周家軍

（協(xié)鑫光伏系統(tǒng)有限公司 210008）

基于光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)能量轉(zhuǎn)換與管理

周家軍

（協(xié)鑫光伏系統(tǒng)有限公司 210008）

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，許多新能源發(fā)電技術(shù)在社會(huì)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛；光伏發(fā)電作為一種新型發(fā)電手段，人們?cè)谏钪袑?duì)其的重視程度也越來(lái)越強(qiáng)。其中，直流微電網(wǎng)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最常用的一種形式，與傳統(tǒng)的交流微電網(wǎng)相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在直流微電網(wǎng)中，變換器獨(dú)立存在于每一個(gè)發(fā)電單元和儲(chǔ)能單元中，進(jìn)而將設(shè)備產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成直流電。所以，與傳統(tǒng)的發(fā)電形式相比，直流微電網(wǎng)可以得到更加穩(wěn)定的電力輸出。

直流微電網(wǎng)；光伏發(fā)電；能量轉(zhuǎn)換與管理

引言

隨著社會(huì)水平的不斷提高，經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)能源的需求量越來(lái)越大，所以近年來(lái)我國(guó)的能源短缺和環(huán)境污染現(xiàn)象十分嚴(yán)重。在這樣的背景下，為了節(jié)約能源，降低資源消耗，我國(guó)對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越普遍。然而，氣候條件的變化是影響光伏并網(wǎng)系統(tǒng)輸出功率的重要因素，特別是在大規(guī)模的并網(wǎng)時(shí)，這將會(huì)使電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性受到嚴(yán)重的影響。所以現(xiàn)階段我國(guó)發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)最大效益的最有效途徑是以微電網(wǎng)的形式接入大電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。本文通過(guò)結(jié)合對(duì)直流微電網(wǎng)的實(shí)際約束因素，給出了多種工作模式，并且通過(guò)在這幾種模式間形成合理的轉(zhuǎn)換，進(jìn)而滿(mǎn)足直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 光伏發(fā)電概述

光伏發(fā)電是通過(guò)利用半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)光能到電能轉(zhuǎn)化的一種技術(shù)，該手段最主要的工作原理就是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)；太陽(yáng)光照射到金屬表面時(shí)，其光能會(huì)被金屬中的電子所吸收，當(dāng)電子內(nèi)部所儲(chǔ)存的能量達(dá)到一定水平時(shí)，就會(huì)克服引力做功，進(jìn)而形成光電子，進(jìn)而使半導(dǎo)體與金屬結(jié)合的部位產(chǎn)生一定的電位差。一般來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)單的光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、控制器和逆變器三種組件組成。目前，光伏發(fā)電的效率并不高，一般在13～18％之間，而且在發(fā)電成本方面也要比火力發(fā)電高，所以光伏發(fā)電的發(fā)電效率和發(fā)電成本是目前面臨的主要問(wèn)題。光伏發(fā)電以太陽(yáng)能為主要能源，而太陽(yáng)能使取之不盡的可再生能源，具有清潔性、安全性、廣泛性等優(yōu)點(diǎn)；由于我國(guó)的一次能源十分有限，所以應(yīng)該重視光伏發(fā)電對(duì)太陽(yáng)能的利用，而且光伏發(fā)電在我國(guó)長(zhǎng)期的能源戰(zhàn)略中應(yīng)占據(jù)重要的地位。

2 基于光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

①DC/DC變換器是基于蓄電池組儲(chǔ)能的離網(wǎng)型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部件，通過(guò)該變換器能夠?qū)⒐夥嘘囁a(chǎn)生的電能直接輸送到直流母線(xiàn)上，并且通過(guò)DC/DC變換器的運(yùn)作來(lái)選取合理的電能資源。而且當(dāng)負(fù)載或外界環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，要通過(guò)蓄電池和直流母線(xiàn)之間的能量交換來(lái)維持直流母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定性，這也是保證系統(tǒng)正常運(yùn)作的有效條件。②就是光伏陣列的特性，溫度、光照強(qiáng)度的變化程度是影響光伏陣列輸出功率的重要因素。一般而言，當(dāng)系統(tǒng)中光伏陣列的溫度在25℃左右時(shí)，隨著電壓的變化，其功率的變化范圍并不大。而當(dāng)改變環(huán)境溫度時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)光伏陣列的最大輸出功率受自然環(huán)境影響較大，當(dāng)光照強(qiáng)度不斷增加時(shí)，其最大輸出功率也隨之而增加；而當(dāng)溫度的增加時(shí)，其輸出功率就會(huì)隨之而減小。

