智能光伏系統(tǒng)在建筑應(yīng)用中的研究

夏成希

[摘 要]提出一種智能光伏系統(tǒng)在建筑中應(yīng)用的一種新方案，該方案利用并網(wǎng)逆變器快速靈活的可控性，設(shè)計(jì)了一款高效率高功率因數(shù)的用戶型光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。根據(jù)有功功率需求把光伏發(fā)電的不可調(diào)度電源轉(zhuǎn)換為主動參與電網(wǎng)運(yùn)行從而確保穩(wěn)定。不僅可以增強(qiáng)電網(wǎng)對分布式光伏的消納，而且可以改善電網(wǎng)的電能質(zhì)量。該方案的提出能有效地減少光伏的棄光現(xiàn)象，讓光伏發(fā)揮更大潛力來發(fā)電。

[關(guān)鍵詞]建筑微電網(wǎng)；智能光伏-蓄電池；模式切換

[中圖分類號]TM615 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

太陽光能是一種具有長時間使用年限并且可以有很大規(guī)模的應(yīng)用前景與開采價值的寶貴能源。在當(dāng)今我國的土地資源愈加寶貴的情況下，使建筑與光伏相結(jié)合而成的發(fā)電技術(shù)一體化成為一種當(dāng)今的熱門發(fā)展趨勢。建筑與光伏發(fā)電相結(jié)合，并且應(yīng)用于房屋建筑之中，是一種非常高效利用太陽能并且解決能源危機(jī)的方案，與此同時，光伏材料同房屋建筑相融合的一個整體系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)的建筑材料，同時又有壓縮節(jié)約成本的功效，因此引起了相關(guān)科研人員的興趣與研究。本文提出可用于城市大型建筑的光伏系統(tǒng)，此光伏系統(tǒng)可以配合大電網(wǎng)的運(yùn)行。連接在蓄電池的雙向DC/DC確保直流母線工作電壓達(dá)到預(yù)定值并且可以實(shí)現(xiàn)蓄電池的充電與放電；并網(wǎng)逆變器可以實(shí)現(xiàn)光伏的功率極大值跟蹤狀態(tài)（Maximum power point Tracking，MPPT）

1 建筑光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成與特點(diǎn)

建筑光伏并網(wǎng)發(fā)電的工作原理為屋頂太陽能電池板接收光輻射，頂層光伏輸出直流電，通過逆變器轉(zhuǎn)化為與城市電網(wǎng)電壓的頻率相同、相位相同的交流電，與此同時實(shí)現(xiàn)交流并網(wǎng)的目的。一個典型的建筑光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般由接線箱、建筑用儲能蓄電池、并網(wǎng)逆變裝置、光伏電池、電網(wǎng)和負(fù)載組成。

2 智能光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

其中有一次側(cè)主回路系統(tǒng)與二次側(cè)控制系統(tǒng)。一次主回路由子網(wǎng)負(fù)荷及電網(wǎng)、儲蓄電池能、光伏電池組、逆變器組成。光伏電池組通過雙向DC/DC變換器連接在直流母線上，逆變器接入升壓變壓器并且與配電網(wǎng)相連接。其中連接在蓄電池組的雙向DC/DC實(shí)現(xiàn)蓄電池組的充電與放電的平穩(wěn)進(jìn)行；逆變器的輸出功率可以根據(jù)實(shí)時不同工況需求發(fā)出大電網(wǎng)要求的有功功率。

控制系統(tǒng)包括上層中心控制器和底層控制器，控制目標(biāo)是在大電網(wǎng)的可接受容量內(nèi)把建筑光伏所發(fā)出的電量盡最大的努力傳輸?shù)诫娋W(wǎng)之中。上層中心控制器判斷系統(tǒng)運(yùn)行模式和根據(jù)AGC指令，選擇控制邏輯，從而達(dá)到底層協(xié)調(diào)控制的目標(biāo)，具體包括蓄電池充放電控制器、底層控制器選擇、控制器參考值計(jì)算和蓄電池充放電管理。底層控制包括逆變器控制器。逆變器有功功率控制外環(huán)有恒功率控制控制和最大功率跟蹤控制兩種。

3 上層控制系統(tǒng)

考慮光伏發(fā)電功率隨光照強(qiáng)度的變化而變化，隨時間變化情況下光伏發(fā)電功率和電網(wǎng)所需功率關(guān)系如圖2所示。圖中，曲線為光伏輸出最大功率和時間相對應(yīng)的情況，點(diǎn)B和點(diǎn)G為光伏起動和關(guān)閉功率，點(diǎn)C和點(diǎn)F為電網(wǎng)所需負(fù)荷功率，點(diǎn)D和點(diǎn)E為假設(shè)光伏微網(wǎng)中電網(wǎng)所需負(fù)荷功率與蓄電池最大充電功率之和。根據(jù)光伏發(fā)電功率和電網(wǎng)需求功率關(guān)系，智能光伏系統(tǒng)運(yùn)行模式如下。Pload為并網(wǎng)逆變器輸出功率，Umpp為光伏輸出最大功率時的光伏電壓，Pbatt_max為蓄電池最大充電功率。

