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分布式光伏发电蓄电技术
全球能源紧缺，新兴能源产业的发展势在必行，但风能、太阳能等清洁能源受环境影响较大，功率不稳定，致使传统电网无法承载，大量能量被浪费。主要原因之一就是∶储能技术落后，现有储能电站无法实现功率补偿，无法满足功率平滑的需求。可以说，储能电站的发展已成为新能源开发的核心之一。
1.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对电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，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。
2.光伏发电并网加储能系统架构
在本方案中，储能电站（系统）主要配合光伏并网发电应用，因此，整个系统是包括光伏组件阵列、光伏控制器、电池组、电池管理系统（BMS）、逆变器以及相应的储能电站联合控制调度系统等在内的发电系统。系统架构如图1-1所示。
图1-1储能电站（配合光伏并网发电应用）架构图
（1）光伏组件阵列利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，然后对锂电池组充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电。
（2）智能控制器根据日照强度及负载的变化，不断对蓄电池组的工作状态进行切换和调节；一方面把调整后的电能直接送往直流或交流负载。另一方面把多余的电能送往蓄电池组存储。发电量不能满足负载需要时，控制器把蓄电池的电能送往负载，保证了整个系统工作的连续性和稳定性。
（3）并网逆变系统由几台逆变器组成，把蓄电池中的直流电变成标准的V市电接入用户侧低压电网或经升压变压器送入高压电网。
（4）锂电池组在系统中同时起到能量调节和平衡负载两大作用。它将光伏发电系统输出的电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。
其中储能单元拓扑结构及原理如图1-2所示，DC/DC变换器，后级为全桥双向DC/AC变换器，该拓扑结构能够实现升压与逆变、降压与整流的解耦控制，控制简单、容易实现。当储能装置放电时，前级变换器工作于Boost升压模式，后级全桥变换器工作于逆变模式;当储能装置充电时，前级变换器工作于Buck降压模式，后级全桥变换器工作于PWM整流模式。储能单元的工作模态根据光伏发电系统有不同的运行模式，可分为并网充电、离网充电、离网独立放电以及离网辅助放电四种工作模态。
图1-2蓄电池储能单元两级式拓扑结构
图1-2为蓄电池储能单元的两级式拓扑结构，前级为双向Buck/Boost。
模态1;并网充电模态。并网运行模式下，蓄电池容量不足时，通过电网进行充电，为光伏发电系统离网运行模式下提供能量储备。
模态2∶离网充电模态。离网运行模式下，蓄电池容量不足且光伏发电单元有多余能量输出时，对蓄电池进行充电控制。
模态3∶离网独立放电模态。离网运行模式下，光伏发电单元能量不够，不足以提供电压和频率支撑而停止工作时，蓄电池单独为负荷提供所需的功率，并支撑光伏系统交流母线上的电压和频率。
模态4;离网辅助放电模态。离网运行模式下，光伏发电单元输出功率不足以满足负荷的用电需求，但能提供稳定的交流母线电压和频率，此时蓄电池储能单元辅助放电维持系统的能量平衡。
3.储能方式
根据不同的储能原理主要可分为电化学储能（如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、镍镉电池、超级电容器等）、机械储能（如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等）和电磁储能（如超导储能）。表1-1为储能方式对比表。
表1-1为储能式对比表
电化学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。其中蓄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、钠硫电池和液流电池等。
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。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。
