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光伏发电中的4种储能技术
- 2017-01-03 -

1 引言

随着经济的快速发展,能源短缺现象越来越严重。面对能源需要和环境保护的双重压力,世界各国采取了提高能源利用率、改善能源结构,发展可再生能源等策略。太阳能光伏发电作为新能源发电的代表,已经正式应用于生产实际中。光伏电源不同于传统电源,它的输出功率随着光照强度、温度等环境因素的改变而剧烈变化,而且具有不可控性,因此,光伏发电若要取代传统能源实现大规模并网发电,它对电网产生的冲击影响是不可忽视的。并且,随着光伏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。储能系统在光伏发电系统中的应用可以解决光伏发电系统中的供电不平衡问题,以满足符合正常工作的需求。储能系统对于光伏电站的稳定运行至关重要。储能系统不仅保证系统的稳定可靠,还是解决电压脉冲、涌流、电压跌落和瞬时供电中断等动态电能质量问题的有效途径。

2 光伏发电系统 

2.1 独立混合发电系统 

独立混合发电系统包括电池方阵、蓄电池、电能转化与控制,还会包括柴油发电机和其他发电电源。在电能充裕时,将电池方阵及其它发电源的能量通过充电控制器存到蓄电池组中;电能缺少时,将蓄电池中的能力通过放电控制器经电能转化装置转换成满足用户需要的电源。柴油发电机作为冷备用,用于在紧急情况下给负载供电。独立混合发电系统是目前偏远地区供电的主要形式,技术发展已经非常成熟,规模从几十瓦的路灯系统到几百千瓦的独立混合电站。逆变器与蓄电池充放电控制器技术也已形成产业化,功率等级已形成几十瓦到几十千瓦系列产品。 

2.2 并网光伏发电系统 

并网光伏发电系统主要包括低压并网光伏发电系统和高压并网发电系统,系统由包括电池方阵和并网逆变器组成。目前用于低压及高压并网逆变器已有成熟产品,低压并网光伏发电系统逆变器最大单机容量500kW,而高压并网发电系统逆变器单机最大容量1MW。并网逆变器为跟随电网频率和电压变化的电流源,功率因数为1或指令调节以电网为支撑,无法单独发电,在电网中容量受限,输出功率由光伏输入决定。 

2.3 光伏微网系统 

光伏微网系统可以与其它电源或电网并联运行。该系统包括电池方阵、常规并网逆变器、储能单元、双向变流器、柴油发电机等。柴油发电机与双向变流器单独或联合组网,常规光伏并网双向变流器可经通讯线并联运行,同时进行微网能量管理。目前该系统在德国、日本等国的成熟技术为100-300kW系统,分布式多能源形式互补发电微网系统是目前研究的热点。国内还处于研究阶段。 

3、 储能系统在光伏发电系统中的作用 

 通过对光伏发电的特性分析可知,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、经济运行的角度分析,不加储能的光伏并网发电系统将对线路潮流、系统保护、电网经济运行、电能质量和运行调度等方面产生不利影响。光伏电站并网,尤其是大规模光伏电站并网隋思安网带来的影响是不可忽视的。目前解决光伏电站对电网影响的途径是提高电网灵活性或为并网光伏电站配置储能装置。 

储能系统在光伏电站中的作用主要体现在以下几个方面: 

1)保证系统稳定。光伏电站系统中,光伏输出功率曲线与负荷曲线存在较大差异,而且均有不可预料的波动特性,通过储能系统的能量存储和缓冲使得系统即使在负荷迅速波动的情况下仍然能够运行在一个稳定的输出水平。 

2)能量备用。储能系统可以在光伏发电不能正常运行的情况下起备用和过渡作用,如在夜间或者阴雨天电池方阵不能发电时,这时储能系统就起备用和过渡作用,其储能容量的多少取决于负荷的需求。 

3)提高电力品质和可靠性。储能系统还可防止负载上的电压尖峰、电压下跌和其他外界干扰所引起的电网波动对系统造成大的影响,采用足够多的储能系统可以保证电力输出的品质与可靠性。 

