建筑光伏储能技术研究综述*

王利珍, 季 亮, 孙铭悦, 杨将铎, 张改景

(1.上海市建筑科学研究院有限公司, 上海 201108;2.西安建筑科技大学, 陕西 西安 710055)

0 引 言

随着经济的发展和人们生活水平的提高,能源的需求量越来越大,传统化石能源储量日益减少,由化石燃料引起的环境污染却变得日益严重[1]。我国“碳达峰”“碳中和”目标将逐步推动能源结构转型和新能源改革,以风电和光伏发电为主的可再生能源比例将逐步提高,新型电力系统和氢能的应用将明显改善[2]。

目前,很多学者致力于可再生能源研究。太阳能由于资源丰富和环境友好,一直备受关注[3]。光伏发电系统若大规模接入电网,会对电网的功率稳定、调峰调频和安全运行带来挑战[4]。储能系统能够快速充放电,打破了电力发、输、供、用同时性的固有属性,能够适应新型电力系统的需求[5]。光伏加储能系统可解决新能源发电不稳定的问题,推动新能源的广泛应用。

在过去的30年中,国内外学者展开了一系列关于光伏储能系统的研究,但是光伏储能技术在建筑中如何同电力负荷需求高效协调运行成为该领域的研究难点。为此,本文运用Vosviewer对国内外关于建筑光伏储能技术研究的文献进行可视化分析,并对部分经典文献进行梳理总结,为未来建筑光伏领域的深入研究提供参考和借鉴。

本研究采用Vosviewer作为文献计量工具。与其他知识图谱工具相比,Vosviewer具有更加卓越的可视化功能及更为精准的运算逻辑,可进行文献关键词聚类、演变等方面的分析,通过不同色调密度视图展示研究热点[6]。

1 研究热点现状特征

1.1 逐年趋势分析

根据近20年的发文量统计可知,光伏储能技术的研究历程可分为3个阶段。第一阶段为2003—2007年,这一阶段发文量较少,少于50篇。第二阶段为2008—2018年,为稳步增长阶段。这一阶段我国经济迅速发展,全球光伏产业跨入了发展的加速通道[7]。2009年,我国启动金太阳工程并配套财政激励手段,以扩大国内光伏市场;2013年,我国新能源的开发与利用重点在光伏发电上,强调全面推进分布式发电系统;2016年,国家发布“十三五”光伏发电发展规划,这成为我国光伏事业发展的重要拐点,这一阶段的相关研究呈现飞速增长的状态。第三阶段为2019—2022年,这一阶段的发文量总体趋势在飞速上升,但个别年份(如2019年、2022年)的发文量稍有波动。

1.2 热点分组研究

使用Vosviewer进行分析,提取被引文献中出现次数多于5次的高频关键词,构成共词聚类知识图谱。聚类内部的关键词出现频次越高,共现分析图中的圆球越大,表明该关键词是该聚类的热点研究主题。但是由于相同概念有多个词语表达,因此圆球大小并不能很好地表征聚类的研究主题,关键词的合并对于聚类的热点主题分析尤为重要。此外,有些聚类中各关键词间联系弱,没有明显的主题特征,并不能表达该领域的研究热点,因此在热点分析中可忽略。综合考虑以上因素,可将研究主题归置为光伏发电系统、储能、容量配置、功率。

1.2.1 光伏发电系统

光伏发电系统的研究时间相对较早,主要分为光伏发电和储能理论研究及系统应用研究。第一阶段的研究主要是电池储能在光伏发电中的应用。2007年王磊等提出了太阳能光伏发电系统中关于蓄电池容量的设计方法,提出了蓄电池的容量计算公式,总结了阀控密封铅酸蓄电池(Valve Regulated Lead Acid Battery,VRLAB)的充放电特性,认为充电状态、温度、放电速率为影响VRLAB蓄电池容量和寿命的主要因素,并在此基础上提出了针对性的维护方法[8]。2008年陈茂斌等阐释了光伏发电系统的开发现状以及应用前景,分析了钒电池的特点及成本,设计了钒电池储能系统[9]。此外,已有的电池模型还不能完全反映电池特性,因此需要对储能电池进行更精准的建模与仿真[10]。李建林等以锂电池储能戴维南等效模型为基础,建立了一个考虑容量衰减、环境温度、电流倍率等影响的电池单体改进模型[11]。

