储能技术在光伏并网发电系统中的应用

2024-05-17侯怡

通信电源技术 2024年6期

侯怡

（北京诚惠电力工程有限公司，北京 102100）

0 引言

在全球能源结构转型的背景下，储能技术的应用为光伏并网发电系统的发展提供了新思路。由于光伏发电的间歇性和波动性，其并网发电会对电力系统的稳定性产生一定的影响。因此，如何提高光伏并网发电系统的稳定性，减少其对电力系统的负面影响，成为当前研究的主要难点。

1 储能技术概述

1.1 储能技术分类

根据电能的存储形式，储能技术一般包括物理储能、化学储能以及电磁储能3 种。物理储能是一种通过应用物理原理来储存和产生电能的技术，主要分为抽水蓄能、压缩空气储能以及飞轮储能3 种。这些储能方式均基于物理学原理，通过特定的物理过程将电能转化为其他形式的能量储存起来，并在需要时再将储存的能量转化为电能进行供应[1]。化学储能主要涵盖铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池以及液流电池，利用化学反应来实现能量的存储与释放。电磁储能主要包括超级电容储能和超导储能，这2 种方式都是通过电磁场来实现电能的存储与释放。

1.2 储能技术原理

储能技术的核心理念在于将能量转换为便于存储的形态，并在适当的时机将其重新释放以供使用。在光伏并网发电系统中，储能技术可以有效解决光伏发电的间歇性和波动性问题。

1.3 储能技术发展现状

目前，抽水蓄能与锂离子电池等成熟技术已被光伏并网发电系统广泛采纳。这些技术的应用显著提升了光伏并网发电系统的稳定性与可靠性。与此同时，新型储能技术如压缩空气储能、飞轮储能等在不断发展壮大，并逐步实现商业化应用。这些新型储能技术各具特色与优势，能够满足不同场景下的储能需求。

2 光伏并网发电系统概述

2.1 光伏发电原理

光伏发电是基于半导体材料的光生伏特效应进行工作的。简单来说，当太阳光或其他光源照射在半导体材料（如硅）上时，光子会激发材料中的电子，使其从共价键中挣脱，进而形成电子-空穴对[2]。在内建电场的作用下，这些电子和空穴会被分离，并分别向相反的方向移动，形成电流。

2.2 光伏并网发电系统组成

光伏并网发电系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池组、充放电控制器、逆变器及交流配电柜等设备组成。其中，太阳能电池方阵负责将太阳能转换为电能；蓄电池组用于存储电能，以便在夜间或阴天供电；充放电控制器用于保护蓄电池组，防止过充或过放；逆变器将直流电转换为交流电，以便并入电网或供给交流负载；交流配电柜负责将电能分配给各个用电设备，根据各个用电设备的需求，将电能以正确的功率输出，以满足设备的正常工作需求。

配电柜的容量应与所连接设备的总需求相匹配，以防止电能过载引发事故。光伏并网发电系统还需要配备太阳跟踪控制系统等设备。太阳跟踪控制系统能够根据太阳的位置实时自动调整光伏电池板的角度，使其始终垂直于太阳光的入射角度，从而最大限度地提高光能转化效率。通过精确计算太阳的位置和时间，太阳跟踪控制系统能够确保光伏电池板在白天的每个时刻都能面对阳光，并最大限度地吸收太阳辐射能量。太阳跟踪控制系统由控制器、传感器、执行机构等部件组成。控制器负责接收传感器采集的太阳位置数据，并根据预设的算法和相关参数计算出最适合光伏电池板的角度，将调整信号发送给执行机构，以提高太阳能的利用率。

2.3 光伏并网发电系统工作原理

太阳能电池方阵吸收太阳能并将其转换为直流电。直流电经过充放电控制器调节后，一部分供给直流负载使用，另一部分存储到蓄电池组中。当需要供给交流负载或并入电网时，逆变器将直流电转换为交流电，交流电经过交流配电柜分配后，供给各个交流负载使用或并入电网。在光伏并网发电系统中，逆变器的作用非常关键，不仅要将直流电转换为交流电，还要根据电网的电压和频率等参数进行调节，实时检测电网的电压和频率。通过逆变器内置的电压和频率传感器，精确捕捉电网的实时电压和频率数据。在获取到电网的电压和频率数据后，逆变器会将这些数据与预设的参考电压和频率进行比较。如果检测到电网电压或频率出现偏差，逆变器将启动自身的调节机制。然后逆变器会根据比较结果调整自身的输出参数，包括调整逆变器的输出电压和频率，使其与电网的电压和频率保持一致，以确保输出的交流电符合电网的要求。

3 储能技术在光伏并网发电系统中的应用

3.1 储能技术在光伏并网发电系统中的重要性

储能技术能够解决光伏发电系统的功率波动问题。在光照不足或天气恶劣的情况下，光伏发电系统的输出功率会大幅下降，甚至可能出现停电的情况[3]。而储能技术可以在光照充足时储存多余的电能，在光照不足时释放储存的电能，从而保证光伏发电系统的稳定输出，满足用户的用电需求。

