李曉麗

（河南輕工職業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450002）

當(dāng)前，太陽能電池儲能系統(tǒng)受到社會各界的廣泛關(guān)注。然而，傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)往往面臨著太陽能轉(zhuǎn)化效率低、電池蓄電穩(wěn)定性差等問題，難以滿足日益增長的能耗需求[1]。對此，本研究提出了基于非線性互補(bǔ)算法的太陽能電池儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)與網(wǎng)絡(luò)建模方法。在分析太陽能儲能發(fā)展趨勢的同時(shí)，提出了更為有效的儲能網(wǎng)絡(luò)建模思想。

1 太陽能儲能系統(tǒng)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

太陽能儲能系統(tǒng)利用電池板獲取太陽光能源，經(jīng)過光伏逆變器的轉(zhuǎn)化處理后，所生產(chǎn)能源被暫時(shí)存儲于儲能系統(tǒng)之中，以供下級電網(wǎng)或其他耗能設(shè)備的調(diào)取與利用。

發(fā)展太陽能儲能，一方面可以實(shí)現(xiàn)對太陽光能源的合理轉(zhuǎn)化與利用，在不污染自然環(huán)境的同時(shí)，滿足下級電網(wǎng)及其他能源設(shè)備的運(yùn)行需求；另一方面以太陽光為能源，驅(qū)動儲能系統(tǒng)、電池板等部件結(jié)構(gòu)，可以提升儲能系統(tǒng)的蓄能穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)能源的合理利用[2]。

開發(fā)太陽能電池儲能系統(tǒng)，并將其與現(xiàn)有電網(wǎng)組織相結(jié)合，必將成為可再生能源的未來主流發(fā)展方向。完整的太陽能儲能系統(tǒng)能源轉(zhuǎn)化方式如圖1所示。

圖1 太陽能儲能系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)化方式Fig.1 Energy conversion mode of solar energy storage system

對于太陽能儲能系統(tǒng)的研究需要考慮以下因素：

（1）儲能量的時(shí)間變化：太陽能電池板的實(shí)時(shí)輸出功率會隨時(shí)間的變化而不斷變化，因此在設(shè)計(jì)太陽能電池儲能系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮時(shí)間變化對能源存儲量的影響。

（2）電池儲能環(huán)境的變化：溫度、濕度等外界條件的變化，會造成太陽能電池的蓄電能力發(fā)生改變，故在設(shè)計(jì)太陽能電池儲能系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量維持儲能環(huán)境的穩(wěn)定性。

（3）能源管理策略：太陽能電池儲能系統(tǒng)具有極為可觀的發(fā)展前景，既能夠高效轉(zhuǎn)化太陽能，也可以對儲能資源進(jìn)行高效利用，但若不能完善對能源的管理策略，依然有可能導(dǎo)致能源浪費(fèi)的問題。

2 基于非線性互補(bǔ)算法的電池儲能收斂性分析

2.1 太陽能儲能的等價(jià)非線性互補(bǔ)

對于太陽能電池儲能系統(tǒng)而言，等價(jià)非線性互補(bǔ)是指太陽能轉(zhuǎn)化量、電池元件儲能量在耗能級別方面保持等價(jià)狀態(tài)，且二者功率曲線均表現(xiàn)出非線性變化狀態(tài)。由于太陽能是將系統(tǒng)外部能源轉(zhuǎn)化為可供系統(tǒng)組織利用的能量，而電池元件儲能則是以其他形式對系統(tǒng)內(nèi)部能源進(jìn)行存儲，二者的表現(xiàn)行為相反，所以非線性互補(bǔ)只是對能耗數(shù)值的描述，并不涉及能源信號的轉(zhuǎn)化形式[3]。

對于太陽能儲能等價(jià)非線性互補(bǔ)標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算，參考公式(1)。

ξ表示等價(jià)儲能系數(shù)，x表示太陽能轉(zhuǎn)化量，c表示電池元件儲能量，ω表示非線性利用效率。

2.2 收斂性計(jì)算

收斂性是對太陽能電池儲能系統(tǒng)實(shí)時(shí)儲能效率的描述，基于非線性互補(bǔ)算法可知，無論是太陽能轉(zhuǎn)化效率還是電池元件儲能效率，都不會表現(xiàn)出持續(xù)上升的變化趨勢，當(dāng)二者瞬時(shí)功率接近極大值時(shí)，其后續(xù)功率水平會在一段時(shí)間的穩(wěn)定狀態(tài)后，開始不斷下降，而這個穩(wěn)定數(shù)據(jù)就是太陽能電池儲能系統(tǒng)的儲能效率收斂值。

