■天津大學(xué)電力系統(tǒng)仿真控制教育部重點實驗室 王成山 楊占剛 武震

0 前言

近年來，作為太陽能利用的有效形式之一，光伏發(fā)電與建筑一體化結(jié)合得到了越來越多的重視[1-2]。在“零能耗或低能耗建筑”中，光伏發(fā)電也經(jīng)常作為建筑物的主要電能來源[3-4]。為推動可再生能源的普及應(yīng)用和太陽能建筑的工業(yè)化，美國能源部從2003年開始舉辦太陽能建筑十項全能競賽，迄今為止已經(jīng)舉辦至第4屆[5]。按照競賽要求，每所參賽大學(xué)需建造一座完全以太陽能為能源、能滿足日常生活要求、建筑面積74 m2的太陽能住宅，并配備電視、冰箱、灶具、洗衣機、計算機等全套日常家用電器及家具等生活設(shè)施。最終針對建筑設(shè)計、工程與結(jié)構(gòu)、太陽能系統(tǒng)、電力能源平衡、工業(yè)化前景、創(chuàng)新性、可持續(xù)性等10項指標進行評價[6]。

作為太陽能建筑評價的核心指標之一，電力能量平衡的評分由以下3個部分組成。

（1）電能自給自足。由于競賽在夏季舉行，考慮光伏發(fā)電的季節(jié)差異(冬天發(fā)電量會降低)，在競賽周期內(nèi)(8天)。若房屋光伏發(fā)電系統(tǒng)向電網(wǎng)的送電量大于40 kW·h即可獲得滿分，小于20 kW·h為零分。二者之間按線性關(guān)系評分。

（2）電能正平衡。在競賽周結(jié)束后，向電網(wǎng)送電超出40 kW·h最多的團隊將得到最高分，其余團隊將根據(jù)其超出40 kW·h的富裕電量所占獲勝者的比例按線性關(guān)系評分。

（3）瞬時功率評價。每天采樣5個點，對采樣點處發(fā)電功率與負載功率的差值除以負載功率來評估其瞬時功率特性，并加權(quán)平均，其值越大說明光伏發(fā)電瞬時功率滿足負荷需求充裕度越高，一旦出現(xiàn)負值則予以扣分。

為推動太陽能利用和可持續(xù)性建筑研究在歐洲的發(fā)展，在美國政府支持下，2010年比賽在西班牙馬德里舉行。

本文首先結(jié)合參賽地點的日平均日照度、具體參賽建筑的空間情況及參賽建筑的用電負荷，給出了光伏組件安裝容量及光伏微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計方案，進而對系統(tǒng)的運行模式及運行性能進行了分析，最后給出了實際運行結(jié)果。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 馬德里地理位置及光輻射強度分析

競賽地點馬德里位于北緯40.5°，西經(jīng)3.6°，海拔582 m，是地中海氣候，冬季溫和多雨，夏季炎熱干燥，其平均氣溫與日平均日照如表1所示?？梢钥闯?，馬德里日照時數(shù)長，降水日數(shù)少，且溫度相對偏低，具備光伏系統(tǒng)安裝的便利條件。

表2給出了傾角不同情況下夏至日的全天太陽能輻射量。從表中可知，在夏至日時，若不考慮遮擋情況，電池板傾角為5°時可獲得最大太陽能輻射量。

1.2 光伏組件安裝方式及容量分析

以74 m2住宅為依托，可安裝光伏組件的位置包括屋頂以及房屋的東、南、西3個立面。其中，屋頂又包括平屋頂和坡屋頂。坡屋頂面積較小，其部分用于安裝太陽能集熱裝置；坡屋頂下方用作設(shè)備間。

平屋頂電池板采用規(guī)格為1.58 m×0.808 m的200 Wp單晶硅組件。共鋪設(shè)24塊，4.8 kWp。受平屋頂建筑面積的限制，單塊電池板的允許安裝距離為0.850 m。電池板采用橫向放置，兩電池板底邊之間距離D的計算公式為[7]