飞轮储能技术是一种机械储能方式，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。
超导储能系统（SMES）是电磁储能的一种，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、深冷和真空泵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。
当前，光伏发电方面所使用的储能方式主要是以蓄电池为主的化学储能。下面对几种主要的蓄电池进行介绍。
（1）阀控式铅酸蓄电池。阀控式铅酸蓄电池已有多年的使用历史，非常成熟。以其材料普遍、价格低廉、性能稳定、安全可靠而得到非常广泛的应用，在已有的储能电站中，铅酸电池依旧被采用。但铅酸电池也有致命的缺点，主要就是循环寿命很低，在%放电深度（DOD）下，一般为～次。其次比能量也较小，需要占用更多的空间，充放电倍率也较低;再者。在电池制造、使用和回收过程中，铅金属对环境的污染不可忽视。
阀控式铅酸蓄电池分为AGM和GEL.（胶体）电池两种，AGM采用吸附式玻璃纤维棉（AbsorbedGlassMat）作隔膜，电解液吸附在极板和隔膜中，贫电液设计，电池内无流动的电解液，电池可以立放工作，也可以卧放工作;胶体（GEL）SiO2作凝固剂，电解液吸附在极板和胶体内，一般立放工作。
阀控式铅酸蓄电池的电化学反应原理就是充电时将电能转化为化学能在电池内储存起来，放电时将化学能转化为电能供给外系统。其充电和放电过程是通过电化学反应完成的，电化学反应式如下∶
从上面反应式可看出，充电过程中存在水分解反应，当正极充电到70%时，开始析出氧气，负极充电到90%时开始析出氢气，由于氢、氧气的析出，如果反应产生的气体不能重新得用，电池就会失水干涸;对于早期的传统式铅酸蓄电池，由于氢、氧气的析出及从电池内部逸出，不能进行气体的再复合，是需经常加酸加水维护的重要原因;而阀控式铅酸蓄电池能在电池内部对氧气再复合利用，同时抑制氢气的析出，克服了传统式铅酸蓄电池的主要缺点。
阀控式铅酸蓄电池采用负极活性物质过量设计，AG或GEL.电解液吸附系统，正极在充电后期产生的氧气通过AGM或GEL空隙扩散到负极，与负极海绵状铅发生反应变成水，使负极处于去极化状态或充电不足状态，达不到析氢过电位，所以负极不会由于充电而析出氢气，电池失水量很小，故使用期间不需加酸加水维护。阀控式铅酸蓄电池氧循环图示如下：
可以看出，在阀控式铅酸蓄电池中，负极起着双重作用，即在充电末期或过充电时，一方面极板中的海绵状铅与正极产生的O。反应而被氧化成一氧化铅，另一方面是极板中的硫酸铅又要接受外电路传输来的电子进行还原反应，由硫酸铅反应成海绵状铅。
在电池内部，若要使氧的复合反应能够进行，必须使氧气从正极扩散到负极。氧的移动过程越容易，氧循环就越容易建立。
在阀控式蓄电池内部，氧以两种方式传输;一是溶解在电解液中的方式，即通过在液相中的扩散，到达负极表面;二是以气相的形式扩散到负极表面。传统富液式电池中，氧的传输只能依赖于氧在正极区H2SO4溶液中溶解，然后依靠在液相中扩散到负极。如果氧呈气相在电极间直接通过开放的通道移动，那么氧的迁移速率就比单靠液相中扩散大得多。充电末期正极析出氧气，在正极附近有轻微的过压，而负极化合了氧，产生一轻微的真空，于是正、负间的压差将推动气相氧经过电极间的气体通道向负极移动。阀控式铅蓄电池的设计提供了这种通道，从而使阀控式电池在浮充所要求的电压范围下工作，而不损失水。
对于氧循环反应效率，AGM电池具有良好的密封反应效率，在贫液状态下氧复合效率可达99%以上;胶体电池氧再复合效率相对小些，在干裂状态下，可达70%～90%;富液式电池几乎不建立氧再化合反应，其密封反应效率几乎为零。
阀控式铅酸蓄电池的性能参数如下;
①开路电压。电池在开路状态下的端电压称为开路电压。电池的开路电压等于电池的正极的电极电势与负极电极电势之差。
②工作电压。工作电压指电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称放电电压。在电池放电初始的工作电压称为初始电压。
电池在接通负载后，由于欧姆电阻和极化过电位的存在，电池的工作电压低于开路电压。
③容量。电池在一定放电条件下所能给出的电量称为电池的容量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时（A·h）或毫安时（mA·h）。电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。
