光伏发电到底需要怎样的储能系统？

 没有储能的光伏是没有未来的。去年和一位业界朱姓大牛交流，他提出观点“储能技术的发展是光伏产业发展的命脉”，可谓醍醐灌顶。当整个电网只有1%的再生能源占比的时候，没人在乎;可按照现在稳稳超过20%每年的行业发展速度投射未来，光伏达到10%、20%的电网渗透率并不遥远。到时候还这么靠天吃饭阴晴圆缺，前一分钟发电10度后一分钟只发电5度的状况，电网、工商用户、居民，谁受得了?

前言:兔子斗胆预测，如果没有高效低成本的储能配套，光伏发电的占比不会超过10%。

储能的作用在大时间尺度范围(数小时)，主要是为了调峰，即实现发电侧和用电侧的匹配。那基本上是什么便宜上什么，铅酸、梯级使用的锂电池、液流电池、蓄水储能等都是可选择的方案，不为本文所重点讨论。而在较小的时间尺度范围之内，储能也具有极其重要的意义。光伏和风能被不客气的称为“垃圾电”，就是因为风光发电功率电压输出靠天吃饭不稳定，而且直流转交流存在波形不理想、频率不协调的问题，给电网造成极大的压力;而储能可以极大程度上解决这些要命的问题。然而储能技术五花八门，到底什么样的储能才是光伏发电所需要的?学界和业界此前并无系统的归纳总结，让人摸不到头脑。

幸而新南威尔士大学博士研究生江屿的 “Suitability of representative electrochemical energy storage technologies for ramp-rate control of photovoltaic power”《主流电化学储能技术针对光伏发电爬坡速率控制的适用性》大作横空出世，为大家厘清了思路。兔子不敢耽误，在此奉献给大家。

为了减轻压力，电网对光伏电站出力稳定性提出要求，已经成为大趋势。比如德国提出了最高10%每分钟爬坡速率的要求，也即是说每一时刻和一分钟前比较，光伏电站功率输出的差异不能高于10%。许多国家新进推出的并网标准，都要求光伏电站具有必要时断电和减少输出，以及平滑爬坡速率的要求。在多云的天气，50%的爬坡速率也很常见，所以必须要加以处理(见下图)。组件优化器、微型逆变器等电力电子技术都可以在一定程度上实现平滑，但处理的能力非常有限，而且解决问题的方法简单粗暴，要不就是让组件发电偏离最佳功率点，要不就是砍掉多余的出力，为了达到电网稳定性的要求不得已割肉。这个时候，储能系统就是发挥作用的关键了：一旦发电量暴增就充电(而不是直接把多余发电切掉不要了);一旦发电量爆降就放电，实现对电网的持续稳定发力。

化学储能材料和器件的三大重要指标，一是能量密度，关系到充放电的持续性;二是功率密度，关系到瞬间释放能量的能力;三是充放电次数，决定了储能器件的寿命。下图给出了铅酸电池、锂电池、锂离子电容、碳基电化学双层电容器EDLC、电解液电容的能量密度、功率密度和充放电寿命等指标。不幸的是，光伏这样极度苛刻的应用场景，对储能系统能量、功率、寿命的要求都非常高!储能系统储能能力、充放电功率，直接影响了对爬坡速率的控制力。


文章的计算涉及到傅里叶变换等烧脑数学工具，此处不再赘述。总之是通过下面的爬坡速率控制模型流程图，可以实现对瞬息万变的光伏出力(图b蓝色区域)的有效平滑(图b红线为平滑后)。图c显示了储能系统在爬坡上升超过10%每分钟速率的时间段通过充电实现爬坡速率的控制(图c靛蓝色区域)，而在光伏出力下降超过10%的时间段，通过放电实现控制(土黄色区域)，快速响应的能力是对储能系统充放电功率W的考验。而图d是储能系统的充电状态SoC，SoC的幅值考验的是储能系统总储能能力Wh。

不同的光伏系统对于储能系统的要求大不相同。文章考察了单个组件、5千瓦屋顶系统、100千瓦小型光伏电站、以及7.2兆瓦大型电站四个场景。一般而言，大型系统占地面积大，具有一定“地理聚集”(geographical aggregation)的发电出力平滑能力。在江屿的算法中，引入了一个叫做截断频率(cut-off frequency)的东东，通过经验公式考虑到了这个自动平滑的现象。下图看到，越大的系统，其自带发电出力平滑的能力越强，无论是光功率变化的剧烈程度还是频度都有下降!

随着系统的增大，储能系统更多的从能量密度限制，转变成了功率密度限制。也就是说，高功率密度的储能系统更具有优势。在这方面，锂离子电池具有重大的技术优势。目前相较于铅酸电池，锂离子电池成本高处1倍到3倍不等，但是未来具有更大的降本空间。至于电容系列，虽然功率密度足够甚至超过要求，但能量密度距离一整天的发电出力缓冲，相去甚远。研究发现，高能量密度的锂离子电池(低于600瓦时每升)最符合光伏出力缓冲的要求，基本可以100%达到10%爬坡速率控制的要求。

文章还提出了一个非常具有新颖性和吸引力的技术方案——在微型逆变器和组件优化器上集成储能系统。这样既满足了发电出力平滑的要求，又增加了系统整体的发电能力(储能单元使得光伏组件不需要过度偏离组件发电的最佳功率点)。作为一个初步的设想，作者把储能单元体积控制在100立方厘米之内，也即是收入接线盒中。这需要最少400瓦时每升的能量密度，2300瓦每升的功率密度，这已经超出了现今量产锂离子电池可以达到的指标。如果用现今量产的锂离子电池性能指标加以衡量，10%的爬坡速率控制可以达到99.5%的达标率(即每1000次出现爬坡速率超过10%的情况，995次可以得到解决)。

作者江屿等设计的组串层级和组件层级的储能解决方案，用于解决发电不稳定的问题。

结语：没有储能的光伏是没有未来的。一方面，储能材料和器件本身需要不停的降本提效;另外一方面，储能和光伏系统的接口模式也需要着力研发。《主流电化学储能技术针对光伏发电爬坡速率控制的适用性》一文不但提供了有益的探讨，更重要的是提供了研究的方法论。研究表明，接口模式的研发比储能材料和器件本身的研发同等重要!