摘要：  根据光伏并网发电系统的结构特点分析了不加储能装置的光伏并网发电系统对电网造成的不良影响，并分别从电网角度和用户角度提出了储能系统在光伏并网发电系统中的几种应用技术，最后提出了用于光伏并网发电系统的储能技术发展需求。

关键字：  太阳能，  光伏电源，  光伏系统

随着工业步伐的加速发展，煤和石油等化石能源终将消耗殆尽，同时一次能源的大量消耗给我们的生活环境带来了严重的污染，因此，人们迫切地需要发展低污染的可再生能源技术以代替传统能源[1-5]。太阳能是一种分布广泛、取之不尽用之不竭的可再生能源，光伏发电作为太阳能利用的一种方式在过去的几年里迅猛发展起来，目前，全球光伏发电装机总容量已超过15GW，约占全球发电总装机容量的1%，预计至2030年，全球光伏发电装机总容量将超过300GW，将提供全球15%的电能[6-10]。可见，在可预测到的未来，无论是对环境保护还是对能源战略光伏发电都具有重大意义。

光伏电源不同于传统电源，它的输出功率随光照强度、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[11-15]，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地治理以保证供电的安全可靠性[16-19]。本文根据光伏发电系统的特点，分析了光伏并网发电系统对电网带来的影响，并根据储能技术的作用机理分别从电网角度和用户角度提出了储能在光伏并网发电系统中的应用技术，最后分析了用于光伏并网发电系统的储能系统发展需求。

1光伏并网发电系统结构及特点

如图1所示，光伏并网发电系统的典型结构应该包含5部分：光伏阵列、最大功率点跟踪(MPPT)装置、储能系统、并网逆变器以及并网变压器。

光伏阵列是光伏并网发电系统的基本环节，它是由太阳能光伏电池单体串、并封装成组件，再根据系统的需要，经过串、并联连接并装在支架上构成，光伏阵列是将太阳能转化为电能的能量转换单元;最大功率点跟踪(MPPT)装置是保障光伏能源充分利用的必要控制环节，光伏电池阵列具有强烈的非线性特性，它的输出直接受光照、温度、负载等因素的影响，最大功率点跟踪控制可以保证光伏电池阵列在任何条件下始终可以输出相应的最大功率，实现光伏能源的充分利用;储能系统是光伏并网发电系统的调节、控制环节，它在光照良好发电充足时将部分电能储存起来，再根据需要在适当时候释放这部分电能，起到稳定光伏电源输出和调节供用电平衡的作用[20-24];并网逆变器和变压器作用是将光伏阵列所发出的电压较低的直流电转化为电压等级适合的交流电，为光伏并网发电提供必备条件。

光伏并网发电系统具有如下几个典型特征：1)光伏发电系统的输出受光照、温度等环境因素的影响，输出功率会呈现较大的变化，特别是天气多变时，其发电功率呈现较为明显的随机性与不可控性;2)由于光伏发电系统造价相对较高，为了实现太阳能资源利用的最大化，系统多采用最大功率点跟踪(MPPT)技术，并且要求电网能最大限度地吸收利用光伏电能;3)为达到高效利用太阳能的目的，光伏发电系统并网时通常使并网电流和并网点电压同相，即系统仅提供有功功率。

2光伏并网发电系统对电网的影响

目前，由于光伏发电系统规模相对于电网规模较小，同时也由于储能系统成本较高，光伏系统并网发电时通常不采用储能系统，这使得光伏系统对电网带来了一些不良的影响，并且，随着光伏发电系统规模的不断扩大以及光伏电源在系统中所占比例的不断增加，这些影响变得不可忽视。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对电网造成的影响主要有以下几点[25-31]。

1)对线路潮流的影响。未接入光伏并网发电系统的时候，电网支路潮流一般是单向流动的，并且对于配电网来说随着距变电站的距离增加有功潮流单调减少。然而，当光伏电源接入电网后，从根本上改变了系统潮流的模式且潮流变得无法预测。这种潮流的改变使得电压调整很难维持，甚至导致配电网的电压调整设备(如阶跃电压调整器、有载调压变压器、开关电容器组)出现异常响应，同时，也可能造成支路潮流越限、节点电压越限、变压器容量越限等从而影响系统的供电可靠性，此外，这种潮流

