孫廣輝，朱正偉

(常州大學(xué)微電子與控制工程學(xué)院，江蘇常州 213164)

隨著全球能源危機的加劇，世界各國日益重視能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，分布式發(fā)電技術(shù)作為可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略核心技術(shù)之一，逐漸受世界各國關(guān)注。目前，光伏微網(wǎng)系統(tǒng)配備的監(jiān)控系統(tǒng)大多由微電網(wǎng)研制單位自主研發(fā)，普遍存在一些問題，比如開發(fā)環(huán)境封閉，拓展性和通用性差；不能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享；監(jiān)控數(shù)據(jù)儲存采用傳統(tǒng)的文本、Excel 和TDMS 等形式，管理查詢不方便等[1]。也有不少廠商生產(chǎn)和提供一些適用性好、功能比較完善的組態(tài)軟件產(chǎn)品，但普遍開發(fā)成本過高，用戶需要支付不菲的使用授權(quán)費用。上述問題對我國工程教育的發(fā)展產(chǎn)生較大阻力，為了增強學(xué)生工程意識，結(jié)合社會需求和人才培養(yǎng)定位，積極構(gòu)架工程實驗實踐系統(tǒng)，提出一種10 kW 的光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)設(shè)計方案。

1 光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光伏微網(wǎng)是指由分布式電源、儲能裝置、可控負(fù)荷等裝置按一定運行規(guī)則匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，具有聯(lián)網(wǎng)和孤島兩種運行模式[2]。由于光伏微網(wǎng)在供電方面具有可靠性、安全性、可持續(xù)性等方面的優(yōu)勢，因此受到人們的青睞。為了能夠?qū)夥⒕W(wǎng)的運行特性進行深入的理論和實驗研究，故搭建一個小型分布式光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)。

圖1 所示為光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)示意圖，主要由太陽電池板、離并網(wǎng)逆變器、蓄電池組、監(jiān)控系統(tǒng)等部分組成。

圖1 光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)示意圖

2 主要硬件組件

2.1 離并網(wǎng)逆變器

在實際應(yīng)用中，光伏發(fā)電功率輸出受到電池板的溫度和接收的光照強度等環(huán)境因素影響，為了確保光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點，選擇帶有最大功率跟蹤控制(MPPT)功能的逆變器[3]。依據(jù)實驗系統(tǒng)容量及用電量情況，系統(tǒng)選用2 臺5 kW 單相雙向儲能固德威逆變器完成離并網(wǎng)逆變控制,具體逆變器參數(shù)如表1 所示。

表1 逆變器主要參數(shù)

固德威逆變器可在室內(nèi)或室外應(yīng)用，控制多路太陽電池方陣對蓄電池進行充電及自動控制蓄電池對負(fù)載供電，可將太陽電池板產(chǎn)生的直流電合理分配，完成蓄電池模塊充電、負(fù)載供電及電網(wǎng)供電。在負(fù)荷低谷時將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能進行儲存，在負(fù)荷高峰時釋放蓄電池儲存的電能，減少對電網(wǎng)的負(fù)荷壓力；在電網(wǎng)故障時，可提供220 V 交流源供給重要負(fù)載，實現(xiàn)離網(wǎng)后備供電的功能。在不同的時間段，逆變器的工作模式是不同的，早上光伏發(fā)電主要用于微網(wǎng)自身的能量消耗，若有多余能量則對電池充電；午間，光照強烈，在電池滿充狀態(tài)下，除了滿足微網(wǎng)的能量消耗，多余的光伏能量則饋入電網(wǎng)，賺取一定的收益；夜間，微網(wǎng)的能量主要由電池提供，當(dāng)電池能量無法滿足微網(wǎng)運行時，則由電網(wǎng)直接向微網(wǎng)供電。

2.2 太陽電池板

太陽電池板主要作用是通過吸收太陽光，將太陽輻射能通過光電效應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成直流電，作為能量采集主要組件之一，其選擇對整個實驗平臺至關(guān)重要。目前市場上的太陽電池板種類繁多，具體種類及優(yōu)缺點比較如表2 所示[4]?？紤]目前市場占有率、轉(zhuǎn)換效率及優(yōu)缺點，最后選用弱光發(fā)電突出、采用先進的電池正面絨、空間利用率高的茂迪多晶硅太陽電池板，具體相關(guān)參數(shù)如表3 所示。

表2 不同太陽電池性能對比

表3 電池板技術(shù)參數(shù)

依據(jù)逆變器功率參數(shù)、最大輸入電壓、最大輸入電流及路數(shù)，太陽電池板分為兩方陣，每組完成5 kW 容量設(shè)計。根據(jù)逆變器功率設(shè)計容量估算每方陣需要光伏板數(shù)量為5 000÷270≈20，考慮到逆變器光伏最大輸入電壓和最大輸入電流，最大串聯(lián)電池板數(shù)量為580/31.69≈18，實驗系統(tǒng)采用10 串聯(lián)為一組，兩組為一方陣與逆變器連接。

