光储系统的发展态势及技术走向的研究

谭宇良，李建林*，唐建华

(1.储能技术工程研究中心(北方工业大学)，北京 100144；2.南京中核能源工程有限公司，南京 210018)

0 引言

光伏发电已成为当今一种重要的清洁电力来源，但由于光伏出力具有波动性等特点，制约了其向电网输电；且部分地区因消纳能力不足、外送困难等原因采取了限制光伏发电的措施。针对上述问题，常用的解决方法包括进行并网监控、配置储能系统等。而储能技术作为大规模新能源发电接入电网的高效支撑技术，所起到的作用越来越明显[1]。

储能技术已逐渐向高质量、低成本、大规模的方向发展，其对光伏产业的发展也产生了推动作用[2]。因此，将光伏发电系统和储能系统进行结合的光储系统得到了越来越多的应用。本文对2019～2020年国家及地方政府发布的光伏发电相关政策进行了梳理；然后讨论了光储系统的应用类型和能量汇聚方式，并给出了相应的示意图；最后针对光储技术的发展给出了建议。

1 光储系统的发展契机

由于光伏发电具有波动性、间歇性的特点，导致光伏发电技术的发展受到影响，而储能系统能够实现电能的时空平移，将光伏发电的午间出力转移至其他时段，削减光伏发电系统的出力尖峰、降低弃光率，从而改善电能质量，提高光伏发电的利用率[3-4]。因此，近年来国家及地方政府也非常重视光储系统的发展，并以法令和政策的形式促进光储系统的应用及光储技术的发展。

图1 2019Q1～2020Q2我国光伏发电装机容量情况Fig. 1 Situation of installed capacity of PV power generation in China during 2019Q1～2020Q2

虽然受新冠疫情的影响，2020年以来我国光伏产业的发展缓慢，但总体来说，我国光伏发电已经步入“平价上网”的轨道，光伏发电从补充能源转向替代能源的步伐也将加速。2019Q1～2020Q2我国光伏发电装机容量的情况如图1所示。“十四五”期间，随着光伏发电成本的进一步降低，以及光储模式的进一步推广，我国中部及“三北”地区可利用其自身优势合理配置风、光资源，提高外送通道中新能源的比例，支持和促进全国的能源转型[5-6]。

国家及地方政府层面出台了不少与光伏发电相关的政策，具体如表1、表2所示。这些政策在确保新冠疫情期间光伏产业运转及能源供给正常的同时，直接或间接地促进了光储系统的发展。

表1 国家层面出台的光伏发电相关政策Table 1 Relevant policies on PV power generation issued at national level

表2 地方政府层面出台的光伏发电相关政策Table 2 Relevant policies on PV power generation issued at local government level

上述政策的出台有助于推动光伏电站加配储能系统，在促进光伏发电消纳的同时，增强了储能的调峰、调频能力。

2 光储系统的类型

光储系统和并网光伏发电系统的配置不同。光储系统需配置蓄电池及蓄电池充放电装备，以延长储能系统的使用寿命、减少蓄电池的充放电次数为目标。

光储系统的优势在于：在光伏发电高峰时段，利用储能系统储电，对光伏发电系统的出力进行削峰[8]；然后在光伏发电高峰时段之后，利用储能系统放电。该方式有助于平滑光伏出力的波动性和实现储能系统的调峰功能，以达到储能作用的最大化[9-10]。

根据应用类型不同，光储系统可以分为光伏离网储能系统、光伏并网储能系统及光伏并离网储能系统。

无论光储系统采用何种类型，蓄电池都是储能系统中必不可少的组成部分，主要作用是存储光伏发电系统产生的电能，并在光伏发电系统的发电量不足以满足负载需求或出现紧急情况时为负载供电。

储能系统中常用的蓄电池类型有铅酸蓄电池、锂离子蓄电池、碱性蓄电池、超级电容等[11]。目前，铅酸蓄电池的商业化程度最高，占据我国电化学储能领域的绝大部分市场份额，并由此衍生出很多种类，例如富液铅酸蓄电池、阀控密封铅酸电池、胶体电池、铅碳电池等。部分蓄电池的性能对比如表3所示。

表3 部分蓄电池的性能对比Table 3 Performance comparison of some batteries

2.1 光伏离网储能系统

光伏离网储能系统通过光伏组件将太阳能转换成电能供给负载，并将多余的能量存储在储能系统中，储能系统的存在提高了光伏利用率[12]。该类系统不依赖电网，独立运行，形成了闭合的系统内部回路，因此多用于远离电网，发电需要自给自足的通信基站、海岛等地区。

光伏离网储能系统的工作原理示意图如图2所示。此类系统主要由光伏组件、逆变器、蓄电池、直流负载、交流负载及控制器等构成。在光照充足的情况下，交、直流负载所需电量由光伏发电供给； 当光伏发电有剩余时，将电能供给给蓄电池进行存储；当光照不足、光伏发电不足以满足负载需求时，蓄电池充当备用电源继续给负载供电。

光伏离网储能系统的工作模式很多，既可以储能系统和光伏发电系统同时工作，也可以在负载用电低谷时段先为储能系统充电，在负载用电高峰时段利用储能系统放电，以保证负载用电的稳定性。

由于光伏离网储能系统的发电成本低于燃油发电成本，所以目前该类系统的应用较为普遍。2010～2015年全球已投运的光伏离网储能电站如表4所示。

表4 2010～2015年全球已投运的光伏离网储能电站Table 4 PV off-grid storage energy power stations that have been put into operation around the world during 2010～2015

