智能分布式光伏發(fā)電實訓平臺的設(shè)計

三江學院電子信息工程學院 李 路

智能分布式光伏發(fā)電實訓平臺的設(shè)計

三江學院電子信息工程學院 李 路

為提高電子類專業(yè)學生的動手能力，培養(yǎng)學生對光伏發(fā)電技術(shù)的興趣，本文設(shè)計了一種智能分布式光伏發(fā)電教學實訓平臺，學生通過在本平臺的實訓過程，可以了解光伏發(fā)電系統(tǒng)的集成、工作原理和分類，掌握光伏陣列的組合設(shè)計，和光伏系統(tǒng)的故障排除。

光伏發(fā)電；分布式系統(tǒng)；實訓平臺；智能微電網(wǎng)

一、引言

應(yīng)用型本科院校里的光伏類課程包含了光伏電池、組件的原理與制造以及應(yīng)用，其相對應(yīng)的實踐過程的開展往往是一個比較難的環(huán)節(jié)，電池及組件制造技術(shù)的實踐環(huán)節(jié)需要完整的生產(chǎn)線，如果在校內(nèi)建設(shè)此類實驗平臺，無論從場地、資金以及利用率等方面都不容易滿足課程要求，所以大都依托于相關(guān)的企業(yè)來實現(xiàn)。對于光伏應(yīng)用的實踐環(huán)節(jié)，則可以選擇在校內(nèi)建設(shè)分布式發(fā)電教學實訓平臺，所開展的分布式發(fā)電技術(shù)課程是電子科學與技術(shù)專業(yè)課程體系中的實驗部分，是對理論課程的外延和補充。本文提出了一種智能分布式光伏發(fā)電教學實訓平臺的設(shè)計方案以及使用方法，通過在此實驗實訓平臺的學習，學生掌握光伏發(fā)電過程中所涉及的技術(shù)環(huán)節(jié)，成為與社會“無縫銜接”的光伏電站方面的技術(shù)人才[1-3]。

二、設(shè)計方案

（一）外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了結(jié)合光伏建筑一體化(BIPV)工程技術(shù)，以陽光玻璃房將作為實訓平臺的重要附件部分，光伏組件集成在屋頂用來替代傳統(tǒng)的磚瓦，具有屋頂和發(fā)電的兩種功能，既美觀、智能又具有很強的示范性。可以改變角度的光伏組件將鋪設(shè)在實驗室的南面，具有遮擋陽光和發(fā)電兩種功能。實驗室的四周及門窗安裝雙層中空鋼化玻璃，具有隔熱保溫作用。綜合南京當?shù)氐慕?jīng)緯度和小屋的安全性能，屋面的傾斜角設(shè)定為20°，誤差5°以內(nèi)。為了便于實驗室的防水、排水，小屋的前沿、后沿超過鋼支架200 mm，鋼支柱根數(shù)為8根，規(guī)格為100mm×100mm×3mm，四周玻璃及門框鋼化雙層中空玻璃的厚度：5mm+5mm。

圖1　實訓平臺結(jié)構(gòu)圖

（二）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1是分布式光伏發(fā)電實訓平臺框架結(jié)構(gòu)示意圖，它是建立在集成的、雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用先進的互聯(lián)技術(shù)實現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟和高效的運行。分布式發(fā)電：（Distributed Generation，簡稱DG），如圖中的模塊1所示，通常是指發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠地發(fā)電單元。建成以（PV）光伏陣列和儲能裝置作為分布式電源，并預(yù)留擴容接口，可以方便的對風力發(fā)電、燃油輪機發(fā)電和其它形式的新能源（生物質(zhì)能等）的接入，使分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)具有“即插即用”功能。由PV陣列構(gòu)成的分布式光伏能源，指采用光伏組件，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的分布式發(fā)電單元。

三、實現(xiàn)功能

（一）逆變器比較功能

本實驗平臺中的微型逆變器和組串式逆變器并網(wǎng)發(fā)電智能系統(tǒng)部分示意圖，該部分平臺可以為讓學生掌握微型逆變器和組串逆變器的區(qū)別以及系統(tǒng)發(fā)電的比較等，還可以讓學生在實際的天氣情況下深入了解最大功率跟蹤（MPPT）控制的過程。該系統(tǒng)為現(xiàn)實應(yīng)用版，非教學演示版，學生通過該平臺可以更好的貼近實際應(yīng)用，達到快速學以致用的目的。學生通過雙向開關(guān)的切換，可以實現(xiàn)“并網(wǎng)型光伏發(fā)電智能系統(tǒng)”，“并網(wǎng)、離網(wǎng)型光伏發(fā)電智能儲能系統(tǒng)”，“智能微網(wǎng)的模擬”，“單雙向智能電表的安裝”。該實訓平臺還可以實現(xiàn)直流微網(wǎng)、交直流混合微網(wǎng)等功能，完全實現(xiàn)市面上各種光伏陣列的安裝形式，學生可以全面掌握光伏電站的設(shè)計，監(jiān)測等技術(shù)。

（二）智能微網(wǎng)功能

所謂智能電網(wǎng)系統(tǒng)，也就是電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化，也稱為電網(wǎng)2.0，其核心內(nèi)涵是實現(xiàn)電網(wǎng)的信息化、數(shù)字化、自動化和互動化。微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)（MEMS）、微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器和微電網(wǎng)設(shè)備就地控制器構(gòu)成。MEMS與微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器采用以太網(wǎng)接口，通過104規(guī)約進行通信。根據(jù)微電網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備實際情況，微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器與就地控制器之間的通信方式包括RS485、CAN、以太網(wǎng)等，并可能采用多種通信規(guī)約。