3.2 储能技术在光伏并网发电系统中的应用场景

储能技术被广泛应用于匹配电力生产和消纳、减轻电网压力等。在光伏并网发电系统中，由于光伏发电的波动性，电网需要不断调节电力供应来平衡负载[4]。而储能技术可以在光伏发电高峰期将多余的电能储存起来，在光伏发电低谷期释放储存的电能，从而匹配电力生产和消纳。当电网出现故障或进行检修时，储能系统可以迅速启动，作为备用电源为系统提供稳定的电力支持，确保系统的连续运行。此外，储能技术还能有效缓解电网阻塞问题，提高电力系统的稳定性和可靠性。对于数据中心而言，储能系统所释放出的电力作为数据中心的备用电源，能够在电网故障或检修时迅速补充电力，保证数据中心的正常运行和数据安全，为企业的可持续发展提供有力保障。

综上所述，储能技术应用于光伏并网发电系统和数据中心领域，不仅能提高电力系统的稳定性和可靠性，还能降低运营成本，为企业创造更大的经济价值。储能技术在光伏并网发电系统中的应用数据如表1 所示。

表1 储能技术在光伏并网发电系统中的应用数据

3.3 储能技术在光伏并网发电系统中的效果评估

经过对某30 MW 光伏电站的深入分析与研究，为确保电站功率波动的平稳抑制和调度计划的精准跟踪，决定为该电站配置3 MW/1.8 MW·h 的储能技术。依据储能电池的详细特性参数和经过严格核算的成本模型，根据储能电池的单位能量价格、单位功率价格以及辅助设施成本，结合储能技术的额定功率和额定放电时间，可以计算出年均安装成本[5]。

年均安装成本是评估储能项目投资回报的重要指标之一，在计算时需考虑其他因素，如设备购置费、安装费用、维护费用及检修费用等。为了更全面地评估储能技术的经济性，可以将年均安装成本与其他投资项目进行对比，如光伏发电、风能发电等。

在实际应用中，储能技术可以分为2 类：一类是用于提高电力系统稳定性的储能技术；另一类是用于新能源消纳的储能技术。针对这2 类储能技术，计算其年均安装成本时，所考虑的因素和计算方法略有不同。对于用于提高电力系统稳定性的储能技术，其在电力系统中的应用价值和效益主要体现在减少系统调峰负荷、提高系统运行稳定性、降低系统运行成本等方面。因此，在计算这类储能技术的年均安装成本时，应充分考虑其在提高电力系统稳定性方面的作用，并对比年均安装成本与系统稳定性的提高程度，从而评估储能项目的投资回报。对于用于新能源消纳的储能技术，其主要作用是提高新能源发电的消纳能力，减少新能源发电的弃风弃光现象。在计算这类储能技术的年均安装成本时，应充分考虑其在提高新能源消纳能力方面的作用，并将年均安装成本与新能源消纳量的增加程度进行对比，从而评估储能项目的投资回报。

储能技术在光伏并网发电系统中的收益主要来自减少的考核费用和增加的发电量收益。根据光伏发电站并网运行管理的实施细则，当光伏发电站因自身原因造成脱网时，将产生一定的考核费用。配置储能技术后，可以有效减少脱网考核费用。假设减少的脱网考核月度收益为Ikh1，那么年度收益为12×Ikh1。光伏电站出力不足时放电，从而增加上网电量。假设增加的上网电量月度收益为Isw，那么年度收益为12×Isw。综合这2 项收益，可以得出储能技术的总收益。储能技术在光伏并网发电系统中的收益来源如表2 所示。

从表2 可以看出，储能技术的总收益主要来自2 个方面，即减少的脱网考核收益和增加的上网电量收益。光伏发电站因自身原因造成脱网时会产生一定的考核费用，而配置储能技术后能够有效减少此类费用。在表2 中，月度减少的脱网考核收益为1.0×105元，年度减少的脱网考核收益则达到1.2×106元，当光伏电站出力不足时，储能技术可以放电以增加上网电量，从而获得更多收益；月度增加的上网电量收益为1.5×105元，年度增加的上网电量收益则达到1.8×106元，证实了储能技术在提高光伏电站发电效益方面的积极作用。

储能技术在光伏并网发电系统中的应用，已经成为提高电站经济效益的重要手段。它主要通过2 大途径为光伏电站带来显著的经济收益：一是大幅减少脱网考核费用，储能系统能在电网需求低谷时充电，在高峰时放电，有效平衡电网负荷，避免因突发状况导致的脱网，从而降低相关考核费用；二是显著增加上网电量收益，借助储能技术，光伏电站能在日照充足时存储多余电能，在非高峰时段或夜间释放，从而增加售电量，提高收益。储能技术凭借在提升光伏电站运营效益方面的卓越表现，在光伏领域的应用越来越广泛。随着技术的不断进步和成本的持续降低，储能技术将成为光伏并网发电系统中不可或缺的一部分，为清洁能源的可持续发展贡献力量。