3 光伏發(fā)電系統(tǒng)能量的管理方法分析

3.1 基于DBS的能量管理策略分析

本文將能量轉(zhuǎn)換和管理方法分為以下幾種工作狀態(tài)；①實(shí)現(xiàn)孤島運(yùn)行，蓄電池接口處的放電形式為單元放電；②并網(wǎng)運(yùn)行，網(wǎng)側(cè)接口實(shí)現(xiàn)單元整流；③并網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)網(wǎng)側(cè)接口進(jìn)行單元逆變；④孤島運(yùn)行光伏接口單元輸出恒壓。通過(guò)對(duì)各個(gè)模式進(jìn)行模態(tài)切換，進(jìn)而滿(mǎn)足各接口單元分段參與直流總線(xiàn)電壓控制的要求。為了更加優(yōu)化能量管理方案，需要對(duì)直流總線(xiàn)電壓進(jìn)行采樣，采樣的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是相鄰模態(tài)的直流總線(xiàn)電壓值互差5％；該值不宜過(guò)大也不宜過(guò)小，因?yàn)槿绻麑?duì)該值設(shè)置較大，超過(guò)10％的話(huà)，那么在一定程度上將會(huì)降低變換器的工作效率，而且如果系統(tǒng)母線(xiàn)電壓變化范圍過(guò)大的話(huà)，還會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；此外，如果該差異較小的話(huà)，那么系統(tǒng)在進(jìn)行各個(gè)模態(tài)間的切換時(shí)會(huì)很容易受采樣偏差的影響，而且有的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤切換。

3.2 變換器運(yùn)行方式比較

在進(jìn)行各接口變換器不同系統(tǒng)工作模式中的功能分析也是十分重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。在這個(gè)環(huán)節(jié)應(yīng)該分析組網(wǎng)單元、能量饋送單元、負(fù)載單元之間的聯(lián)系。對(duì)四種運(yùn)行模式的分析可以看出，光伏發(fā)電系統(tǒng)在運(yùn)行的任何時(shí)刻，控制其直流總線(xiàn)電壓的變換器只有一個(gè)，而且該變壓器以電壓源工作，其余電壓器均以電流源工作。系統(tǒng)各個(gè)變換器之間的運(yùn)行狀態(tài)不僅能夠更好的提高系統(tǒng)運(yùn)行效率，而且在一定程度上還保證了系統(tǒng)在運(yùn)行中的穩(wěn)定性。

4 仿真分析

為了保證所研究光伏發(fā)電直流網(wǎng)能量管理控制系統(tǒng)的有效性，應(yīng)該通過(guò)改變光照條件、環(huán)境溫度以及負(fù)載等因素來(lái)進(jìn)行仿真研究，進(jìn)而總結(jié)出更加合理的運(yùn)行方案。而且，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)還應(yīng)該對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作運(yùn)行效率、經(jīng)濟(jì)收益進(jìn)行深入探討，如此，才能滿(mǎn)足社會(huì)的能源需求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在資源短缺和環(huán)境污染的今天，做好可再生能源的充分利用至關(guān)重要。在此背景下，本文通過(guò)對(duì)基于光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)系統(tǒng)能量變換與管理控制方法進(jìn)行探究，進(jìn)而總結(jié)出能量?jī)?yōu)化方案。在未來(lái)的發(fā)展中，我國(guó)應(yīng)該加大對(duì)該種方案的重視，如此，才能實(shí)現(xiàn)以可再生能源代替不可再生能源。

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