的随机性也不利于制定发电厂发电计划。

2)对系统保护的影响。当光照良好，光伏并网电站输出功率较大时，短路电流将会增大，可能会导致过流保护配合失误，而且过大的短路电流还会影响熔断器的正常工作。此外，对于配电网来说，未接入光伏发电系统之前支路潮流一般是单向的，其保护不具有方向性，而接入光伏发电系统以后，该配电网变成了多源网络，网络潮流的流向具有不确定性。因此，必须要求增设具有方向性的保护装置。

3)对电网经济性运行的影响。由于光伏电源的自身输出不稳定性，当光伏发电系统并网运行后，系统必须增加相应容量的旋转备用，以保证系统的调峰、调频能力，也就是说，光伏并网发电系统向电网供电，降低了机组利用小时数，牺牲了电网的经济性运行。并且，在分析电网的节能环保效果时，应当考虑这部分旋转备用的耗能和排放。

4)对电能质量的影响。受云层遮挡的影响，光伏电源的发出功率可能在短时间内从100%降到30%以下，或由30%以下增至100%，对于大型光伏并网系统来说，会引起电压的波动与闪变或频率波动。此外，由于光伏发电系统所发出的电能为直流电，必须经过逆变装置接入电网，这一过程必将产生谐波，对电网造成影响。

5)对运行调度的影响。光伏电源的输出功率直接受天气变化影响而不可控制，因此，光伏电源的可调度性也受到制约，当某个系统中光伏电源所占到一定比例后，电网运行商应认真考虑如何安全可靠地进行电力调度。另外，光伏电价与常规电价也存在着差异，如何在满足各种安全约束的条件下对电网进行经济性调度也将成为一个值得关注的问题。

3储能在光伏并网发电中的应用

通过上面分析可见，光伏电站并网、尤其是大规模光伏电站并网对电网带来的影响是不可忽视的。目前，解决光伏并网电站对电网的影响、提高光伏电站并网容量的措施有两种，一是从电网角度，提高电网的灵活性，建设智能电网;二是从光伏电站角度，为并网光伏电站配置储能装置。电力储能技术属于灵活输电技术范畴，它在并网光伏电站中应用，可以通过适当的充放电控制，解决光伏电站输出不稳定的问题，从而避免了由于光伏电源的输出不稳定引起的对电网的一系列不良影响。光伏电站中配置适当储能装置后，除了能解决上述问题外，通过采取一定的控制策略，还可以对电网和用户带来经济、运行以及环境上的利益[32-43]。从电网角度来讲，储能在光伏并网发电中的应用技术有以下几种。

1)电力调峰：调峰的目的是为了尽量减少大功率负荷在峰电时段对电能的集中需求，以减少对电网的负荷压力，光伏储能系统可根据需要在负荷低谷时将光伏系统发出的电能储存起来，在负荷高峰时再释放这部分电能为负荷供电，提高电网的功率峰值输出能力和供电可靠性。

2)电网电能质量控制：储能系统投入并网光伏发电系统中后，可改善光伏电源的供电特性，使供电更加稳定，因此，通过合适的逆变控制策略，光伏储能系统还可以实现对电能质量的控制，包括稳定电压、调整相角以及有源滤波等。

3)微电网：微电网并网是未来输配电系统的一个重要发展方向，它可以显著提高供电可靠性。当微电网与系统分离时，即微电网运行在孤岛模式

时，微电网电源将独立承担负荷的供电任务，此时，在光伏电源构成的微电网中，储能系统将是为负载提供安全稳定供电的重要保证。

从用户角度来讲，储能在光伏并网发电中的应用技术有以下几种。

1)负荷转移：从技术角度来讲，负荷转移和调峰类似，但它的实现应用是以光伏并网用户使用分时计费市电为基础的。许多负荷高峰并不是发生在光伏系统发电充足的白天，而是发生在光伏发电高峰期以后，储能系统可在负荷低谷时将光伏系统发出的电能储存起来而不是完全送入电网，待到负荷高峰时再使用，这样，储能系统和光伏系统配合使用可以减少用户在对峰时市电的需求，使用户获得更大的经济利益。

