光伏儲能系統

來自專欄 光伏材料與其他

光伏發電系統根據是否併網可分為併網式光伏發電系統和獨立式光伏發電系統。併網式光伏發電系統主要是指接入電網運行、接受電網調度的光伏系統，如各種集中式或者分散式的光伏電站。獨立式光伏發電系統主要是指各種獨立於電網運行的光伏發電系統，如太陽能路燈、農村戶用光伏電源等。

儲能系統作為一種儲存電能的行之有效的方式，可分為機械儲能、蓄電池儲能、電磁儲能和相變儲能四類。其中機械儲能如抽水儲能以被廣泛應用，飛輪儲能作為一種新型的機械儲能方式，目前處於研究和示範階段。電磁儲能包括超導儲能、超級電容儲能、高能密度電容儲能等。熱力儲能是通過材料相變儲存或釋放能量，國內相關研究處於實驗室階段，尚未進行實際應用。蓄電池儲能式目前技術發展成熟、應用廣泛、成本較低的儲能技術。其中以鉛酸蓄電池作為儲能裝置的獨立式光伏發電產品已經商業化應用，近年來隨著鋰電池技術的發展及其成本的降低，以鋰電池構建的儲能裝置是目前研究熱點。

1併網式光伏儲能系統

併網式光伏發電系統直接與配電網連接，電能直接輸入電網，目前一般不配置儲能系統，隨著光伏、風力發電「棄光限電」現象嚴重，以及光伏、風裡發電系統電力輸出的波動較大等因素對可再生能源的利用與推廣限制日益嚴重後，在併網式光伏系統中配置儲能已成為目前大規模儲能系統的研究方向之一。

併網式光伏發電系統中儲能的配置方式由儲能目標所決定，儲能目標具體可分為：平滑輸出、經濟調度、微電網組成。

1）平滑輸出

光伏發電是太陽能轉換為電能的過程，其輸出功率受到太陽輻射強度、溫度等環境因素的影響而劇烈變化，此外由於光伏電力輸出為直流電流，需要經過逆變器轉換為交流電後接入電網，在逆變過程中會產生諧波。光伏電力功率的不穩定和諧波的存在使得光伏電力的接入將會對電網造成衝擊。因此併網式光伏發電系統中配置儲能的一個重要目的就是平滑光伏電力輸出，提升光伏電力質量。

以平滑光伏發電輸出為目標的儲能系統配置方式一般在光伏發電側配置集中式儲能系統，以平滑輸出為目標的光伏儲能系統結構一般如下圖所示：

儲能系統的容量由併網平滑策略所決定，而儲能功率一般由平滑目標所決定。基於儲能系統的光伏併網平滑策略目前主要有定時間常數低通濾波平滑策略、模糊控制/SOC（儲能電池荷電狀態）平滑策略、光伏發電功率預測平滑策略等。低通濾波平滑策略平滑效果一般，但控制簡單、成本較低，是目前應用前景較為廣闊的控制策略。

2）電力調峰

光伏電力併網後，需要接受電網調度，但其電力輸出峰值階段與電網負荷峰值階段並不一致，加之電力市場峰谷電價因素影響，利用儲能系統實現光伏發電在時間坐標上的平移，使光伏電力參與電網調峰也是目前光伏儲能系統研究熱點之一。通過電力調峰，可提升光伏電力在電網中的接入能力和光伏電力的經濟性。

基於電力調峰目的的光伏儲能系統一般在電網側配置集中式儲能系統。在電網側配置儲能示意如下：

此種配置方式的儲能系統容量一般較大，且儲能系統成本較高且不合理的充放電控制將嚴重損害儲能系統壽命，因此目前對於配置在電網側的集中式儲能系統容量、功率配置是由電網調峰要求、儲能充放電控制策略、儲能成本等因素共同決定。求解電池儲能系統削峰填谷策略的演算法主要包括梯度類演算法、智能演算法、動態規劃演算法。不同的電網調峰要求、儲能控制策略對功率、容量的要求差異較大，在實際應用中需在多種實際條件的制約下進行儲能系統的配置。目前國內大型的儲能電站還在起步階段，僅有實驗或者示範性的儲能電站運營，尚未大規模投入商業化使用。

3）微電網應用

微電網是為了推進可再生能源利用而提出的一種新型電網結構，具體是由可再生能源、儲能系統和負荷組成的區域型電網形式，作為獨立的整體，既可以併網運行，也可以在離網狀態下孤島運行。作為微網組成單元的儲能系統是微電網中的能源緩衝環節，對微電網起著提高控制穩定性、提升微電網電能質量、維持微網的功率平衡、改善微電網抗干擾能力等重要作用。此外，微電網中的儲能系統在電網供電中斷的情況下還可作應急備用。

配置在微電網中的儲能系統一般與可再生能源發電系統並聯配置，並具有獨立的儲能管理系統（如電池控制系統，BESS），其運行模式隨微網運行模式（離網/併網）變化。儲能電池的容量與功率配置取決於不同的微電網構成及運行模式，也受到儲能系統運行模式的制約。微電網中儲能系統的配置和控制策略是目前微電網相關研究的熱點。

2獨立式光伏儲能系統

獨立式光伏系統是相對於併網式光伏系統而言，指不接入電網而獨立運行的光伏系統。目前應用較為廣泛的獨立式系統諸如太陽能路燈、太陽能移動電源等，其光伏發電輸出和負荷電力消納不在同一個時間段，同時光伏發電輸出並不能總是滿足負荷要求，因此在獨立式光伏發電系統總配置儲能式有效提升光伏電力輸出利用、增強系統穩定性的有效手段，同時儲能系統還具有為負荷提供啟動電流、鉗制電壓等的作用。目前廣泛應用的獨立式光伏系統一般由光伏發電、控制/逆變器以及儲能三個部分構成。

目前已經商業化生產並應用的獨立式光伏系統中一般採用蓄電池作為儲能裝置。目前光伏組件和控制/逆變器的壽命均能達到十年以上，但蓄電池的使用壽命僅在6~7年，同時蓄電池的成本可占整個系統的25%以上，因此目前在獨立式光伏系統中儲能的配置和控制目標為儘可能延長電池使用壽命，降低系統成本。在此前提下，獨立光伏系統中儲能容量和功率的配置的首要目標是優化電池充放電儲能壽命。獨立光伏系統中儲能單元容量通常較小，一般不配置獨立的控制系統和控制策略，儲能和光伏組件由同一個控制系統控制。目前研究與應用最為廣泛的最大功率點跟蹤（MPPT）控制系統是以優化光伏組件輸出為控制目標，缺乏對儲能系統的優化控制。隨著光伏組件效率提升（20.20%，樂葉光伏）和價格降低（2.86元/W，晶科能源，2017.3，）的趨勢越來越快，而儲能成本居高不下，發展獨立光伏系統中儲能優先的控制策略和控制系統具有廣闊前景。

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