，分析了储能装置对光伏发电系统的积极作用，并在PSCAD中搭建典型光储模型进行仿真研究。结果表明，储能装置能够维持光伏发电系统的功率稳定，对确保电力系统运行的可靠性与稳定性具有不可或缺的作用。

关键词：光伏发电;储能技术;稳定性

光伏太阳能是一种分布广泛、取之不尽、用之不竭的可再生能源。光伏发电作为太阳能利用的一种方式，在过去的几年里迅猛发展。光伏电源不同于传统电源，它的输出功率随光照强度、温度等环境因素的改变而剧烈变化。因此，光伏发电若要取代传统能源实现大规模发电，对电网产生的冲击影响不可忽视[1]。随着光伏发电系统在电网中所占比例的不断增大，它对电网带来的影响必须得到有效治理，以保证供电的安全可靠性[2]

1、光伏储能系统的组成

光伏储能系统的典型结构包含四部分：光伏阵列、最大功率点跟踪装置、储能系统和逆变器。光伏阵列是光伏发电系统的基本环节，是光伏组件根据系统电压、电流的需要，经过串并联安装在支架上构成。光伏阵列是将太阳能转化为电能的能量转换单元。光伏电池阵列具有强烈的非线性特性，输出直接受光照、温度以及负载等因素的影响，最大功率点跟踪控制可以保证在当时的自然条件下获得最大的功率输出，从而充分利用光伏能源[3]。储能系统起着调节、控制作用，在光照良好、发电充足时储存部分电能，需要时释放这部分电能，起到稳定光伏电源输出和调节供用电平衡的作用。逆变器和变压器作用是将光伏阵列发出的电压较低的直流电转化为电压等级适合的交流电，从而为光伏发电提供必备条件。

2、无储能光伏发电系统对电网的影响

目前，由于光伏发电系统规模相对于电网规模较小，也由于储能系统成本较高，光伏发电系统通常不采用储能系统，使得光伏系统对电网带来了一些不良影响。随着光伏发电系统规模的不断扩大和光伏电源在系统中所占比例的不断增加，这些影响变得不可忽视[4]。光伏发电系统对电网的影响主要是由于光伏电源的不稳定性造成的，从电网安全、稳定以及经济运行的角度分析，不加储能的光伏发电系统对电网造成的影响主要有以下几点。

2.1 对线路潮流的影响

未接入光伏系统时，电网支路潮流一般单向流动，且对配电网来说随着距变电站的距离增加，有功潮流单调减少。然而，当光伏电源接入电网后，从根本上改变了系统潮流的模式，且潮流变得无法预测，同时也可能造成支路潮流越限、节点电压越限等，影响系统的供电可靠性。光伏发电系统向电网供电，降低了机组利用小时数，牺牲了电网的经济性运行。

2.2 对系统保护的影响

当光照良好、光伏电站输出功率较大时，短路电流将会增大，可能会导致过流保护配合失误，而过大的短路电流还会影响熔断器的正常工作。此外，对于配电网来说，未接入光伏系统前，支路潮流一般是单向的，其保护不具有方向性。而接入光伏发电系统后，该配电网变成了多源网络，网络潮流的流向具有不确定性。因此，必须要求增设具有方向性的保护装置。

2.3 对电能质量的影响

受云层遮挡的影响，光伏电源的发出功率可能在短时间内从100%降到30%以下，或由30%以下增至100%。对于大型光伏系统来说，这会引起电压波动与闪变或频率波动。此外，由于光伏发电系统发出的电能为直流电，必须经过逆变装置接入电网，而这一过程必将产生谐波，对电网造成影响。

2.4 对运行调度的影响

光伏电源的输出功率直接受天气变化影响而不可控制，因此光伏电源的可调度性也受到制约。当某个系统中光伏电源占到一定比例后，电网运行商应认真考虑如何安全可靠地进行电力调度。另外，光伏电价与常规电价存在差异，如何在满足各种安全约束的条件下对电网进行经济性调度，也是一个值得关注的问题。

