基于實(shí)際需求的小型獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

程琳　唐毅　都小利　錢文　陳朔

摘要：為提高獨(dú)立光伏系統(tǒng)的供電可靠性和光伏利用率，該文針對(duì)所選取設(shè)計(jì)地的氣象數(shù)據(jù)，以及家用負(fù)載耗電量等條件，利用蓄電池容量計(jì)算式，計(jì)算系統(tǒng)中蓄電池放電小時(shí)率，并合理選擇蓄電池型號(hào)。在最大功率跟蹤條件下，根據(jù)光伏系統(tǒng)安裝地的實(shí)際地理、氣候、負(fù)荷情況，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)中光伏電池陣列容量進(jìn)行選擇合理配置。利用Matlab中的Simulink工具箱構(gòu)造小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)，通過在光照強(qiáng)度和負(fù)載變化的條件下，研究蓄電池的響應(yīng)特性和系統(tǒng)的功率平衡性能。仿真結(jié)果證實(shí)，合理選擇蓄電池具備良好的充放電特性，能快速調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率滿足負(fù)載需求。

關(guān)鍵詞：光伏系統(tǒng)；蓄電池；光伏電池陣列；功率平衡

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2018）05-0125-05

0引言

能源是人類社會(huì)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力，在傳統(tǒng)化石能源不斷枯竭，環(huán)境污染逐漸加劇的情況下，尋找可持續(xù)的新型能源成為當(dāng)務(wù)之急。由于太陽能是一種可持續(xù)的清潔能源，已逐漸成為國際公認(rèn)的替代傳統(tǒng)能源的理想新能源之一。

獨(dú)立太陽能系統(tǒng)，目前多用于解決孤立島嶼、高原地帶或偏遠(yuǎn)山區(qū)人們的用電需求。這些偏遠(yuǎn)地方傳統(tǒng)電網(wǎng)的鋪設(shè)難度往往較大，電網(wǎng)鋪設(shè)成本較高，但通常具有豐富的太陽能資源：因此，設(shè)計(jì)合理的獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)可以有效幫助當(dāng)?shù)鼐用?。?dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用自發(fā)自用的孤網(wǎng)結(jié)構(gòu)，當(dāng)日照充足時(shí)，通過太陽能電池板的電子光照特性，太陽能被轉(zhuǎn)換成電能。并通過變換器和逆變器轉(zhuǎn)換成可用形式的電能為孤網(wǎng)中的負(fù)載供電，而多余的電能則被存儲(chǔ)在蓄電池中，當(dāng)日照不充分時(shí)則由蓄電池維持對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷供電。

隨著在一個(gè)區(qū)域所建立的獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)越來越多，為減少對(duì)能源的浪費(fèi)，有時(shí)人們會(huì)將多臺(tái)光伏發(fā)電單元組合或與其他能源發(fā)電共同組成“微電網(wǎng)”來滿足不同電力用戶的需求。為了對(duì)大電網(wǎng)進(jìn)行能源互補(bǔ)，有時(shí)也將微電網(wǎng)與大電網(wǎng)連接，這也給大電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。如果能夠根據(jù)單元的容量和本地負(fù)荷的大小，事先確定好合理的蓄電池容量，以及光伏電池陣列容量，那么當(dāng)小型發(fā)電系統(tǒng)所構(gòu)成的微網(wǎng)與大電網(wǎng)斷開時(shí)，不需要調(diào)節(jié)電網(wǎng)間的平衡關(guān)系，就能夠保持微網(wǎng)中電壓、頻率穩(wěn)定，這將是小型發(fā)電單元對(duì)大電網(wǎng)穩(wěn)定性的有利補(bǔ)充。因此，本文主要討論獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池容量和光伏電池陣列容量設(shè)計(jì)，采用獨(dú)立小型家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)，通過計(jì)算系統(tǒng)中蓄電池容量和光伏電池陣列容量，保證在不同下當(dāng)?shù)刎?fù)光照及氣溫下，對(duì)系統(tǒng)中負(fù)荷的不間斷供電，從而提高系統(tǒng)供電質(zhì)量的可靠性。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指大電網(wǎng)無法控制的自給供電系統(tǒng)。