2.2 光伏并网储能系统

光伏并网储能系统多用于光伏发电系统的电力满足负载需求后有剩余且峰值电价较高的大型城市，储能可以存储多余的发电量，提高光伏发电自发自用的比例。光伏并网储能系统的工作原理示意图如图3所示。此类系统主要由光伏组件、蓄电池、并网逆变器、并网储能机、电流传感器、负载及电网构成。该系统中，当蓄电池处于未充满状态时，若此时电流传感器检测到有电流流向电网，则并网储能机开始工作，其会先将光伏电力存储到蓄电池中，直至蓄电池充满后，光伏电力才通过并网逆变器为负载供电；当蓄电池处于充满状态且光伏电力可满足负载用电时，光伏电力则会通过并网逆变器将电力并入电网；而当电网无法供电时，则可通过蓄电池放电来为负载供电[13]。这样储能系统既起到了调峰、调频的作用，又可以因光伏电力上网而获得一定的收入。

图3 光伏并网储能系统的工作原理示意图Fig. 3 Schematic diagram of working principle of PV gridconnected storage energy system

目前我国已建的大部分光储项目多采用光伏并网储能系统，负载用电量较小时可利用储能系统储电，负载用电量较大时可利用储能系统放电，从而保证负载用电的稳定性，提高光伏发电的电能质量[14]。国内部分已建的光储电站如表5所示。

表5 国内部分已建的光储电站Table 5 Some domestic completed PV storage energy power stations

2.3 光伏并离网储能系统

光伏并离网储能系统多用于存在峰谷电价差和用电量较大的地区，以及行政中心、银行、数据中心等重要场所。与光伏并网储能系统相比，光伏并离网储能系统可以作为备用电源给不停电负载供电，所以其应用范围更加广泛；在电价为峰值时，此类系统可以以额定功率输出，减少电费开支，并利用峰谷电价差获取利润。

光伏并离网储能系统的工作原理示意图如图4所示。此类系统主要由光伏组件、并离网一体机、蓄电池、电网、逆变器、一般负载和不停电负载构成。电网、光伏发电系统和蓄电池均可为一般负载供电，而不停电负载是由光伏发电系统和蓄电池同时供电。当电网停止供电时，并离网一体机切换成离网工作模式，光伏发电系统和蓄电池作为备用电源同时为一般负载和不停电负载供电，从而可保证负载用电的稳定性。

图4 光伏并离网储能系统的工作原理示意图Fig. 4 Schematic diagram of working principle of PV on-offgrid storage energy system

2.4 直流耦合和交流耦合

虽然光储系统的技术线路很多，但能量都需要在某一点汇聚，根据能量汇聚方式的不同，光储系统可分为直流耦合和交流耦合2 种形式。

直流耦合是将光伏组件发出来的直流电通过控制器存储到蓄电池中，电网也可以通过DC-AC双向变流器向蓄电池充电。这种形式下能量的汇集点是在直流蓄电池端。

交流耦合是将光伏组件发出来的直流电通过逆变器转换为交流电，直接供给负载或送入电网，电网也可以通过DC-AC双向变流器向蓄电池充电。这种形式下能量的汇集点是在交流用户端。

光储系统直流耦合和交流耦合的拓扑图分别如图5、图6所示。

图5 光储系统的直流耦合拓扑图Fig. 5 DC coupling topology diagram of PV storage energy system

图6 光储系统的交流耦合拓扑图Fig. 6 AC coupling topology diagram of PV storage energy system

3 建议

随着大规模的新能源并网，调峰、调频的需求增加，配置储能系统已成为主要的调节手段[15-17]。我国西北地区充足的光照资源为发展光伏产业提供了良好的基础，为保证光伏产业平稳、有序的发展，现提出以下几条建议：

1)因地制宜地建设光伏电站。对于新疆维吾尔自治区、西藏自治区等边远地区，可采用规模较小的集中式光伏电站和户用光伏发电系统解决日常生活用电问题。在大中型城市可以发展光伏建筑一体化、光伏发电照明等光伏发电应用方式，提倡在高档住宅区、旅游景区应用光伏发电照明，实现用电的自给自足。

2)光储系统的投资主体、盈利模式、成本等都需要根据相关政策进行明确，以保证政策执行的确定性、连续性，为今后“新能源+储能”技术的进一步推广打下坚实的基础。

3)光储电站的典型设计、选址、选点布局、容量配置，以及电站的后期维护、电池状态等影响光储电站寿命周期的因素都需要开发专业软件进行计算与规划，以便充分挖掘储能系统的潜力。

4)开展光储电站试点，在甘肃省、宁夏回族自治区、内蒙古自治区等太阳能资源丰富的地区建设大型光伏并网储能电站和光伏离网储能电站，利用储能系统实现电站的削峰填谷、调峰、调频、平抑光伏发电波动性等功能，可为后期光伏发电大规模并网提供实践基础。

4 结论

储能技术作为大规模光伏发电接入电网时的高效支撑技术，可有效平滑光伏发电的波动，改善电能质量。本文对2019～2020年国家及地方政府发布的光伏发电相关政策进行了梳理；讨论了将光伏发电系统与储能系统相结合的光储系统的应用类型和能量汇聚方式，并针对光储技术的发展给出了几点建议。