供電系統中高能效低能源技術研究
——以太陽能供電為例

陳楷文

（國網江蘇省電力有限公司高郵市供電分公司， 江蘇 揚州 225600）

0 引言

傳統火力發電廠在供電期間會釋放大量溫室氣體與少量有害氣體，長時間運作必然會對大氣環境與生態環境產生破壞。近年來，諸多具有節能性、可再生性的高能效低能源技術得到了有效發展，也為我國后續的能源技術研究奠定了堅實的技術基礎，其中，太陽能供電取得的成果也較為顯著。但是因為太陽能光伏處理效率受外界因素影響嚴重，太陽光照射強度在不同時間、不同地點均不盡相同，導致太陽能供電存在極強的不穩定性。近年來，國內外諸多學者針對光儲方面展開研究，儲能系統可利用峰谷價格差節省電費，從而在一定程度上保障了供電系統的電能質量與供電可靠性，太陽能供電逐步朝向“自產自銷”和“就地消納”方向發展。因此，主要采用光伏及其控制系統搭配儲能系統的設計，在需要電能的時候進行供電。這種情況下可在一定程度上實現白天發電、夜晚供電的相對平穩的太陽能供電過程。在這種情況下，不僅能有效提高供電系統的處理穩定性，也能在一定程度上減少市電價格。

1 光伏及其控制系統設計

1.1 光伏系統

光伏系統中各光伏陣列串并聯組成了一個個發電單元，而光伏陣列是由光伏電池串并聯組成。太陽能供電原理主要是利用半導體材料的光伏效用積累光能，由材料光子區激發電子并進行分離后產生的電動勢現象。主要采用CEC/Wisconsin 參數模型進行計算，等效電路圖如圖1 所示。

圖1 中：lph為光生電流；lD為暗電流；lL為負載電流；Uoc為開路電壓；RS為串聯電阻；RSH為旁路電阻。在標準條件下忽略電路電阻時，標準條件下光照輻射度Snom=100 W/m2、溫度Tnom=25 ℃[1]。

等值電路模型對光伏陣列的公式表達如下：

式中：UOC、lsc為標準條件下的電壓值與短路電流值；Um、lm為標準條件下的電壓值、電流值（最大功率條件下）；A為系數；C為模型參數值；UL、Uoc表示為非標準條件下的L線路與總線路電壓值；In表示為n線路電流值。

因為該公式只能計算標準條件下的各項數值，對于實際情況來說存在不適配性。因此，需要將使用公式進行情況轉化，設標準條件下光照輻射度為Snom、標準條件下溫度數值為tnom，進行一般工況下額定參數修正：

式中：U′OC、l′sc為一般工況下的開路電壓與電流；l′m、U′m為一般工況下電壓值溫度修正系數以及電流值溫度修正系數，β 為輻照度修正系數（最大功率條件）。

與此同時，光伏陣列的電壓與電流關系、電壓與功率關系的輸出特性可由實用模型表達，具體如圖2所示。

由圖2 可知，光伏出力效率受日照強度、大氣溫度等外部環境因素影響。因此，在實際情況中就要求太陽能供電始終保持最大輸出功率、隨時跟蹤太陽能供電最大功率點，才能保證光伏系統的發電效率。在本次研究中，供電系統在太陽能優先原則下必須要求光伏發電始終保持在最大值。但是太陽能發電會隨著外界條件與負載情況進行調整，因此采用擾動觀察法對太陽能最大功率點進行跟蹤。擾動觀察法的動態情況如圖3 所示，其中Pm為最大功率點。

圖3 擾動觀察法的動態過程

1.2 控制系統

本設計方案采用太陽能供電優先原則，因此太陽能供電作為供電系統的主要電源應合理協調太陽能、市電與蓄電池之間的協調性。光伏系統的控制策略圖如圖4 所示。

圖4 光伏系統控制策略

由圖4 可見，控制系統主要由MPPT、驅動門極的驅動電路、PWM電路、電壓以及電流調節器等方面構成[2]。其中，MPPT 控制器與電壓調節器是保持太陽能光伏電池最大功率的主要控制構件。

2 儲能系統及其控制系統設計

2.1 儲能系統

對于太陽能儲能供電來說，如電容、儲能以及蓄電池等方面都能按照系統需求變化進行靈活改變。主要采用蓄電池充放電方式，作為光伏發電系統處于最大功率點時的充放電系統，并以加強可靠性、成本性、技術性作為設計方向。系統結構如圖5 所示。

圖5 儲能充放電系統結構

由圖5 所示，主要以DC/DC 開關電源作為設計方向，并將其安裝至光伏陣列與蓄電池之間，從而能夠滿足太陽能供電過程中光伏陣列的最大功率點跟蹤。對控制電路進行實時測量可確定最適合MPPT 策略的光伏陣列電壓、電流值。蓄電池檢測電路可以對蓄電池放電過程提供保護，還可以通過檢測母線兩端電壓完成充放電模式的切換。