3、储能在光伏发电中的应用

解决光伏电站对电网的影响，提高光伏电站容量，有两种措施：一是从电网角度，提高电网灵活性，建设智能电网;二是从用户角度，为光伏电站配置储能装置[5]。

3.1 电网角度的应用技术

3.1.1 电力调峰

调峰的目的是尽量减少大功率负荷在峰电时段对电能的集中需求，以减少电网的负荷压力。光伏储能系统可根据需要，在负荷低谷时储存光伏系统发出的电能，然后在负荷高峰时再释放这部分电能为负荷供电，从而提高电网的功率峰值输出能力和供电可靠性。

3.1.2 电网电能质量控制

储能系统投入光伏发电系统中后，可改善光伏电源的供电特性，使供电更加稳定。因此，通过合适的逆变控制策略，光伏储能系统可以实现对电能质量的控制，包括稳定电压、调整相角以及有源滤波等。

3.1.3 微电网

微电网是未来输配电系统的一个重要发展方向，可以显著提高供电可靠性。当微电网与系统分离时，即微电网运行在孤岛模式时，微电网电源将独立承担负荷的供电任务。此时，在光伏电源构成的微电网中，储能系统将是为负载提供安全稳定供电的重要保证。

3.2 用户角度的应用技术

3.2.1 负荷转移

许多负荷高峰并不是发生在光伏系统发电充足的白天，而是发生在光伏发电高峰期后。储能系统可在负荷低谷时将光伏系统发出的电能储存起来而不是完全送入电网，待到负荷高峰时再使用。这样储能系统和光伏系统配合使用，可以减少用户在高峰时的市电需求，使用户获得更大的经济利益。

3.2.2 负荷响应

为保证负荷高峰时电网可以安全可靠运行，电网会选定一些高功率的负荷进行控制，使它们在负荷高峰期时交替工作。当这些电力用户配置光伏储能系统后，则可以避免负荷响应策略对上述高功率设备正常运行带来的影响。负荷响应控制系统需要光伏储能电站和电网之间至少有一条通信线路。

3.2.3 断电保护

光伏储能系统一个重要的好处是可以为用户提供断电保护，即在用户无法得到正常市电供应时，可以由光伏系统提供给用户所需的电能。

4、储能系统发展需求

目前，常用于光伏发电系统中的储能装置是蓄电池，但是蓄电池的循环寿命短、功率密度低、充放电要求严格、价格较昂贵，限制了它在光伏发电中的大规模应用。为了实现储能技术在光伏发电中的广泛应用，提高光伏性能，储能系统的发展需要从储能技术和控制技术两个方向考虑。

4.1 储能技术

用于光伏发电的储能装置往往工作环境比较恶劣，且受光伏发电输出不稳定影响，储能系统的充放电条件也较差，有时需要频繁充放电小循环。针对于光伏发电系统的特点和储能装置的发展现状，应用于光伏发电的储能技术应在以下几个方面做出发展和改进：加大能量密度和功率密度，延长储能装置的循环寿命，增加充放电速度，在更宽泛的环境下保证安全可靠运行，降低成本。

4.2 控制技术

为了使储能装置实现最长的使用寿命、最大的能量输出以及最优的使用效率，需要针对储能装置的特点，设置适合该种储能装置的充放电策略。例如，传统的铅酸蓄电池需要一个长时间、低电流的充电条件，以避免在电池铅版上形成结晶。如果充电电流过大，会降低电池的储电能力，并缩短电池寿命。光伏电池作为储能装置的充电电源，难以保证一个良好的充电条件。因此，开发先进的储能装置控制管理系统，对解决储能装置的合理充放电问题尤为重要。

5、结论

储能技术在光伏发电系统中的应用，为解决光伏发电对电网带来的不良影响提供了可行性方案。它的应用无论是在用户侧还是在电网侧，都将带来一定的经济效益。因此，储能技术的应用将成为今后的一个重要研究方向。

参考文献：

[1]张兴科.光伏发电功率波动与对策[J].电网与清洁能源，2011，27（6）：55-60.

[2]郑志杰，李 磊，王 葵.大规模光伏电站接入系统若干问题的探讨[J].电网与清洁能源，2010，26（2）：74-76.

[3]方 廷，韩 郁，张 岚.一种多逆变器太阳能光伏发电系统的组群控制方法[J].电网与清洁能源，2009，25（7）：57-60.