分布式光伏發(fā)電微電網(wǎng)供能系統(tǒng)研究構(gòu)建

楊勝偉，張斌，杜源，姜鑫

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000； 2.云南電網(wǎng)有限責任公司文山馬關(guān)供電局，云南 文山 663000； 3.云南電網(wǎng)有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000； 4.云南電網(wǎng)有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 前言

分布式光伏發(fā)電對公共電網(wǎng)及儲能裝置有著較高的依賴性，在帶水泵作用下能夠?qū)ω摵善鸬秸{(diào)節(jié)作用，且使得分布式光伏發(fā)電為直流電源[1]。由直流供電網(wǎng)提供的電流一方面能夠降低電能的轉(zhuǎn)換頻率，另一方面能夠促進電能利用效率的提升。探究分布式光伏發(fā)電微電網(wǎng)功能系統(tǒng)，實現(xiàn)技術(shù)突破，有利于帶動系統(tǒng)電能儲備發(fā)展。

1 原理與分布式光伏微電網(wǎng)優(yōu)勢

1.1 光伏發(fā)電原理

作為電力系統(tǒng)重要技術(shù)，光伏發(fā)電借助半導體界面光生伏特效應，可實現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)化，通常，半導體與金屬兩者是相連狀態(tài)，其連接位置經(jīng)過光照會導致電壓高低不同，實現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)化。光伏電池是光伏發(fā)電的核心。近年來，光伏電池在薄膜技術(shù)的支持下實現(xiàn)了量產(chǎn)，同時制造成本也不斷減少。為實現(xiàn)轉(zhuǎn)化光能最大效應的實現(xiàn)，應將光伏電池進行陣列排列，對其最大功率點進行跟蹤，能夠提升對電能的利用與儲存效率。

1.2 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)勢

分布式光伏發(fā)電微電網(wǎng)功能一方面能夠供電于直流負荷電源，另一方面對分布式光伏發(fā)電電源使用不排斥，間接促進了功能系統(tǒng)供電與發(fā)電效率的提升。隨著發(fā)電系統(tǒng)微電網(wǎng)的開發(fā)利用，分布式光伏應用范圍不斷擴大，具有一定的節(jié)能效能，兼具經(jīng)濟效益與分擔能源壓力的作用。分布式光伏發(fā)電微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其僅需要光照便能夠完整安裝，且頂部與側(cè)面均可以得到良好的利用，減少土建投資[2]。作為一種清潔能源，光伏發(fā)電主要原料為光，產(chǎn)品為電，生產(chǎn)期間不會產(chǎn)生其他原料損失，且無污染，能量應用遵循就近原則，在一定程度上降低了運送期間產(chǎn)生的損耗。不僅如此該發(fā)電系統(tǒng)電流高峰、使用量高峰保持重合，若有多余電量可以進行并網(wǎng)處理避免了電源資源的浪費。

2 實驗平臺構(gòu)建

2.1 電池陣列、儲能裝置

研究構(gòu)建的微電網(wǎng)實驗平臺，分布式光源電源采用的是太陽能光伏與樓宇相結(jié)合的方式，樓宇屋頂安裝了光伏電池陣列，18V 5W多晶硅太陽能電池板陣列共包括28塊，均來源于深圳星華科技有限公司，將其分為4組，每組7塊，將其與微電網(wǎng)實驗平臺接入，接入位置為控制室轉(zhuǎn)接箱（圖2）。四組光伏電池陣列經(jīng)過串聯(lián)或并聯(lián)后能夠投入使用，可組合成為11種不同容量大小的分布式光伏電源接入方式。除對樓宇實際交直流負荷提供電能，還可以完成控制室的模擬負荷，其主要構(gòu)件為180 Ω大功率電阻箱、單相/三相可編程電子負荷（4.5 kW）。

圖2 室內(nèi)轉(zhuǎn)接箱安裝示意圖

選擇免維修護酸蓄電池組、超級電容器組構(gòu)建一個儲能裝置，鉛酸蓄電池單組的電壓為12 V，容量100 AH，設置滿充電壓、過放電 壓 分 別 為13.6～13.9 V、9.9～10.0 V，采 用5×12 mm銅排低于10組蓄電池進行聯(lián)接，能夠正常應用的電壓為99 V～138 V，確保最大充放電流可達到100 A，最佳充放電電流達到10 A，其能夠達到微電網(wǎng)實驗對穩(wěn)態(tài)的要求，當處于暫態(tài)時，可通過對充、放電電能進行調(diào)節(jié)。

