新型市電互補光伏系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

鐘 斌

（云南大唐國際賓川新能源有限責(zé)任公司，云南 大理 671000）

近年來石化能源的緊缺以及核電能源的限用， 促進(jìn)了太陽能資源在人類社會中的使用。 新型市電互補光伏系統(tǒng)正是對太陽能資源進(jìn)行利用的供電系統(tǒng)之一， 相比于傳統(tǒng)的市電互補光伏系統(tǒng)， 其具有更加穩(wěn)定的工作性能，可以使光伏系統(tǒng)中的蓄電池得到充分的養(yǎng)護(hù)，繼而達(dá)到降低供電成本投資的效果。

1 新型市電互補太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

新型市電互補太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是集合物理知識與化學(xué)知識為一體的交叉科學(xué)技術(shù)， 涉及到的科學(xué)知識包括化學(xué)學(xué)科中的量子力學(xué)、 電化學(xué)以及物理學(xué)科中的半導(dǎo)體物理、電力電子現(xiàn)代技術(shù)、光電子技術(shù)以及物理中最新的控制理論等[1]。 新型市電互補太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在城市供電中的應(yīng)用不僅會給國家?guī)砭薮蟮慕?jīng)濟(jì)效益， 同時也對一個國家的社會經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值進(jìn)步以及促進(jìn)國家政治結(jié)構(gòu)穩(wěn)定起到十分積極的作用。

1.1 新型市電互補太陽能光伏發(fā)電原理

物理學(xué)中的光生伏特效應(yīng)是新型市電互補太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的基本原理，該原理也可簡稱為“光伏效應(yīng)”。 該原理的實現(xiàn)過程大致為，由硅質(zhì)材料制成的太陽能電池晶片pn 結(jié)面受到光照以后，太陽光子會滲入到系統(tǒng)半導(dǎo)體的內(nèi)部，并在太陽能電池晶片pn 結(jié)面的兩邊產(chǎn)生電子-空穴對[2]。 在此之后，太陽能光伏系統(tǒng)在太陽能電池晶片pn 結(jié)面內(nèi)的電流磁場的作用下，其n 型半導(dǎo)體的電子空穴向p 型半導(dǎo)體區(qū)域移動。 而在此過程中，p 型半導(dǎo)體區(qū)域的電勢將升高，n 型半導(dǎo)體區(qū)域的電勢將降低，繼而在太陽能光伏發(fā)電電池兩端形成電勢差。 在按該原理運行的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中， 將其電池與外部電路進(jìn)行連接，那么外接電路將會產(chǎn)生負(fù)載電流。

1.2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)分類

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為并網(wǎng)系統(tǒng)和離網(wǎng)系統(tǒng)兩種， 其中離網(wǎng)系統(tǒng)通常是在市電使用不方便或應(yīng)用設(shè)備對環(huán)保有一定要求時選用， 其又分為獨立型光伏系統(tǒng)以及市電互補光伏系統(tǒng)[3]。

獨立型光伏系統(tǒng)在我國多用于野外供電及海島供電等， 其設(shè)計的重點在于需要考慮陽光照射短暫季節(jié)及陰雨天的問題， 故需要設(shè)計出大量的太陽能光伏電池組件及太陽能蓄電池組。

市電互補光伏系統(tǒng)的優(yōu)勢在于可以自動切換獨立的光伏系統(tǒng)電源與城市電源。 在市電互補光伏系統(tǒng)中次要的直流負(fù)載供電穩(wěn)定性會受到陽光的日照時間限制，故該系統(tǒng)中主要的供電負(fù)載交流負(fù)載供電由于是城市電源備用的保障而得到很大的提高。 其中所包含的太陽能蓄電池組的備用天數(shù)可以適當(dāng)?shù)乜s短， 這樣可減少供電工程項目的造價， 更有利于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用與推廣。

2 新型市電互補光伏系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

2.1 市電供電系統(tǒng)構(gòu)成

城市的供電系統(tǒng)通常是由直流配電屏和開關(guān)整流器組成，開關(guān)整流器主要是由供電輸入整流濾波電路、供電功率因數(shù)矯正電路、供電PWM 變頻逆變電路以及供電輸出整流濾波電路構(gòu)成[4]。 為了保證城市供電系統(tǒng)中開關(guān)整流器可靠供電， 通常采用N+1 的系統(tǒng)流程模塊進(jìn)行冗余系統(tǒng)的連接。 這種做法可以確保系統(tǒng)運行過程中，當(dāng)某一模塊發(fā)生故障時，其余模塊仍能夠輸出足夠的電力功率。

2.2 新型市電互補光伏系統(tǒng)

