宋晓璇
中国成套工程有限公司 北京市 100044
摘要：
在碳达峰、碳中和目标要求下，储能技术是新能源产业和可再生能源产业等场合的核心技术，国家根据市场发展的需求推出了系列储能政策，促进储能技术的发展。结合近年来储能技术的相关政策，分析光伏储能电站领域的应用现状，结合国家推行的政策和市场的需要，提出了光伏储能未来将会朝着智能化、标准化和市场化的方向发展。
关键词 ：储能技术、光伏、锂电池、光伏储能技术
1.光伏+储能的必要性
1.1背景介绍
在可再生能源实践中，储能系统是重要的一环。储能系统的引入可以对风光出力和能量调度起到平滑作用，在相当程度上改善新能源发电功率的不稳定性。得益于这一优势，在光伏和风电领域储能被看好。目前光伏发电系统一般运行于两种模式下，分别是脱网独立运行模式和并网运行模式
（1）脱网独立运行模式。在这种运行模式下，其目的是最大限度地保证家庭设备正常稳定运行。太阳辐照充足时，除去提供给家庭正常用电外，多余的电能将会通过储能系统储存起来。当电网侧出现供电问题无法正常供电或者天气呈现阴雨天时，储能系统进行电能释放以保证家庭负载的正常工作。
（2）并网运行模式。在日间不需要光伏电量以及电网谷价比光伏发电更低的场合，通过光伏系统与电网连接，将多余电能馈送给电网，但是需要注意的是光伏发电电能质量需要满足并网要求。光伏安全并网的条件为：光伏有功功率变化1min时间尺度不超出装机容量的±10%[2]。
1.2光伏电储能系统的主要研究方向
1）光伏储系统集成的研究。综合考虑复合储能系统的技术和经济性能，建立了反映复合储能系统特性参数和成本特征的数学模型[3]，相比于单纯的发电系统模型更为经济可靠。
2）发电与储能容量配置的研究。从系统供电可靠性、发电功率波动大小以及系统成本等角度出发，致力于提出合理配置复合储能容量的方法[4]。不仅可以保证资源的合理有效利用，还可降低电网建设和运营等成本。
3）储能系统平抑能力的研究。针对光伏发电存在不稳定性的问题，基于超短期功率预测，采用先进的控制策略对发电功率波动进行平滑[5]，实现对短期发电功率的平抑。
4) 光伏储系统能量优化控制。光伏储系统能量优化控制的相关研究致力于优化控制算法，提出了联合控制和场站控制等优化模式[6]，改善系统功率输出不稳定的特性。
2.储能技术
目前储能技术主要有电化学储能、电磁储能、热力学储能和机械式储能等，主要由储能元件、并网换流器及控制系统组成。现阶段，存储系统都需要辅助电力电子设备来完成部分或全部功能，例如电池管理、整流器、逆变器、转换器、电源控制、安全系统和冷却。
2.1电化学储能
各类电化学储能由于使用方便、响应时间快、选址配置灵活而成为现阶段最受关注的储能技术，在大规模储能领域中具有广泛的应用前景。目前可用于大型储能电站的电池主要有钠硫电池、液流电池、铅碳电池和锂离子电池等。此外，在电化学储能的传统技术基础上开发新的储能体系正迅猛发展，如混合型超级电容器和液态金属电池等。
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表1 电化学储能分析比较
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分类 技术 应用 现状 问题
电磁 超级电容 储能、频率调节 使用寿命长、高度可逆、极快充放电 容量低、应用程序成本高
热力学 热电池 调峰 开发 市场化中
热电化学储能 负载均衡和调节电网稳定 高能量密度 成本高
CAES(热压） 备份和季节性储备、可再生一体化、大容量存储 交流充放电、技术已投入使用 地理位置限制、往返转化率低
机械 抽水蓄电 能源管理、备用和季节性储备、大容量存储 技术成熟、交流充放电、最有效的周期成本 地理限制、成不高、环境影响
飞轮 负载均衡、频率调节、峰值调整和关闭峰值存储、瞬态稳定性 长循环寿命、无过热、快速响应、交流充放电、已实现模块化技术 转子拉伸强度限制、储能时间有限、存在高磨损消耗
表2 其他形式储能分析比较
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3.储能材料市场分析
3.1电化学储能市场
电化学储能包括铅蓄电池，钠硫电池和锂电池三大技术路径。锂电池由于成本的不断下降逐渐受到行业的关注，钠硫电池、铅蓄电池以及液流电池的应用规模则相对较小。
