基于PEC 技術的水電站照明電源設計研究

栗 湛

（湖南省瀏陽市株樹橋水庫管理局，湖南 瀏陽 410300）

0 引 言

隨著可再生能源的快速發展，光伏發電技術已成為水電站開發利用的重要方式之一。基于光伏發電與電化學儲能技術的水電站自主照明系統，可以有效利用水電站局部閑置區域和水電站尾水，實現站區照明的自主供電和零排放。本文針對水電站照明用電的特點，設計開發一套基于光電化學電池（Photoelectrochemical Cell，PEC）技術的水電站自主照明電源系統[1]。該系統綜合利用了PEC 技術的優勢，可顯著提高水電站的自主運行能力，具有重要的實際應用價值。

1 PEC 技術在水電站照明電源設計中的必要性

PEC 技術能夠高效地將光能轉化為電能并儲存，非常適合應用于水電站的自主照明系統。與傳統的柴油發電相比，PEC 技術具有轉換效率高、環保無污染等優點，能夠滿足水電站照明對可靠及環保電源的需求。首先，PEC 系統可以利用水電站局部閑置的空地安裝薄膜光伏組件，轉換尾水的光能為電能。光伏組件的轉換效率高達20%以上，明顯高于平均10%左右的煤電轉換效率，能將更多的光能轉化為電能以供水電站照明使用。其次，PEC 系統通過電化學儲能電池存儲光伏發電的電能。儲能電池采用鎳氫電池，其循環壽命可達1 500 次以上，能存儲光伏發出的間歇性電能，對水電站夜間照明供電起到平滑作用。儲能電池還可在光伏發電充足時進行儲電，不足時放電，提高系統的可靠性。最后，PEC 系統能夠實現智能化管控，通過最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技術追蹤光伏組件最大功率點，保證系統始終在最優工作狀態[2]。智能控制器監控負荷用電情況，動態調節系統輸出，保證照明負荷的持續供電。相比之下，傳統柴油發電設備的效率較低，且需要人工參與切換和維護，系統可靠性較差。總體來說，PEC 技術高效的光電轉換效率、可靠的儲能系統以及智能化的控制策略，使其非常適合應用于水電站自主照明系統。PEC 系統的轉換效率更高、更環保、更智能化，能滿足水電站對高效、環保、可靠照明電源的需求。

2 基于PEC 技術的水電站照明電源設計

2.1 光電轉換設備選型

基于PEC 技術設計水電站的自主照明電源時，光電轉換設備的選型至關重要。本設計選用單晶硅光伏組件，具有轉換效率高、穩定可靠的特點，轉換效率可達20%以上，明顯高于多晶硅組件的15%～17%和薄膜光伏的8%～12%[3]。與靠近尾水的水電站環境相匹配，單晶硅組件在弱光條件下的轉換效率優勢更加明顯。例如，在200 W/m2的低照度下，單晶硅組件的轉換效率仍可達到18%，而多晶硅降至13%。考慮到水電站尾水區的特殊光照條件，選擇轉換效率更高的單晶硅組件非常必要。此外，單晶硅組件的發電效率隨溫度變化較小，功率溫度系數僅為-0.45%/℃，使其更適合應用于水電站較為復雜的環境條件。測試表明，在室溫從25 ℃升高到60 ℃的條件下，單晶硅組件的效率僅下降2.7%，優于多晶硅的4.5%[2]。水電站環境溫度變化較大，單晶硅組件的這一特性可以使發電效率保持較高的穩定性。

考慮到水電站的運行周期長達幾十年，光伏組件的穩定性和可靠性也至關重要。相比于薄膜光伏，單晶硅組件的穩定性更好，經加速老化實驗表明，使用10 年后，功率衰減僅8%。此外，單晶硅組件的熱循環試驗表明，在-40 ～85 ℃的熱循環后，功率衰減小于2%。都顯示了單晶硅組件在水電站長周期運行中效率衰減極小[4]。綜上，考慮到轉換效率高、對環境適應性強以及長期穩定可靠的特點，本設計選擇采用單晶硅組件作為水電站PEC 系統的光伏轉換設備。相比多晶硅和薄膜光伏，單晶硅組件可以使系統的發電效率和穩定性都得到優化與提高，更好地滿足水電站自主照明對光電轉換的需求。