4 光伏发电系统中的储能技术 

4.1 蓄电池储能 

蓄电池储能是各类储能技术中最有前途的储能方式之一,具有可靠性高、模块化程度高等特点,常被用于对供电质量要求较高的负荷区域的配电网络中。电池储能主要是利用电池正负极的氧化还原反应进行充放电。蓄电池储能可以解决系统高峰负荷时的电能需求,也可用蓄电池储能来协助无功补偿装置,有利于抑制电压波动和闪变。目前常见的蓄电池有铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫和液流电池等。文献[9]分析了光伏发电系统中蓄电池的作用:储能,对太阳能电池工作电压钳位,提供较大的瞬间电流。文献[10]重点关注目前常见的几种化学储能技术,选择关键技术指标,收集截至2011年最新的化学储能技术应用数据,结合数据包络(DEA)分析方法,探究各种化学储能技术的优势及应用效果,为化学储能技术未来的研究方向提供建议和参考。 

4.2 超级电容器储能

超级电容器是由特殊材料制作的多孔介质,与普通电容器相比,它具有更高的介电常数,更大的耐压能力和更大的存储容量,又保持了传统电容器释放能量快的特点,逐渐在储能领域中被接受。根据储能原理的不同,可以把超级电容器分为双电层电容器和电化学电容器。超级电容器作为一种新兴的储能元件,它与其他储能方式比较起来有很多的优势。超级电容器与蓄电池比较具有功率密度大、充放电循环寿命长、充放电效率高、充放电速率快、高低温性能好、能量储存寿命长等特点。但是超级电容器也存在不少的缺点,主要有能量密度低、端电压波动范围比较大、电容的串联均压问题。从蓄电池和超级电容器的特点来看,两者在技术性能上有很强的互补性。将超级电容器与蓄电池混合使用,将大大提高储能装置的性能。文献[14]研究发现,超级电容器与蓄电池并联,可以提高混合储能装置的功率输出能力、降低内部损耗、增加放电时间;可以减少蓄电池的充放电循环次数,延长使用寿命;还可以缩小储能装置的体积、改善供电系统的可靠性和经济性。 

4.3 飞轮储能 

飞轮储能技术是一种机械储能方式,能具有效率高、建设周期短、寿命长、高储能量等优点,并且充电快捷,充放电次数无限,对环境无污染。但是,飞轮储能的维护费用相对其他储能方式要昂贵得多。文献[15],在分析光伏飞轮储能系统的结构和特性的基础上,提出了一种基于模糊控制的光伏飞轮储能系统有功平滑控制,利用Matlab/Simulink平台,通过算例仿真分析了光伏飞轮储能系统的飞轮转速、功率输出状况及平滑系数,并与无飞轮储能、简单飞轮储能两种装置进行了比较。文献[16]以光伏发电最大功率跟踪和并网逆变控制为基础,引入飞轮储能系统,实现对电网稳定功率的输出。为了使得光伏发电系统对电网输出可调度的稳定电能,采用电流内环,电压外环的控制方式充电和电流内环,电压外环的控制方式放电,使得整个系统输出稳定可调度的有功功率,有效地抑制了由于光照和环境温度波动而导致的光伏发电系统向电网输出有功功率的波动。 

4.4 超导储能 

超导储能系统(SMES)利用由超导线制成的线圈,将电网供电励磁产生的磁场能量储存起来,在需要时再将储存的能量送回电网。超导储能系统通常包括置于真空绝热冷却容器中的超导线圈、深冷和真空汞系统以及作为控制用的电力电子装置。电流在由超导线圈构成的闭合电感中不断循环,不会消失。超导储能与其他储能技术相比具有显著的优点:由于可以长期无损耗储存能量,能量返回效率很高;能量的释放速度快,通常只需几秒钟;采用SMES可使电网电压、频率、有功和无功功率容易调节。文献[17]提出使用超导储能单元使风力发电机组输出的电压和频率稳定,SEMS单元接于异步发电机的母线上,SEMS的有功控制器采用异步发电机的转速偏差量作为控制信号。文献[18]针对经常出现的联络线短路故障和风电场的风速扰动,提出采用电压偏差作为SEMS有功控制器的控制信号的策略。各种研究表明,SEMS装置在改善风电场稳定性方面具有优良的性能。 

5 结语 

随着新能源产业的快速发展,风电、光电等新能源在电力系统中所占的比重越来越高,由于新能源发电出力的不确定性及不可调度性,给电力系统的稳定带来一定隐患。由于我国风、光资源较好的地区,恰好是电网较为薄弱的地区,这使得新能源在这些地区的发展遇到了技术瓶颈。加强对大规模储能系统的研究,对于新能源的发展与电网稳定的问题,能起到很大的促进作用,对于将来智能电网的构建,也能起到关键的作用。