小功率光伏发电储能系统的研究

白小奇 陈凯 王康

摘要：本文研究的主要内容是小功率光伏发电储能系统，首先分析了小功率光伏发电储能系统的组成以及具体应用，其次对储能设备及其原理展开深入分析，最后对小功率光伏发电储能系统的软件设计展开探讨。希望通过本文的研究，为小功率光伏发电储能系统的发展做出一定的贡献。

关键词：小功率;光伏发电;储能系统

Abstract：The main content of this paper is the low-power photovoltaic power storage system. First，the composition and specific application of the low-power photovoltaic power storage system are analyzed. Secondly，the energy storage equipment and its principles are analyzed in depth，and finally the low-power photovoltaic power generation Discussion on the software design of energy storage system. It is hoped that through the research in this article，we can make a certain contribution to the development of low-power photovoltaic power generation and energy storage systems.

Keywords：low power; photovoltaic power generation; energy storage system

人类社会长期存在并继续发展的基础就是能源。目前，人类使用的能源以化石能源为主，但是化石能源的形成需要千百万年，并且会对环境产生破坏。为此，全世界都认识到开发新能源的重要性。太阳能作为地球一切能量的来源，在未来很长的时间内都将一直存在，无穷无尽地为人类提供生存必须的能量，而小功率的光伏发电系统就是利用太阳能的典型案例。

1.小功率光伏发电储能系统的组成及应用

1.1太阳能电池

太阳能电池这一设备可以将接收到的太阳能转化为电能。在太阳能电池中，最基本的模块是单体，每一个单体由一个单晶硅片制成。太阳能电池就是由数量不等的单体组成，单体根据负载的情况在模块之间进行串联连接或者并联连接，进而为用户提供需要的电能。

1.2光伏发电控制器

为了提升太阳能电池发电的效率，可以使用光伏发电控制器。同时这种设备可以保证储能设备在正常的状态下运行。就输出特性来说，太阳能电池与日照的强度、温度存在着密切的关系。在储能过程中，不能直接使用蓄电池充电的方式进行，那样会导致电能的浪费。此外，在蓄电池充电时必须保证电压处于稳定的状态，如果出现电压不稳的状况会直接导致蓄电池的使用寿命骤减。为了延长蓄电池的寿命，需要借助引入控制器控制电压[1]。

1.3储能设备

储能设备的最大用处便是可以在日照充足的时候将能量存储起来，待到阴雨连绵或者夜晚时使用。储能设备必须应对特殊的系统放电环境，为此储能设备需要具备强大的放电能力、长久的使用寿命以及极低的自放电率，即未处于使用状态下尽量避免放电。现阶段，光伏发电系统中比较常用的是铅酸蓄电池，但是这种蓄电池最大的劣势在于使用寿命较短，因此其应用的广泛性受到了限制。为了创造出性能更加优越的光伏发电储能设备，各方都在积极进行光伏发电的相关研究[2]。

1.4升压电路

在负载工作时，需要对小功率光伏储能系统的蓄电池输出的电压进行升压，这是为了满足负载工作高电压的要求。光伏发电系统在一些较为偏远，较为落后的地区可以充分发挥出优势，帮助这些地区进行基础设施建设，使这些地区可以花费较低的成本完成光伏发电系统的建设工作。同时，在城市的交通指示系统中也可以发挥出光伏储能系统的作用，一些交通信号指示灯可以在天气条件好时进行储能，在阴雨天释放。一些对光照要求不高的地方也有光伏发电的应用。

小功率的光伏发电储能设备在几年间的发展过程中逐渐强化了控制技术，并且在现实的应用中成绩斐然，但是在实际应用中也显露出一些问题。比如，小功率光伏发电设备缺少后期的维护，一些位于偏远地区的电信号发射台存在监管上的盲区，即出现了难以继续使用问题，也无人进行后期管理。此外太阳能的电池输出效率本就不高，再加上蓄电池放电的管理不善，导致太阳能电池的使用寿命骤然降低[3]。

现阶段对小功率光伏储能设备的实时监测研究不多，但是在未来，随着自动控制技术的逐渐成熟，对光伏发电系统影响的逐渐深入，储能设备将逐渐变得更加自动、更加高效也更加智能。

2.儲能设备及其原理

在小功率的光伏发电储能系统中，蓄电池是一个关键的部分，蓄电池有两个作用，其一是为光伏发电系统提供多余电能的存储，其二是对负载进行供电。只有深入分析和研究管理储能设备的方法，并提出适合的充放电管理方法，才能提高小功率光伏发电储能系统的工作效率。

