独立光伏发电储能技术探析

内蒙古润蒙能源有限公司 吕 媛

目前，独立光伏发电储能系统中较为常用的储能部件为镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、铅酸蓄电池，其中，镍镉蓄电池多用于高寒户外独立光伏发电储能系统的构建工作中，镍氢蓄电池被广泛应用于太阳能路灯、草坪灯等小型光伏储能系统中，而我国大部分地区光伏发电储能系统应用的储能核心部件为铅酸蓄电池。为保证独立光伏发电储能系统在应用过程中能够满足本公司的具体需要，本文分析了独立光伏发电系统的构成、储能结构的原理以及系统运转的主要作用，并开展了镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、铅酸蓄电池的比较工作，最终做出相关决定。

1 本公司独立光伏发电储能系统的选择

独立式光伏发电系统一般由光伏列阵、光伏控制器、充电控制器、储能系统、变换器、负载等部分构成，在应用过程中光伏发电系统转化的电能有三个流向：流向储能系统，通过存储电能的方式在必要时为负载提供电力资源；通过模数/数模转换器直接为直流负载供电；通过直流/交流变换器为交流负载供电[1]。

1.1 储能系统的结构原理

为保证光伏发电并网后电力资源的稳定供应，需要为其配备专门的储能系统。图1为独立光伏发电储能系统的电路模型图，图中：Rs指的是储能系统的内部串联电阻，包括储能系统的体电阻、电池表面电阻等，一般阻值小于1Ω；Rsh指的是储能系统的内部并联电阻，一般阻值大于几千欧姆；Iph指的是光子产生的电流，该电流能够被近似为光伏电池短路时的电流，电流大小与光伏列阵的面积、太阳光辐射强度之间存在着直接的联系；ID指的是流经储能系统二极管的电流；IL指的是太阳能光伏储能系统的输出电流。

图1 独立光伏发电储能系统电路模型图

结合图1中信息，将储能系统输出电流整合为方程：IL=Iph-Io（eqv/(AKT)-1），其中：Io指的是光伏发电模块PN 结的反向饱和电流，其数量为10-4；K是Boltzmann 常数，计算时有K=1.38×10-23J/K；q指的是储能系统光伏发电过程中的电子电荷量，有q=1.6×10-19C；v指的是电荷的运动速度；T指的是绝对温度；A指的是储能系统中二极管的品质因数，其取值一般在1～5。

1.2 储能系统的主要作用

独立光伏发电系统需要配置专门的储能系统：首先存储多余的电能，其次利用钳位功能提升负荷电压输出的稳定性，最后通过为光伏发电系统提供启动电流的方式，保证光伏发电系统正常运转。

储存电能。在光伏并网后，为了满足电网对于电能的需要，光伏发电系统需要为电网提供稳定持续的电能，但是在实践中，光伏列阵中大部分独立光伏系统产生的电能与负载与并网标准之间存在差别。同时，在阴天、夜间等情况下，光伏发电系统的电能供应量远低于电网的供电需要。为解决上述问题，需要为光伏发电系统安装专门的储能系统，在储存多余电能的同时实现电能总输出情况的有效调节。

电压钳位。受光伏发电系统本身特性的限制，光伏发电系统的工作状态会受到太阳辐射强度、温度等因素的影响，若光伏发电系统与负载直接连接到一起，那么负载的电压并不能一直处于最佳工作电压附近，这不仅降低了负载工作的稳定度，还使得光伏发电系统的整体运转效率有所下降。为解决这一问题，可以使储能系统成为连接光伏发电系统与负载之间的桥梁，发挥光伏发电系统工作电压的钳位作用，确保负载工作电压处于最佳电压范围内。

提供启动电流。光伏发电系统在运转时往往需要较大的启动电流，光伏组件的发电电流会受到太阳辐射强度、最大短路电流等因素限制的影响，在光伏发电初期，光伏列阵无法满足自身对于启动电流的需要。现阶段，为保证光伏列阵能够持续稳定地发电，储能系统可以在短时间内为发电负载提供约为额定工作电流5～10倍的电流，为光伏发电设备的正常运转提供支持[2]。

1.3 储能电池的分类

镍镉蓄电池。正极由氢氧化镍构成，负极由镉金属构成，在发生充放电反应时电池内部的反应液为氢氧化钾溶液。具体来说，在充电时该电池内部发生化学反应如下：Cd(OH)2+2Ni(OH)2—Cd+2NiO(OH)+2H2O，放电时电池发生如下反应：Cd+2NiO(OH)+2H2O—Cd(OH)2+2Ni(OH)2。

镍氢蓄电池。正极材料为镍氢化合物、负极为储氢合金，反应液为碱性电解液。在将其应用于光伏发电储能系统中以后，在光伏系统向储能系统储存电能时发生充电反应：MH+NiO(OH)—Ni(OH)2+M；在储能系统为负载供电时发生放电反应：Ni(OH)2+M—MH+NiO(OH)。其中：Ni(OH)2指的是氢氧化镍，NiO(OH)指的是氧化氢氧化镍，M 指的是储氢合金，MH 指的是吸附了氢原子的储氢合金。

铅酸蓄电池。在光伏发电储能工作中，铅酸蓄电池的工作原理为：蓄电池放电时电池内发生化学反应，充电时蓄电池内发生反应[3]。

2 独立光伏发电储能系统的比较分析

为了满足光伏发电系统高效率充放电、长寿命、低价格、运维管理难度低的要求，本公司在进行当前的独立光伏发电储能系统构建工作前，对上述三种储能电池进行了综合比较，确定了构建储能系统的核心部件，具体比较结果如表1所示。对表1中数据加以统计可以发现。