1蓄電池容量確定

蓄電池在獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)日照充足而用電量較少時(shí)，起電能儲(chǔ)存作用；當(dāng)日照不充足，用電量較大時(shí)，蓄電池將釋放電能，從而維持系統(tǒng)中重要負(fù)荷的穩(wěn)定工作。市面上常見的蓄電池種類有鋰電池、鉛酸蓄電池、堿性蓄電池、鎳氫電池等。鋰電池價(jià)格昂貴，且單體大容量技術(shù)尚不成熟；鎳氫電池和鎳鎘電池價(jià)格高且具有容量保持效應(yīng)，影響電存儲(chǔ)容量。綜合考慮成本及容量最優(yōu)化，目前在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中主要采用鉛酸蓄電池。

小型獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性受蓄電池容量影響。蓄電池容量是指蓄電池在規(guī)定條件（包括放電強(qiáng)度、放電電流及放電終止電壓）下放出的電量多少或放電時(shí)間長(zhǎng)短，單位為A·h或A·min。本文選取了昆明作為設(shè)計(jì)地點(diǎn)。昆明地處云貴高原中部，每年的平均氣溫約為16.5℃，每年的平均降雨量約為1 450mm。據(jù)統(tǒng)計(jì)全年平均連續(xù)陰雨天數(shù)2.8 d，陰雨天數(shù)比例35.9%。昆明具體氣候條件如表1所示，可以看出，昆明日照條件并不優(yōu)秀，所以在設(shè)計(jì)過程中蓄電池容量選擇非常重要。

本文所設(shè)計(jì)的家用光伏系統(tǒng)，需要考慮家用電器負(fù)載用電量。表2為家用電器的典型負(fù)載電量。

根據(jù)表2，綜合考慮用電設(shè)備的同時(shí)用電和系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，10kW左右的負(fù)荷即可滿足一般使用，日均用電量8kW·h左右。蓄電池容量計(jì)算如下式所示：

因此，本文設(shè)計(jì)的獨(dú)立太陽能系統(tǒng)中蓄電池容量為1 210A·h?？紤]系統(tǒng)中負(fù)荷端的電壓為48 v，因此本文選用GFM-1200（2）型鉛酸蓄電池。

2光伏電池陣列容量設(shè)計(jì)

對(duì)于硅基太陽能電池功率的選擇需要根據(jù)當(dāng)?shù)厝照涨闆r進(jìn)行。因此，先計(jì)算當(dāng)?shù)氐拿咳杖照掌骄?。每天?biāo)準(zhǔn)的日照有效時(shí)間計(jì)算如下式所示：

（3）假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)日照強(qiáng)度為1 000W/m²，式中H為每日能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)日照強(qiáng)度的平均小時(shí)；K_H為轉(zhuǎn)換系數(shù)，為1/3600≈2.78×10^-4；HD為每日平均的日照量，根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，昆明歷年來日照總量在5×10⁴kJ/m²左右，經(jīng)計(jì)算：5×10⁶/365=1.37×10⁴kJ/m²，日均日照量為1.37×10⁴kJ/m²；K_op為斜面修正系數(shù)，上述所有日照量都建立在假設(shè)太陽直射的情況下，而實(shí)際情況中，太陽光照直射位置常與光伏電池板存在夾角，K_op根據(jù)所在地緯度不同在0.9-0.99之間變化，本課題選擇的昆明位于北緯25。，本文取值為0.96。由此可得：

H=0.96×2.78×10^-4×1.37×10⁴≈3.66 h

太陽能電池陣列的輸出功率為

（4）式中：Q_L——負(fù)載日耗電量，W·h，經(jīng)上文計(jì)算可知本文的負(fù)載為8000W·h：

K_L——取值為1.1；

K_r——系統(tǒng)中開關(guān)電路對(duì)能源損耗，取值為1.2；

η_c——電池在充電與放電狀態(tài)時(shí)的效率，一般為0.9。

計(jì)算得：

根據(jù)計(jì)算，本文選用太陽能電參數(shù)如表3所示。

3仿真分析

由于光伏陣列電池多為硅太陽能電池，并且其通常是由許多較小單位的光伏電池串并聯(lián)組合而成的。因此，通過對(duì)光伏電池的串并聯(lián)交替組合可以得到期望的直流電壓和電流。由此可得到光伏陣列的輸出特性方程：