由圖2可知，系統(tǒng)運(yùn)行工況如下：

（1）在AB段時，太陽光的輻射比較微弱，建筑光伏發(fā)電的最大功率為Pmpp小于Pmin，光伏系統(tǒng)切換為關(guān)閉模式，建筑自帶蓄電池采取放電模式，目的是讓母線上電壓的穩(wěn)定，蓄電池側(cè)的DC/DC控制器為恒壓控制器；如果蓄電池放電已經(jīng)達(dá)到上限，即當(dāng)蓄電池剩余容量小于最小剩余容量或蓄電池端電壓小于最小放電電壓時，建筑自帶蓄電池停止放電，整個系統(tǒng)關(guān)閉。

（2）在BC段時，太陽光輻射逐漸加強(qiáng)，建筑光伏發(fā)出的最大功率Pmpp≥Pmin，但Pmpp

（3）在CD段時，建筑光伏最大發(fā)電功率Pmpp≥PLoad且Pmpp

（4）在DE段時，光伏最大發(fā)電功率Pmpp≥PLoad+Pbatt_max，光伏退出最大功率運(yùn)行，為負(fù)荷供電的同時為蓄電池充電，如果蓄電池充電已滿，光伏恒功率輸出單獨(dú)為負(fù)荷供電。

（5）在EF段時，系統(tǒng)運(yùn)行工況同（3）。

（6）在FG段時，系統(tǒng)運(yùn)行工況同（2）。

（7）在GH段時，系統(tǒng)運(yùn)行工況同（1）。

4 底層控制器設(shè)計(jì)

在不同光照條件下與溫度條件下，光伏電池的功率—電壓輸出曲線如圖3，其中G表示太陽輻射的強(qiáng)度，把不同情況下光伏電池所能輸出的最大功率點(diǎn)與端口電壓連接起來就可以得到光伏電池的最大功率跟蹤曲線，如圖中的虛線所示。曲線上每一點(diǎn)代表著某一光照強(qiáng)度下，光伏單元輸出的最大功率Pmpp，例如a、b、c即為最大功率點(diǎn)，其對應(yīng)的橫坐標(biāo)即為最大功率點(diǎn)所對應(yīng)的光伏單元端口電壓Umpp。

從圖中輸出功率—端口電壓曲線關(guān)系，在太陽光輻射不同情況下控制直流側(cè)端口的電壓達(dá)到目標(biāo)值，就可以確保達(dá)到光伏電池最大功率控制的目的。

5 仿真分析

5.1 仿真條件

此文仿真研究的方法是等比例，假設(shè)條件是電網(wǎng)額定容量10MW，使用Matlab/Simulink軟件對圖所示的光伏蓄電池微網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真。光伏微網(wǎng)中蓄電池由191節(jié)電池串聯(lián)而成，總?cè)萘繛?00Ah，額定電壓為382V。

5.2 仿真結(jié)果

如圖所示，（a）為蓄電池充放電電流；（b）為并網(wǎng)逆變器向電網(wǎng)輸送的有用功；（c）為蓄電池端口電壓；（d）為光伏發(fā)出有用功功率；仿真在0.4s時啟動智能光伏蓄電池系統(tǒng)。在0.4-2s內(nèi)，電網(wǎng)有功功率功率過多，此時系統(tǒng)處于整流狀態(tài)，蓄電池充電來吸收電網(wǎng)多余有功功率，起到削峰填谷的作用。光伏隨著光照的增強(qiáng)，產(chǎn)生的功率也越來越大。在1.7s時達(dá)到峰值45kW。

2-4s內(nèi)，電網(wǎng)出現(xiàn)有功功率的缺額，此時光伏發(fā)出的功率不足以提供電網(wǎng)所需的有功功率，蓄電池處于放電狀態(tài)來彌補(bǔ)相應(yīng)的功率缺額。隨著光伏發(fā)出功率越來越少，可以看出蓄電池的出力越來越大從而滿足功率的動態(tài)平衡。

4-5s內(nèi)，電網(wǎng)所需有功功率減少到10kW，而此時的光伏處于無光狀態(tài)，不滿足發(fā)電條件（特別是4.3s以后，光伏出力為0），此時所有功率由蓄電池通過放電來提供。

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