三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院 李 路

智能分布式光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院 李 路

為提高電子類專業(yè)學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)光伏發(fā)電技術(shù)的興趣，本文設(shè)計(jì)了一種智能分布式光伏發(fā)電教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，學(xué)生通過在本平臺(tái)的實(shí)訓(xùn)過程，可以了解光伏發(fā)電系統(tǒng)的集成、工作原理和分類，掌握光伏陣列的組合設(shè)計(jì)，和光伏系統(tǒng)的故障排除。

光伏發(fā)電；分布式系統(tǒng)；實(shí)訓(xùn)平臺(tái)；智能微電網(wǎng)

一、引言

應(yīng)用型本科院校里的光伏類課程包含了光伏電池、組件的原理與制造以及應(yīng)用，其相對(duì)應(yīng)的實(shí)踐過程的開展往往是一個(gè)比較難的環(huán)節(jié)，電池及組件制造技術(shù)的實(shí)踐環(huán)節(jié)需要完整的生產(chǎn)線，如果在校內(nèi)建設(shè)此類實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，無論從場(chǎng)地、資金以及利用率等方面都不容易滿足課程要求，所以大都依托于相關(guān)的企業(yè)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于光伏應(yīng)用的實(shí)踐環(huán)節(jié)，則可以選擇在校內(nèi)建設(shè)分布式發(fā)電教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，所開展的分布式發(fā)電技術(shù)課程是電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)課程體系中的實(shí)驗(yàn)部分，是對(duì)理論課程的外延和補(bǔ)充。本文提出了一種智能分布式光伏發(fā)電教學(xué)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)方案以及使用方法，通過在此實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的學(xué)習(xí)，學(xué)生掌握光伏發(fā)電過程中所涉及的技術(shù)環(huán)節(jié)，成為與社會(huì)“無縫銜接”的光伏電站方面的技術(shù)人才[1-3]。

二、設(shè)計(jì)方案

（一）外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了結(jié)合光伏建筑一體化(BIPV)工程技術(shù)，以陽光玻璃房將作為實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的重要附件部分，光伏組件集成在屋頂用來替代傳統(tǒng)的磚瓦，具有屋頂和發(fā)電的兩種功能，既美觀、智能又具有很強(qiáng)的示范性?？梢愿淖兘嵌鹊墓夥M件將鋪設(shè)在實(shí)驗(yàn)室的南面，具有遮擋陽光和發(fā)電兩種功能。實(shí)驗(yàn)室的四周及門窗安裝雙層中空鋼化玻璃，具有隔熱保溫作用。綜合南京當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度和小屋的安全性能，屋面的傾斜角設(shè)定為20°，誤差5°以內(nèi)。為了便于實(shí)驗(yàn)室的防水、排水，小屋的前沿、后沿超過鋼支架200 mm，鋼支柱根數(shù)為8根，規(guī)格為100mm×100mm×3mm，四周玻璃及門框鋼化雙層中空玻璃的厚度：5mm+5mm。

圖1　實(shí)訓(xùn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

（二）內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖1是分布式光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)示意圖，它是建立在集成的、雙向通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用先進(jìn)的互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可靠、安全、經(jīng)濟(jì)和高效的運(yùn)行。分布式發(fā)電：（Distributed Generation，簡(jiǎn)稱DG），如圖中的模塊1所示，通常是指發(fā)電功率在幾千瓦至數(shù)百瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠地發(fā)電單元。建成以（PV）光伏陣列和儲(chǔ)能裝置作為分布式電源，并預(yù)留擴(kuò)容接口，可以方便的對(duì)風(fēng)力發(fā)電、燃油輪機(jī)發(fā)電和其它形式的新能源（生物質(zhì)能等）的接入，使分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)具有“即插即用”功能。由PV陣列構(gòu)成的分布式光伏能源，指采用光伏組件，將太陽能直接轉(zhuǎn)換成電能的分布式發(fā)電單元。

