隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,能源短缺現(xiàn)象越來越嚴(yán)重。面對能源需要和環(huán)境保護的雙重壓力,世界各國采取了提高能源利用率、改善能源結(jié)構(gòu),發(fā)展可再生能源等策略。太陽能光伏發(fā)電作為新能源發(fā)電的代表,已經(jīng)正式應(yīng)用于生產(chǎn)實際中。光伏電源不同于傳統(tǒng)電源,它的輸出功率隨著光照強度、溫度等環(huán)境因素的改變而劇烈變化,而且具有不可控性,因此,光伏發(fā)電若要取代傳統(tǒng)能源實現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電,它對電網(wǎng)產(chǎn)生的沖擊影響是不可忽視的。并且,隨著光伏系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占比例的不斷增大,它對電網(wǎng)帶來的影響必須得到有效治理以保證供電的安全可靠。儲能系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用可以解決光伏發(fā)電系統(tǒng)中的供電不平衡問題,以滿足符合正常工作的需求。儲能系統(tǒng)對于光伏電站的穩(wěn)定運行至關(guān)重要。儲能系統(tǒng)不僅保證系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠,還是解決電壓脈沖、涌流、電壓跌落和瞬時供電中斷等動態(tài)電能質(zhì)量問題的有效途徑。
2光伏發(fā)電系統(tǒng)
2.1獨立混合發(fā)電系統(tǒng)
獨立混合發(fā)電系統(tǒng)包括電池方陣、蓄電池、電能轉(zhuǎn)化與控制,還會包括柴油發(fā)電機和其他發(fā)電電源。在電能充裕時,將電池方陣及其它發(fā)電源的能量通過充電控制器存到蓄電池組中;電能缺少時,將蓄電池中的能力通過放電控制器經(jīng)電能轉(zhuǎn)化裝置轉(zhuǎn)換成滿足用戶需要的電源。柴油發(fā)電機作為冷備用,用于在緊急情況下給負載供電。獨立混合發(fā)電系統(tǒng)是目前偏遠地區(qū)供電的主要形式,技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟,規(guī)模從幾十瓦的路燈系統(tǒng)到幾百千瓦的獨立混合電站。逆變器與蓄電池充放電控制器技術(shù)也已形成產(chǎn)業(yè)化,功率等級已形成幾十瓦到幾十千瓦系列產(chǎn)品。
2.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)
并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括低壓并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和高壓并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),系統(tǒng)由包括電池方陣和并網(wǎng)逆變器組成。目前用于低壓及高壓并網(wǎng)逆變器已有成熟產(chǎn)品,低壓并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器最大單機容量500kw,而高壓并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)逆變器單機最大容量1mw。并網(wǎng)逆變器為跟隨電網(wǎng)頻率和電壓變化的電流源,功率因數(shù)為1或指令調(diào)節(jié)以電網(wǎng)為支撐,無法單獨發(fā)電,在電網(wǎng)中容量受限,輸出功率由光伏輸入決定。
2.3光伏微網(wǎng)系統(tǒng)
光伏微網(wǎng)系統(tǒng)可以與其它電源或電網(wǎng)并聯(lián)運行。該系統(tǒng)包括電池方陣、常規(guī)并網(wǎng)逆變器、儲能單元、雙向變流器、柴油發(fā)電機等。柴油發(fā)電機與雙向變流器單獨或聯(lián)合組網(wǎng),常規(guī)光伏并網(wǎng)雙向變流器可經(jīng)通訊線并聯(lián)運行,同時進行微網(wǎng)能量管理。目前該系統(tǒng)在德國、日本等國的成熟技術(shù)為100-300kw系統(tǒng),分布式多能源形式互補發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)是目前研究的熱點。國內(nèi)還處于研究階段。
3、儲能系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用
通過對光伏發(fā)電的特性分析可知,光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)的影響主要是由于光伏電源的不穩(wěn)定性造成的,從電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的角度分析,不加儲能的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)將對線路潮流、系統(tǒng)保護、電網(wǎng)經(jīng)濟運行、電能質(zhì)量和運行調(diào)度等方面產(chǎn)生不利影響。光伏電站并網(wǎng),尤其是大規(guī)模光伏電站并網(wǎng)隋思安網(wǎng)帶來的影響是不可忽視的。目前解決光伏電站對電網(wǎng)影響的途徑是提高電網(wǎng)靈活性或為并網(wǎng)光伏電站配置儲能裝置。
儲能系統(tǒng)在光伏電站中的作用主要體現(xiàn)在以下幾個方面:
1)保證系統(tǒng)穩(wěn)定。光伏電站系統(tǒng)中,光伏輸出功率曲線與負荷曲線存在較大差異,而且均有不可預(yù)料的波動特性,通過儲能系統(tǒng)的能量存儲和緩沖使得系統(tǒng)即使在負荷迅速波動的情況下仍然能夠運行在一個穩(wěn)定的輸出水平。
2)能量備用。儲能系統(tǒng)可以在光伏發(fā)電不能正常運行的情況下起備用和過渡作用,如在夜間或者陰雨天電池方陣不能發(fā)電時,這時儲能系統(tǒng)就起備用和過渡作用,其儲能容量的多少取決于負荷的需求。