設(shè)σ表示太陽能轉(zhuǎn)化參數(shù)，M表示電池元件的瞬時(shí)儲能參數(shù)，v?表示太陽能電池儲能系統(tǒng)的儲能效率收斂值。在上述物理量的支持下，聯(lián)立公式(1)，可將基于非線性互補(bǔ)算法的太陽能電池儲能系統(tǒng)收斂性計(jì)算式表示為

如果太陽能電池儲能系統(tǒng)運(yùn)行過程中，儲能功率發(fā)生了多次變化，那么儲能效率收斂值計(jì)算結(jié)果也會隨之出現(xiàn)多次變化。

3 太陽能電池儲能系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建模與設(shè)計(jì)

3.1 電池儲能元件

電池儲能元件是太陽能電池儲能系統(tǒng)的核心運(yùn)行模塊，具有DC/DC、DA/AC 兩種不同的運(yùn)行模式，具體結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 電池儲能元件結(jié)構(gòu)模型Fig.2 Structure model of battery energy storage components

對于電池儲能設(shè)備來說，DC/DC運(yùn)行模式下，變壓器的瞬時(shí)能耗能夠得到有效控制，太陽能變換器中的振蕩行為足以驅(qū)動能源信號的濾波傳輸，從而滿足系統(tǒng)的儲能需求；DA/AC運(yùn)行模式下，電池儲能設(shè)備完整轉(zhuǎn)存能源信號所需時(shí)間較長，故太陽能轉(zhuǎn)化器對于太陽光的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化效率也就相對較低，能源信號的濾波傳輸行為較為平穩(wěn)，變壓器元件所消耗能源能夠得到有效控制，系統(tǒng)變現(xiàn)出快速儲能的運(yùn)行狀態(tài)。

3.2 動態(tài)儲能模型

動態(tài)儲能模型是指在考慮環(huán)境和時(shí)間變化的情況下，對太陽能電池儲能系統(tǒng)的建模和分析。在太陽能電池儲能系統(tǒng)中，動態(tài)儲能模型可以用于模擬蓄電池充放電過程、能量傳輸以及儲能管理等方面。規(guī)定?表示太陽能電池的動態(tài)化儲能系數(shù)，l→表示太陽能資源的動態(tài)轉(zhuǎn)化向量，dmax表示電池元件的最大瞬時(shí)儲能量，dmin表示最小瞬時(shí)儲能量，聯(lián)立上述物理量，可將太陽能電池儲能系統(tǒng)的動態(tài)儲能模型表達(dá)式定義為

基于非線性互補(bǔ)算法建立動態(tài)儲能模型時(shí)，可以結(jié)合仿真軟件和數(shù)學(xué)建模思想，模擬太陽能電池的儲能過程，并根據(jù)能源信號的實(shí)際存儲與消耗情況，評估系統(tǒng)的效率與運(yùn)行能力，從而完成對儲能系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論與展望

通過上述分析可知基于非線性互補(bǔ)算法的太陽能電池儲能系統(tǒng)的優(yōu)越性如下：

（1）太陽能轉(zhuǎn)化效率得到保障，能源浪費(fèi)問題能夠得到較好解決；

（2）在推動可再生能源發(fā)展方面提供了全新的研究思路。

（3）應(yīng)用非線性互補(bǔ)算法有助于協(xié)調(diào)太陽能電池儲能系統(tǒng)的儲能模式，使其在轉(zhuǎn)化高效可再生能源的過程中，始終保持穩(wěn)定的蓄電能力。

未來，相關(guān)組織機(jī)構(gòu)可以在此網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，針對太陽能電池儲能系統(tǒng)的應(yīng)用展開深入研究，并探索更多的技術(shù)手段和優(yōu)化策略，以推動可再生能源快速發(fā)展為目標(biāo)，進(jìn)一步提高儲能系統(tǒng)的運(yùn)行效率與穩(wěn)定性。