基于实际需求的小型独立太阳能发电系统设计与研究

程琳　唐毅　都小利　钱文　陈朔

摘要：为提高独立光伏系统的供电可靠性和光伏利用率，该文针对所选取设计地的气象数据，以及家用负载耗电量等条件，利用蓄电池容量计算式，计算系统中蓄电池放电小时率，并合理选择蓄电池型号。在最大功率跟踪条件下，根据光伏系统安装地的实际地理、气候、负荷情况，对发电系统中光伏电池阵列容量进行选择合理配置。利用Matlab中的Simulink工具箱构造小型太阳能发电系统，通过在光照强度和负载变化的条件下，研究蓄电池的响应特性和系统的功率平衡性能。仿真结果证实，合理选择蓄电池具备良好的充放电特性，能快速调节系统输出功率满足负载需求。

关键词：光伏系统；蓄电池；光伏电池阵列；功率平衡

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2018）05-0125-05

0引言

能源是人类社会发展的核心驱动力，在传统化石能源不断枯竭，环境污染逐渐加剧的情况下，寻找可持续的新型能源成为当务之急。由于太阳能是一种可持续的清洁能源，已逐渐成为国际公认的替代传统能源的理想新能源之一。

独立太阳能系统，目前多用于解决孤立岛屿、高原地带或偏远山区人们的用电需求。这些偏远地方传统电网的铺设难度往往较大，电网铺设成本较高，但通常具有丰富的太阳能资源：因此，设计合理的独立太阳能发电系统可以有效帮助当地居民。独立光伏发电系统结构如图1所示。系统采用自发自用的孤网结构，当日照充足时，通过太阳能电池板的电子光照特性，太阳能被转换成电能。并通过变换器和逆变器转换成可用形式的电能为孤网中的负载供电，而多余的电能则被存储在蓄电池中，当日照不充分时则由蓄电池维持对电网负荷供电。

随着在一个区域所建立的独立太阳能发电系统越来越多，为减少对能源的浪费，有时人们会将多台光伏发电单元组合或与其他能源发电共同组成“微电网”来满足不同电力用户的需求。为了对大电网进行能源互补，有时也将微电网与大电网连接，这也给大电网的安全、稳定运行提出了挑战。如果能够根据单元的容量和本地负荷的大小，事先确定好合理的蓄电池容量，以及光伏电池阵列容量，那么当小型发电系统所构成的微网与大电网断开时，不需要调节电网间的平衡关系，就能够保持微网中电压、频率稳定，这将是小型发电单元对大电网稳定性的有利补充。因此，本文主要讨论独立光伏发电系统中蓄电池容量和光伏电池阵列容量设计，采用独立小型家用太阳能发电系统，通过计算系统中蓄电池容量和光伏电池阵列容量，保证在不同下当地负光照及气温下，对系统中负荷的不间断供电，从而提高系统供电质量的可靠性。独立光伏发电系统是指大电网无法控制的自给供电系统。

1蓄电池容量确定

蓄电池在独立发电系统中，当日照充足而用电量较少时，起电能储存作用；当日照不充足，用电量较大时，蓄电池将释放电能，从而维持系统中重要负荷的稳定工作。市面上常见的蓄电池种类有锂电池、铅酸蓄电池、碱性蓄电池、镍氢电池等。锂电池价格昂贵，且单体大容量技术尚不成熟；镍氢电池和镍镉电池价格高且具有容量保持效应，影响电存储容量。综合考虑成本及容量最优化，目前在太阳能发电系统中主要采用铅酸蓄电池。

小型独立太阳能发电系统的工作稳定性受蓄电池容量影响。蓄电池容量是指蓄电池在规定条件（包括放电强度、放电电流及放电终止电压）下放出的电量多少或放电时间长短，单位为A·h或A·min。本文选取了昆明作为设计地点。昆明地处云贵高原中部，每年的平均气温约为16.5℃，每年的平均降雨量约为1 450mm。据统计全年平均连续阴雨天数2.8 d，阴雨天数比例35.9%。昆明具体气候条件如表1所示，可以看出，昆明日照条件并不优秀，所以在设计过程中蓄电池容量选择非常重要。

本文所设计的家用光伏系统，需要考虑家用电器负载用电量。表2为家用电器的典型负载电量。

根据表2，综合考虑用电设备的同时用电和系统供电的稳定性，10kW左右的负荷即可满足一般使用，日均用电量8kW·h左右。蓄电池容量计算如下式所示：

因此，本文设计的独立太阳能系统中蓄电池容量为1 210A·h。考虑系统中负荷端的电压为48 v，因此本文选用GFM-1200（2）型铅酸蓄电池。

2光伏电池阵列容量设计

对于硅基太阳能电池功率的选择需要根据当地日照情况进行。因此，先计算当地的每日日照平均值。每天标准的日照有效时间计算如下式所示：

（3）假设标准日照强度为1 000W/m²，式中H为每日能达到标准日照强度的平均小时；K_H为转换系数，为1/3600≈2.78×10^-4；HD为每日平均的日照量，根据气象数据，昆明历年来日照总量在5×10⁴kJ/m²左右，经计算：5×10⁶/365=1.37×10⁴kJ/m²，日均日照量为1.37×10⁴kJ/m²；K_op為斜面修正系数，上述所有日照量都建立在假设太阳直射的情况下，而实际情况中，太阳光照直射位置常与光伏电池板存在夹角，K_op根据所在地纬度不同在0.9-0.99之间变化，本课题选择的昆明位于北纬25。，本文取值为0.96。由此可得：

