分布式微網(wǎng)光伏發(fā)電與儲能系統(tǒng)的設計研究

姚文勝　李博　俞得淼　于嘉慧　劉晉浦

[摘 要]隨著工業(yè)文明的不斷發(fā)展，全世界面臨的最棘手的問題是能源與環(huán)境，開發(fā)利用新能源材料及相應的技術，將是解決這一問題最有效的方法。而太陽能相比常規(guī)能源而言，作為綠色環(huán)保的新能源，具有“取之不竭，用之不盡”的特點，因此太陽能將在資源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略中扮演重要的角色；文章首先介紹了分布式光伏發(fā)電的研究背景及意義，闡述了其基本原理，并對其各組成部分進行了設計計算說明。

[關鍵詞]分布式；光伏發(fā)電；儲能系統(tǒng)；設計研究

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2017.06.071

1 研究背景及意義

能源一直是社會關注的焦點問題，因為它不僅關系到社會的發(fā)展，還會對自然環(huán)境產生巨大的影響。由于科技的不斷發(fā)展，太陽能取得越來越廣泛的應用；發(fā)展太陽能有著極其重要的意義；我國便于集中式發(fā)電站的發(fā)展地區(qū)主要集中在西部，但是這些地區(qū)的用電負荷低，就地消耗電能的能力較東部地區(qū)弱，如果對其他地區(qū)進行供給，需要長距離的輸送。但我國的電力輸送能力有限，加之光伏發(fā)電本身具有一定的波動性，這使得大規(guī)模的輸送變得更加困難，為解決這種不平衡的現(xiàn)象，在東部經濟較發(fā)達地區(qū)發(fā)展分布式光伏系統(tǒng)有巨大的意義。

2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理

分布式光伏發(fā)電作為近幾年提出的“微電網(wǎng)”的一部分，基本原理是利用太陽能電池組的光生伏打效應，通過逆變器將電池所產生的電能直接轉換成為可直接使用的交流電。其主體步驟為：①在太陽能電池在吸收一定能量的光子以后，半導體內產生電子空穴對，電子本身帶負電，而空穴帶正電；②電極性相反的光生載流子被太陽能電池產生的靜電場分離開；③光生載流子和空穴分別被太陽能電池的正負極所吸收，從而在外電路中產生電流，進而形成電能；下面對系統(tǒng)部分進行逐個分析設計。

2.1 逆變器的分析設計

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器作為一個不可或缺的重要原件，會以消耗一定的電能來維持自身的運轉，對于整個逆變器的效率而言，就是輸入功率與輸出功率之間的比較，在整個發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器就是需要將太陽能的直流電轉換成為交流電，對于太陽能電池的效率發(fā)揮著關鍵的作用。驅動升壓部分采用TL494芯片進行DC-DC升壓PWM控制；EG8010是一款數(shù)字化、功能比較完善自帶死區(qū)控制的純正弦波逆變發(fā)生器芯片，可以應用于DC-DC-AC功率變換架構，內部集成SPWM正弦波發(fā)生器，符合光伏發(fā)電逆變器的技術要求。

2.2 控制器控制策略分析

眾所周知，光伏發(fā)電系統(tǒng)受到太陽的光照強度以及周圍溫度的影響，導致電力輸出的變化很大，所以需要根據(jù)太陽能電池所能產生的電能輸出功率，找到最大功率的轉換效率，即最大功率點后，就可以對太陽能進行更充分的利用。最大功率跟蹤就是通過傳感器監(jiān)測整個電池板的輸出，判斷最大功率，通過調節(jié)，達到計算在最大功率輸出條件下的條件。

2.3 太陽能光伏部分設計計算

通過安裝地點的氣象部門獲取當?shù)亟浘暥?、太陽能資源數(shù)據(jù)和其氣候數(shù)據(jù)。由于太陽光的自然特性，根據(jù)歐洲委員會發(fā)布的EN 50461—2006標準，對太陽能電池輸出功率在一定條件下將太陽能電池的輸出功率定義為“太陽能電池輸出功率”。在實際的工程應用中，“太陽能電池輸出功率”是一個非常重要的物理量；在這部分設計中，最優(yōu)化的設計方法應該是光伏組件能夠在光照最惡劣的情況下滿足負載需要，也就是在太陽輻射最差的條件下，也能夠使蓄電池充滿電。

上文已經提到，影響光伏組件發(fā)電能力的因素有很多，因此在計算分析中，光伏組件的日平均發(fā)電量可以采用公式Q=η1×η2×η3×η4×η5×Wp×Tp計算；其中，Q為日平均發(fā)電量，Wp為太陽能組件最大輸出功率，Tp為系統(tǒng)所安裝地區(qū)峰值日照數(shù)，η1、η2、η3、η4、η5分別為逆變器損耗、溫度損失因子、灰塵遮蔽損耗、充放電損耗、輸配電損耗。

由光伏組件構成的光伏方陣提供給系統(tǒng)控制器的電能可以采用公式計算。

Qsum=（0.78×0.9）Wp

對于光伏電池板往往需要串聯(lián)光伏組件，來保證輸出電壓基本等于蓄電池浮充電壓，以系統(tǒng)的正常運行和蓄電池的最長使用壽命計算公式

Ns=VRVOC=VF+VD+VCVOC計算。

2.4 蓄電池組的設計計算

分布式微網(wǎng)系統(tǒng)必須配備獨立的儲能系統(tǒng)才能保證系統(tǒng)的正常進行，以保證能量轉化過程的順利進行和系統(tǒng)對負載能量輸出的穩(wěn)定性，蓄電池組是系統(tǒng)的核心儲能元件，在此設計中我們選擇封閉式閥控鉛酸蓄電池；蓄電池容量的合理選擇對于系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要意義。在計算中需要綜合考慮蓄電池獨立工作可放電深度、自放電率等多種因素，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，一般采用下式進行計算。

BC=A×Q1×N1×T0CC，其中，BC為蓄電池的容量，A為引入的安全系數(shù)，Q1為日耗電量，T0為溫度系數(shù)，CC為蓄電池的放電深度，N1為系統(tǒng)的自給天數(shù)。

3 光伏供電系統(tǒng)硬件設計

光伏供電系統(tǒng)主要通過光伏組件將太陽能轉換為電能，由光伏組件、追光傳感器、光伏陣列運動機構、連接線等構成，系統(tǒng)能夠在用戶端實現(xiàn)對光伏陣列對光的人工控制即對光伏陣列移動方向的人工控制，系統(tǒng)的自啟動以及系統(tǒng)的急停等安全措施；在本系統(tǒng)需要添加的部分是對模擬光源啟動和關閉的控制，對模擬光源的模擬光線改變即模擬光源運動方向的控制；光伏供電系統(tǒng)是由光伏控制供電單元、光伏輸出監(jiān)控單元、光伏陣列控制單元、光伏PLC單元、接線單元這五個單元所組成。

4 結 論

我國對太陽能資源進行開發(fā)利用的同時，技術還在不斷的摸索之中，太陽能所具有的優(yōu)點是不可抹殺的。面對我國土地資源和電力負荷的不平衡，分布式光伏發(fā)電是太陽能光伏發(fā)電技術的大規(guī)模應用的最佳方式，也是解決中國的動力和出發(fā)點；所以我們應該大力發(fā)展分布式光伏發(fā)電技術，為經濟社會的飛速發(fā)展和建設“美麗中國”的奮斗目標而不懈努力。

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