2.1蓄电池荷电状态

这一状态就是蓄电池剩下的电荷量，也显示了蓄电池的蓄电能力。时间乘以放电电流量等于蓄电池输出的电荷量。

式中：

Qd是蓄电池输出的电荷总量，In是放电电流在不同时刻的显示，而对应电流放电的持续时间是t1-tn。

外界的因素极易对铅酸蓄电池产生影响，因此为了测量铅酸蓄电池的电荷状态，只能采用估算，比如以下两种：

2.1.1安时计量法

在这种计算方法中，蓄电池成为了一个密闭的空间，在这一空间中充电和放电吸收、消耗的能量被不断记录。这一方法可以跳过蓄电池内较为复杂的化学反应，将化学反应变为电量进行监测即可。

但是这一算法存在固有的弊端，就是判断不精确蓄电池初始的SOC，这会随着蓄电池工作时间的增加而不断增加误差。同时这种计算方法很少考虑外部环境的各项因素，使得SOC的精准度很难得到保证。在蓄电池的内部，放电效率受到很多因素的影响，包括蓄电池本身的老化和电池温度的变化。以任意一块蓄电池为例，充电的电量和放电的电量不可能保持一致。这是因为在蓄电池充电的过程中，水解反应会消耗部分的电量，转化为热量并释放了出来[4]。

2.1.2电动势法

开路电压法是电动势法的前身，在静置的状态下，蓄电池内部的电化学反应将会逐渐衰弱，一直到化学能与电能之间产生平衡。此时在蓄电池正负极上的差值就是电动势，电动势数值的大小与开路电压值相等。

l荷电状态与电动势之间相互对应，因此在估算蓄电池的SOC时，可以另辟蹊径，从蓄电池的电动势入手。蓄电池SOC的值可以先行测量出蓄电池的内阻，之后计算出蓄电池的电动势，进而通过电动势与SOC之间的关系估算。但是使用这一方法不能考虑到蓄电池放电过程中的干扰因素，为了保证计算的精准，必须保证较高的电压信号检测精度[5]。

判断SOC的初始值可以结合上述两种方法，当两种方法结合起来考虑时，可以估算出精度较高的荷电状态。在恒流放电实验中，可以得到电动势与SOC之间的关系图。关系图呈曲线，将曲线分割成为众多小段，再用线性代替每一段，在连接时使用多段线性，为了使拟合出来的曲线与实际工作的曲线更为接近，可以增加分段的段数，但是这种做法要求直接提升传感器的精度要求，以及光伏发电控制器的计算量。为了避免这种负面影响，可以采用分割曲线化的方法。

2.2充电控制技术

现阶段，为蓄电池充电的方法多种多样，选择性大大拓宽。但是一些使用者拘泥守旧，不肯放弃传统充电方法，他们没有意识到使用传统的充电方法会导致充电电流过小，难以满足蓄电池可以接受的电流，导致充电的时间被迫延长。而将要充满电时充电的电流又会过大，蓄电池难以接受如此大的电流就会导致蓄电池的内部出现过快的放热现象，使得电池的温度陡然提升，对蓄电池的使用寿命产生不利影响[6]。

在充电的过程中，蓄电池有着极为特殊且错综复杂的输入特性，在充电的过程中，蓄电池内部会产生复杂的、非线性的变化，产生的充电曲线将随着充电速率的变化而产生变化。为了延长蓄电池的使用寿命，必须掌握科学的充电控制技术。将充电策略进行优化可以大大提升蓄电池的使用寿命，不会减少蓄电池的使用寿命，还会额外减少使用成本。

美国科学家在20世纪对蓄电池的充电进行了大量的实践研究，最终得出了快速的充电曲线这一不影响蓄电池容量和使用寿命的曲线图，具体见图3所示。

在蓄电池充电的过程中，可承受的充电电流与充电的时间成反比。这是因为在充电的过程中，蓄电池内部逐渐形成极化电阻，对充电过程产生了阻碍。极化的现象并不是自始至终存在，而是需要蓄电池的电压达到一个阈值之后，才会开始出现。鉴于此，蓄电池在充电过程中可以在未出现极化现象时使用较大的电流，而在出现极化现象之后使用较小的电流。这样便可以在提高蓄电池充电效率的同时，减少蓄电池受到的损伤，以延长蓄电池的使用寿命[7]。