其中，H為電池板長度，γs為太陽方位角，as為太陽高度角，w為時角，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?，б為太陽赤緯角，β為電池板傾角。根據(jù)式(1) ，可得冬至日和夏至日不同傾角時的最小安裝間距D，見表3。

可以看出，若D=0.850 m，在夏至日時，采用傾角5°、10°、15°鋪設(shè)電池板均不存在遮擋；而在冬至日時，則均存在遮擋。

由前文可知，若不考慮遮擋影響，采用傾角5°鋪設(shè)時，可以保證夏至日、即競賽周時段的發(fā)電量最大；但在傾角為5°時，冬半年則存在遮擋。為避免遮擋，取傾角為0°，即采用平鋪設(shè)計為宜。

表4為不考慮遮擋情況下，平屋頂光伏在5°和0°傾角下的月度及全年發(fā)電量預(yù)測結(jié)果對比。

可以看出，不考慮遮擋時。傾角5°和0°的全年發(fā)電量差異為：6267.8-6023.7=244.1(kW·h)。

考慮到遮擋影響，由式(2)計算可得，在4月4日至9月6日之間，按5°鋪設(shè)時不存在遮擋，在此段期間若采用5°傾角，與0°傾角時的發(fā)電量差異僅為49.1 kW·h。

由上述分析可見，雖然采用最佳傾角有助于提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電量，但從全年考慮，由于有遮擋的影響。導(dǎo)致的發(fā)電量差異很小?？紤]到傾角調(diào)節(jié)相應(yīng)也會帶來安裝結(jié)構(gòu)等成本的增加，綜合考慮各方面因素。平屋頂電池板采用固定2°傾角鋪設(shè)。

坡屋頂電池板采用規(guī)格為1.58 m×0.808 m的195 Wp單晶硅組件，與坡屋頂一體化安裝，因部分坡屋頂用于安裝太陽能集熱器，要求坡屋頂傾角為37°，因此光伏組件也按照該傾角安裝。在房屋的東、南、西3個立面，采用規(guī)格為37 Wp的多晶硅電池。做成磚墻效果。此外，在房屋上方的女兒墻上也安裝了部分單晶硅組件，有關(guān)細節(jié)見表5。

1.3 能量平衡分析

為評估系統(tǒng)的發(fā)電能力，采用專業(yè)軟件對系統(tǒng)發(fā)電量進行了模擬，模擬出的月度及年度發(fā)電量如表6所示。比賽對室內(nèi)各種用電設(shè)施的容量及開啟時間有嚴格的要求，光伏系統(tǒng)全年發(fā)電量和室內(nèi)設(shè)施用電量關(guān)系如圖1所示，系統(tǒng)全年發(fā)電量為10122.22 kW·h，用電量為7267.15 kW·h。可以看出，系統(tǒng)可以維持全年發(fā)電量的正平衡，并向電網(wǎng)送電2750.9 kW·h。其中，1月、2月、11月、12月由于光照原因光伏發(fā)電量不能滿足負荷需求，需從電網(wǎng)購電。

表7為模擬的競賽周光伏發(fā)電結(jié)果，可以看出競賽期間光伏發(fā)電總計為345.32 kW·h，按競賽規(guī)則限制的各電器負荷的啟停時間，競賽住宅預(yù)計每天消耗電能1991 kW·h，則8天競賽期的耗電量為15928 kW·h共向電網(wǎng)進電186.04 kW·h遠大于40 kW·h的評分標準。

2 光伏微網(wǎng)系統(tǒng)