表1 不同蓄电池的实验比较情况

在正常工作条件下，镍镉蓄电池的充放电电容量效率在67%～75%、最大值仅为75%，镍氢蓄电池的充放电容量在55%～65%、最大值仅为65%，而铅酸蓄电池的充放电电容效率为90%。因此，可以认为铅酸蓄电池的充放电容量效率最好；对这几种蓄电池进行比较后可以发现，相较于铅酸蓄电池，镍氢蓄电池、镍镉蓄电池的使用寿命均比较长。

自放电率指的是蓄电池在不工作情况下失去电荷的速率，从表1中可以了解到，镍氢蓄电池、镍镉蓄电池的自放电率均高于铅酸蓄电池。同时，受蓄电池本身性质的影响，在高温条件下蓄电池的自放电效率会有所提升，因此若独立光伏发电储能系统的使用环境较为炎热，那么铅酸蓄电池的电荷流失率更少，更能满足工作需要。

对蓄电池的单位Wh 价格加以比较，可以发现镍氢蓄电池、镍镉蓄电池的价格均高于铅酸蓄电池，且镍氢蓄电池的单位Wh 价格约为铅酸蓄电池的3～4倍，镍镉蓄电池单位Wh 是铅酸蓄电池的2倍。因此在构建储能系统时，铅酸蓄电池作为核心储能部件的系统造价更低。

在比较不同蓄电池的应用特点后，可以发现镍氢蓄电池、镍镉蓄电池有着更好的耐过充能力，因此在构建储能系统时这两种蓄电池的操作电路更为简便。同时，这两种电池即便在-20℃的环境下，均能以1C 放电速率大电流放电，且放出的电量也能在储存电量的85%左右。

因此，在高寒环境下光伏发电储能系统应用的蓄电池主要为镍氢蓄电池、镍镉蓄电池，但是在环境温度超过40℃时，镍氢蓄电池、镍镉蓄电池的充电效率不仅会随温度的提高而降低，电池出现电池漏液问题的可能性也将提高。因此，镍氢蓄电池、镍镉蓄电池更多地被应用于太阳能路灯、草坪灯等小型光伏发电储能系统中，在降低小型光伏发电储能系统电路复杂性的同时，实现储能系统运维管理成本的有效管控；铅酸蓄电池更多地被应用于大型光伏发电储能系统中，在降低储能系统构建成本的同时，满足大规模光伏发电并网工作的需要[4]。

3 超级电容器的结构及应用效果

本文构建的超级电容器结构模型如图2所示，其中C表示等效电容，ESR表示等效串联电阻，EPR表示等效并联电阻。考虑到在储能系统中的超级电容器漏电电流远小于工作电流，因此在分析时忽略等效并联电阻，将超级电容的结构模型简化为图3。

图2 超级电容器结构图

图3 简化后超级电容器结构图

3.1 超级电容器的应用特性

容量特性。在独立光伏储能系统构建工作中，超级电容器的电容值并不是一个固定值，而是在最大电压与最小电压之间发生微小的变化，在实际研究工作中，应用微分电容的概念表示电容的不同电压范围。在特定时刻，超级电容器的微分电容为：C=I×（dt/dv），其中：C指的是电容值；I指的是电容电流；dt/dv指的是单位时间内电压的变化率。

充放电效率特性。在25℃条件下对超级电容不同电流情况下的充放电效率加以测定，发现超级电容的安时损失较小，并且即便储能系统中的电流变化较大，电容的安时效率也保持相对平稳的状态[5]。

3.2 超级电容器的应用仿真

为了解将超级电容器融入独立光伏储能系统后的效果，需要对铅酸蓄电池安装超级电容器前后的工作情况加以模拟仿真。在仿真工作中，利用直流电源DC 为铅酸蓄电池供电，储能系统设计为桥式电路，并在桥式电路中配备IGBT 功率管，电路中的变压器选择双绕组隔离型变压器，缓冲量测电源的电压，降低干扰对测试结果准确性的影响，在电路中安装储能电感，以便达到储能、释能的目的。同时，为提升仿真测试法工作中电压输出的稳定性，本公司的研究人员先应用相移控制技术对IGBT 管加以管控，再应用移相控制技术控制四个桥臂的运转状态，确保零电压开关能够顺利转化。

通过对模拟仿真过程中蓄电池的充电波形加以分析的方式得知，在充电状态下，蓄电池可以通过双向DC/CD 变化期快速充电，且充电电压与蓄电池的电压基本一致。由于充电过程中电压的波动范围较小，因此充电过程中的能量损耗偏低。这一情况的出现不仅满足了蓄电池的充电需求，延长了蓄电池的使用寿命，还保证了紧急状态下蓄电池为负载供电的安全，提升了独立光伏储能系统的应用可靠性与安全性。

在分析蓄电池放电状态下的波形后，得知在放电状态下蓄电池的输出放电电压基本与直流母线电压一致，且输出电压较为稳定。因此，认为应用相移控制技术控制DC/CD 变换器的IGBT 管，不仅有助于缩短蓄电池输出电压达到标准电压的时间，还能延长蓄电池的使用寿命[6]。

对上述研究加以分析，确定超级电容器在铅酸蓄电池储能系统构建工作中有着较高的应用价值，不仅可以保证储能系统运转的稳定性，还能达到延长储能系统使用寿命的目的。