软件设计

3.1故障诊断程序设计

记录设备在运行过程中产生的状态信息以及数据库中的原始数据，两者之间进行对比可以发现一定的差异，而这些差异往往就是故障所在。一旦判断为故障，相应的故障代码就会经由控制器发送到上位机中，接下来便会采取相应措施予以解决，减少光伏发电系统受到的二次伤害。

（1）太阳能电池

判断光伏发电系统的当前工作状态可以参照太阳能电池输出的电压和电流。户外一般是太阳能电池工作的主要场所，因此太阳能电池在工作的过程中必然会面对各种各样、难以预测的外界环境的干扰，这些干扰会严重影响太阳能电池的工作状态和工作效率。为此必须通过检测太阳能电池的状态，保证太阳能时刻处于正常的状态下运行，一旦通过监测发现太阳能电池板出现任何问题，可以在第一时间解决，这样在最大程度上保障了太阳能电池可以在安全的状态下运行。

（2）蓄电池

在小功率光伏发电储能系统中，蓄电池是一件十分复杂的器件，它的各项成本最高，并且极易产生损坏。当蓄电池受到损害时，系统电源的稳定性不能得到保障，会严重影响蓄电池的正常使用。为此在判断蓄电池故障时，需要检测蓄电池的状态，并分析传感器的数据与其之间的关系。在此基础上，以实际的运行背景为参照。

3.2充放电管理程序设计

外界的环境的复杂性会对光伏发电系统产生影响，比如太阳能电池的电压会随着时间的变化产生共鸣。蓄电池在光照充足的状态下，在电池的容量达到额定容量后，太阳能充电板仍然会为蓄电池充电，这必然会损伤蓄电池。在阴雨连绵的天气，光照条件不好的状态下，蓄电池又会过度放电，同样会对蓄电池造成损伤。为此，必须对从充电和放电两方面管理蓄电池[8]。

判断蓄电池当前的工作状态可以参照荷电状态，蓄电池的荷电状态受到温度影响很大。因此为了解决温度对蓄电池荷电状态判断的影响，充放电管理系统采用了温度补偿技术，这种方法有着巨大的优势，既可以使系统电源更稳定，也更加安全，可以使蓄电池得到保护，使用寿命也会得到增加。本研究的温度补偿系数选为3.3mV/℃，下面这一公式便显示出电压阈值发生的变化：

（3-1）

在公式中，修正之后的电压值使用Vtc表示;采集到的电压值使用Vn表示;补偿系数使用Tc表示;温度传感器测量的温度使用T表示;蓄电池的数量为N。蓄电池的电压选用12V，在温度为19摄氏度时，终止电压为11.02V，温度补偿之后的温度和电压见表1所示。

温度在19摄氏度时，是分界线，终止电压在大于19摄氏度时，经过温度补偿，电压的值会降低，当终止电压小于19摄氏度时，在温度补偿之后，电压的值会升高。

结束语

通过本文的研究可以得出以下结论，小功率光伏发电储能系统的组成及应用包括太阳能电池、储能设备以及升压电路等。储能设备及其原理包括蓄电池荷电状态和充电控制技术，其中前者的计算方法包括安时计量和电动势两种方法。在小功率光伏发电设备的软件设计中，需要设计故障诊断程序以及充电和放电管理程序。相信在不断的探索中，未来的小功率光伏发电系统将更加完备。

参考文献：

[1]张海涛，李文娟，向春游，等. 集成電池和抽水蓄能的联合储能系统的独立光伏系统研究[J]. 电工技术，2020（9）：5.

[2]李滨，高崇杰，吴思缘. 基于小波分析的光伏电站储能容量优化方法[J]. 电力系统及其自动化学报，2019，031（003）：35-41，49.

[3]王林清. 储能技术在光伏电站并网中的应用[J]. 电子乐园，2019（9）：1.

[4]李乐，段乐，闫斌斌，等. 光伏发电系统参与电网频率调节的研究[J]. 机电信息，2020，000（015）：42-43.

[5]张路，李宇青. 光伏储能系统的应用研究[J]. 轻松学电脑，2019，000（003）：1-1.

[6]王勋. 太阳能光伏发电制氢储能系统研究[J]. 轻松学电脑，2019，000（021）：P.1-1.

[7]李田珍，刘立勇，张良忠，等. 光伏发电及储能系统经济效益分析模型研究[J]. 中国锰业，2019（4）.

[8]时国平，钱叶册，孙佐. 直流微电网光伏发电储能系统的研究[J]. 绥化学院学报，2019，039（003）：139-141.