新型市電互補光伏系統(tǒng)的設計與應用

朱德志，張春仙

(1.鎮(zhèn)江高等專科學校電子與信息工程系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003;2.鎮(zhèn)江拓新電力電子有限公司技術(shù)部，江蘇 鎮(zhèn)江 212009)

光伏系統(tǒng)大體上分為離網(wǎng)系統(tǒng)和并網(wǎng)系統(tǒng)模式。在使用市電不方便或使用對環(huán)保性有一定要求的設備或設施時可以采用離網(wǎng)系統(tǒng)模式供電。離網(wǎng)系統(tǒng)分為獨立型光伏系統(tǒng)和市電互補光伏系統(tǒng)［1］。

獨立型光伏系統(tǒng)(見圖1)是野外和海島經(jīng)常采用的供電方案，設計時必須考慮陽光資源最少的冬季及特殊季節(jié)的“連續(xù)陰雨天”問題，故需設計足夠數(shù)量的太陽能組件陣列和蓄電池。

圖1 獨立型光伏系統(tǒng)示意圖

傳統(tǒng)市電互補光伏系統(tǒng)(見圖2)可以在獨立型光伏系統(tǒng)電源和市電電源中自動切換。作為次要負載的直流負載供電的可靠性同樣受到陽光條件的限制，作為主要負載的交流負載供電的可靠性由于作為備用的市電電源的確保而得到很大提高。系統(tǒng)蓄電池的備用天數(shù)在最長陰雨天的基礎上可以適當縮短，減少了蓄電池數(shù)量，降低了項目造價，有利于光伏系統(tǒng)的推廣和應用。

圖2 傳統(tǒng)市電互補光伏系統(tǒng)示意圖

1 小區(qū)路燈系統(tǒng)設計方案概述

筆者在鎮(zhèn)江新區(qū)大港“紫竹苑”小區(qū)中設計并運用了新型市電互補光伏系統(tǒng)［2］，詳見圖3。

圖3 新型市電互補光伏系統(tǒng)示意圖

1)新型市電互補光伏系統(tǒng)采用雙向逆變器，可以提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。該系統(tǒng)在光伏發(fā)電不足的情況下不僅自動把負載電源切換到市電供電，而且由雙向逆變器對直流負載進行供電，能夠同時確保交流負載和直流負載的供電可靠性。

2)新型市電互補光伏系統(tǒng)在滿足交流負載安全供電的同時，由雙向逆變器可以對直流負載和蓄電池供電，從而大幅度減少蓄電池數(shù)量和備用天數(shù)，降低系統(tǒng)成本。

3)新型市電互補光伏系統(tǒng)用市電對蓄電池自動補電和養(yǎng)護［3］，延長了蓄電池的壽命，減少了蓄電池更換次數(shù)，從而降低了使用成本。

新型市電互補光伏系統(tǒng)相比傳統(tǒng)市電互補光伏系統(tǒng)，節(jié)約了人力、物力和財力，是離網(wǎng)光伏系統(tǒng)在實際應用中降低成本的一種重要探索。

2 小區(qū)智能市電互補光伏系統(tǒng)設計

系統(tǒng)的設計需要實現(xiàn)以下功能:1)系統(tǒng)交流和直流母線必須確保供電不間斷。2)能夠自動啟動和停止路燈。3)系統(tǒng)不斷檢測蓄電池和光伏發(fā)電情況。蓄電池電壓不足且光伏發(fā)電不足時，系統(tǒng)自動切換由市電供電，并對蓄電池補電和保養(yǎng);蓄電池或光伏供電滿足負載需求時，由光伏或蓄電池對負載供電。

在太陽能陣列設計時，還需要考慮屋頂承載能力，選定的設備房間需要考慮樓板的承重能力。

2.1 路燈設計

作為主要負載的小區(qū)路燈照明系統(tǒng)要求設計照度符合小區(qū)道路要求，照明不能有死角。經(jīng)過整體路燈排布后，初步設計路燈系統(tǒng)為170盞25 W的LED節(jié)能路燈。

2.2 系統(tǒng)參數(shù)估算

RETscreen上美國國家航天航空局(NASA)公布的中國鎮(zhèn)江按年平均的每日水平面輻射值為3.88 kW·h/d。詳見圖4。

圖4 NASA數(shù)據(jù)