3)提高電力品質(zhì)和可靠性。儲能系統(tǒng)還可防止負載上的電壓尖峰、電壓下跌和其他外界干擾所引起的電網(wǎng)波動對系統(tǒng)造成大的影響,采用足夠多的儲能系統(tǒng)可以保證電力輸出的品質(zhì)與可靠性。
4光伏發(fā)電系統(tǒng)中的儲能技術(shù)
4.1蓄電池儲能
蓄電池儲能是各類儲能技術(shù)中最有前途的儲能方式之一,具有可靠性高、模塊化程度高等特點,常被用于對供電質(zhì)量要求較高的負荷區(qū)域的配電網(wǎng)絡(luò)中。電池儲能主要是利用電池正負極的氧化還原反應(yīng)進行充放電。蓄電池儲能可以解決系統(tǒng)高峰負荷時的電能需求,也可用蓄電池儲能來協(xié)助無功補償裝置,有利于抑制電壓波動和閃變。目前常見的蓄電池有鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鈉硫和液流電池等。分析了光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的作用:儲能,對太陽能電池工作電壓鉗位,提供較大的瞬間電流。重點關(guān)注目前常見的幾種化學(xué)儲能技術(shù),選擇關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo),收集截至2011年最新的化學(xué)儲能技術(shù)應(yīng)用數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)據(jù)包絡(luò)(dea)分析方法,探究各種化學(xué)儲能技術(shù)的優(yōu)勢及應(yīng)用效果,為化學(xué)儲能技術(shù)未來的研究方向提供建議和參考。
4.2超級電容器儲能
超級電容器是由特殊材料制作的多孔介質(zhì),與普通電容器相比,它具有更高的介電常數(shù),更大的耐壓能力和更大的存儲容量,又保持了傳統(tǒng)電容器釋放能量快的特點,逐漸在儲能領(lǐng)域中被接受。根據(jù)儲能原理的不同,可以把超級電容器分為雙電層電容器和電化學(xué)電容器。超級電容器作為一種新興的儲能元件,它與其他儲能方式比較起來有很多的優(yōu)勢。超級電容器與蓄電池比較具有功率密度大、充放電循環(huán)壽命長、充放電效率高、充放電速率快、高低溫性能好、能量儲存壽命長等特點。但是超級電容器也存在不少的缺點,主要有能量密度低、端電壓波動范圍比較大、電容的串聯(lián)均壓問題。從蓄電池和超級電容器的特點來看,兩者在技術(shù)性能上有很強的互補性。將超級電容器與蓄電池混合使用,將大大提高儲能裝置的性能。文獻[14]研究發(fā)現(xiàn),超級電容器與蓄電池并聯(lián),可以提高混合儲能裝置的功率輸出能力、降低內(nèi)部損耗、增加放電時間;可以減少蓄電池的充放電循環(huán)次數(shù),延長使用壽命;還可以縮小儲能裝置的體積、改善供電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。
4.3飛輪儲能
飛輪儲能技術(shù)是一種機械儲能方式,能具有效率高、建設(shè)周期短、壽命長、高儲能量等優(yōu)點,并且充電快捷,充放電次數(shù)無限,對環(huán)境無污染。但是,飛輪儲能的維護費用相對其他儲能方式要昂貴得多。在分析光伏飛輪儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性的基礎(chǔ)上,提出了一種基于模糊控制的光伏飛輪儲能系統(tǒng)有功平滑控制,利用matlab/simulink平臺,通過算例仿真分析了光伏飛輪儲能系統(tǒng)的飛輪轉(zhuǎn)速、功率輸出狀況及平滑系數(shù),并與無飛輪儲能、簡單飛輪儲能兩種裝置進行了比較。以光伏發(fā)電最大功率跟蹤和并網(wǎng)逆變控制為基礎(chǔ),引入飛輪儲能系統(tǒng),實現(xiàn)對電網(wǎng)穩(wěn)定功率的輸出。為了使得光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)輸出可調(diào)度的穩(wěn)定電能,采用電流內(nèi)環(huán),電壓外環(huán)的控制方式充電和電流內(nèi)環(huán),電壓外環(huán)的控制方式放電,使得整個系統(tǒng)輸出穩(wěn)定可調(diào)度的有功功率,有效地抑制了由于光照和環(huán)境溫度波動而導(dǎo)致的光伏發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)輸出有功功率的波動。
4.4超導(dǎo)儲能
超導(dǎo)儲能系統(tǒng)(smes)利用由超導(dǎo)線制成的線圈,將電網(wǎng)供電勵磁產(chǎn)生的磁場能量儲存起來,在需要時再將儲存的能量送回電網(wǎng)。超導(dǎo)儲能系統(tǒng)通常包括置于真空絕熱冷卻容器中的超導(dǎo)線圈、深冷和真空汞系統(tǒng)以及作為控制用的電力電子裝置。電流在由超導(dǎo)線圈構(gòu)成的閉合電感中不斷循環(huán),不會消失。超導(dǎo)儲能與其他儲能技術(shù)相比具有顯著的優(yōu)點:由于可以長期無損耗儲存能量,能量返回效率很高;能量的釋放速度快,通常只需幾秒鐘;采用smes可使電網(wǎng)電壓、頻率、有功和無功功率容易調(diào)節(jié)。提出使用超導(dǎo)儲能單元使風(fēng)力發(fā)電機組輸出的電壓和頻率穩(wěn)定,sems單元接于異步發(fā)電機的母線上,sems的有功控制器采用異步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速偏差量作為控制信號。針對經(jīng)常出現(xiàn)的聯(lián)絡(luò)線短路故障和風(fēng)電場的風(fēng)速擾動,提出采用電壓偏差作為sems有功控制器的控制信號的策略。各種研究表明,sems裝置在改善風(fēng)電場穩(wěn)定性方面具有優(yōu)良的性能。
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