农村地区光储联合发电技术浅析

孙瑞娟 李旱雨

摘 要 新能源在农村地区得到大力推广是因为其具有供电灵活、不需要远距离输送等特性，还可以缓解偏远山区以及孤立地区的供电设施老化、维护不及时等问题。将光伏和储能相互结合，但又使其相互独立，可以避免其中一部分故障导致系统崩溃等问题的出现。基于此，从光伏发电环节、储能环节、储能控制环节、光储联合发电系统运行4个方面对农村地区光储联合发电研究内容进行概述。

关键词 光储联合;农村电力;控制

在农村或偏远地区进行电力建设和电网发展依然有以下4个主要问题：1）如果使用传统的常规能源，从供电端到负荷端电网建设跨度大、距离远、线路损耗高;2）由于环境和气候的影响，电网及终端设备需要更高的耐受度以增长使用寿命;3）操作者的技术低可能会造成故障监控和消除均受到制约，还易造成人员的损伤;4）物资及人工成本的上升，从一定程度上增大了设备成本核算。

因此设计并推广农村地区光储联合、生物质联合或风光联合等模式的新能源发电方式一直是农业电气人的主要工作之一。表1是近5年农村电力生产情况，从一个侧面说明农村电力建设基本呈现增长状态，不论是发电设备还是发电量，增长程度较为明显。但是总容量和变电站规模依然不够大，对于实现农业现代化的目标来说，还是有差距的。基于此，介绍农村地区光储联合发电的相关原理和技术特点，为推动新能源在农村地区得到大力推广提供参考。

1 光伏发电环节概述

1.1 光伏发电原理

如果太阳光照在储能元件上，且光被吸收，携带大量能量的光子可以使PN结中的电子从原有的共价键之中扯出，发生正负电荷配对，之后产生电流。与界面层相邻的电子和空穴将由复合材料前空间电荷的电场分开。带负电荷的电子向带有正电的区域移动，带有正电荷的空穴向带有负电的区域移动，由于两种带电粒子的移动，P结和N结之间就产生了一个可以被仪器检测到的微弱电压，然后将电极添加到硅片的两侧并连接到电压表，这样就可以检测到电压在PN结之中的移动，带电粒子越多，所产生的电流就越大。照射在光伏发电板上的光照时间越长，太阳能蓄电池的体积越大，在PN结之中产生的可流动电荷越多，产生的电流越大[1]。

1.2 光伏电池输出特性

就目前的储能技术来看，可以分为物理手法和化学手法2大类储能技术。在物理方面的储能技术中，对地理条件以及场地的要求较为严格，建设电厂太局限，所以不太适合与太阳能发电之类的新能源发电形式配合使用。在化学方面的储能技术有各种各样的固体电池、液体电池等。比较常见的如铅酸电池等固体电池，一般寿命不是很长，存储的容量也不是很大，没有办法做到深度的充电和放电，且这种电池维护起来很复杂，稍有不慎就会起火甚至有爆炸的危险。因此，这种电池也无法和较大的太阳能发电等新型能源电厂配合使用。

20世纪末，国际上开始将磷酸铁锂作为制作蓄电池的材料，直到21世纪初，才逐渐成熟。磷酸铁锂作为蓄电池的材料，不仅相对安全，还可以使用很长时间不损坏。用磷酸铁锂供电更加可靠，主要体现在5个方面：1）可以保证在使用时是安全的，磷酸铁锂很耐高温，不会在充电或者放电时产生安全问题;2）这种电池可以使用很长时间，解决了以前不停更换电池的缺点;3）该电池不会对环境造成任何污染，基本满足了国家对环保的要求;4）普通锂电池只能在温度波动范围较小的地方工作，而磷酸铁锂电池可以在高低温环境内进行较长时间的工作;5）磷酸铁锂电池的性价比较高，如果使用时出现问题，可以很快修复或是更换。

