供电系统中高能效低能源技术研究——以太阳能供电为例

陈楷文

（国网江苏省电力有限公司高邮市供电分公司， 江苏 扬州 225600）

0 引言

传统火力发电厂在供电期间会释放大量温室气体与少量有害气体，长时间运作必然会对大气环境与生态环境产生破坏。近年来，诸多具有节能性、可再生性的高能效低能源技术得到了有效发展，也为我国后续的能源技术研究奠定了坚实的技术基础，其中，太阳能供电取得的成果也较为显著。但是因为太阳能光伏处理效率受外界因素影响严重，太阳光照射强度在不同时间、不同地点均不尽相同，导致太阳能供电存在极强的不稳定性。近年来，国内外诸多学者针对光储方面展开研究，储能系统可利用峰谷价格差节省电费，从而在一定程度上保障了供电系统的电能质量与供电可靠性，太阳能供电逐步朝向“自产自销”和“就地消纳”方向发展。因此，主要采用光伏及其控制系统搭配储能系统的设计，在需要电能的时候进行供电。这种情况下可在一定程度上实现白天发电、夜晚供电的相对平稳的太阳能供电过程。在这种情况下，不仅能有效提高供电系统的处理稳定性，也能在一定程度上减少市电价格。

1 光伏及其控制系统设计

1.1 光伏系统

光伏系统中各光伏阵列串并联组成了一个个发电单元，而光伏阵列是由光伏电池串并联组成。太阳能供电原理主要是利用半导体材料的光伏效用积累光能，由材料光子区激发电子并进行分离后产生的电动势现象。主要采用CEC/Wisconsin 参数模型进行计算，等效电路图如图1 所示。

图1 中：lph为光生电流；lD为暗电流；lL为负载电流；Uoc为开路电压；RS为串联电阻；RSH为旁路电阻。在标准条件下忽略电路电阻时，标准条件下光照辐射度Snom=100 W/m2、温度Tnom=25 ℃[1]。

等值电路模型对光伏阵列的公式表达如下：

式中：UOC、lsc为标准条件下的电压值与短路电流值；Um、lm为标准条件下的电压值、电流值（最大功率条件下）；A为系数；C为模型参数值；UL、Uoc表示为非标准条件下的L线路与总线路电压值；In表示为n线路电流值。

因为该公式只能计算标准条件下的各项数值，对于实际情况来说存在不适配性。因此，需要将使用公式进行情况转化，设标准条件下光照辐射度为Snom、标准条件下温度数值为tnom，进行一般工况下额定参数修正：

式中：U′OC、l′sc为一般工况下的开路电压与电流；l′m、U′m为一般工况下电压值温度修正系数以及电流值温度修正系数，β 为辐照度修正系数（最大功率条件）。

与此同时，光伏阵列的电压与电流关系、电压与功率关系的输出特性可由实用模型表达，具体如图2所示。

由图2 可知，光伏出力效率受日照强度、大气温度等外部环境因素影响。因此，在实际情况中就要求太阳能供电始终保持最大输出功率、随时跟踪太阳能供电最大功率点，才能保证光伏系统的发电效率。在本次研究中，供电系统在太阳能优先原则下必须要求光伏发电始终保持在最大值。但是太阳能发电会随着外界条件与负载情况进行调整，因此采用扰动观察法对太阳能最大功率点进行跟踪。扰动观察法的动态情况如图3 所示，其中Pm为最大功率点。

图3 扰动观察法的动态过程

1.2 控制系统

本设计方案采用太阳能供电优先原则，因此太阳能供电作为供电系统的主要电源应合理协调太阳能、市电与蓄电池之间的协调性。光伏系统的控制策略图如图4 所示。

图4 光伏系统控制策略

由图4 可见，控制系统主要由MPPT、驱动门极的驱动电路、PWM电路、电压以及电流调节器等方面构成[2]。其中，MPPT 控制器与电压调节器是保持太阳能光伏电池最大功率的主要控制构件。

2 储能系统及其控制系统设计

2.1 储能系统

对于太阳能储能供电来说，如电容、储能以及蓄电池等方面都能按照系统需求变化进行灵活改变。主要采用蓄电池充放电方式，作为光伏发电系统处于最大功率点时的充放电系统，并以加强可靠性、成本性、技术性作为设计方向。系统结构如图5 所示。

图5 储能充放电系统结构

由图5 所示，主要以DC/DC 开关电源作为设计方向，并将其安装至光伏阵列与蓄电池之间，从而能够满足太阳能供电过程中光伏阵列的最大功率点跟踪。对控制电路进行实时测量可确定最适合MPPT 策略的光伏阵列电压、电流值。蓄电池检测电路可以对蓄电池放电过程提供保护，还可以通过检测母线两端电压完成充放电模式的切换。

