陳楷文

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司高郵市供電分公司， 江蘇 揚(yáng)州 225600）

0 引言

傳統(tǒng)火力發(fā)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(yùn)作必然會對大氣環(huán)境與生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生破壞。近年來，諸多具有節(jié)能性、可再生性的高能效低能源技術(shù)得到了有效發(fā)展，也為我國后續(xù)的能源技術(shù)研究奠定了堅實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，其中，太陽能供電取得的成果也較為顯著。但是因?yàn)樘柲芄夥幚硇适芡饨缫蛩赜绊憞?yán)重，太陽光照射強(qiáng)度在不同時間、不同地點(diǎn)均不盡相同，導(dǎo)致太陽能供電存在極強(qiáng)的不穩(wěn)定性。近年來，國內(nèi)外諸多學(xué)者針對光儲方面展開研究，儲能系統(tǒng)可利用峰谷價格差節(jié)省電費(fèi)，從而在一定程度上保障了供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量與供電可靠性，太陽能供電逐步朝向“自產(chǎn)自銷”和“就地消納”方向發(fā)展。因此，主要采用光伏及其控制系統(tǒng)搭配儲能系統(tǒng)的設(shè)計，在需要電能的時候進(jìn)行供電。這種情況下可在一定程度上實(shí)現(xiàn)白天發(fā)電、夜晚供電的相對平穩(wěn)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(tǒng)的處理穩(wěn)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(tǒng)設(shè)計

1.1 光伏系統(tǒng)

光伏系統(tǒng)中各光伏陣列串并聯(lián)組成了一個個發(fā)電單元，而光伏陣列是由光伏電池串并聯(lián)組成。太陽能供電原理主要是利用半導(dǎo)體材料的光伏效用積累光能，由材料光子區(qū)激發(fā)電子并進(jìn)行分離后產(chǎn)生的電動勢現(xiàn)象。主要采用CEC/Wisconsin 參數(shù)模型進(jìn)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(fù)載電流；Uoc為開路電壓；RS為串聯(lián)電阻；RSH為旁路電阻。在標(biāo)準(zhǔn)條件下忽略電路電阻時，標(biāo)準(zhǔn)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(dá)如下：

式中：UOC、lsc為標(biāo)準(zhǔn)條件下的電壓值與短路電流值；Um、lm為標(biāo)準(zhǔn)條件下的電壓值、電流值（最大功率條件下）；A為系數(shù)；C為模型參數(shù)值；UL、Uoc表示為非標(biāo)準(zhǔn)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?yàn)樵摴街荒苡嬎銟?biāo)準(zhǔn)條件下的各項(xiàng)數(shù)值，對于實(shí)際情況來說存在不適配性。因此，需要將使用公式進(jìn)行情況轉(zhuǎn)化，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)條件下光照輻射度為Snom、標(biāo)準(zhǔn)條件下溫度數(shù)值為tnom，進(jìn)行一般工況下額定參數(shù)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(shù)以及電流值溫度修正系數(shù)，β 為輻照度修正系數(shù)（最大功率條件）。

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

由圖2 可知，光伏出力效率受日照強(qiáng)度、大氣溫度等外部環(huán)境因素影響。因此，在實(shí)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(diǎn)，才能保證光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率。在本次研究中，供電系統(tǒng)在太陽能優(yōu)先原則下必須要求光伏發(fā)電始終保持在最大值。但是太陽能發(fā)電會隨著外界條件與負(fù)載情況進(jìn)行調(diào)整，因此采用擾動觀察法對太陽能最大功率點(diǎn)進(jìn)行跟蹤。擾動觀察法的動態(tài)情況如圖3 所示，其中Pm為最大功率點(diǎn)。

圖3 擾動觀察法的動態(tài)過程

1.2 控制系統(tǒng)

本設(shè)計方案采用太陽能供電優(yōu)先原則，因此太陽能供電作為供電系統(tǒng)的主要電源應(yīng)合理協(xié)調(diào)太陽能、市電與蓄電池之間的協(xié)調(diào)性。光伏系統(tǒng)的控制策略圖如圖4 所示。

圖4 光伏系統(tǒng)控制策略

由圖4 可見，控制系統(tǒng)主要由MPPT、驅(qū)動門極的驅(qū)動電路、PWM電路、電壓以及電流調(diào)節(jié)器等方面構(gòu)成[2]。其中，MPPT 控制器與電壓調(diào)節(jié)器是保持太陽能光伏電池最大功率的主要控制構(gòu)件。

2 儲能系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 儲能系統(tǒng)

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(tǒng)需求變化進(jìn)行靈活改變。主要采用蓄電池充放電方式，作為光伏發(fā)電系統(tǒng)處于最大功率點(diǎn)時的充放電系統(tǒng)，并以加強(qiáng)可靠性、成本性、技術(shù)性作為設(shè)計方向。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 儲能充放電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖5 所示，主要以DC/DC 開關(guān)電源作為設(shè)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(diǎn)跟蹤。對控制電路進(jìn)行實(shí)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(hù)，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(tǒng)