H=0.96×2.78×10^-4×1.37×10⁴≈3.66 h

太阳能电池阵列的输出功率为

（4）式中：Q_L——负载日耗电量，W·h，经上文计算可知本文的负载为8000W·h：

K_L——取值为1.1；

K_r——系统中开关电路对能源损耗，取值为1.2；

η_c——电池在充电与放电状态时的效率，一般为0.9。

计算得：

根据计算，本文选用太阳能电参数如表3所示。

3仿真分析

由于光伏阵列电池多为硅太阳能电池，并且其通常是由许多较小单位的光伏电池串并联组合而成的。因此，通过对光伏电池的串并联交替组合可以得到期望的直流电压和电流。由此可得到光伏阵列的输出特性方程：

在式（5）中I_ph，I₀，R_s可以通过表3提供的短路电流I_sc、开路电压V_oc、工作电压V_m和工作电流，I_m，带入数学模型分别求出。用数学软件Matlab/Simulink建立的光伏电池仿真模型如圖2所示。这种模型可以封装成通用的仿真模块，通过模拟改变不同光照强度得到光伏电池输出伏安特性曲线。

在温度不变的情况下（25℃），改变日照强度，分别为1 000，800，600，400 W/m2，I-U曲线和P-U曲线如图3所示。

从图3（a）可看出，在仿真测试时如果气温保持不变，日照强度从1 000 W/m²下降到400 W/m2时，系统中的电流也从8A下降到3.2A左右。图3（b）证明，日照强度对系统输出功率的影响，最大功率点从270W下降到90W。由此可见，光照强度会对光伏电池的工作性能造成影响。

为证实蓄电池对独立光伏发电系统的功率平衡性能，在变化的光照和负载条件下，蓄电池光伏储能系统做了仿真，仿真搭建模型如图4所示。

仿真前，假设系统已达到稳态，蓄电池容量按照表2参数设计。假定工作温度为25℃，负载为10kW不变，起始光强为1 000W/m²，在4 s时下降到800W/m²，8 s时又回升到1000W/m²。设置仿真时间为12 s，仿真结果如图5所示。

如图所示，在4s前，光伏模块发电功率为5.3kw，无法满足10kW负载所需用电量，只能通过蓄电池放电来提供4.7kw的功率偏差，在4 s后，光照下降，蓄电池中电量下降更快，发出功率更多。光伏电池和蓄电池保证了10 kw负载所需用电量。在光照变化瞬间，负载用电功率有一定波动，但能很快稳定，蓄电池响应快速。

设置独立光伏系统工作在25℃，光照强度1 000W/m²保持不变，起初负载为10kw，在5 s时下降为3 kW，在10 s时恢复到10kw。设置仿真时间为15 s，系统仿真结果如图6所示。

由图可见，在5 s前，蓄电池工作在放电模式，输出功率满足10kw负载用电。5 s后，负载减小到3 kw，而光伏模块发电功率为5.3 kw，多余的发电功率存储在蓄电池内，蓄电池工作在充电模式。10 s后，负载增大到10kw，蓄电池再次放电。光伏电池和蓄电池能够保证变化的负载用电需求，在负载扰动瞬间，负载用电功率曲线能快速稳定、波动很小。在变化的光照和负载条件下，所设计的独立太阳能发电系统表现出良好的性能，该系统的仿真结果可为将来的工程放大应用提供很好的设计依据。

4结束语

在对独立太阳能发电系统设计时，为了保证系统在不同气温、不同日照条件下工作的稳定性，需要结合当地实际地理情况以及系统中负荷功率对太阳能电池阵列、蓄电池参数进行合理选择。当太阳能电池阵列的容量选用过大时，不仅会造成对电网建设资金的浪费，而且蓄电池会长期处于充电、饱和状态，加速蓄电池的老化。而相反，当太阳能电池阵列选用容量太小时，会造成能量的流失，系统中重要负荷断电等情况，影响供电系统的稳定性。本文利用Matlab建立独立太阳能发电系统，通过变化的光照和负载条件，考察所配置的蓄电池与太阳能电池对系统功率平衡性能的影响。仿真结果证实合理选择蓄电池能够快速响应，并可有效调节系统输出功率满足负载需求。

（编辑：莫婕）