图1和图2是在全暗和恒光两种条件下，对太阳电池外加偏压的伏安特性测试。全暗时太阳电池等价于一个PN结，恒光时太阳电池正常工作且有最大功率点。

2 储能环节概述

通常决定储能电池容量的因素有2个：1）把能量转化能力即太阳能转化成电能的能力，也就是储能电池的能量转化和接受的能力;2）用户的用电量，对能量的获取量太大，不但会对能源造成浪费，还会使储能电池长期处于过度充电的状态。若用电设备和蓄电池不相匹配，就会出现对用户的能源供给不足或者剩余电量较多的浪费情况。因此，合适的容量不仅是对储能电池的保护，也是对用户供电的保障，还可以降低设备投入成本[2]。

现阶段，在其他领域使用铅蓄电池都是之前设计并计算好使用量，按照原有的计划方案按部就班地实行，并且在使用中可以人为调节数据以控制使用，经过调整就可以使其达到最佳的使用状态。但是太阳能系统中的储能部分补充能源的过程是不能被人完全控制的，尽管其中含有作为控制的元件，但是也摆脱不了天气因素所导致的发电波动。这一不稳定因素，对于储能电池来说是非常危险的。

对于铅蓄电池来说，充电时对于电量接收的百分比是一个非常重要的数据，这一项数据对于所有储能电池都是十分重要的。因为从太阳能转化成电能的转化率较低，因此对转化而来的电能的储存率要求就更为严格。铅蓄电池对于电能的接收百分比和其使用周期是相关的，如果电能的接收能力不理想，就会直接对其使用周期造成影响。因此，对于存储电池的充电率问题，有必要进行重点研究。

3 储能控制环节概述

3.1 直流侧接入式

直流侧接入是将储能的系统连接到储能的专属控制器，再与光伏发电的系统相连接，最后连接上逆变系统。在这种情况下，整个太阳能发电系统和储存能量的系统都通过直流的方式，将能量相互传递，实现两个系统同时输出电能、两个系统一起并网、两种系统分别并网的形式。这样的连接方式可以避免太阳能发电输出也不太稳定的弊端。

3.2 交流侧接入式

交流侧接入则是利用了两种逆变的类型，将太阳能电站发出的功率与储能系统发出的功率分别进行逆变，也就是将太阳能电站与储能系统分别接入总电网。这样将储能系统单独接入电网中的方式，优点有很多：如母线提供的电压很不稳定，不能接入总电网时，储能系统就可以迅速调节母线的输出功率，把母线的电压稳定下来。这种连接系统的方法特别适合输出量非常大，且储能系统也非常大的新能源电厂并网的情况。如图2所示，为交流侧接入系统示意图。

4 光储联合发电系统运行状态

主电网正常工作时，太阳能发电系统和储能系统在并网条件下工作，太阳能电池所产生的电压，经变压器升高，最终汇聚在母线上，为了使母线功率始终保持在最大点工作且状态稳定，可以采用最大功率点追踪法。该方法可以通过调整负载曲线以满足系统的输出效率最高，是光伏发电中常用的功率处理方式[3]。

太阳能发电系统可以在最大功率点追踪模式、恒压模式、不工作模式中工作，储能系统可以在充电模式、放电模式、不工作模式中工作。为了确保光伏发电系统和储能系统的正常运行，使主电网中的电压、功率稳定，储能系统负荷状态和充放电工作处于最大功率模式，工程中通常把太阳能发电系统和储能系统的工作状态组合在一起。

参考文献：

[1] 陈芳.光储微电网孤岛系统储能控制措施探讨[J].中国科技博览，2015（46）：34.

[2] 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛，等，太阳能光伏发电及其应用[M].北京：北京科学出版社，2005.

[3] 王成山，杨占刚，武震.一个实际小型光伏微网系统的设计与实现[J].电力自动化设备，2011，31（6）：6-10.

（責任编辑：刘昀）