2.1 光伏微網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

光伏微網(wǎng)系統(tǒng)的電氣結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)為單相，電壓230 V，頻率50 Hz，由光伏系統(tǒng)、蓄電池儲能系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變器度相關(guān)控制系統(tǒng)構(gòu)成?？紤]到房屋平屋頂、坡屋頂、東立面、南立面、西立面、女兒墻各部分安裝的光伏組件即使在同一時間所受的日照也不同、這6個部分光伏組件不宜直接并聯(lián)或串聯(lián)。為此，將每一部分都作為獨立輸入接入并網(wǎng)逆變器。其中，平屋頂和西立面的2路光伏組件的輸出電壓較高直接接入DC/AC并網(wǎng)逆變器另4路通過DC/Dc環(huán)節(jié)升壓后再接入DC/AC并同逆變器。蓄電池儲能系統(tǒng)通過雙向逆變器井凡交流母線，且以無太陽輻射、微網(wǎng)孤島運行模式下，蓄電池可以支撐負荷運行一天計算[8]，選擇48 V、420 A·h的蓄電池。

系統(tǒng)設(shè)有上層控制器通過RS-485總線與光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、測量電表、控制開關(guān)等進行通信。采集系統(tǒng)的功率、電壓、頻率、工作狀態(tài)等系統(tǒng)信息，并設(shè)置光伏并網(wǎng)逆變器的工作模式，保證在孤島運行模式下的電壓和頻率符合要求[9]。

2.2 系統(tǒng)運行橫式

以獲得最少的外電網(wǎng)功率輸入為原則，設(shè)計微網(wǎng)系統(tǒng)有以下4種運行模式。

(1)光伏發(fā)電量>負荷耗電量，且蓄電池已充滿或接近充滿(浮充)，則開關(guān)KM1、KM2均閉合，系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)運行，光伏部分的富余電力在滿足蓄電池充電需求基礎(chǔ)上。可以向電網(wǎng)倒送電能。

(2)光伏發(fā)電量>負荷耗電量，蓄電池荷電狀態(tài)輕低，此時蓄電池所需充電電流較大，為此斷開KM1，閉合KM2，系統(tǒng)以孤島模式運行，由光伏對蓄電池進行充電，并避免電網(wǎng)對蓄電池進行充電。

（3）若光伏發(fā)電量<負荷耗電量，若蓄電觸電量充足，為避免外電網(wǎng)給負荷供電，斷開KM1，閉合KM2，系統(tǒng)處于孤島運行模式，由蓄電池負責(zé)平抑光伏或負荷擾動。

（4）若光伏發(fā)電置<負荷耗電量，且蓄電池容量低于一定的下限，為避免蓄電池的過放電，斷開KM1和KM2，蓄電池雙向逆變器處于待機狀態(tài)，同時閉合開關(guān)KM3，由電網(wǎng)直接給負荷供電，由此避免了電網(wǎng)對蓄電池充電。

特別值得指出的是，上述運行模式是針對比賽規(guī)則確立的，原則就是盡可能少地應(yīng)用來自電網(wǎng)的電能。在實際系統(tǒng)應(yīng)用中，光伏系統(tǒng)可以長期并網(wǎng)運行，只有在外網(wǎng)故障時再進入孤島運行模式；也可以長期孤島運行，但用電可靠性會有所降低?？傊鲜鲞\行模式的切換原則可以因?qū)嶋H系統(tǒng)的需要而調(diào)整，這一點可以很容易通過調(diào)整上層控制器的控制策略來實現(xiàn)。

3 實際運行結(jié)果

3.1 發(fā)電量與用電量

在競賽期間，將光伏發(fā)電量與負荷用電量的監(jiān)測數(shù)據(jù)通過RS-485總線連至后臺計算機進行實時數(shù)據(jù)采集和分析。實際能耗與預(yù)測能耗的對比見表8，可以看出實際發(fā)電結(jié)果與預(yù)測結(jié)果十分接近，達到了預(yù)期的設(shè)計效果。

3.2 瞬時功率平衡

競賽周的光伏發(fā)電功率與用電功率的關(guān)系如圖3所示?？梢钥闯觯?月18日到6月25日的測試時間段內(nèi)(8：00～20：00)，光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率基本大于負荷用電功率，滿足競賽所要求的瞬時功率正平衡需求。