三、實(shí)現(xiàn)功能

（一）逆變器比較功能

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中的微型逆變器和組串式逆變器并網(wǎng)發(fā)電智能系統(tǒng)部分示意圖，該部分平臺(tái)可以為讓學(xué)生掌握微型逆變器和組串逆變器的區(qū)別以及系統(tǒng)發(fā)電的比較等，還可以讓學(xué)生在實(shí)際的天氣情況下深入了解最大功率跟蹤（MPPT）控制的過程。該系統(tǒng)為現(xiàn)實(shí)應(yīng)用版，非教學(xué)演示版，學(xué)生通過該平臺(tái)可以更好的貼近實(shí)際應(yīng)用，達(dá)到快速學(xué)以致用的目的。學(xué)生通過雙向開關(guān)的切換，可以實(shí)現(xiàn)“并網(wǎng)型光伏發(fā)電智能系統(tǒng)”，“并網(wǎng)、離網(wǎng)型光伏發(fā)電智能儲(chǔ)能系統(tǒng)”，“智能微網(wǎng)的模擬”，“單雙向智能電表的安裝”。該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)還可以實(shí)現(xiàn)直流微網(wǎng)、交直流混合微網(wǎng)等功能，完全實(shí)現(xiàn)市面上各種光伏陣列的安裝形式，學(xué)生可以全面掌握光伏電站的設(shè)計(jì)，監(jiān)測(cè)等技術(shù)。

（二）智能微網(wǎng)功能

所謂智能電網(wǎng)系統(tǒng)，也就是電網(wǎng)系統(tǒng)的智能化，也稱為電網(wǎng)2.0，其核心內(nèi)涵是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的信息化、數(shù)字化、自動(dòng)化和互動(dòng)化。微電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)由微電網(wǎng)能量管理系統(tǒng)（MEMS）、微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器和微電網(wǎng)設(shè)備就地控制器構(gòu)成。MEMS與微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器采用以太網(wǎng)接口，通過104規(guī)約進(jìn)行通信。根據(jù)微電網(wǎng)內(nèi)各設(shè)備實(shí)際情況，微電網(wǎng)協(xié)調(diào)控制器與就地控制器之間的通信方式包括RS485、CAN、以太網(wǎng)等，并可能采用多種通信規(guī)約。

本系統(tǒng)搭建完成以后，可以實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電、離網(wǎng)發(fā)電、離網(wǎng)儲(chǔ)能及離網(wǎng)放電幾種形式的職能切換，控制邏輯如下面幾種情況[4]。

在太陽光充足時(shí)（比如中午），太陽光所發(fā)電量?jī)?yōu)先提供給負(fù)載使用，多余的部分儲(chǔ)存到蓄電池中，蓄電池充滿以后，多余電量可以并入市電，整個(gè)過程通過智能雙向電表進(jìn)行計(jì)量計(jì)費(fèi)。

在太陽光不足時(shí)（如早上或傍晚），太陽所發(fā)能量?jī)?yōu)先供給負(fù)載使用，不足的部分將由蓄電池通過充/放電器進(jìn)行發(fā)電，與光伏組件發(fā)的店一起給負(fù)載供電，蓄電池完全放電后，不足的部分再?gòu)氖须娺M(jìn)行補(bǔ)充，整個(gè)過程通過智能雙向電表進(jìn)行計(jì)量計(jì)費(fèi)。

在沒有太陽時(shí)（如晚上），太陽能無法發(fā)電，負(fù)載用電則優(yōu)先通過蓄電池進(jìn)行放電，不足的部分再?gòu)氖须娺M(jìn)行補(bǔ)充，整個(gè)過程通過智能雙向電表進(jìn)行計(jì)量計(jì)費(fèi)。

在外電網(wǎng)市電突然停電時(shí)，儲(chǔ)能型雙向逆變器則可以自動(dòng)切換到離網(wǎng)模式，確保系統(tǒng)中最重要的負(fù)載不間斷供電。當(dāng)市電恢復(fù)后，儲(chǔ)能型雙向逆變器便自動(dòng)切換回到并網(wǎng)模式。

