獨立光伏發(fā)電儲能技術(shù)探析

內(nèi)蒙古潤蒙能源有限公司 呂 媛

目前，獨立光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)中較為常用的儲能部件為鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鉛酸蓄電池，其中，鎳鎘蓄電池多用于高寒戶外獨立光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的構(gòu)建工作中，鎳氫蓄電池被廣泛應(yīng)用于太陽能路燈、草坪燈等小型光伏儲能系統(tǒng)中，而我國大部分地區(qū)光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)應(yīng)用的儲能核心部件為鉛酸蓄電池。為保證獨立光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)在應(yīng)用過程中能夠滿足本公司的具體需要，本文分析了獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成、儲能結(jié)構(gòu)的原理以及系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的主要作用，并開展了鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鉛酸蓄電池的比較工作，最終做出相關(guān)決定。

1 本公司獨立光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的選擇

獨立式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏列陣、光伏控制器、充電控制器、儲能系統(tǒng)、變換器、負(fù)載等部分構(gòu)成，在應(yīng)用過程中光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化的電能有三個流向：流向儲能系統(tǒng)，通過存儲電能的方式在必要時為負(fù)載提供電力資源；通過模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器直接為直流負(fù)載供電；通過直流/交流變換器為交流負(fù)載供電[1]。

1.1 儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理

為保證光伏發(fā)電并網(wǎng)后電力資源的穩(wěn)定供應(yīng)，需要為其配備專門的儲能系統(tǒng)。圖1為獨立光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的電路模型圖，圖中：Rs指的是儲能系統(tǒng)的內(nèi)部串聯(lián)電阻，包括儲能系統(tǒng)的體電阻、電池表面電阻等，一般阻值小于1Ω；Rsh指的是儲能系統(tǒng)的內(nèi)部并聯(lián)電阻，一般阻值大于幾千歐姆；Iph指的是光子產(chǎn)生的電流，該電流能夠被近似為光伏電池短路時的電流，電流大小與光伏列陣的面積、太陽光輻射強度之間存在著直接的聯(lián)系；ID指的是流經(jīng)儲能系統(tǒng)二極管的電流；IL指的是太陽能光伏儲能系統(tǒng)的輸出電流。

圖1 獨立光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)電路模型圖

結(jié)合圖1中信息，將儲能系統(tǒng)輸出電流整合為方程：IL=Iph-Io（eqv/(AKT)-1），其中：Io指的是光伏發(fā)電模塊PN 結(jié)的反向飽和電流，其數(shù)量為10-4；K是Boltzmann 常數(shù)，計算時有K=1.38×10-23J/K；q指的是儲能系統(tǒng)光伏發(fā)電過程中的電子電荷量，有q=1.6×10-19C；v指的是電荷的運動速度；T指的是絕對溫度；A指的是儲能系統(tǒng)中二極管的品質(zhì)因數(shù)，其取值一般在1～5。

1.2 儲能系統(tǒng)的主要作用

獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)需要配置專門的儲能系統(tǒng)：首先存儲多余的電能，其次利用鉗位功能提升負(fù)荷電壓輸出的穩(wěn)定性，最后通過為光伏發(fā)電系統(tǒng)提供啟動電流的方式，保證光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。

儲存電能。在光伏并網(wǎng)后，為了滿足電網(wǎng)對于電能的需要，光伏發(fā)電系統(tǒng)需要為電網(wǎng)提供穩(wěn)定持續(xù)的電能，但是在實踐中，光伏列陣中大部分獨立光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能與負(fù)載與并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)之間存在差別。同時，在陰天、夜間等情況下，光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能供應(yīng)量遠(yuǎn)低于電網(wǎng)的供電需要。為解決上述問題，需要為光伏發(fā)電系統(tǒng)安裝專門的儲能系統(tǒng)，在儲存多余電能的同時實現(xiàn)電能總輸出情況的有效調(diào)節(jié)。

電壓鉗位。受光伏發(fā)電系統(tǒng)本身特性的限制，光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)會受到太陽輻射強度、溫度等因素的影響，若光伏發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)載直接連接到一起，那么負(fù)載的電壓并不能一直處于最佳工作電壓附近，這不僅降低了負(fù)載工作的穩(wěn)定度，還使得光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體運轉(zhuǎn)效率有所下降。為解決這一問題，可以使儲能系統(tǒng)成為連接光伏發(fā)電系統(tǒng)與負(fù)載之間的橋梁，發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)工作電壓的鉗位作用，確保負(fù)載工作電壓處于最佳電壓范圍內(nèi)。