2.2.1 新型市電互補光伏系統(tǒng)的設(shè)計

在進(jìn)行新型市電互補光伏系統(tǒng)設(shè)計的過程中， 其必須滿足和實現(xiàn)以下幾點功能。 首先，新型市電互補光伏系統(tǒng)在供電過程中， 必須保證系統(tǒng)中的交流負(fù)載和直流負(fù)載母線供電不間斷。 其次， 能夠進(jìn)行自動啟動及關(guān)閉活動。 最后，新型市電互補光伏系統(tǒng)在供電過程中，必須能夠?qū)μ柲芄夥到y(tǒng)中的蓄電池電量及光伏發(fā)電情況進(jìn)行定時檢測。 在發(fā)現(xiàn)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池電量不足或光伏發(fā)電不穩(wěn)定時， 該系統(tǒng)能夠?qū)⑻柲芄夥l(fā)電系統(tǒng)自動裝換成城市供電系統(tǒng)， 并對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的蓄電池組及時進(jìn)行維護(hù)和蓄電。 在設(shè)計太陽能光伏發(fā)電陣列時， 還需要對架設(shè)設(shè)備的屋頂或房間的承載能力進(jìn)行預(yù)估。

在對新型市電互補光伏系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的過程中，應(yīng)對太陽能光伏系統(tǒng)中的蓄電池容量進(jìn)行估算， 并根據(jù)其容量選定蓄電池組中所需要包含的電池數(shù)量。 蓄電池容量 的 估 算 公 式 為1517Ah，其中蓄電池的單體應(yīng)選擇為24V，200Ah。

在對新型市電互補光伏系統(tǒng)中的控制器進(jìn)行設(shè)計時，其蓄電池電壓應(yīng)為216V， 蓄電池組的總功率應(yīng)為30kW。在系統(tǒng)運作時其最大的充入及放出電流量應(yīng)為90A。

2.2.2 新型市電互補光伏系統(tǒng)的應(yīng)用意義

相比于傳統(tǒng)的市電互補光伏系統(tǒng)， 新型系統(tǒng)的應(yīng)用節(jié)約了城市供電系統(tǒng)建設(shè)和使用維修過程中的人力、物力和財力， 是離網(wǎng)光伏系統(tǒng)在現(xiàn)實生活應(yīng)用中降低供電成本的一項重要舉措。

首先，新型系統(tǒng)采用的是雙向的供電逆變器，這樣的設(shè)計可以改善傳統(tǒng)供電過程中的不穩(wěn)定性。 在光伏發(fā)電不足的情況下， 可以自動將負(fù)載電源調(diào)換到城市供電電源， 并由系統(tǒng)中所運用的雙向供電逆變器對直流負(fù)載進(jìn)行直接供電， 繼而使供電時的直流負(fù)載和交流負(fù)載同時得到保障。

其次，新型系統(tǒng)的設(shè)計，可以在保障供電交流負(fù)載安全的同時， 由雙向供電逆變器向直流負(fù)載及太陽能蓄電池組供電， 這樣可以在極大程度上減少太陽能光伏系統(tǒng)中的蓄電池組數(shù)量及備用天數(shù)， 繼而從根本上節(jié)約系統(tǒng)供電成本。

最后，新型市電互補光伏系統(tǒng)在設(shè)計過程中，可以利用城市供電對太陽能光伏系統(tǒng)中的蓄電池組自動補充電量和進(jìn)行養(yǎng)護(hù)， 這樣可延長太陽能光伏系統(tǒng)中蓄電池組的使用壽命，降低蓄電池組中電池的更換次數(shù)，降低其使用成本。 具體的新型市電互補光伏系統(tǒng)流程圖如下。

圖1 新型市電互補光伏系統(tǒng)流程圖

3 結(jié)論

綜上所述，太陽能作為世界能源中最大的綠色能源，是促進(jìn)我國能源變革的強(qiáng)有力的保證。 在世界十大光伏能源用電市場中，我國是唯一處于世界“陽光地帶”的國家，經(jīng)過了數(shù)十年的變革與發(fā)展，我國也已經(jīng)具備了大規(guī)模發(fā)展光伏發(fā)電的能力。 而隨著新型市電互補光伏系統(tǒng)在人們生活中的不斷應(yīng)用， 傳統(tǒng)市電光伏互補系統(tǒng)中蓄電池更換次數(shù)頻繁這一問題得到改善， 繼而從根本上促進(jìn)我國國民用電的低碳與環(huán)保。

［1］朱德志，張春仙.新型市電互補光伏系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用［J］.鎮(zhèn)江高專學(xué)報，2014，02（14）:54-56.

［2］孟昭淵，高鵬.太陽能路燈的設(shè)置需要因地制宜——淺析太陽能光伏電力與市電互補道路照明 ［J］. 中國照明電器，2010，05（27）:15-20.

［3］周青， 曾玉. 光伏專業(yè)應(yīng)用型本科人才培養(yǎng)模式探析［J］.職業(yè)技術(shù)教育，2012，10（26）:31-34.

［4］張禮聯(lián)，謝敬仁.太陽能光伏系統(tǒng)在通信供電中的應(yīng)用研究［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2012，06（01）:655-660.