在式（5）中I_ph，I₀，R_s可以通過表3提供的短路電流I_sc、開路電壓V_oc、工作電壓V_m和工作電流，I_m，帶入數(shù)學(xué)模型分別求出。用數(shù)學(xué)軟件Matlab/Simulink建立的光伏電池仿真模型如圖2所示。這種模型可以封裝成通用的仿真模塊，通過模擬改變不同光照強(qiáng)度得到光伏電池輸出伏安特性曲線。

在溫度不變的情況下（25℃），改變?nèi)照諒?qiáng)度，分別為1 000，800，600，400 W/m2，I-U曲線和P-U曲線如圖3所示。

從圖3（a）可看出，在仿真測(cè)試時(shí)如果氣溫保持不變，日照強(qiáng)度從1 000 W/m²下降到400 W/m2時(shí)，系統(tǒng)中的電流也從8A下降到3.2A左右。圖3（b）證明，日照強(qiáng)度對(duì)系統(tǒng)輸出功率的影響，最大功率點(diǎn)從270W下降到90W。由此可見，光照強(qiáng)度會(huì)對(duì)光伏電池的工作性能造成影響。

為證實(shí)蓄電池對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率平衡性能，在變化的光照和負(fù)載條件下，蓄電池光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)做了仿真，仿真搭建模型如圖4所示。

仿真前，假設(shè)系統(tǒng)已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，蓄電池容量按照表2參數(shù)設(shè)計(jì)。假定工作溫度為25℃，負(fù)載為10kW不變，起始光強(qiáng)為1 000W/m²，在4 s時(shí)下降到800W/m²，8 s時(shí)又回升到1000W/m²。設(shè)置仿真時(shí)間為12 s，仿真結(jié)果如圖5所示。

如圖所示，在4s前，光伏模塊發(fā)電功率為5.3kw，無法滿足10kW負(fù)載所需用電量，只能通過蓄電池放電來提供4.7kw的功率偏差，在4 s后，光照下降，蓄電池中電量下降更快，發(fā)出功率更多。光伏電池和蓄電池保證了10 kw負(fù)載所需用電量。在光照變化瞬間，負(fù)載用電功率有一定波動(dòng)，但能很快穩(wěn)定，蓄電池響應(yīng)快速。

設(shè)置獨(dú)立光伏系統(tǒng)工作在25℃，光照強(qiáng)度1 000W/m²保持不變，起初負(fù)載為10kw，在5 s時(shí)下降為3 kW，在10 s時(shí)恢復(fù)到10kw。設(shè)置仿真時(shí)間為15 s，系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖可見，在5 s前，蓄電池工作在放電模式，輸出功率滿足10kw負(fù)載用電。5 s后，負(fù)載減小到3 kw，而光伏模塊發(fā)電功率為5.3 kw，多余的發(fā)電功率存儲(chǔ)在蓄電池內(nèi)，蓄電池工作在充電模式。10 s后，負(fù)載增大到10kw，蓄電池再次放電。光伏電池和蓄電池能夠保證變化的負(fù)載用電需求，在負(fù)載擾動(dòng)瞬間，負(fù)載用電功率曲線能快速穩(wěn)定、波動(dòng)很小。在變化的光照和負(fù)載條件下，所設(shè)計(jì)的獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的性能，該系統(tǒng)的仿真結(jié)果可為將來的工程放大應(yīng)用提供很好的設(shè)計(jì)依據(jù)。

4結(jié)束語

在對(duì)獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證系統(tǒng)在不同氣溫、不同日照條件下工作的穩(wěn)定性，需要結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際地理情況以及系統(tǒng)中負(fù)荷功率對(duì)太陽能電池陣列、蓄電池參數(shù)進(jìn)行合理選擇。當(dāng)太陽能電池陣列的容量選用過大時(shí)，不僅會(huì)造成對(duì)電網(wǎng)建設(shè)資金的浪費(fèi)，而且蓄電池會(huì)長(zhǎng)期處于充電、飽和狀態(tài)，加速蓄電池的老化。而相反，當(dāng)太陽能電池陣列選用容量太小時(shí)，會(huì)造成能量的流失，系統(tǒng)中重要負(fù)荷斷電等情況，影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本文利用Matlab建立獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)，通過變化的光照和負(fù)載條件，考察所配置的蓄電池與太陽能電池對(duì)系統(tǒng)功率平衡性能的影響。仿真結(jié)果證實(shí)合理選擇蓄電池能夠快速響應(yīng)，并可有效調(diào)節(jié)系統(tǒng)輸出功率滿足負(fù)載需求。

（編輯：莫婕）