3.3 運行模式變化時的穩(wěn)定性測試

針對本文設(shè)計的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)。在孤島、聯(lián)網(wǎng)以及二者之間模式切換狀態(tài)下，監(jiān)測微網(wǎng)交流母線處電壓、頻率以及光伏、蓄電池、外電網(wǎng)的輸出功率曲線如圖4所示。

在孤島運行時(t=0～415 s)，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率波動(見圖4(a))或是負荷功率發(fā)生波動(見圖4(b))引起的功率不平衡。總會由蓄電池雙向逆變器快速跟蹤，因而對微網(wǎng)電壓和頻率造成的沖擊不會引起光伏并網(wǎng)逆變器的切除。

當(dāng)t=415 s時，微網(wǎng)由孤島切換到聯(lián)網(wǎng)模式，雙向逆變器進行控制策略切換，由定電壓、定頻率控制切換到定功率控制。由于外電網(wǎng)可以看作無窮大電源，因此切換后負荷功率可由外電網(wǎng)迅速得到補充(見圖4(d))，保證孤島到聯(lián)網(wǎng)模式的平穩(wěn)過渡。

在t=415～660 s之間，微網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，以外電網(wǎng)電壓和頻率為參考，微網(wǎng)的電壓和頻率跟隨外電網(wǎng)波動而波動。由于光伏并網(wǎng)逆變器和蓄電池雙向逆變器均采用定功率控制，光伏發(fā)電功率的波動及負荷功率波動均由外電網(wǎng)來平衡，均不會對微網(wǎng)電壓和頻率造成沖擊。蓄電池雙向逆變器的輸出功率與外界的功率變化無關(guān)，僅由蓄電池本身狀態(tài)決定。

當(dāng)t=660 s時，微網(wǎng)由聯(lián)網(wǎng)切換到孤島運行模式。由于失去外電網(wǎng)的電壓和頻率參考，雙向逆變器切換到定電壓、定頻率控制。除了蓄電池本身功率輸出變化外，外電網(wǎng)所供應(yīng)的負荷功率也將改由蓄電池提供。受蓄電池瞬問放電能力的限制，微網(wǎng)的頻率發(fā)生瞬間跌落至48.7 Hz(見圖4(f))，所有光伏并網(wǎng)逆變器達到極限切除頻率而被切除(見圖4(a))n[10]，經(jīng)過一段時間后依次重新并入。

可以看出，光伏微網(wǎng)系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作于聯(lián)網(wǎng)模式和孤島模式。并能實現(xiàn)二者之間的平穩(wěn)切換。但從聯(lián)網(wǎng)向孤島模式的切換過程中，由于微網(wǎng)頻率的波動，有可能導(dǎo)致光伏并網(wǎng)逆變器短暫切除，這主要是因為蓄電池的快速動態(tài)功率補償能力相對較弱。若實現(xiàn)切換瞬間快速的動態(tài)功率補償以保證光伏并網(wǎng)逆變器不被切除，復(fù)合儲能技術(shù)不失為一種合理化的選擇[11]。

從上面的分析可知，與蓄電池相連的雙向逆變器是光伏微網(wǎng)系統(tǒng)孤島運行時的核心，用于維持微網(wǎng)的頻率和電壓，跟蹤光伏輸出功率和負荷的波動。由于蓄電池的能量存儲量有限，如果系統(tǒng)中光伏或負荷波動較大，將會影響蓄電池的充放電狀態(tài)，進而影響到微網(wǎng)孤島運行時的動態(tài)行為。關(guān)于蓄電池雙向逆變器的控制策略，請見文獻[12]。

4 結(jié)語

本文所設(shè)計的光伏微網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)過在參賽地的實際運行測試.表現(xiàn)出了很好的控制靈活性和運行可靠性。實際運行經(jīng)驗表明，這一微網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及相關(guān)控制策略具有一定的通用性，特別適宜與建筑結(jié)合的光伏發(fā)電系統(tǒng)的組網(wǎng)設(shè)計，具有很好的推廣價值。

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