首航新碳索 | 屋顶电站业主必看：光伏储能耦合发电应用浅析

光伏储能耦合系统介绍

随着全球能源结构转型的加速推进和可再生能源的大规模开发利用,光伏发电已成为众多国家和地区的重要电力来源之一。然而,光伏发电具有间歇性和波动性的特点,其输出功率受日照强度影响显著。在阴雨天气或夜晚,光伏电站的发电量会大幅降低甚至完全中断,给电网的稳定运行带来了严峻挑战。

储能系统的出现为解决光伏发电的不稳定性问题提供了有效途径。储能装置可在光照充足时吸收富余电能,在用电高峰或光伏出力不足时释放电能,从而平滑光伏发电的波动,提高能源利用效率。光伏发电与储能技术的耦合,构成了一种新型的能源系统形态——光伏储能耦合系统。光伏储能耦合系统是由光伏发电单元、储能单元和能量管理单元组成的综合能源系统。其中:

①光伏发电单元通过光电转换将太阳能转化为电能,是系统的能量来源;

②储能单元主要由电池组成,可吸收光伏发出的多余电能,也可在需要时向外释放电能,起到调节和缓冲的作用;

③能量管理单元则集成了监测、控制、通信等功能,负责优化调度光伏和储能的运行,保障系统安全、经济、稳定。

通过这三大单元的协同工作和统一调度,光伏储能耦合系统可显著提高可再生能源消纳能力,降低弃光限电比例,改善电能质量。同时充分发挥储能的灵活性和快速响应能力,为电网提供调频、调压等多种辅助服务,提升电力系统的安全性和可靠性。

根据光伏和储能在电力系统中的并联位置,光储耦合可分为直流侧耦合、交流侧耦合和混合耦合三种形式。直流侧耦合是将储能接入光伏阵列的直流母线,通过共用逆变器并网,效率较高但控制灵活性差。交流侧耦合是光伏和储能配置各自逆变器,在并网点交流母线并联,可降低能量转换次数,控制更灵活。而混合耦合则结合了两种方式的优点,但系统更复杂。

高压交流侧耦合并网光储系统图

低压交流侧耦合并网光储系统图

直流侧耦合并网光储系统图

总的来说,光伏储能耦合作为一种新兴的能源利用方式,可显著提升可再生能源利用水平,优化电网运行,推动能源结构转型。但其规模化应用仍面临着技术、成本、政策等诸多挑战,需要产学研用各界的协同创新和大力支持。

光储耦合系统的应用价值

光伏储能耦合系统凭借其独特的优势和广阔的应用前景,在电力系统的供应侧、电网侧和用户侧均能发挥重要价值,具体体现在:

①提高可再生能源渗透率。光伏发电容量大,但受天气条件影响较大,发电功率难以准确预测和有效调控。通过与储能进行优化配置和耦合运行,可大幅提高可再生能源的消纳比例和利用效率,实现电网对高渗透率光伏的友好接纳。

②增强电力系统灵活性。储能作为连接发电侧和用电侧的桥梁,可通过自身的灵活调节,快速响应电网需求变化,降低电力系统的备用容量,为新能源大规模接入创造有利条件。同时,分布式光储系统可就近满足用户用电,减轻电网输电压力。

③参与电网辅助服务。光储耦合系统可作为分布式电源参与电网频率调节和电压支撑,提供旋转备用和黑启动等辅助服务,减少常规调峰电源出力调整频次,延长机组使用寿命。储能也可平滑光伏发电功率波动,改善电能质量。

④支撑微电网运行。在偏远岛屿、山区等电网薄弱地区,光伏加储能可组建独立运行的微电网系统,充分利用当地丰富的太阳能资源,满足居民基本用电需求。储能可在微电网内部平衡功率,维持电压、频率稳定。

⑤推动源网荷储协调。在新型电力系统中,光伏代表分布式电源、储能代表灵活负荷,两者与电网、用户负荷形成协同互动的共生关系。通过优化调度源网荷储,可有效解决新能源高比例接入、电动汽车大量充电等场景下的电网瓶颈问题。

⑥助力需求侧管理。对于工商业用户,配置光伏储能系统可显著降低用电成本,提高能源自给率、电费管理效率和供电可靠性。储能还能错峰填谷,削减用电负荷尖峰,为需求侧管理创造条件。同时光储系统的友好接口,可支持主动响应电价和电网调度指令。

