獨立光伏發電儲能技術探析

內蒙古潤蒙能源有限公司 呂 媛

目前，獨立光伏發電儲能系統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電儲能系統的構建工作中，鎳氫蓄電池被廣泛應用于太陽能路燈、草坪燈等小型光伏儲能系統中，而我國大部分地區光伏發電儲能系統應用的儲能核心部件為鉛酸蓄電池。為保證獨立光伏發電儲能系統在應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電系統的構成、儲能結構的原理以及系統運轉的主要作用，并開展了鎳鎘蓄電池、鎳氫蓄電池、鉛酸蓄電池的比較工作，最終做出相關決定。

1 本公司獨立光伏發電儲能系統的選擇

獨立式光伏發電系統一般由光伏列陣、光伏控制器、充電控制器、儲能系統、變換器、負載等部分構成，在應用過程中光伏發電系統轉化的電能有三個流向：流向儲能系統，通過存儲電能的方式在必要時為負載提供電力資源；通過模數/數模轉換器直接為直流負載供電；通過直流/交流變換器為交流負載供電[1]。

1.1 儲能系統的結構原理

為保證光伏發電并網后電力資源的穩定供應，需要為其配備專門的儲能系統。圖1為獨立光伏發電儲能系統的電路模型圖，圖中：Rs指的是儲能系統的內部串聯電阻，包括儲能系統的體電阻、電池表面電阻等，一般阻值小于1Ω；Rsh指的是儲能系統的內部并聯電阻，一般阻值大于幾千歐姆；Iph指的是光子產生的電流，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系；ID指的是流經儲能系統二極管的電流；IL指的是太陽能光伏儲能系統的輸出電流。

圖1 獨立光伏發電儲能系統電路模型圖

結合圖1中信息，將儲能系統輸出電流整合為方程：IL=Iph-Io（eqv/(AKT)-1），其中：Io指的是光伏發電模塊PN 結的反向飽和電流，其數量為10-4；K是Boltzmann 常數，計算時有K=1.38×10-23J/K；q指的是儲能系統光伏發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指的是儲能系統中二極管的品質因數，其取值一般在1～5。

1.2 儲能系統的主要作用

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

儲存電能。在光伏并網后，為了滿足電網對于電能的需要，光伏發電系統需要為電網提供穩定持續的電能，但是在實踐中，光伏列陣中大部分獨立光伏系統產生的電能與負載與并網標準之間存在差別。同時，在陰天、夜間等情況下，光伏發電系統的電能供應量遠低于電網的供電需要。為解決上述問題，需要為光伏發電系統安裝專門的儲能系統，在儲存多余電能的同時實現電能總輸出情況的有效調節。

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

提供啟動電流。光伏發電系統在運轉時往往需要較大的啟動電流，光伏組件的發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，在光伏發電初期，光伏列陣無法滿足自身對于啟動電流的需要。現階段，為保證光伏列陣能夠持續穩定地發電，儲能系統可以在短時間內為發電負載提供約為額定工作電流5～10倍的電流，為光伏發電設備的正常運轉提供支持[2]。

1.3 儲能電池的分類

鎳鎘蓄電池。正極由氫氧化鎳構成，負極由鎘金屬構成，在發生充放電反應時電池內部的反應液為氫氧化鉀溶液。具體來說，在充電時該電池內部發生化學反應如下：Cd(OH)2+2Ni(OH)2—Cd+2NiO(OH)+2H2O，放電時電池發生如下反應：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、負極為儲氫合金，反應液為堿性電解液。在將其應用于光伏發電儲能系統中以后，在光伏系統向儲能系統儲存電能時發生充電反應：MH+NiO(OH)—Ni(OH)2+M；在儲能系統為負載供電時發生放電反應：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發生化學反應，充電時蓄電池內發生反應[3]。

2 獨立光伏發電儲能系統的比較分析

為了滿足光伏發電系統高效率充放電、長壽命、低價格、運維管理難度低的要求，本公司在進行當前的獨立光伏發電儲能系統構建工作前，對上述三種儲能電池進行了綜合比較，確定了構建儲能系統的核心部件，具體比較結果如表1所示。對表1中數據加以統計可以發現。

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，可以認為鉛酸蓄電池的充放電容量效率最好；對這幾種蓄電池進行比較后可以發現，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，因此若獨立光伏發電儲能系統的使用環境較為炎熱，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，可以發現鎳氫蓄電池、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。因此在構建儲能系統時，鉛酸蓄電池作為核心儲能部件的系統造價更低。

在比較不同蓄電池的應用特點后，可以發現鎳氫蓄電池、鎳鎘蓄電池有著更好的耐過充能力，因此在構建儲能系統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，在高寒環境下光伏發電儲能系統應用的蓄電池主要為鎳氫蓄電池、鎳鎘蓄電池，但是在環境溫度超過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用于太陽能路燈、草坪燈等小型光伏發電儲能系統中，在降低小型光伏發電儲能系統電路復雜性的同時，實現儲能系統運維管理成本的有效管控；鉛酸蓄電池更多地被應用于大型光伏發電儲能系統中，在降低儲能系統構建成本的同時，滿足大規模光伏發電并網工作的需要[4]。

3 超級電容器的結構及應用效果

本文構建的超級電容器結構模型如圖2所示，其中C表示等效電容，ESR表示等效串聯電阻，EPR表示等效并聯電阻。考慮到在儲能系統中的超級電容器漏電電流遠小于工作電流，因此在分析時忽略等效并聯電阻，將超級電容的結構模型簡化為圖3。

圖2 超級電容器結構圖

圖3 簡化后超級電容器結構圖

3.1 超級電容器的應用特性

容量特性。在獨立光伏儲能系統構建工作中，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生微小的變化，在實際研究工作中，應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，發現超級電容的安時損失較小，并且即便儲能系統中的電流變化較大，電容的安時效率也保持相對平穩的狀態[5]。

3.2 超級電容器的應用仿真

為了解將超級電容器融入獨立光伏儲能系統后的效果，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，儲能系統設計為橋式電路，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，降低干擾對測試結果準確性的影響，在電路中安裝儲能電感，以便達到儲能、釋能的目的。同時，為提升仿真測試法工作中電壓輸出的穩定性，本公司的研究人員先應用相移控制技術對IGBT 管加以管控，再應用移相控制技術控制四個橋臂的運轉狀態，確保零電壓開關能夠順利轉化。

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，還保證了緊急狀態下蓄電池為負載供電的安全，提升了獨立光伏儲能系統的應用可靠性與安全性。

在分析蓄電池放電狀態下的波形后，得知在放電狀態下蓄電池的輸出放電電壓基本與直流母線電壓一致，且輸出電壓較為穩定。因此，認為應用相移控制技術控制DC/CD 變換器的IGBT 管，不僅有助于縮短蓄電池輸出電壓達到標準電壓的時間，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構建工作中有著較高的應用價值，不僅可以保證儲能系統運轉的穩定性，還能達到延長儲能系統使用壽命的目的。