1)鎮(zhèn)江氣象局提供的數(shù)據(jù)為年均太陽輻射量4 577 MJ·m－2·a－1)。折算日均日照小時約為4 h，H2=4 h/d。

2)負載功率ZW=25 W×170盞=4 250 W?？紤]20%的線損和其他損失，所需功率約為5 312 W。負載的工作時間長度為H1=12 h/d。

3)蓄電池組電壓VZ=216 V(綜合考慮設備電壓范圍和傳輸損耗后確定)。

4)組件組串工作電壓VW=324 V(綜合考慮蓄電池電壓和單塊組件工作電壓后確定，詳見后面組件陣列設計說明)。

5)蓄電池放電深度為70%。

6)連續(xù)陰雨天數(shù)為2 d(新型市電互補系統(tǒng)可以把蓄電池備用時間由傳統(tǒng)的7 d縮短到2 d)。

2.3 蓄電池容量估算

按蓄電池容量估算公式進行計算［3］，蓄電池單體選擇為24 V，200 Ah，蓄電池組共需要72塊電池，9串8并后連接成蓄電池組接入控制器。

2.4 組件陣列設計

選用的峰值輸出功率為180 WP標準單晶組件單片工作電壓為36 V，本系統(tǒng)蓄電池組電壓VZ為216 V，考慮充電問題，組件組串電壓應在280 V以上。需要9塊組件串聯(lián)后電壓VW為324 V。

組件組總功率WP計算公式為

按式(2)計算結(jié)果，組件配置為180 WP組件162塊，進行9串18并后連接成組串后接入控制器。

2.5 控制器選型

1)蓄電池電壓為216 V。2)組件總功率為30 kW。3)最大充放電電流為90 A。4)選擇陽光公司的SD220150型號控制器作為控制核心。

2.6 逆變器選型

1)組件總功率為30 kW。2)最大充電電流為90 A。3)負載最大放電電流為24 A。4)選擇相應的雙向逆變器產(chǎn)品。

2.7 系統(tǒng)設計

按照功能需求進行電氣接線圖設計［4］。圖5為經(jīng)過優(yōu)化設計后的本項目系統(tǒng)接線原理圖。

圖5 系統(tǒng)接線原理圖

按照路燈的功能需要進行路燈控制系統(tǒng)設計。圖6為路燈控制系統(tǒng)接線原理圖。

圖6 路燈控制系統(tǒng)接線原理圖

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)于2012年3月正式完成并投入使用。使用中，運行可靠，路燈照明亮度符合用戶要求，截至目前還沒有市電電費開支產(chǎn)生。本項目充分體現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保的理念。系統(tǒng)光伏組件陣列現(xiàn)場照片見圖7，系統(tǒng)蓄電池組照片見圖8。

使用中，系統(tǒng)累計發(fā)電約46 428 kW·h，節(jié)約電費約37 500元，減少燃煤消耗約18 107 kg，減少CO2排放約 47 420 kg［5］，具有一定的綠色環(huán)保示范作用和經(jīng)濟作用［5］，也贏得了用戶的好評。

圖7 光伏組件陣列現(xiàn)場照片

圖8 蓄電池組現(xiàn)場照片

4 結(jié)束語

光伏資源是充足和環(huán)保的，在具體項目的方案設計上需要科學合理的布局，以更充分利用太陽能資源，這需要不斷的探索和創(chuàng)造。

經(jīng)過實際項目實施的驗證，新型市電互補光伏系統(tǒng)較傳統(tǒng)市電互補光伏系統(tǒng)能夠減少光伏電站的投資，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性［6］。

［1］李鐘實.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設計施工與維護［M］.北京:人民郵電出版社，2010:6－12.

［2］徐青山.分布式發(fā)電與微電網(wǎng)技術(shù)［M］.北京:人民郵電出版社，2011:11－23.

［3］陳慧玲.獨立光伏電站鉛酸蓄電池的運行管理參數(shù)［J］.可再生能源，2006(5):77－78.

［4］DIMEAS A L，HATZIARGYRIOU N D.Agent based control for mirogrids［C］//IEEE.Power Engineering Society General Meeting.New York:IEEE，2007:125.

［5］何偉，季杰.光伏光熱建筑一體化對建筑節(jié)能影響的理論研究［J］.通暖空調(diào)，2003，33(6):8211.

［6］王成山，王守相.分布式發(fā)電供能系統(tǒng)若干問題研究［J］.電力系統(tǒng)自動化，2008，32(20):124.