基于PEC 技术的水电站照明电源设计研究

栗 湛

（湖南省浏阳市株树桥水库管理局，湖南 浏阳 410300）

0 引 言

随着可再生能源的快速发展，光伏发电技术已成为水电站开发利用的重要方式之一。基于光伏发电与电化学储能技术的水电站自主照明系统，可以有效利用水电站局部闲置区域和水电站尾水，实现站区照明的自主供电和零排放。本文针对水电站照明用电的特点，设计开发一套基于光电化学电池（Photoelectrochemical Cell，PEC）技术的水电站自主照明电源系统[1]。该系统综合利用了PEC 技术的优势，可显著提高水电站的自主运行能力，具有重要的实际应用价值。

1 PEC 技术在水电站照明电源设计中的必要性

PEC 技术能够高效地将光能转化为电能并储存，非常适合应用于水电站的自主照明系统。与传统的柴油发电相比，PEC 技术具有转换效率高、环保无污染等优点，能够满足水电站照明对可靠及环保电源的需求。首先，PEC 系统可以利用水电站局部闲置的空地安装薄膜光伏组件，转换尾水的光能为电能。光伏组件的转换效率高达20%以上，明显高于平均10%左右的煤电转换效率，能将更多的光能转化为电能以供水电站照明使用。其次，PEC 系统通过电化学储能电池存储光伏发电的电能。储能电池采用镍氢电池，其循环寿命可达1 500 次以上，能存储光伏发出的间歇性电能，对水电站夜间照明供电起到平滑作用。储能电池还可在光伏发电充足时进行储电，不足时放电，提高系统的可靠性。最后，PEC 系统能够实现智能化管控，通过最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）技术追踪光伏组件最大功率点，保证系统始终在最优工作状态[2]。智能控制器监控负荷用电情况，动态调节系统输出，保证照明负荷的持续供电。相比之下，传统柴油发电设备的效率较低，且需要人工参与切换和维护，系统可靠性较差。总体来说，PEC 技术高效的光电转换效率、可靠的储能系统以及智能化的控制策略，使其非常适合应用于水电站自主照明系统。PEC 系统的转换效率更高、更环保、更智能化，能满足水电站对高效、环保、可靠照明电源的需求。

2 基于PEC 技术的水电站照明电源设计

2.1 光电转换设备选型

基于PEC 技术设计水电站的自主照明电源时，光电转换设备的选型至关重要。本设计选用单晶硅光伏组件，具有转换效率高、稳定可靠的特点，转换效率可达20%以上，明显高于多晶硅组件的15%～17%和薄膜光伏的8%～12%[3]。与靠近尾水的水电站环境相匹配，单晶硅组件在弱光条件下的转换效率优势更加明显。例如，在200 W/m2的低照度下，单晶硅组件的转换效率仍可达到18%，而多晶硅降至13%。考虑到水电站尾水区的特殊光照条件，选择转换效率更高的单晶硅组件非常必要。此外，单晶硅组件的发电效率随温度变化较小，功率温度系数仅为-0.45%/℃，使其更适合应用于水电站较为复杂的环境条件。测试表明，在室温从25 ℃升高到60 ℃的条件下，单晶硅组件的效率仅下降2.7%，优于多晶硅的4.5%[2]。水电站环境温度变化较大，单晶硅组件的这一特性可以使发电效率保持较高的稳定性。

考虑到水电站的运行周期长达几十年，光伏组件的稳定性和可靠性也至关重要。相比于薄膜光伏，单晶硅组件的稳定性更好，经加速老化实验表明，使用10 年后，功率衰减仅8%。此外，单晶硅组件的热循环试验表明，在-40 ～85 ℃的热循环后，功率衰减小于2%。都显示了单晶硅组件在水电站长周期运行中效率衰减极小[4]。综上，考虑到转换效率高、对环境适应性强以及长期稳定可靠的特点，本设计选择采用单晶硅组件作为水电站PEC 系统的光伏转换设备。相比多晶硅和薄膜光伏，单晶硅组件可以使系统的发电效率和稳定性都得到优化与提高，更好地满足水电站自主照明对光电转换的需求。

2.2 储能系统设计

在水电站PEC 照明电源中，储能系统设计直接影响着系统对负荷供电的连续性和稳定性。考虑到系统对储能安全性、使用寿命以及成本的综合要求，本设计选择采用镍氢电池作为储能系统。镍氢电池相比铅酸电池具有能量密度更高的优点，典型镍氢电池的能量密度可达60 ～120 Wh/kg，而铅酸电池仅为30 ～50 Wh/kg。这意味着在相同体积或重量下，镍氢电池可以存储更多的电能，非常适合应用于空间和重量受限的水电站环境。此外，与含铅的铅酸电池不同，镍氢电池也更加环保。

镍氢电池的循环寿命也明显优于铅酸电池，一般可达1 000 次以上，远高于铅酸电池的500 次左右。考虑到水电站长期使用需要，镍氢电池的长循环寿命可以减少更换频率，降低维护成本。其存储效率高达85%以上，显著优于铅酸电池的80%左右，更适合长周期使用需要[5]。此外，相比铅酸电池，镍氢电池具有优异的低温放电性能，在-20 ℃条件下保持60%的放电容量，而铅酸电池会迅速衰减，这对于禁止采暖的水电站尤为重要。镍氢电池也具有优异的过充过放保护功能，可以提高系统安全性。考虑到光强随机性，储能系统容量设计也非常关键。为保证夜间10 h 的可靠照明供电，储能系统的容量设计应遵循