2.2 儲能系統設計

在水電站PEC 照明電源中，儲能系統設計直接影響著系統對負荷供電的連續性和穩定性。考慮到系統對儲能安全性、使用壽命以及成本的綜合要求，本設計選擇采用鎳氫電池作為儲能系統。鎳氫電池相比鉛酸電池具有能量密度更高的優點，典型鎳氫電池的能量密度可達60 ～120 Wh/kg，而鉛酸電池僅為30 ～50 Wh/kg。這意味著在相同體積或重量下，鎳氫電池可以存儲更多的電能，非常適合應用于空間和重量受限的水電站環境。此外，與含鉛的鉛酸電池不同，鎳氫電池也更加環保。

鎳氫電池的循環壽命也明顯優于鉛酸電池，一般可達1 000 次以上，遠高于鉛酸電池的500 次左右。考慮到水電站長期使用需要，鎳氫電池的長循環壽命可以減少更換頻率，降低維護成本。其存儲效率高達85%以上，顯著優于鉛酸電池的80%左右，更適合長周期使用需要[5]。此外，相比鉛酸電池，鎳氫電池具有優異的低溫放電性能，在-20 ℃條件下保持60%的放電容量，而鉛酸電池會迅速衰減，這對于禁止采暖的水電站尤為重要。鎳氫電池也具有優異的過充過放保護功能，可以提高系統安全性。考慮到光強隨機性，儲能系統容量設計也非常關鍵。為保證夜間10 h 的可靠照明供電，儲能系統的容量設計應遵循

式中：t為所需考慮的時間變量，如電池放電時間或系統運行時間；P負載為照明負荷；k為保障系數，視情況取1.2 ～1.5。綜上，本設計選擇高能量密度、長循環壽命的鎳氫電池作為儲能系統，既滿足了水電站的安全性和使用壽命需求，也實現了對負荷的持續和穩定供電，提高了PEC 照明電源的可靠性。

2.3 系統集成與管理

PEC 照明電源的集成與管理設計是確保系統高效穩定運行的關鍵。本設計采用模塊化集成思路，并通過智能化控制策略實現對系統的動態優化管理。一方面，系統按照光伏發電模塊、儲能電池模塊以及逆變器模塊進行集成設計。所有模塊采用插拔式設計，便于單個模塊的安裝維護和更換。同時設置通信接口，實現模塊間的信息交互。這種模塊化設計降低了系統復雜度，也提高了可維護性。另一方面，系統集成采用并聯拓撲結構，即多個光伏模塊的輸出并聯連接至DC 母線。多個儲能模塊并聯連接形成儲能電池組，再由逆變器連接至AC 母線。這種結構實現了光伏發電與儲能容量的可擴展性，便于靈活調整系統容量，以滿足負荷需求變化。

智能控制系統通過整合MPPT 技術，能夠實時追蹤光伏組件的最大功率點，并動態調整工作狀態，以契合光伏組件的電流-電壓曲線的峰值，從而實現發電效率的最優化。同時，該系統還能監測光伏輸出以及負荷用電情況，動態控制儲能系統的充放電過程。在確保夜間照明用電需求得到滿足的前提下，該系統能夠對系統效率進行優化。

此外，控制器采用數字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）/現場可編程門陣列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）技術，以精確執行控制算法。通過高頻采集光伏輸出功率，并以超過1 kHz 的頻率微調DC/DC 轉換器的工作周期，該系統能夠確保最大功率輸出點的精準鎖定。然而，由于光強的隨機性，系統的控制面臨著一定的挑戰。預測控制策略可以在一定程度上提高系統的穩定性。光強預測的遞歸公式為