之后出现了针对小型光伏发电系统应用的相关文献。赵与辉介绍了家用光伏系统的系统结构,并分析各部分系统电路的原理和设计,对比了光伏系统的最大功率追踪控制方法,介绍了家用光伏系统的硬件电路系统设计原理,对光伏逆变离网电路、光伏逆变并网以及储能电路分别做了仿真研究,仿真结果表明所选择的电路与控制策略均可行[12]。张枝俊分析了小型户用储能式光伏发电系统各模块的原理及特征,并设计计算了控制部分和硬件电路,通过仿真模拟证明该系统的实际意义[13]。

在光伏发电系统中,光伏的功率波动带来的问题是客观存在且急需解决的,目前可采用的技术有多种,而储能是其中较为成熟的方案。光伏储能技术已成为光伏并网的必要条件,也是未来智能电网建设的重要保证。

1.2.2 储 能

电力存储技术普遍应用在智能电网自发电至用电的各个环节,储能系统在分布式能源发电和微电网中[14-18]起着重要的作用。在储能电池方面,叶季蕾等比较了各类电池储能的技术特性和经济特性,分析了可再生能源发电中储能系统的运行条件和特性需求[15]。储能系统通常需要频繁地储存及释放较大电能,以保证电网内部的瞬时功率平衡及直流母线电压平稳,但这会影响蓄电池的使用寿命[19-20]。吴红斌等通过对蓄电池荷电状态(State of Charge,SOC)的实时监测,将SOC作为蓄电池充、放电的判断值,设计了蓄电池自主充、放电的控制方法[21]。文波等利用超级电容对母线高频部分功率缺口进行补偿,同时配合蓄电池间接补偿母线低频部分的功率缺额,提出了可平滑调节蓄电池电流的适用于直流微电网的混合储能控制结构及控制策略[22]。陈玲艳等设计了基于自适应调节的双向DC/DC变换器,应用于直流微电网储能控制系统中,实现灵活调节功率,在功率短缺时供给功率,功率冗余时消纳功率,维持功率稳定[23]。张梦田以年综合成本最小为优化目标,建立了混合储能优化配置模型,可有效平抑光伏功率波动,并保证系统经济性[24]。

近年,氢储能的相关研究逐渐兴起。氢储能具有清洁、容量大的优点,对于“碳达峰”“碳中和”目标具有重要意义。司杨等考虑到动态热平衡对氢储能系统的影响,设计了风-氢混合系统并建立了数学模型,提出了提升储能系统经济效益的容量优化配置方法[25]。许传博等认为氢储能在储存容量和放电时长等性能指标上可满足新型电力系统的要求,但在投资成本和转化效率方面仍有一定差距,氢储能在新型电力系统中的应用缺乏相应的政策激励机制,仍存在标准体系有待完善甚至尚属空缺的问题[26]。

1.2.3 容量配置

容量配置的研究时间相对较短。由于光伏发电易受天气因素影响,因此其在运行时表现出一定的随机性和间歇性,该特征干扰了电力系统的经济性、安全性和稳定性。很多文献研究了光伏出力预测问题,而光伏出力的随机性和间歇性导致了其预测存在一定的误差[27-30]。为了平滑光伏系统功率的波动性,通常配置相应容量的储能系统。由于储能系统的成本较高且其功率和容量配置与系统的安全性和可靠性息息相关,因此,储能系统在光伏发电系统中的容量优化配置是当前研究领域亟待解决的问题[31]。