（三）軟件設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)功能

該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的軟件具有電站設(shè)計(jì)、運(yùn)行和故障監(jiān)測(cè)功能，軟件中包含強(qiáng)大的氣象數(shù)據(jù)庫(kù)，可以任意選擇全球各地，軟件自動(dòng)計(jì)算出當(dāng)?shù)刈罴褍A角，并且可以選擇方位角；可以選擇市場(chǎng)上主流光伏組件以及逆變器，還具有自定義添加功能；可以根據(jù)實(shí)際組件數(shù)量自動(dòng)配置逆變器；可以通過微調(diào)進(jìn)行最優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，如果設(shè)計(jì)超出范圍，軟件會(huì)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)提示，到完全匹配為止。并且軟件有非常友好的人機(jī)界面和多語言支持，具有強(qiáng)大的云平臺(tái)支持，可提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可視化和歷史數(shù)據(jù)的查詢。

（四）其他功能

除了以上提到的實(shí)驗(yàn)功能，該平臺(tái)還具有以下幾方面的功能：

（1）平臺(tái)具有環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，可以測(cè)量當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r，如溫度，輻照度，風(fēng)向，風(fēng)速等。

（2）系統(tǒng)具有防孤島作用和計(jì)劃性孤島作用，以保證實(shí)驗(yàn)過程中以及維護(hù)維修過程中人員的安全。

（3）當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障或擾動(dòng)，從而引起光伏發(fā)電站并網(wǎng)點(diǎn)電壓跌落時(shí)，在一定的電壓跌落范圍和時(shí)間間隔內(nèi)，該系統(tǒng)可以能夠保證不離網(wǎng)連續(xù)運(yùn)行。

（4）充電控制器具有短路保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、蓄電池過充（放）保護(hù)、欠（過）壓保護(hù)及防雷保護(hù)功能，必要時(shí)應(yīng)具備溫度補(bǔ)償、數(shù)據(jù)采集和通信功能[5]。

（5）分布式電站部署了有線和無線監(jiān)控平臺(tái)，可以對(duì)離散式并網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和管理，可遠(yuǎn)程進(jìn)行有功和無功調(diào)節(jié)，以配合智能電網(wǎng)升級(jí)[6]。

四、結(jié)束語

通過對(duì)智能分布式光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與搭建，形成了一套智能微電網(wǎng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的兼容性比較好，并網(wǎng)時(shí)具有分布式電源的“即插即用”和微電網(wǎng)的運(yùn)行控制功能，在主網(wǎng)正常時(shí)，保持微電網(wǎng)與主網(wǎng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，在主網(wǎng)停電時(shí)，微電網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行，當(dāng)主網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)，微電網(wǎng)可再次與主網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。并且該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)可“拆卸”性強(qiáng)，多以自由組合多種形式的光伏發(fā)電系統(tǒng)，增強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力，可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，容易地掌握電站的設(shè)計(jì)和光伏系統(tǒng)的故障排除。

[1]黃偉,孫昶輝,吳子平,等.含分布式發(fā)電系統(tǒng)的微網(wǎng)技術(shù)研究綜述[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(9):14-18.

[2]李光濤.微網(wǎng)技術(shù)在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用探討[J].技術(shù)研發(fā),2013,20(5):110-111.

[3]章鹿華,王思彤,易忠林,等.面向智能用電的家庭綜合能源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電測(cè)與儀表,2010,47(537):35-38.

[4]陳曉高,熊保鴻.基于微網(wǎng)技術(shù)的家庭光伏發(fā)電及能量管理系統(tǒng)[J].太陽能,2014,12:20-22.

[5]聶穎.100kWp光伏電站的建設(shè)與研究[D].大連理工大學(xué)碩士論文,2012.

[6]殷明思.分裂式光伏升壓變壓器的研究與設(shè)計(jì)[D].東北大學(xué)碩士論文,2014.

江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項(xiàng)目（PPZY2015A033）；江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（14KJD510009）。

李路（1983－），男，三江學(xué)院電子信息工程學(xué)院講師，碩士，主要研究方向?yàn)楦咝柲茈姵亍?/p>