2.2 控制系统

电流控制是蓄电池充放电过程中的关注重点。因为太阳能供电工作本身极易受到其他特殊属性的影响，如果没有控制系统进行有效防护，则很有可能使蓄电池的使用寿命、容量以及使用效能受到损害。在蓄电池充放电过程中的重点在于电池两侧端电压的变化情况，如果两侧端电压增加至设定值时则会自动结束充放电。如果两侧端电压低于设定值时则开启充电过程[3]。其中，主要由蓄电池两端电压设定值来切换充放电的工作模式。其充电放电结构图如图6 所示。

图6 储能充放电系统

随着日照强度的增高，系统中的光伏阵列能量值更大，此状态下就可由系统独自完成供电。如果电量出现剩余则由蓄电池对多余电量进行存储。这种工作模式也可称之为“光电互补模式”。

3 仿真性能分析

在本设计系统中，预计期限为20 年，年利率为6.83%。系统所选地点的年平均太阳辐射量为4.61 kW·h/（m2·d）[4]。主要利用HOMER 软件设计了太阳能光伏板双轴跟踪模式，预留出10%左右的方向功能满足任何临界条件下的基站负载。表1、表2 结合了NPC 基站能量需求、制定出了宏基站和微基站的相关技术参数。

表1 宏基站的缩放参数

表2 微基站的缩放参数

主要研究预期旨在满足更高的太阳能能源供电需求，因而需要配置更高容量的太阳能光伏板。另外，还有研究发现太阳能光伏板容量随日照强度的增加而减小。原因可能在于太阳能光伏板在较强日照强度下能够在短时间内产生更多能量[5]。另外，因为宏基站与微基站的电池、转换器、电网等设备最佳尺寸保持不变，所以也能得出结论“电网潮汐太阳能光伏系统无需改变组件尺寸就能达到最大功率点。”另外，因为本文所选研究位置具有较高的日照强度，太阳能光伏板除了在标准条件下以外也能产生更多的能源力量。与此同时，太阳能光伏板在不同基站条件下产生的年能量如图7 和图8 所示。

图7 不同带宽的能量

图8 不同辐射量的能量

由图7、8 可知，不同基站下产生的太阳能年能量数值需求呈现出明显不同，macro 2/2/2 基站与其他基站相比的需求能量更高[6]。太阳能光伏板的供电量为了满足基站负载要求，就必须要结合系统带宽增长，灵活调控太阳能光伏板的发电量。

供电系统提供的能量如图9 所示。

由图9 可见，所有基站曲线都呈现出显著的上涨趋势。这种鲜明说明电网能耗与系统频带宽值存在正相关联系。与此同时macro2/2/2 基站的电网能耗更加显著，此现象说明该基站所需能量更多[7]。因为基站的睡眠模式所能节能的平均能量情况如图10 所示。

图10 平均能量节省情况

由图10 可见，基站平均能量节省情况与本文设计预期相差不大，且基站节能曲线随基站睡眠时间增长呈线性增加。与此同时，系统带宽数值越大则代表着节能量数值越高。在10 MHz 的带宽条件下基站在日照强度最低时间段进行睡眠，每年大约可节能1 100 kW·h。

基于光伏系统、供电系统、储能系统以及独立太阳能光伏设计的三种供电方案技术标准如表3 所示[8]。

表3 BW=10 MHz 时不同供电方案的技术标准比较

由表3 可见，在macro2/2/2 基站配置下太阳能光伏供电在供电系统中的净费用和现金交易费用相比于单机系统来说分别节省9.1%与11.02%。此外，几乎每年还能节省约88%的碳排放量。

4 结论

基于太阳能供电的不稳定缺点进行研究，并得出以下结论：

1）设计出的带有储能装置的光伏与供电系统联合供电的发电系统能够有效平衡市电与太阳能供电之间的不平稳性。

2）为了满足基站的负载需求太阳能光伏发电效率需要结合系统带宽进行正相关线性增长。与此同时，基站的节能曲线与基站睡眠时间也呈正相关态势。

3）太阳能光伏联合蓄电池系统的出力情况较为显著，也能有效降低供电系统能耗。系统后续对可再生能源的收集也能进一步保障能源的可持续发展。

4）经过对macro 2/2/2、macro omni 和micro 配置的模型计算，进一步验证了系统的最佳结构。后续研究重点主要在于大规模系统应用下数据的海量增长处理，并确定系统处理能力能否满足需求。因此，如何加强计算效率、提高太阳能供电的稳定性将成为后续主要考虑的问题之一。