理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为A·h/L或A·h/kg。
实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为A·h，其值小于理论容量。
额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。
④内阻。电池内阻包括欧姆内阻和极化内阻，极化内阻又包括电化学极化与浓差极化。内阻的存在，使电池放电时的端电压低于电池电动势和开路电压，充电时端电压高于电动势和开路电压。电池的内阻不是常数，在充放电过程中随时间不断变化，因为活性物质的组成、电解液浓度不断地改变。
欧姆电阻遵守欧姆定律;极化电阻随电流密度增加而增大，但不是线性关系，常随电流密度和温度不断地改变。
⑤能量。电池的能量是指在一定放电条件下，蓄电池所能给出的电能，通常用瓦时（W·h）表示。
电池的能量分为理论能量和实际能量。理论能量W理可用理论容量和电动势（E）的乘积表示，即：
W理=CmE
电池的实际能量为一定放电条件下的实际容量C实与平均工作电压U平的乘积，即：
W实=C3U平
常用比能量来比较不同的电池系统。比能量是指电池单位质量或单位体积所能输出的电能，单位分别是W·h/kg或W·h/L。
比能量有理论比能量和实际比能量之分。前者指1kg电池反应物质完全放电时理论上所能输出的能量。实际比能量为1kg电池反应物质所能输出的实际能量。
由于各种因素的影响，电池的实际比能量远小于理论比能量。实际比能量和理论比能量的关系可表示如下∶
W实=W理·Kv·KR·Km
式中，Kv为电压效率;KR为反应效率;Km为质量效率。
电压效率是指电池的工作电压与电动势的比值。电池放电时，由于电化学极化、浓差极化和欧姆压降，工作电压小于电动势。反应效率表示活性物质的利用率。
电池的比能量是综合性指标，它反映了电池的质量水平，也表明生产厂家的技术和管理水平。
⑥功率与比功率。电池的功率是指电池在一定放电制度下，于单位时间内所给出能量的大小，单位为W（瓦）或kW（千瓦）。单位质量电池所能给出的功率称为比功率，单位为W/kg或kW/kg。比功率也是电池重要的性能指标之一。一个电池比功率大，表示它可以承受大电流放电。
蓄电池的比能量和比功率性能是电池选型时的重要参数。因为电池要与用电的仪器、仪表、电动机等互相配套，为了满足要求，首先要根据用电设备要求功率大小来选择电池类型。当然，最终确定选用电池的类型还要考虑质量、体积，比能量、使用的温度范围和价格等因素。
⑦电池的使用寿命。在规定条件下，某电池的有效寿命期限称为该电池的使用寿命。蓄电池发生内部短路或损坏而不能使用，以及容量达不到规范要求时蓄电池使用失效，这时电池的使用寿命终止。蓄电池的使用寿命包括使用期限和使用周期。使用期限是指蓄电池可供使用的时间，包括蓄电池的存放时间。使用周期是指蓄电池可供重复使用的次数。
（2）全钒液流电池。全钒液流电池是一种新型的储能电池，其功率取决于电池单体的面积、电堆的层数和电堆的串并联数，而储能容量取决于电解液容积，两者可独立设计，比较灵活，适于大容量储能，几乎无自放电，循环寿命长。全钒液流电池目前成本非常昂贵，尤其是高功率应用。只有推进产业化，才能大幅度降低成本，另外还要提高全钒液流电池的转换效率和稳定性。
全钒液流电池将不同价态的钒离子溶液作为正负极的活性物质，分别储存在各自的电解液储罐中，通过外接泵将电解液泵入到电池堆体内，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动;采用离子膜作为电池组的隔膜，电解液平行流过电极表面并发生电化学反应，将电解液中的化学能转化为电能，通过双极板收集和传导电流。在钒电池中，正极发生的是＋4和＋5价钒离子的氧化还原反应，负极发生的是＋2和+3价钒离子的氧化还原反应。正负极电化学反应构成了全钒液流电池的基本原理，反应方程式如下;
全钒液流电池的标准电动势为1.26V，实际使用中，由于电解液浓度、电极性能、隔膜电导率等因素的影响，开路电压可达到1.5～1.6V，其原理如图1-3所示，充电时蓝色的VO2离子在正极电极表面被氧化为黄色的VO离子，同时放出电子，通过极板传到外电路，绿色的V3+离子则从外电路得到电子，并且在负极电极表面被还原为紫色的V2+离子。正极溶液在充电前为电中性，充电后正极物质失去电子，整个体系带正电荷;同样，负极充电后整个体系带负电荷。非电中性体系是不能稳定存在的，因此负极溶液中的氢离子就通过阳离子交换膜迁移至正极，中和正负极溶液中的过剩电荷维持体系电中性，同时构成电池内部的离子电流。放电时，正负极溶液在电极表面发生逆反应，氢离子则由负极迁回正极。