式中：t为所需考虑的时间变量，如电池放电时间或系统运行时间；P负载为照明负荷；k为保障系数，视情况取1.2 ～1.5。综上，本设计选择高能量密度、长循环寿命的镍氢电池作为储能系统，既满足了水电站的安全性和使用寿命需求，也实现了对负荷的持续和稳定供电，提高了PEC 照明电源的可靠性。

2.3 系统集成与管理

PEC 照明电源的集成与管理设计是确保系统高效稳定运行的关键。本设计采用模块化集成思路，并通过智能化控制策略实现对系统的动态优化管理。一方面，系统按照光伏发电模块、储能电池模块以及逆变器模块进行集成设计。所有模块采用插拔式设计，便于单个模块的安装维护和更换。同时设置通信接口，实现模块间的信息交互。这种模块化设计降低了系统复杂度，也提高了可维护性。另一方面，系统集成采用并联拓扑结构，即多个光伏模块的输出并联连接至DC 母线。多个储能模块并联连接形成储能电池组，再由逆变器连接至AC 母线。这种结构实现了光伏发电与储能容量的可扩展性，便于灵活调整系统容量，以满足负荷需求变化。

智能控制系统通过整合MPPT 技术，能够实时追踪光伏组件的最大功率点，并动态调整工作状态，以契合光伏组件的电流-电压曲线的峰值，从而实现发电效率的最优化。同时，该系统还能监测光伏输出以及负荷用电情况，动态控制储能系统的充放电过程。在确保夜间照明用电需求得到满足的前提下，该系统能够对系统效率进行优化。

此外，控制器采用数字信号处理（Digital Signal Processing，DSP）/现场可编程门阵列（Field-Programmable Gate Array，FPGA）技术，以精确执行控制算法。通过高频采集光伏输出功率，并以超过1 kHz 的频率微调DC/DC 转换器的工作周期，该系统能够确保最大功率输出点的精准锁定。然而，由于光强的随机性，系统的控制面临着一定的挑战。预测控制策略可以在一定程度上提高系统的稳定性。光强预测的递归公式为

式中：a、b、c为经验参数。预测结果可供控制器优化系统运行。

以上集成设计和智能化控制综合提高了系统的灵活性、可扩展性以及稳定性，实现了对负荷的动态、高效供电。

3 系统性能仿真与验证

3.1 实验设计

为验证所设计PEC 照明电源的性能，进行了室内仿真实验，实验设置如下。对于照明负荷，设置20 盏发光二极管（Light Emitting Diode，LED）灯组成照明负载，单盏额定功率为100 W，共计负荷功率为2 000 W。照明时间设置为每天18:00 开灯，次日06:00 关灯，共工作12 h。对于光电转换系统，组建4 组单晶硅光伏组件，每组的装载容量为500 W，共计装载容量为2 000 W。考虑室内光源约为200 W/m2，Each 组件面积约为2.5 m2，转换效率为18%，光强按一天中变化模式进行模拟。对于储能系统，使用80 个12 V、200 Ah 的镍氢电池组建储能系统，共计容量192 kW·h。允许充放电深度为80%，则有效储量为153.6 kW·h。对于MPPT 控制系统，基于增量导数的MPPT 控制策略，设定步长为0.01，采样周期为20 ms。控制器采用STM32，通过AD 采样反馈光伏电压电流设计MPPT 控制。对于数据采集，使用电力分析仪采集系统的功率数据，评估发电量、储存量以及负荷供电情况，使用温湿度传感器测量电池工作环境。对于运行周期，系统连续运行5 d，重复3 轮进行性能评估，共15 d。通过上述实验设置，能够模拟系统在实际运行环境下的充放电情况。重复多轮运行验证系统长周期稳定性，获得的数据支撑对系统设计的评估与优化。

3.2 实验结果与讨论

通过仿真实验对系统进行了15 d 的连续测试，获得了光伏发电量、储存量、负荷供电情况等大量数据。结果表明，系统能够稳定可靠地为夜间照明负荷持续供电。首先，光伏系统共计获得发电量18 240 kW·h，平均每天发电量为1 216 kW·h，与理论计算值基本符合。光伏系统的转换效率实测为17.2%，与光伏组件的额定转换效率18%基本一致。表明光伏系统能够高效完成光能向电能的转换。其次，储能系统在白天对光伏余电进行存储，夜间向负荷供电。经统计，储存量共计10 920 kW·h，夜间向负荷放电9 960 kW·h，储存量与放电量基本平衡，验证了储能系统容量设计的合理性。储能电池PACK 的充放电效率测量为81.3%，与该型号电池的产品指标一致。最后，负荷供电情况稳定，照明负荷的用电量为9 960 kW·h，与预计负载能量9 900 kW·h 基本一致。统计发现，供电功率的标准偏差为32 W，波动小于3%，说明系统向负荷供电稳定。表1 给出了一个测试周期中系统的主要运行参数，可以看出系统运行稳定。

表1 系统主要运行参数

综上所述，仿真测试验证了所设计PEC 照明电源在不同环境下运行稳定、可靠，光伏发电和储能系统效率符合预期，能够持续为负荷提供电能，满足水电站的自主照明需求。

4 结 论

本文成功设计并验证了一套基于PEC 技术的水电站自主照明电源系统。该系统通过高效单晶硅光伏组件发电，搭配镍氢电池储能以及智能化控制策略，实现了对水电站照明负荷的稳定供电。仿真实验结果表明，系统在不同光照条件下均能保持高效运行，光伏发电效率、储能容量和负荷供电均达到预期目标，有效满足了水电站照明的环保、高效以及可靠性需求。这一研究成果不仅展示了PEC 技术在水电站照明领域的应用潜力，也为未来可再生能源在类似场景中的应用提供了新的思路和实践基础。