2)负荷响应：为保证在负荷高峰时电网可以安全可靠的运行，电网会选定一些高功率的负荷进行控制，使它们在负荷高峰期时交替工作，当这些电力用户配置光伏储能系统后，则可以避免负荷响应策略对上述高功率设备的正常运行带来的影响。负荷响应控制系统需要光伏储能电站和电网之间至少有一条通讯线路。

3)断电保护：光伏储能系统一个重要的好处就是可以为用户提供断电保护，即。在用户无法得到正常的市电供应时，可以由光伏系统提供用户所需电能。这种有意实现的电力孤岛对用户和电网来说都是有好处的，它既可以允许电网在用电高峰时切掉部分电力负荷，又可以使电力用户在没有市电供应时保持正常工作。

4储能系统发展需求

目前，常用于光伏发电系统中的储能装置是蓄电池，但是，蓄电池的循环寿命短、功率密度低、充放电要求严格、价格较昂贵，限制了它在光伏并网发电中的大规模应用。为了实现储能技术在光伏并网发电中的广泛应用，提高光伏并网性能，储能系统发展需求要从以下三个方向考虑：储能技术、控制技术以及综合系统分析技术。

1)储能技术。用于光伏并网发电的储能装置往往工作环境比较恶劣，而且，受于光伏发电输出不稳定的影响，储能系统的充放电条件也比较差，并且有时需要频繁的充放电小循环。针对于光伏并网发电系统的特点以及储能装置的发展现状，应用于光伏并网发电的储能技术应在以下几个方面做出发展和改进：a.加大能量密度和功率密度;b.延长储能装置的循环寿命;c.增加充放电速度;d.在更宽泛的环境下保证安全可靠运行;e.降低成本。

2)控制技术。为了使储能装置实现最长的使用寿命、最大的能量输出以及最优的使用效率，需要针对储能装置的特点设置适合该种储能装置的充放电策略。例如，传统的铅酸蓄电池需要一个长时间、低电流的充电条件以避免在电池铅版上形成结晶，如果充电电流过大，会降低电池的储电能力并缩短电池寿命。光伏电池作为储能装置的充电电源难以保证一个良好的充电条件，因此，开发先进的储能装置控制管理系统对解决储能装置的合理充放电问题显得尤为重要。此外，对于目前常用的储能设备(如蓄电池、超级电容器、飞轮储能等)，其本身并不能直接使用工频交流电，因此，开发配套的电能转化装置也是必要的。

3)系统建模及综合分析工具。如要开发一个合理的光伏储能系统，需要在之前对系统进行全面综合的分析，包括经济性分析、运行管理分析、可靠性分析等。这些分析还必须包括根据现行行业标准确定光伏储能系统的生命周期成本的方法，这个方法将用于衡量光伏储能系统的经济性。目前，储能系统在光伏并网系统中的应用还不成熟，因此光伏系统设计者需要在开发系统之前通过建模和仿真的方法对光伏储能系统的运行情况作全面的分析，这就要求软件系统能够尽量逼真的模拟光伏电站以及储能系统的运行情况，从而提供更为又实用价值的分析结果[44-49]。

5结论

储能技术在光伏并网发电系统中的应用，为解决光伏发电对电网带来的不良影响提供了可行性方案，并且，它的应用无论是在用户侧还是在电网侧都将带来一定的经济效益。因此，储能技术在光伏并网发电系统中的的应用将成为今后的一个重要研究方向。

光伏并网发电技术的迅猛发展为储能技术提供了新的应用领域和发展方向，而储能技术的发展、突破也将进一步促进光伏并网发电的实用化进程。