2.2 控制系統

電流控制是蓄電池充放電過程中的關注重點。因為太陽能供電工作本身極易受到其他特殊屬性的影響，如果沒有控制系統進行有效防護，則很有可能使蓄電池的使用壽命、容量以及使用效能受到損害。在蓄電池充放電過程中的重點在于電池兩側端電壓的變化情況，如果兩側端電壓增加至設定值時則會自動結束充放電。如果兩側端電壓低于設定值時則開啟充電過程[3]。其中，主要由蓄電池兩端電壓設定值來切換充放電的工作模式。其充電放電結構圖如圖6 所示。

圖6 儲能充放電系統

隨著日照強度的增高，系統中的光伏陣列能量值更大，此狀態下就可由系統獨自完成供電。如果電量出現剩余則由蓄電池對多余電量進行存儲。這種工作模式也可稱之為“光電互補模式”。

3 仿真性能分析

在本設計系統中，預計期限為20 年，年利率為6.83%。系統所選地點的年平均太陽輻射量為4.61 kW·h/（m2·d）[4]。主要利用HOMER 軟件設計了太陽能光伏板雙軸跟蹤模式，預留出10%左右的方向功能滿足任何臨界條件下的基站負載。表1、表2 結合了NPC 基站能量需求、制定出了宏基站和微基站的相關技術參數。

表1 宏基站的縮放參數

表2 微基站的縮放參數

主要研究預期旨在滿足更高的太陽能能源供電需求，因而需要配置更高容量的太陽能光伏板。另外，還有研究發現太陽能光伏板容量隨日照強度的增加而減小。原因可能在于太陽能光伏板在較強日照強度下能夠在短時間內產生更多能量[5]。另外，因為宏基站與微基站的電池、轉換器、電網等設備最佳尺寸保持不變，所以也能得出結論“電網潮汐太陽能光伏系統無需改變組件尺寸就能達到最大功率點?！绷硗?，因為本文所選研究位置具有較高的日照強度，太陽能光伏板除了在標準條件下以外也能產生更多的能源力量。與此同時，太陽能光伏板在不同基站條件下產生的年能量如圖7 和圖8 所示。

圖7 不同帶寬的能量

圖8 不同輻射量的能量

由圖7、8 可知，不同基站下產生的太陽能年能量數值需求呈現出明顯不同，macro 2/2/2 基站與其他基站相比的需求能量更高[6]。太陽能光伏板的供電量為了滿足基站負載要求，就必須要結合系統帶寬增長，靈活調控太陽能光伏板的發電量。

供電系統提供的能量如圖9 所示。

由圖9 可見，所有基站曲線都呈現出顯著的上漲趨勢。這種鮮明說明電網能耗與系統頻帶寬值存在正相關聯系。與此同時macro2/2/2 基站的電網能耗更加顯著，此現象說明該基站所需能量更多[7]。因為基站的睡眠模式所能節能的平均能量情況如圖10 所示。

圖10 平均能量節省情況

由圖10 可見，基站平均能量節省情況與本文設計預期相差不大，且基站節能曲線隨基站睡眠時間增長呈線性增加。與此同時，系統帶寬數值越大則代表著節能量數值越高。在10 MHz 的帶寬條件下基站在日照強度最低時間段進行睡眠，每年大約可節能1 100 kW·h。

基于光伏系統、供電系統、儲能系統以及獨立太陽能光伏設計的三種供電方案技術標準如表3 所示[8]。

表3 BW=10 MHz 時不同供電方案的技術標準比較

由表3 可見，在macro2/2/2 基站配置下太陽能光伏供電在供電系統中的凈費用和現金交易費用相比于單機系統來說分別節省9.1%與11.02%。此外，幾乎每年還能節省約88%的碳排放量。

4 結論

基于太陽能供電的不穩定缺點進行研究，并得出以下結論：

1）設計出的帶有儲能裝置的光伏與供電系統聯合供電的發電系統能夠有效平衡市電與太陽能供電之間的不平穩性。

2）為了滿足基站的負載需求太陽能光伏發電效率需要結合系統帶寬進行正相關線性增長。與此同時，基站的節能曲線與基站睡眠時間也呈正相關態勢。

3）太陽能光伏聯合蓄電池系統的出力情況較為顯著，也能有效降低供電系統能耗。系統后續對可再生能源的收集也能進一步保障能源的可持續發展。

4）經過對macro 2/2/2、macro omni 和micro 配置的模型計算，進一步驗證了系統的最佳結構。后續研究重點主要在于大規模系統應用下數據的海量增長處理，并確定系統處理能力能否滿足需求。因此，如何加強計算效率、提高太陽能供電的穩定性將成為后續主要考慮的問題之一。