⑦促进能源互联网建设。在能源互联网背景下,分布式光伏储能系统的广泛接入,将显著提高电网的灵活性、高效性和互动性。海量分散的储能单元可通过能量路由器聚合为虚拟电厂,整合成为电网可调度的负荷资源,参与系统优化。

⑧探索多能互补新模式。"光伏+储能"系统还可与其他能源形式组合,实现电、热、冷、气等多能流的耦合与协同。例如与电动汽车充电桩结合,可构建"光伏+储能+充电"的绿色交通能源网络;与燃料电池、热泵等联用,可打造兼具环保与经济性的能源互补系统。

光储耦合系统的经济性分析

【注】文中所有案例仅作为说明示例，不作为价格参考。

以某矿山3MW屋顶光伏电站为例,配套1MW/1MWh的集装箱式锂电储能系统,可较好地实现削峰填谷、错峰套利等多重效益。

该3MW光伏电站首年发电量超过380万kWh,预计前10年年平均发电量为340万kWh,25年使用寿命期内年均发电量可达310万kWh。按照78%的自发自用电量和22%的余电上网电量,并以0.75元/kWh的工业用电均价、0.3949元/kWh的燃煤标杆上网电价为参考,同时考虑每年7万元/MW的运维费用,该光伏电站年均创效总收益（单位：万元）:

340×78%×0.75 + 340×22%×0.3949 - 7×3 = 207

可以看出,单纯光伏项目就已具有显著的经济效益。据测算,该系统还可帮助企业每年减少标煤消耗960吨,减排二氧化碳2500吨、二氧化硫72吨、氮氧化物36吨、粉尘650吨,环境效益也十分可观。

（1）锂电储能系统效益分析

按照储能与光伏 20%的匹配比例、2小时储能时长,3MW光伏宜配套容量约1MW/1MWh的储能系统。目前锂电池的投资成本大约为1.5元/Wh,即1MW/1MWh系统的设备费用在150万元左右。

参考全国各地目前普遍0.6元/kWh以上的峰谷电价差,且光伏上网电价和低谷电价已相差无几,可认为储能系统每天两次充放电的套利空间保守估计为0.6元/kWh。若储能全年利用300天、年维护费用5万元,则1MW/1MWh系统年创收（单位：万元）:

1000kWh×2次×0.6元/kWh×300天 / 10000 - 5 = 31

而通过削峰填谷,储能还可帮助企业节省每月的最大需量电费,提高自发自用率约5%,若按年均光伏发电量340万kWh计,这部分电费节省大约为（单位：万元）:

340×5%×0.75 = 12.75

综上,1MW/1MWh锂电储能系统全年总创收约43.75万元,投资回收期略高于3年。

（2）光储耦合系统整体效益

将3MW屋顶光伏与1MW/1MWh锂电储能进行耦合,项目总投资约为（单位：万元）:

3000×4 + 1000×1.5 = 13500

在25年项目全周期内,光伏年均创效207万元,储能年创效43.75万元,扣除年运维成本,光储耦合系统年总效益可达（单位：万元）:

207 + 43.75 - 21 = 229.75

对应项目投资回收期为:

13500 / 229.75 = 5.9年

此外,随着储能核心部件成本的进一步下降、电价市场化进程的加速,以及"双碳"政策带来的更多补贴与激励,该项目的投资回报率有望进一步提升。

综上所述,光伏储能耦合系统在经济性和环保性方面均表现亮眼。工商业用户尤其是高耗能企业,应充分考虑"光伏+储能"模式带来的多重效益,因地制宜布局新型电力系统,既能节省成本、提升供电可靠性,又可减碳减排、履行社会责任,实现经济和生态的双丰收。

【小航结语】

总的来看,随着"双碳"目标的推进和电力体制改革的深化,在工商业园区推广"光伏+储能"将是大势所趋。储能与光伏的互补耦合,可有效提升可再生能源消纳比例,优化用户侧能源管理,推动电网调峰需求响应,是实现工商业能源清洁化、低碳化的重要路径选择。

当前,实现光储系统成本最优、效益最大化仍需在机理分析、优化控制、商业模式等方面开展更深入的研究。建议广大工商业屋顶电站业主加强与专业机构合作,因地制宜地探索光储耦合的最佳实践,为我国能源转型和"双碳"目标贡献更多企业方案和微观样本。