什么是光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)？

光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)是否并網(wǎng)可分為并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)和獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是指接入電網(wǎng)運(yùn)行、接受電網(wǎng)調(diào)度的光伏系統(tǒng)，如各種集中式或者分布式的光伏電站。獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是指各種獨(dú)立于電網(wǎng)運(yùn)行的光伏發(fā)電系統(tǒng)，如太陽能路燈、農(nóng)村戶用光伏電源等。

儲(chǔ)能系統(tǒng)作為一種儲(chǔ)存電能的行之有效的方式，可分為機(jī)械儲(chǔ)能、蓄電池儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能四類。其中機(jī)械儲(chǔ)能如抽水儲(chǔ)能以被廣泛應(yīng)用，飛輪儲(chǔ)能作為一種新型的機(jī)械儲(chǔ)能方式，目前處于研究和示范階段。電磁儲(chǔ)能包括超導(dǎo)儲(chǔ)能、超級(jí)電容儲(chǔ)能、高能密度電容儲(chǔ)能等。熱力儲(chǔ)能是通過材料相變儲(chǔ)存或釋放能量，國內(nèi)相關(guān)研究處于實(shí)驗(yàn)室階段，尚未進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用。蓄電池儲(chǔ)能式目前技術(shù)發(fā)展成熟、應(yīng)用廣泛、成本較低的儲(chǔ)能技術(shù)。其中以鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能裝置的獨(dú)立式光伏發(fā)電產(chǎn)品已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用，近年來隨著鋰電池技術(shù)的發(fā)展及其成本的降低，以鋰電池構(gòu)建的儲(chǔ)能裝置是目前研究熱點(diǎn)。

1、并網(wǎng)式光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)

并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與配電網(wǎng)連接，電能直接輸入電網(wǎng)，目前一般不配置儲(chǔ)能系統(tǒng)，隨著光伏、風(fēng)力發(fā)電“棄光限電”現(xiàn)象嚴(yán)重，以及光伏、風(fēng)里發(fā)電系統(tǒng)電力輸出的波動(dòng)較大等因素對(duì)可再生能源的利用與推廣限制日益嚴(yán)重后，在并網(wǎng)式光伏系統(tǒng)中配置儲(chǔ)能已成為目前大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究方向之一。

并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲(chǔ)能的配置方式由儲(chǔ)能目標(biāo)所決定，儲(chǔ)能目標(biāo)具體可分為：平滑輸出、經(jīng)濟(jì)調(diào)度、微電網(wǎng)組成。

1)平滑輸出光伏發(fā)電是太陽能轉(zhuǎn)換為電能的過程，其輸出功率受到太陽輻射強(qiáng)度、溫度等環(huán)境因素的影響而劇烈變化，此外由于光伏電力輸出為直流電流，需要經(jīng)過逆變器轉(zhuǎn)換為交流電后接入電網(wǎng)，在逆變過程中會(huì)產(chǎn)生諧波。光伏電力功率的不穩(wěn)定和諧波的存在使得光伏電力的接入將會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。因此并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中配置儲(chǔ)能的一個(gè)重要目的就是平滑光伏電力輸出，提升光伏電力質(zhì)量。 以平滑光伏發(fā)電輸出為目標(biāo)的儲(chǔ)能系統(tǒng)配置方式一般在光伏發(fā)電側(cè)配置集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)，以平滑輸出為目標(biāo)的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)一般如下圖所示：

儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量由并網(wǎng)平滑策略所決定，而儲(chǔ)能功率一般由平滑目標(biāo)所決定。基于儲(chǔ)能系統(tǒng)的光伏并網(wǎng)平滑策略目前主要有定時(shí)間常數(shù)低通濾波平滑策略、模糊控制/SOC(儲(chǔ)能電池荷電狀態(tài))平滑策略、光伏發(fā)電功率預(yù)測(cè)平滑策略等。低通濾波平滑策略平滑效果一般，但控制簡(jiǎn)單、成本較低，是目前應(yīng)用前景較為廣闊的控制策略。

2)電力調(diào)峰光伏電力并網(wǎng)后，需要接受電網(wǎng)調(diào)度，但其電力輸出峰值階段與電網(wǎng)負(fù)荷峰值階段并不一致，加之電力市場(chǎng)峰谷電價(jià)因素影響，利用儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電在時(shí)間坐標(biāo)上的平移，使光伏電力參與電網(wǎng)調(diào)峰也是目前光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)研究熱點(diǎn)之一。通過電力調(diào)峰，可提升光伏電力在電網(wǎng)中的接入能力和光伏電力的經(jīng)濟(jì)性。

基于電力調(diào)峰目的的光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)一般在電網(wǎng)側(cè)配置集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)。在電網(wǎng)側(cè)配置儲(chǔ)能示意如下：