提供啟動電流。光伏發(fā)電系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)時往往需要較大的啟動電流，光伏組件的發(fā)電電流會受到太陽輻射強度、最大短路電流等因素限制的影響，在光伏發(fā)電初期，光伏列陣無法滿足自身對于啟動電流的需要。現(xiàn)階段，為保證光伏列陣能夠持續(xù)穩(wěn)定地發(fā)電，儲能系統(tǒng)可以在短時間內(nèi)為發(fā)電負(fù)載提供約為額定工作電流5～10倍的電流，為光伏發(fā)電設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)提供支持[2]。

1.3 儲能電池的分類

鎳鎘蓄電池。正極由氫氧化鎳構(gòu)成，負(fù)極由鎘金屬構(gòu)成，在發(fā)生充放電反應(yīng)時電池內(nèi)部的反應(yīng)液為氫氧化鉀溶液。具體來說，在充電時該電池內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)如下：Cd(OH)2+2Ni(OH)2—Cd+2NiO(OH)+2H2O，放電時電池發(fā)生如下反應(yīng)：Cd+2NiO(OH)+2H2O—Cd(OH)2+2Ni(OH)2。

鎳氫蓄電池。正極材料為鎳氫化合物、負(fù)極為儲氫合金，反應(yīng)液為堿性電解液。在將其應(yīng)用于光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)中以后，在光伏系統(tǒng)向儲能系統(tǒng)儲存電能時發(fā)生充電反應(yīng)：MH+NiO(OH)—Ni(OH)2+M；在儲能系統(tǒng)為負(fù)載供電時發(fā)生放電反應(yīng)：Ni(OH)2+M—MH+NiO(OH)。其中：Ni(OH)2指的是氫氧化鎳，NiO(OH)指的是氧化氫氧化鎳，M 指的是儲氫合金，MH 指的是吸附了氫原子的儲氫合金。

鉛酸蓄電池。在光伏發(fā)電儲能工作中，鉛酸蓄電池的工作原理為：蓄電池放電時電池內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，充電時蓄電池內(nèi)發(fā)生反應(yīng)[3]。

2 獨立光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的比較分析

為了滿足光伏發(fā)電系統(tǒng)高效率充放電、長壽命、低價格、運維管理難度低的要求，本公司在進(jìn)行當(dāng)前的獨立光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)構(gòu)建工作前，對上述三種儲能電池進(jìn)行了綜合比較，確定了構(gòu)建儲能系統(tǒng)的核心部件，具體比較結(jié)果如表1所示。對表1中數(shù)據(jù)加以統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)。

表1 不同蓄電池的實驗比較情況

在正常工作條件下，鎳鎘蓄電池的充放電電容量效率在67%～75%、最大值僅為75%，鎳氫蓄電池的充放電容量在55%～65%、最大值僅為65%，而鉛酸蓄電池的充放電電容效率為90%。因此，可以認(rèn)為鉛酸蓄電池的充放電容量效率最好；對這幾種蓄電池進(jìn)行比較后可以發(fā)現(xiàn)，相較于鉛酸蓄電池，鎳氫蓄電池、鎳鎘蓄電池的使用壽命均比較長。

自放電率指的是蓄電池在不工作情況下失去電荷的速率，從表1中可以了解到，鎳氫蓄電池、鎳鎘蓄電池的自放電率均高于鉛酸蓄電池。同時，受蓄電池本身性質(zhì)的影響，在高溫條件下蓄電池的自放電效率會有所提升，因此若獨立光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)的使用環(huán)境較為炎熱，那么鉛酸蓄電池的電荷流失率更少，更能滿足工作需要。

對蓄電池的單位Wh 價格加以比較，可以發(fā)現(xiàn)鎳氫蓄電池、鎳鎘蓄電池的價格均高于鉛酸蓄電池，且鎳氫蓄電池的單位Wh 價格約為鉛酸蓄電池的3～4倍，鎳鎘蓄電池單位Wh 是鉛酸蓄電池的2倍。因此在構(gòu)建儲能系統(tǒng)時，鉛酸蓄電池作為核心儲能部件的系統(tǒng)造價更低。

在比較不同蓄電池的應(yīng)用特點后，可以發(fā)現(xiàn)鎳氫蓄電池、鎳鎘蓄電池有著更好的耐過充能力，因此在構(gòu)建儲能系統(tǒng)時這兩種蓄電池的操作電路更為簡便。同時，這兩種電池即便在-20℃的環(huán)境下，均能以1C 放電速率大電流放電，且放出的電量也能在儲存電量的85%左右。