全钒液流电池是目前发展势头强劲的优秀绿色环保蓄电池之一;具有大功率、长寿命、可深度大电流密度充放电等明显优势，已成为液流电池体系中主要的商用化发展方向之一。目前在发展中的主要趋势是验证在各种规模储能系统中的应用可行性、经济性，并进一步解决核心材料与电池生产的稳定技术，包括保证电堆的稳定性能与一致性，同时大幅度降低成本。世界各国已经建成了大量全钒液流电池实验工程并取得良好的成果，从全钒液流电池的应用领域和经济性来看，液流电池也有着广阔美好的发展前景，其应用范围如下。
①风力发电。为了减少对电网的冲击，大幅度提高风电场电力的使用率，同时赚取巨额的电网峰谷差价，风电场将需要配备功率相当于其功率10%～50%的动态储能蓄电池。对于风机离网发电，则需要更大比例的动态储能蓄电池，钒电池有望取代现有的铅酸电池，推动风电产业更好更快的发展。
②光伏发电。光伏发电需要太阳光，一旦到了晚上和阴雨天就发不了电，因而需要蓄电池为其储存电力，钒电池将作为光伏发电储能电池的首选。
③电网调峰。电网调峰的主要手段一直是抽水储能电站，由于抽水储能电站受地理条件限制，维护成本高，而钒电池储能电站选址自由，维护成本低，可以预期，钒电池储能电站将逐步取代抽水储能电站，在电网调峰中发挥重要的作用。
④交通市政。随着世界城市化进程的不断加快和汽车保有量的持续增加，发展节能、环保的电动汽车替代传统燃油汽车，已成为人们的共识。随着钒电池技术的快速发展，可以预期，钒电池将在电动汽车（特别是城市公交客车）、交通信号、风光互补路灯等领域发挥重要作用。
⑤通讯基站。通讯基站和通讯机房需要蓄电池作为后备电源，且时间通常不能少于10h。对通讯运营商来讲，安全、稳定、可靠性和使用寿命是最重要的，在这一领域，钒电池有着铅酸电池无法比拟的先天优势。
⑥分布电站。随着分布电站的崛起，大型中心电站将逐步走向衰落，医院、指挥控制中心、政府重要部门等分布电站中发挥重要作用。
由于还未实现产业化生产，液流储能电池目前成本较高，是目前铅酸电池的5～6倍。若要进入市场，需要大幅降低电池成本。但是如果与铅酸电池相比，考虑到全钒液流电池的寿命远长于铅酸电池，使用成本就可能比铅酸电池还低，其经济性分析见表1-2。
（3）钠硫电池。钠硫电池作为新型化学电源家族中的一个新成员出现后，已在世界上许多国家受到极大的重视和发展。钠硫电池比能量高，效率高，几乎无自放电，可高功率放电，也可深度放电，是适合功率型应用和能量型应用的电池。但是钠硫储能电池不能过充与过放，需要严格控制电池的充放电状态。钠硫电池中的陶瓷隔膜比较脆，在电池受外力冲击或者机械应力时容易损坏，从而影响电池的寿命，容易发生安全事故。还存在环境影响与废电池处置问题。
钠硫电池在一些方面不同于一般的电池，它采用的是固体电解质和液态金属负极材料。图1-4中右侧所示的是钠硫电池充放电过程中的电极反应过程。放电时熔融钠阳极失电子变成钠离子，钠离子经固体电解质到达硫阴极形成多硫化钠。电子经外电路到达阴极参与反应。充电时钠离子重新经过电解质回到阳极，过程与放电时相反。放电深度不同，多硫化钠的主要成分也不同。一般所说的钠硫电池的理论容量W·h、kg一1，是由完全生成NagS3来计算的。
图1-4中左侧所示的是以钠为芯的柱状钠硫电池的内部结构剖面示意图。1为固体电解质，现在一般采用β-氧化铝，它是一种有着氧化铝骨架层和钠离子导电层交错排列的晶格结构的陶瓷材料。固体电解质是电池最重要的部分，承担着传导钠离子和隔膜的双重作用。中间2部分是钠阳极，在电池工作温度（～℃）下，呈熔融态。3部分为钠极集流体，引出后作为负极终端。外部的4部分为硫和多硫化钠阴极材料。由于硫的导电性不好，因此一般加入碳毡增加电极材料的导电性。5部分为硫极集流体，也同时作为电池外壳。因为多硫化钠有较强的腐蚀性，所以一般采用抗腐蚀的不锈钢作为电池外壳。
（4）磷酸铁锂电池。对于锂电池，目前可应用于电力用途的只有磷酸铁锂电池，所以，在此所涉及的锂电池仅针对于磷酸铁锂电池。锂离子电池单体输出电压高，工作温度范围宽，比能量高，效率高，自放电率低，被广泛应用在电动汽车中。深度放电将直接降低电池的使用寿命，限制了锂电池在充电源随机性较大场合的应用。采用过充保护电路或均衡电路，可提高安全性和寿命。目前磷酸铁锂电池由于成本低、安全可靠和高倍率放电性能受到
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