此種配置方式的儲(chǔ)能系統(tǒng)容量一般較大，且儲(chǔ)能系統(tǒng)成本較高且不合理的充放電控制將嚴(yán)重?fù)p害儲(chǔ)能系統(tǒng)壽命，因此目前對(duì)于配置在電網(wǎng)側(cè)的集中式儲(chǔ)能系統(tǒng)容量、功率配置是由電網(wǎng)調(diào)峰要求、儲(chǔ)能充放電控制策略、儲(chǔ)能成本等因素共同決定。求解電池儲(chǔ)能系統(tǒng)削峰填谷策略的算法主要包括梯度類算法、智能算法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法。不同的電網(wǎng)調(diào)峰要求、儲(chǔ)能控制策略對(duì)功率、容量的要求差異較大，在實(shí)際應(yīng)用中需在多種實(shí)際條件的制約下進(jìn)行儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置。目前國內(nèi)大型的儲(chǔ)能電站還在起步階段，僅有實(shí)驗(yàn)或者示范性的儲(chǔ)能電站運(yùn)營，尚未大規(guī)模投入商業(yè)化使用。

3)微電網(wǎng)應(yīng)用微電網(wǎng)是為了推進(jìn)可再生能源利用而提出的一種新型電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，具體是由可再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和負(fù)荷組成的區(qū)域型電網(wǎng)形式，作為獨(dú)立的整體，既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以在離網(wǎng)狀態(tài)下孤島運(yùn)行。作為微網(wǎng)組成單元的儲(chǔ)能系統(tǒng)是微電網(wǎng)中的能源緩沖環(huán)節(jié)，對(duì)微電網(wǎng)起著提高控制穩(wěn)定性、提升微電網(wǎng)電能質(zhì)量、維持微網(wǎng)的功率平衡、改善微電網(wǎng)抗干擾能力等重要作用。此外，微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)供電中斷的情況下還可作應(yīng)急備用。

配置在微電網(wǎng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)一般與可再生能源發(fā)電系統(tǒng)并聯(lián)配置，并具有獨(dú)立的儲(chǔ)能管理系統(tǒng)(如電池控制系統(tǒng)，BESS)，其運(yùn)行模式隨微網(wǎng)運(yùn)行模式(離網(wǎng)/并網(wǎng))變化。儲(chǔ)能電池的容量與功率配置取決于不同的微電網(wǎng)構(gòu)成及運(yùn)行模式，也受到儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行模式的制約。微電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置和控制策略是目前微電網(wǎng)相關(guān)研究的熱點(diǎn)。

2、獨(dú)立式光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)獨(dú)立式光伏系統(tǒng)是相對(duì)于并網(wǎng)式光伏系統(tǒng)而言，指不接入電網(wǎng)而獨(dú)立運(yùn)行的光伏系統(tǒng)。目前應(yīng)用較為廣泛的獨(dú)立式系統(tǒng)諸如太陽能路燈、太陽能移動(dòng)電源等，其光伏發(fā)電輸出和負(fù)荷電力消納不在同一個(gè)時(shí)間段，同時(shí)光伏發(fā)電輸出并不能總是滿足負(fù)荷要求，因此在獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)總配置儲(chǔ)能式有效提升光伏電力輸出利用、增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效手段，同時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)還具有為負(fù)荷提供啟動(dòng)電流、鉗制電壓等的作用。目前廣泛應(yīng)用的獨(dú)立式光伏系統(tǒng)一般由光伏發(fā)電、控制/逆變器以及儲(chǔ)能三個(gè)部分構(gòu)成。目前已經(jīng)商業(yè)化生產(chǎn)并應(yīng)用的獨(dú)立式光伏系統(tǒng)中一般采用蓄電池作為儲(chǔ)能裝置。

目前光伏組件和控制/逆變器的壽命均能達(dá)到十年以上，但蓄電池的使用壽命僅在6~7年，同時(shí)蓄電池的成本可占整個(gè)系統(tǒng)的25%以上，因此目前在獨(dú)立式光伏系統(tǒng)中儲(chǔ)能的配置和控制目標(biāo)為盡可能延長電池使用壽命，降低系統(tǒng)成本。在此前提下，獨(dú)立光伏系統(tǒng)中儲(chǔ)能容量和功率的配置的首要目標(biāo)是優(yōu)化電池充放電儲(chǔ)能壽命。獨(dú)立光伏系統(tǒng)中儲(chǔ)能單元容量通常較小，一般不配置獨(dú)立的控制系統(tǒng)和控制策略，儲(chǔ)能和光伏組件由同一個(gè)控制系統(tǒng)控制。目前研究與應(yīng)用最為廣泛的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)控制系統(tǒng)是以優(yōu)化光伏組件輸出為控制目標(biāo)，缺乏對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化控制。隨著光伏組件效率提升(20.20%，樂葉光伏)和價(jià)格降低(2.86元/W，晶科能源，2017.3，)的趨勢(shì)越來越快，而儲(chǔ)能成本居高不下，發(fā)展獨(dú)立光伏系統(tǒng)中儲(chǔ)能優(yōu)先的控制策略和控制系統(tǒng)具有廣闊前景。