2.2 變換電路與控制器制作

根據(jù)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、微電網(wǎng)電路拓撲及控制策略，光伏發(fā)電微電網(wǎng)實驗平臺的構(gòu)建需要各類變換電路的支持，常用變換電路為光伏電池陣列端DC/DC電路，儲能裝置DC/DC電路，另外還包括系統(tǒng)與公共電網(wǎng)整流電路，綜合上述相關(guān)電路的開關(guān)元件、PWM信號驅(qū)動，在智能功率模塊作用下能夠?qū)崿F(xiàn)對過電壓、過電流等故障的檢測，對電路具有一定的保護作用，避免出現(xiàn)負荷過載情況，防止IPM受損。作為微電網(wǎng)的重要組成部分，變換器主要包括整流、逆變與斬波等，其發(fā)出的直流電經(jīng)過DC/DC電路升壓、穩(wěn)壓，其中一部分為直流負載功能，另一方面由DC/AC電路為直流負載功能。當光伏發(fā)電電量處于較高狀態(tài)，剩余的電能能夠為蓄電池充電，若蓄電池電量已滿，電能會直接并入電網(wǎng)。蓄電池、光伏發(fā)電在光照減弱狀態(tài)下能夠提供電能[3-4]。針對光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓小的問題，選擇Buck-Boost型 DC/DC變換器，將MPPT控制模式作為逆變器。當光伏發(fā)電處于工作狀態(tài)下，受光照、溫度等因素的影響，會選擇合適的時機將電壓值輸出并達到峰值，即最大功率點。

微電網(wǎng)正常工作需要由檢測與控制部分提供支持，研究采用的PLC控制，組合PLC控制與力控組態(tài)軟件，設計上位機界面，能夠?qū)ο到y(tǒng)運行情況進行監(jiān)控，并對期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行記錄，且具備數(shù)據(jù)分析功能，根據(jù)結(jié)果對系統(tǒng)運行情況作出合理、科學的判斷[5-6]。當出現(xiàn)故障后能夠及時發(fā)出報警，其架構(gòu)如圖3所示。

圖3 PLC控制下控制單元結(jié)構(gòu)

3 可行性驗證

3.1 直流型微電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略

由多個分布式光伏電源、鉛酸蓄電池及集成控制器電路等構(gòu)建直流型微電網(wǎng)，將筆記本、臺式電腦及數(shù)碼產(chǎn)品等作為直流負荷，空調(diào)、打印機等作為交流負荷[7]。應用鉛酸蓄電池、光伏電池陣列端Boost電路能夠構(gòu)成微電網(wǎng)控制系統(tǒng)，由DSP28335集成控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對光伏電池陣列發(fā)電功率、蓄電池等的控制，使得發(fā)電與本地用電需求能夠達到平衡狀態(tài)，是提升直流母線電壓穩(wěn)定性的有效舉措[8-9]。光伏電池陣列輸出電壓、電流及母線電壓等能夠協(xié)助光伏電池陣列端Boost電路控制。在對光伏電池陣列進行統(tǒng)一能量控制時，采用的是獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)[10]。

3.2 直流型微電網(wǎng)實驗平臺驗證

研究利用Chroma可編程直流電源對分布式光伏電池陣列P-U曲線及其他參數(shù)進行模擬，經(jīng)Boost電路接入，采用INC法經(jīng)DSP28335集成控制器繪制MPPT波形圖，鉛酸蓄電池經(jīng)集成控制器，將直流母線電壓控制在360 V左右，可以對其最大功率點進行追蹤[10]，當電壓為220 Vrms、50 Hz，其對應的母線電壓波形、SPWM脈寬信號見圖4，提示該系統(tǒng)切實可行。

圖4 交流母線電壓波形與SPWM脈寬信號

4 結(jié)束語

綜上所述，微電網(wǎng)具有較高的靈活性，安裝快捷、運行無污染，構(gòu)建分布式光伏發(fā)電微電網(wǎng)供能系統(tǒng)能夠有效解決分布式光伏發(fā)電能源輸出問題，通過采用分布式光伏發(fā)電控制策略，能夠提升光伏發(fā)電輸出波動的可控性，減少對微電網(wǎng)的影響，具有廣闊的發(fā)展前景。