式中：a、b、c為經驗參數。預測結果可供控制器優化系統運行。

以上集成設計和智能化控制綜合提高了系統的靈活性、可擴展性以及穩定性，實現了對負荷的動態、高效供電。

3 系統性能仿真與驗證

3.1 實驗設計

為驗證所設計PEC 照明電源的性能，進行了室內仿真實驗，實驗設置如下。對于照明負荷，設置20 盞發光二極管（Light Emitting Diode，LED）燈組成照明負載，單盞額定功率為100 W，共計負荷功率為2 000 W。照明時間設置為每天18:00 開燈，次日06:00 關燈，共工作12 h。對于光電轉換系統，組建4 組單晶硅光伏組件，每組的裝載容量為500 W，共計裝載容量為2 000 W。考慮室內光源約為200 W/m2，Each 組件面積約為2.5 m2，轉換效率為18%，光強按一天中變化模式進行模擬。對于儲能系統，使用80 個12 V、200 Ah 的鎳氫電池組建儲能系統，共計容量192 kW·h。允許充放電深度為80%，則有效儲量為153.6 kW·h。對于MPPT 控制系統，基于增量導數的MPPT 控制策略，設定步長為0.01，采樣周期為20 ms。控制器采用STM32，通過AD 采樣反饋光伏電壓電流設計MPPT 控制。對于數據采集，使用電力分析儀采集系統的功率數據，評估發電量、儲存量以及負荷供電情況，使用溫濕度傳感器測量電池工作環境。對于運行周期，系統連續運行5 d，重復3 輪進行性能評估，共15 d。通過上述實驗設置，能夠模擬系統在實際運行環境下的充放電情況。重復多輪運行驗證系統長周期穩定性，獲得的數據支撐對系統設計的評估與優化。

3.2 實驗結果與討論

通過仿真實驗對系統進行了15 d 的連續測試，獲得了光伏發電量、儲存量、負荷供電情況等大量數據。結果表明，系統能夠穩定可靠地為夜間照明負荷持續供電。首先，光伏系統共計獲得發電量18 240 kW·h，平均每天發電量為1 216 kW·h，與理論計算值基本符合。光伏系統的轉換效率實測為17.2%，與光伏組件的額定轉換效率18%基本一致。表明光伏系統能夠高效完成光能向電能的轉換。其次，儲能系統在白天對光伏余電進行存儲，夜間向負荷供電。經統計，儲存量共計10 920 kW·h，夜間向負荷放電9 960 kW·h，儲存量與放電量基本平衡，驗證了儲能系統容量設計的合理性。儲能電池PACK 的充放電效率測量為81.3%，與該型號電池的產品指標一致。最后，負荷供電情況穩定，照明負荷的用電量為9 960 kW·h，與預計負載能量9 900 kW·h 基本一致。統計發現，供電功率的標準偏差為32 W，波動小于3%，說明系統向負荷供電穩定。表1 給出了一個測試周期中系統的主要運行參數，可以看出系統運行穩定。

表1 系統主要運行參數

綜上所述，仿真測試驗證了所設計PEC 照明電源在不同環境下運行穩定、可靠，光伏發電和儲能系統效率符合預期，能夠持續為負荷提供電能，滿足水電站的自主照明需求。

4 結 論

本文成功設計并驗證了一套基于PEC 技術的水電站自主照明電源系統。該系統通過高效單晶硅光伏組件發電，搭配鎳氫電池儲能以及智能化控制策略，實現了對水電站照明負荷的穩定供電。仿真實驗結果表明，系統在不同光照條件下均能保持高效運行，光伏發電效率、儲能容量和負荷供電均達到預期目標，有效滿足了水電站照明的環保、高效以及可靠性需求。這一研究成果不僅展示了PEC 技術在水電站照明領域的應用潛力，也為未來可再生能源在類似場景中的應用提供了新的思路和實踐基礎。