農村地區光儲聯合發電技術淺析

孫瑞娟 李旱雨

摘 要 新能源在農村地區得到大力推廣是因為其具有供電靈活、不需要遠距離輸送等特性，還可以緩解偏遠山區以及孤立地區的供電設施老化、維護不及時等問題。將光伏和儲能相互結合，但又使其相互獨立，可以避免其中一部分故障導致系統崩潰等問題的出現。基于此，從光伏發電環節、儲能環節、儲能控制環節、光儲聯合發電系統運行4個方面對農村地區光儲聯合發電研究內容進行概述。

關鍵詞 光儲聯合;農村電力;控制

在農村或偏遠地區進行電力建設和電網發展依然有以下4個主要問題：1）如果使用傳統的常規能源，從供電端到負荷端電網建設跨度大、距離遠、線路損耗高;2）由于環境和氣候的影響，電網及終端設備需要更高的耐受度以增長使用壽命;3）操作者的技術低可能會造成故障監控和消除均受到制約，還易造成人員的損傷;4）物資及人工成本的上升，從一定程度上增大了設備成本核算。

因此設計并推廣農村地區光儲聯合、生物質聯合或風光聯合等模式的新能源發電方式一直是農業電氣人的主要工作之一。表1是近5年農村電力生產情況，從一個側面說明農村電力建設基本呈現增長狀態，不論是發電設備還是發電量，增長程度較為明顯。但是總容量和變電站規模依然不夠大，對于實現農業現代化的目標來說，還是有差距的。基于此，介紹農村地區光儲聯合發電的相關原理和技術特點，為推動新能源在農村地區得到大力推廣提供參考。

1 光伏發電環節概述

1.1 光伏發電原理

如果太陽光照在儲能元件上，且光被吸收，攜帶大量能量的光子可以使PN結中的電子從原有的共價鍵之中扯出，發生正負電荷配對，之后產生電流。與界面層相鄰的電子和空穴將由復合材料前空間電荷的電場分開。帶負電荷的電子向帶有正電的區域移動，帶有正電荷的空穴向帶有負電的區域移動，由于兩種帶電粒子的移動，P結和N結之間就產生了一個可以被儀器檢測到的微弱電壓，然后將電極添加到硅片的兩側并連接到電壓表，這樣就可以檢測到電壓在PN結之中的移動，帶電粒子越多，所產生的電流就越大。照射在光伏發電板上的光照時間越長，太陽能蓄電池的體積越大，在PN結之中產生的可流動電荷越多，產生的電流越大[1]。

1.2 光伏電池輸出特性

就目前的儲能技術來看，可以分為物理手法和化學手法2大類儲能技術。在物理方面的儲能技術中，對地理條件以及場地的要求較為嚴格，建設電廠太局限，所以不太適合與太陽能發電之類的新能源發電形式配合使用。在化學方面的儲能技術有各種各樣的固體電池、液體電池等。比較常見的如鉛酸電池等固體電池，一般壽命不是很長，存儲的容量也不是很大，沒有辦法做到深度的充電和放電，且這種電池維護起來很復雜，稍有不慎就會起火甚至有爆炸的危險。因此，這種電池也無法和較大的太陽能發電等新型能源電廠配合使用。

20世紀末，國際上開始將磷酸鐵鋰作為制作蓄電池的材料，直到21世紀初，才逐漸成熟。磷酸鐵鋰作為蓄電池的材料，不僅相對安全，還可以使用很長時間不損壞。用磷酸鐵鋰供電更加可靠，主要體現在5個方面：1）可以保證在使用時是安全的，磷酸鐵鋰很耐高溫，不會在充電或者放電時產生安全問題;2）這種電池可以使用很長時間，解決了以前不停更換電池的缺點;3）該電池不會對環境造成任何污染，基本滿足了國家對環保的要求;4）普通鋰電池只能在溫度波動范圍較小的地方工作，而磷酸鐵鋰電池可以在高低溫環境內進行較長時間的工作;5）磷酸鐵鋰電池的性價比較高，如果使用時出現問題，可以很快修復或是更換。