根据中关村储能产业技术联盟(CNESA)全球储能项目库的不完全统计，截至2018年底，全球新增投运的电化学储能项目主要分布在39个国家和地区，装机规模排名前十位的国家分别是韩国、中国、英国、美国、澳大利亚、德国、日本、比利时、瑞士和加拿大，规模合计占2018年全球新增总规模的95.8%。国内方面，已投运储能项目累计装机规31.3GW，同比增长8.3%，占全球市场总规模的17.3%。各省的电网侧储能规划累计规模超过1.4GW，电网侧将是中国储能市场最为热门的应用领域。
3.1.1锂电池市场
近年来锂电池产业快速发展，2019年需求量超过248GWh，其中随着全球新能源汽车产业的快速发展，动力电池需求量达到了129WGh，超过了消费电池的需求量（80GWh），成为主要的应用领域。预计到2020年全球锂电池需求量将达到340GWh，其中动力电池需求量将增长至208GWh，占比高达61.2%。
图1 2016-2020年全球锂电池需求量预测-GWh
2017年，我国锂电池的市场规模已经达到了1130亿元左右，其中动力锂电池规模大约600亿元。但是随着新能源汽车补贴政策的调整，引发整车厂成本上升、利润下降，导致电池制造企业利润下降，且市场更倾向于能量密度更高的三元正极材料，从而使碳酸锂、四氧化三钴等原材料价格出现“断崖式”下跌。根据彭博新能源财经（Bloomberg New Energy Finance）2020年9月发布的《长期能源储存展望报告》，表示从2018至2030年间，锂离子电池的价格将下降52%。
表3 2021年 6月29日锂电池及主要材料价格行情[7]
3.1.2超级电容市场
目前，我国超级电容器市场维持高速增长，2019年市场规模达210亿元，较2018年增长15%。但是，超级电容器在全球储能装置的市场份额仍然较低，现阶段不足1%，在中国储能装置的市场份额约为0.5%，市场渗透率较低。伴随技术的不断发展与创新，我国超级电容器市场潜力巨大，前景良好。
图2 2009-2019年中国超级电容器市场规模-亿元
3.1.3其他电化学储存电池
在起动和大型储能等应用领域，铅酸蓄电池由于其技术成熟、安全性高、循环再生利用率高、价格低廉等优势占据主导地位。2019年全球铅酸蓄电池市场规模约为437亿美元。由于铅酸蓄电池使用重金属铅，且生产过程中需要严格控制污染物的排放，环境问题将是影响未来铅酸蓄电池市场的关键因素，未来市场增长率将维持在1%的水平。
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钠硫电池是一种由液态钠和硫构成的熔盐电池，具有高能量密度、高效率充电/放电（89-92％）和长循环寿命，主要应用于电网储能等领域。钠硫电池主要在日本使用，并将其大量装配到储能项目中，但由于安全性问题已逐步退出储能领域。
3.2光伏储能市场
太阳能作为一种清洁能源，近年来发展速度较快，月度产量逐渐走高，2019年12月达到1330.5万千瓦，同比增长17.2%。2011年至今，随着技术的不断成熟和应用的推广，太阳能电池的价格逐渐走低，2020年2月价格为0.07美元/W。到 2020 年底，我国累计光伏装机容量预计可达 239.3 GW，连续八年全球第一。
图3 2011-2020年2月全球太阳能电池及规格走势-美元/瓦
3.2.1光伏储能技术
光伏发电系统的建模方案可采用间接组合建模的思路，通过对各发电和储能单元的动态特性分析,分别建立光伏发电单元和储能装置的特征模型。然后通过一定的等值方法将单元级的模型应用于光伏电站和储能电站的聚合建模当中，即得到若干台“机”集聚后的场/电站模型。最终光伏电站和储能电站在公共连接点(Point of Common Coupling,PCC)汇集在一起实现并网，并且在PCC点对电网表现出整个发电系统的动态特性，实现发电系统的建模[8]。
1）光伏发电单元的建模[9]。光伏发电单元的建模主要包括光伏阵列模型、DC/AC 逆变器模型以及各部分之间的数据接口。大型并网光伏电站发电单元的总体结构图如图4所示。
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图4 光伏发电单元框图
2）储能单元的建模。储能单元的建模主要包括储能电池组模型、DC/AC 换流器模型以及各部分之间的数据接口，其结构和光伏发电单元的总体结构比较相似。大型储能电站储能单元的总体结构图如图5所示。
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图5 储能单元框图