将近年来光储容量配置的主要文献进行总结,得到光储容量配置相关方法汇总如表1所示。谢石骁综合考虑混合储能装置的荷电状态约束及装置成本,提出了一种基于机会约束规划的混合储能容量配置方法,可有效防止短时风电剧烈波动导致的储能系统成本增加[32]。付誉旸基于青海地区历史光伏功率数据,建立了容量优化配置模型,构造了集合系统经济性和稳定性的综合评价指标,并以某示范工程验证了优化模型及指标的可行性[33]。曹立霞等研究用户侧储能,以投资及运行成本最低为优化目标,提出了一种可提高投资回报的家庭储能容量双层优化模型[34]。丁逸行等同样以经济效益为目标,构建了负荷侧储能配置双层规划模型,解决了储能的容量规划及充、放电策略问题[35]。赵安军等研究分析了青海地区农村家庭新能源系统容量优化配置问题,基于用户用能习惯提出了用户分类配置方法以及用户间能量调度的运行策略,采用改进蝴蝶优化算法对模型进行求解,并以青海省典型农村家庭为例进行仿真,有效提高了微电网的用能经济性与能源利用率[36]。李玲玲等针对多目标建立混合储能系统容量优化配置模型,采用改进的差分进化鲸鱼算法,求解得到最优配置[37]。李奇等将氢储能系统应用于孤岛直流微电网,提出微网容量优化配置方法,采用粒子群优化算法求解具体算例,得到综合经济性与供电可靠性最优的优化结果[38]。

1.2.4 功 率

在蓄电池的能量储存管理及使用方面,光伏发电系统的合理设计能显著提高可再生能源发电的效率和稳定性。而储能系统的平滑控制策略对光伏的输出功率波动阻抑效果有直接的影响[39-40]。文献[41-42]通过滑动平均滤波获取满足风电场最大输出功率变化率限制的参考功率,通过变分模态分解,将波动功率恰当分配给超级电容器和锂电池,提出模糊控制,结合两者实时荷电状态偏差值二次分配混合储能装置的输出功率,有效地平抑了风电并网功率波动。黄羚等提出了一种衡量波动抑制效果的指标,并在基本滤波控制的基础上进行了改进,提出了基于SOC调整的控制方法[43]。王敏涛等采用多输入模糊控制对输出功率波动率和电池荷电状态进行在线优化,提出了光伏电站储能系统调控多目标优化策略,有效解决了光伏电站储能输出功率平稳的问题[44]。李想等将飞轮储能纳入研究范围,针对超级电容器-飞轮-蓄电池混合储能系统,将不平衡功率拆解为高、中、低,以储能系统的年平均成本最小为优化目标构建了容量优化配置模型,并通过仿真验证了该模型的合理性[45]。

表1 光储容量配置相关方法汇总

2 建筑光伏储能系统的发展趋势

光储充放与直流配电技术是未来建筑高效消纳可再生能源、降低分布式能源对电网冲击的变革性技术。在光储直柔微网系统建设方面,采用低压直流配电技术的示范工程能够有效提升分布式能源微网的稳定性。建筑光储示范工程案例汇总表如表2所示。文献[46-47]利用山西农村自然和社会条件优势,建立能源互通的纯直流微网,有效解决了光伏消纳、余电稳定上网、网内电力结算等问题。李雨桐等在净零能耗办公建筑中应用低压直流配电技术,实现母线侧电压响应柔性控制和用户侧需求响应柔性控制[48-49]。此外,国网江苏省电力有限公司在苏州吴江投运中低压直流供用电系统示范工程,实现大范围直流配电和高比例新能源接入[50]。在标准体系建设方面,王昊晴等认为在系统设计、建筑评估、柔性控制、电气设备、直流家电和建筑用电池储能等方面的标准工作应优先推进[51]。在技术研究方面,刘晓华等认为需要对直流电器、直流变换器等关键设备进行深入研发,并对系统设计分析方法、调控策略和响应方法进行研究[52]。

表2 建筑光储示范工程案例汇总表

3 结 语

随着建筑领域高比例可再生能源的应用,建筑光伏发电与储能技术的结合将拥有更广阔的应用前景。建筑光储系统承载了新的功能,兼具发电、储能、削峰等功能。建筑用电特征、光伏发电特征、储能的调节控制都需要深入研究,对建筑光伏系统中储能系统的合理配置需要建立科学的方法。如何保证储能系统的安全性与可靠性是极为重要的问题,因此容量优化配置和储能系统功率成为近年的研究热点。在上述类型的研究中,绝大多数为技术研发与应用进展类型的研究,而发-储-调-用-荷多功能协同性、系统应用价值分析、效率评价标准类的研究较少,需进一步深化和完善。