因此，在高寒環(huán)境下光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)應(yīng)用的蓄電池主要為鎳氫蓄電池、鎳鎘蓄電池，但是在環(huán)境溫度超過40℃時，鎳氫蓄電池、鎳鎘蓄電池的充電效率不僅會隨溫度的提高而降低，電池出現(xiàn)電池漏液問題的可能性也將提高。因此，鎳氫蓄電池、鎳鎘蓄電池更多地被應(yīng)用于太陽能路燈、草坪燈等小型光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)中，在降低小型光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)電路復(fù)雜性的同時，實現(xiàn)儲能系統(tǒng)運維管理成本的有效管控；鉛酸蓄電池更多地被應(yīng)用于大型光伏發(fā)電儲能系統(tǒng)中，在降低儲能系統(tǒng)構(gòu)建成本的同時，滿足大規(guī)模光伏發(fā)電并網(wǎng)工作的需要[4]。

3 超級電容器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用效果

本文構(gòu)建的超級電容器結(jié)構(gòu)模型如圖2所示，其中C表示等效電容，ESR表示等效串聯(lián)電阻，EPR表示等效并聯(lián)電阻?？紤]到在儲能系統(tǒng)中的超級電容器漏電電流遠(yuǎn)小于工作電流，因此在分析時忽略等效并聯(lián)電阻，將超級電容的結(jié)構(gòu)模型簡化為圖3。

圖2 超級電容器結(jié)構(gòu)圖

圖3 簡化后超級電容器結(jié)構(gòu)圖

3.1 超級電容器的應(yīng)用特性

容量特性。在獨立光伏儲能系統(tǒng)構(gòu)建工作中，超級電容器的電容值并不是一個固定值，而是在最大電壓與最小電壓之間發(fā)生微小的變化，在實際研究工作中，應(yīng)用微分電容的概念表示電容的不同電壓范圍。在特定時刻，超級電容器的微分電容為：C=I×（dt/dv），其中：C指的是電容值；I指的是電容電流；dt/dv指的是單位時間內(nèi)電壓的變化率。

充放電效率特性。在25℃條件下對超級電容不同電流情況下的充放電效率加以測定，發(fā)現(xiàn)超級電容的安時損失較小，并且即便儲能系統(tǒng)中的電流變化較大，電容的安時效率也保持相對平穩(wěn)的狀態(tài)[5]。

3.2 超級電容器的應(yīng)用仿真

為了解將超級電容器融入獨立光伏儲能系統(tǒng)后的效果，需要對鉛酸蓄電池安裝超級電容器前后的工作情況加以模擬仿真。在仿真工作中，利用直流電源DC 為鉛酸蓄電池供電，儲能系統(tǒng)設(shè)計為橋式電路，并在橋式電路中配備IGBT 功率管，電路中的變壓器選擇雙繞組隔離型變壓器，緩沖量測電源的電壓，降低干擾對測試結(jié)果準(zhǔn)確性的影響，在電路中安裝儲能電感，以便達(dá)到儲能、釋能的目的。同時，為提升仿真測試法工作中電壓輸出的穩(wěn)定性，本公司的研究人員先應(yīng)用相移控制技術(shù)對IGBT 管加以管控，再應(yīng)用移相控制技術(shù)控制四個橋臂的運轉(zhuǎn)狀態(tài)，確保零電壓開關(guān)能夠順利轉(zhuǎn)化。

通過對模擬仿真過程中蓄電池的充電波形加以分析的方式得知，在充電狀態(tài)下，蓄電池可以通過雙向DC/CD 變化期快速充電，且充電電壓與蓄電池的電壓基本一致。由于充電過程中電壓的波動范圍較小，因此充電過程中的能量損耗偏低。這一情況的出現(xiàn)不僅滿足了蓄電池的充電需求，延長了蓄電池的使用壽命，還保證了緊急狀態(tài)下蓄電池為負(fù)載供電的安全，提升了獨立光伏儲能系統(tǒng)的應(yīng)用可靠性與安全性。

在分析蓄電池放電狀態(tài)下的波形后，得知在放電狀態(tài)下蓄電池的輸出放電電壓基本與直流母線電壓一致，且輸出電壓較為穩(wěn)定。因此，認(rèn)為應(yīng)用相移控制技術(shù)控制DC/CD 變換器的IGBT 管，不僅有助于縮短蓄電池輸出電壓達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)電壓的時間，還能延長蓄電池的使用壽命[6]。

對上述研究加以分析，確定超級電容器在鉛酸蓄電池儲能系統(tǒng)構(gòu)建工作中有著較高的應(yīng)用價值，不僅可以保證儲能系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性，還能達(dá)到延長儲能系統(tǒng)使用壽命的目的。