本系統(tǒng)搭建完成以后，可以實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電、離網(wǎng)發(fā)電、離網(wǎng)儲能及離網(wǎng)放電幾種形式的職能切換，控制邏輯如下面幾種情況[4]。

在太陽光充足時（比如中午），太陽光所發(fā)電量優(yōu)先提供給負載使用，多余的部分儲存到蓄電池中，蓄電池充滿以后，多余電量可以并入市電，整個過程通過智能雙向電表進行計量計費。

在太陽光不足時（如早上或傍晚），太陽所發(fā)能量優(yōu)先供給負載使用，不足的部分將由蓄電池通過充/放電器進行發(fā)電，與光伏組件發(fā)的店一起給負載供電，蓄電池完全放電后，不足的部分再從市電進行補充，整個過程通過智能雙向電表進行計量計費。

在沒有太陽時（如晚上），太陽能無法發(fā)電，負載用電則優(yōu)先通過蓄電池進行放電，不足的部分再從市電進行補充，整個過程通過智能雙向電表進行計量計費。

在外電網(wǎng)市電突然停電時，儲能型雙向逆變器則可以自動切換到離網(wǎng)模式，確保系統(tǒng)中最重要的負載不間斷供電。當市電恢復(fù)后，儲能型雙向逆變器便自動切換回到并網(wǎng)模式。

（三）軟件設(shè)計、監(jiān)測功能

該實訓平臺的軟件具有電站設(shè)計、運行和故障監(jiān)測功能，軟件中包含強大的氣象數(shù)據(jù)庫，可以任意選擇全球各地，軟件自動計算出當?shù)刈罴褍A角，并且可以選擇方位角；可以選擇市場上主流光伏組件以及逆變器，還具有自定義添加功能；可以根據(jù)實際組件數(shù)量自動配置逆變器；可以通過微調(diào)進行最優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，如果設(shè)計超出范圍，軟件會進行報錯提示，到完全匹配為止。并且軟件有非常友好的人機界面和多語言支持，具有強大的云平臺支持，可提供實時數(shù)據(jù)的可視化和歷史數(shù)據(jù)的查詢。

（四）其他功能

除了以上提到的實驗功能，該平臺還具有以下幾方面的功能：

（1）平臺具有環(huán)境監(jiān)測功能，可以測量當?shù)氐奶鞖馇闆r，如溫度，輻照度，風向，風速等。

（2）系統(tǒng)具有防孤島作用和計劃性孤島作用，以保證實驗過程中以及維護維修過程中人員的安全。

（3）當電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障或擾動，從而引起光伏發(fā)電站并網(wǎng)點電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內(nèi)，該系統(tǒng)可以能夠保證不離網(wǎng)連續(xù)運行。

（4）充電控制器具有短路保護、過負荷保護、蓄電池過充（放）保護、欠（過）壓保護及防雷保護功能，必要時應(yīng)具備溫度補償、數(shù)據(jù)采集和通信功能[5]。

（5）分布式電站部署了有線和無線監(jiān)控平臺，可以對離散式并網(wǎng)點進行數(shù)據(jù)采集和管理，可遠程進行有功和無功調(diào)節(jié)，以配合智能電網(wǎng)升級[6]。

四、結(jié)束語

通過對智能分布式光伏發(fā)電實訓平臺的設(shè)計與搭建，形成了一套智能微電網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的兼容性比較好，并網(wǎng)時具有分布式電源的“即插即用”和微電網(wǎng)的運行控制功能，在主網(wǎng)正常時，保持微電網(wǎng)與主網(wǎng)的協(xié)調(diào)運行，在主網(wǎng)停電時，微電網(wǎng)獨立運行，當主網(wǎng)恢復(fù)正常時，微電網(wǎng)可再次與主網(wǎng)協(xié)調(diào)運行。并且該實訓平臺可“拆卸”性強，多以自由組合多種形式的光伏發(fā)電系統(tǒng)，增強了學生的動手能力，可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，容易地掌握電站的設(shè)計和光伏系統(tǒng)的故障排除。

[1]黃偉,孫昶輝,吳子平,等.含分布式發(fā)電系統(tǒng)的微網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(9):14-18.

[2]李光濤.微網(wǎng)技術(shù)在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用探討[J].技術(shù)研發(fā),2013,20(5):110-111.

[3]章鹿華,王思彤,易忠林,等.面向智能用電的家庭綜合能源管理系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電測與儀表,2010,47(537):35-38.

[4]陳曉高,熊保鴻.基于微網(wǎng)技術(shù)的家庭光伏發(fā)電及能量管理系統(tǒng)[J].太陽能,2014,12:20-22.

[5]聶穎.100kWp光伏電站的建設(shè)與研究[D].大連理工大學碩士論文,2012.

[6]殷明思.分裂式光伏升壓變壓器的研究與設(shè)計[D].東北大學碩士論文,2014.

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目（PPZY2015A033）；江蘇省高校自然科學研究面上項目（14KJD510009）。

李路（1983－），男，三江學院電子信息工程學院講師，碩士，主要研究方向為高效太陽能電池。