電流控制是蓄電池充放電過程中的關(guān)注重點(diǎn)。因?yàn)樘柲芄╇姽ぷ鞅旧順O易受到其他特殊屬性的影響，如果沒有控制系統(tǒng)進(jìn)行有效防護(hù)，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(diǎn)在于電池兩側(cè)端電壓的變化情況，如果兩側(cè)端電壓增加至設(shè)定值時則會自動結(jié)束充放電。如果兩側(cè)端電壓低于設(shè)定值時則開啟充電過程[3]。其中，主要由蓄電池兩端電壓設(shè)定值來切換充放電的工作模式。其充電放電結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。

圖6 儲能充放電系統(tǒng)

隨著日照強(qiáng)度的增高，系統(tǒng)中的光伏陣列能量值更大，此狀態(tài)下就可由系統(tǒng)獨(dú)自完成供電。如果電量出現(xiàn)剩余則由蓄電池對多余電量進(jìn)行存儲。這種工作模式也可稱之為“光電互補(bǔ)模式”。

3 仿真性能分析

在本設(shè)計系統(tǒng)中，預(yù)計期限為20 年，年利率為6.83%。系統(tǒng)所選地點(diǎn)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(shè)計了太陽能光伏板雙軸跟蹤模式，預(yù)留出10%左右的方向功能滿足任何臨界條件下的基站負(fù)載。表1、表2 結(jié)合了NPC 基站能量需求、制定出了宏基站和微基站的相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

表1 宏基站的縮放參數(shù)

表2 微基站的縮放參數(shù)

主要研究預(yù)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(fā)現(xiàn)太陽能光伏板容量隨日照強(qiáng)度的增加而減小。原因可能在于太陽能光伏板在較強(qiáng)日照強(qiáng)度下能夠在短時間內(nèi)產(chǎn)生更多能量[5]。另外，因?yàn)楹昊九c微基站的電池、轉(zhuǎn)換器、電網(wǎng)等設(shè)備最佳尺寸保持不變，所以也能得出結(jié)論“電網(wǎng)潮汐太陽能光伏系統(tǒng)無需改變組件尺寸就能達(dá)到最大功率點(diǎn)?！绷硗?，因?yàn)楸疚乃x研究位置具有較高的日照強(qiáng)度，太陽能光伏板除了在標(biāo)準(zhǔn)條件下以外也能產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的太陽能年能量數(shù)值需求呈現(xiàn)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(fù)載要求，就必須要結(jié)合系統(tǒng)帶寬增長，靈活調(diào)控太陽能光伏板的發(fā)電量。

供電系統(tǒng)提供的能量如圖9 所示。

由圖9 可見，所有基站曲線都呈現(xiàn)出顯著的上漲趨勢。這種鮮明說明電網(wǎng)能耗與系統(tǒng)頻帶寬值存在正相關(guān)聯(lián)系。與此同時macro2/2/2 基站的電網(wǎng)能耗更加顯著，此現(xiàn)象說明該基站所需能量更多[7]。因?yàn)榛镜乃吣Ｊ剿芄?jié)能的平均能量情況如圖10 所示。

圖10 平均能量節(jié)省情況

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

基于光伏系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及獨(dú)立太陽能光伏設(shè)計的三種供電方案技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示[8]。

表3 BW=10 MHz 時不同供電方案的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)中的凈費(fèi)用和現(xiàn)金交易費(fèi)用相比于單機(jī)系統(tǒng)來說分別節(jié)省9.1%與11.02%。此外，幾乎每年還能節(jié)省約88%的碳排放量。

4 結(jié)論

基于太陽能供電的不穩(wěn)定缺點(diǎn)進(jìn)行研究，并得出以下結(jié)論：

1）設(shè)計出的帶有儲能裝置的光伏與供電系統(tǒng)聯(lián)合供電的發(fā)電系統(tǒng)能夠有效平衡市電與太陽能供電之間的不平穩(wěn)性。

2）為了滿足基站的負(fù)載需求太陽能光伏發(fā)電效率需要結(jié)合系統(tǒng)帶寬進(jìn)行正相關(guān)線性增長。與此同時，基站的節(jié)能曲線與基站睡眠時間也呈正相關(guān)態(tài)勢。

3）太陽能光伏聯(lián)合蓄電池系統(tǒng)的出力情況較為顯著，也能有效降低供電系統(tǒng)能耗。系統(tǒng)后續(xù)對可再生能源的收集也能進(jìn)一步保障能源的可持續(xù)發(fā)展。

4）經(jīng)過對macro 2/2/2、macro omni 和micro 配置的模型計算，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)的最佳結(jié)構(gòu)。后續(xù)研究重點(diǎn)主要在于大規(guī)模系統(tǒng)應(yīng)用下數(shù)據(jù)的海量增長處理，并確定系統(tǒng)處理能力能否滿足需求。因此，如何加強(qiáng)計算效率、提高太陽能供電的穩(wěn)定性將成為后續(xù)主要考慮的問題之一。