圖1和圖2是在全暗和恒光兩種條件下，對太陽電池外加偏壓的伏安特性測試。全暗時太陽電池等價于一個PN結，恒光時太陽電池正常工作且有最大功率點。

2 儲能環節概述

通常決定儲能電池容量的因素有2個：1）把能量轉化能力即太陽能轉化成電能的能力，也就是儲能電池的能量轉化和接受的能力;2）用戶的用電量，對能量的獲取量太大，不但會對能源造成浪費，還會使儲能電池長期處于過度充電的狀態。若用電設備和蓄電池不相匹配，就會出現對用戶的能源供給不足或者剩余電量較多的浪費情況。因此，合適的容量不僅是對儲能電池的保護，也是對用戶供電的保障，還可以降低設備投入成本[2]。

現階段，在其他領域使用鉛蓄電池都是之前設計并計算好使用量，按照原有的計劃方案按部就班地實行，并且在使用中可以人為調節數據以控制使用，經過調整就可以使其達到最佳的使用狀態。但是太陽能系統中的儲能部分補充能源的過程是不能被人完全控制的，盡管其中含有作為控制的元件，但是也擺脫不了天氣因素所導致的發電波動。這一不穩定因素，對于儲能電池來說是非常危險的。

對于鉛蓄電池來說，充電時對于電量接收的百分比是一個非常重要的數據，這一項數據對于所有儲能電池都是十分重要的。因為從太陽能轉化成電能的轉化率較低，因此對轉化而來的電能的儲存率要求就更為嚴格。鉛蓄電池對于電能的接收百分比和其使用周期是相關的，如果電能的接收能力不理想，就會直接對其使用周期造成影響。因此，對于存儲電池的充電率問題，有必要進行重點研究。

3 儲能控制環節概述

3.1 直流側接入式

直流側接入是將儲能的系統連接到儲能的專屬控制器，再與光伏發電的系統相連接，最后連接上逆變系統。在這種情況下，整個太陽能發電系統和儲存能量的系統都通過直流的方式，將能量相互傳遞，實現兩個系統同時輸出電能、兩個系統一起并網、兩種系統分別并網的形式。這樣的連接方式可以避免太陽能發電輸出也不太穩定的弊端。

3.2 交流側接入式

交流側接入則是利用了兩種逆變的類型，將太陽能電站發出的功率與儲能系統發出的功率分別進行逆變，也就是將太陽能電站與儲能系統分別接入總電網。這樣將儲能系統單獨接入電網中的方式，優點有很多：如母線提供的電壓很不穩定，不能接入總電網時，儲能系統就可以迅速調節母線的輸出功率，把母線的電壓穩定下來。這種連接系統的方法特別適合輸出量非常大，且儲能系統也非常大的新能源電廠并網的情況。如圖2所示，為交流側接入系統示意圖。

4 光儲聯合發電系統運行狀態

主電網正常工作時，太陽能發電系統和儲能系統在并網條件下工作，太陽能電池所產生的電壓，經變壓器升高，最終匯聚在母線上，為了使母線功率始終保持在最大點工作且狀態穩定，可以采用最大功率點追蹤法。該方法可以通過調整負載曲線以滿足系統的輸出效率最高，是光伏發電中常用的功率處理方式[3]。

太陽能發電系統可以在最大功率點追蹤模式、恒壓模式、不工作模式中工作，儲能系統可以在充電模式、放電模式、不工作模式中工作。為了確保光伏發電系統和儲能系統的正常運行，使主電網中的電壓、功率穩定，儲能系統負荷狀態和充放電工作處于最大功率模式，工程中通常把太陽能發電系統和儲能系統的工作狀態組合在一起。

參考文獻：

[1] 陳芳.光儲微電網孤島系統儲能控制措施探討[J].中國科技博覽，2015（46）：34.

[2] 趙爭鳴，劉建政，孫曉瑛，等，太陽能光伏發電及其應用[M].北京：北京科學出版社，2005.

[3] 王成山，楊占剛，武震.一個實際小型光伏微網系統的設計與實現[J].電力自動化設備，2011，31（6）：6-10.

（責任編輯：劉昀）