為了實驗實踐地址相對集中，光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)安裝在實驗室樓頂。為保證10 kW 的光伏組件穩(wěn)固、增加組件抗風(fēng)、防雨特性及樓頂防水，采用膨脹螺栓固定樓面形式將安裝基礎(chǔ)設(shè)計在混凝土屋頂結(jié)構(gòu)中。

2.3 蓄電池

儲能單元不但要保證光伏微網(wǎng)離網(wǎng)時，平滑光伏發(fā)電和負(fù)載的功率波動及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時滿足重要負(fù)載在合理時間內(nèi)不斷工作要求。實驗平臺設(shè)計交流總負(fù)載的容量為10 kW，其中重要交負(fù)載占比為25%。為了保證光伏微網(wǎng)緊急情況下，重要交流負(fù)載不間斷工作2 h，為降低蓄電池過放率、電池高充放電倍率導(dǎo)致電池容量減小的影響，電池儲存能量計算時適當(dāng)放些余量，采用剩余電量的50%估算，從而蓄電池需要的總存儲電量為10×25%×2÷50%=10 kW[5-6]。

實驗平臺中雙向儲能逆變器電池輸入?yún)?shù)中電池額定電壓為48 V，同時綜合考慮電池購置成本、環(huán)保性能、維護成本及循環(huán)次數(shù)等因素，實驗平臺采用AGM 型蓄電池，具體電池主要參數(shù)見表4。AGM 蓄電池具有免維護、內(nèi)阻小、大電流放電性能好、適應(yīng)溫度廣、自放電小、使用方便、可循環(huán)使用也可浮充使用、環(huán)保無污染等特點。蓄電池端電壓為12 V、蓄電池容量為105 Ah，則需要1 000÷12÷105≈8，逆變器電池輸入電壓為48 V，8 塊電池采用四個串聯(lián)組成一組，然后連接到逆變器。

表4 AGM 蓄電池主要參數(shù)

2.4 主要接線說明

由上述設(shè)計參數(shù)可知，本平臺的系統(tǒng)配置為：光伏組件一共40 塊，20 塊組成一個方陣，每個方陣中10 塊串聯(lián)為一組與逆變器-光伏端口相連接；蓄電池共8 塊，4 個串聯(lián)為一組與逆變器電池端口連接；逆變器直接給蓄電池組充電，也可給設(shè)備供電或向電網(wǎng)輸電。具體連接示意圖如圖2 所示。

圖2 逆變器接線示意圖

為了便于不同實驗狀態(tài)的應(yīng)用，系統(tǒng)增加工作模式切換開關(guān)和控制柜。工作模式的切換由兩個雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)控制，切換模塊可自動或手動調(diào)節(jié)；一般處于自動接通市電狀態(tài)，若突然停電可自動切換到離網(wǎng)電源端；若處于手動狀態(tài)，需手動切換電源，切忌處于自動狀態(tài)時手動操作?？刂乒駥崿F(xiàn)對兩個逆變器輸出電能的控制，其接線圖分別如圖3 所示。當(dāng)市電總開斷開，則系統(tǒng)只能工作于微網(wǎng)模式；若其接通，離網(wǎng)輸出空開斷開則只能工作于并網(wǎng)模式；若離網(wǎng)輸出空開接通，則系統(tǒng)可工作于自動狀態(tài)。實驗系統(tǒng)硬件整體圖如圖4 所示。

圖3 控制柜內(nèi)部接線圖

圖4 實驗系統(tǒng)硬件整體圖

3 上位機軟件設(shè)計

LabVIEW 是一種采用圖形化編程語言，具有良好的兼容性、擴展性和豐富的數(shù)據(jù)庫和函數(shù)包的軟件開發(fā)環(huán)境。LabVIEW 程序采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動，對編程能力要求相對較低，深受初級編程人員青睞，同時可以直接與真實的物理設(shè)備相連獲取數(shù)據(jù)并進行分析。軟件大大提高了系統(tǒng)工作效率，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、學(xué)術(shù)研究、實踐教學(xué)等領(lǐng)域。

實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能圖如圖5 所示，主要由登錄模塊、系統(tǒng)配置模塊、數(shù)據(jù)采集存儲模塊和數(shù)據(jù)查詢模塊組成。

圖5 軟件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)功能圖

為了保證實驗系統(tǒng)硬件設(shè)備安全運行，登錄模塊中增設(shè)用戶權(quán)限管理單元，對不同用戶設(shè)置不同權(quán)限等級，滿足不同層次實驗對設(shè)備的控制范圍。由于系統(tǒng)中RS485 設(shè)備較多，為避免沖突采用“一主多從”模式，同時數(shù)據(jù)采集模塊采用Modbus TCP 通信協(xié)議提升Modbus 請求與響應(yīng)的效率，通過LabVIEW 的數(shù)據(jù)通訊選項中的Modbus Master 模塊完成設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)控。實驗系統(tǒng)應(yīng)用SQL Server 存儲系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過LabVIEW 中的“Create Date Link”選項，完成與數(shù)據(jù)庫的連接并自動生成ActiveX 數(shù)據(jù)對象(ADO)訪問數(shù)據(jù)庫的UDL 格式文件，然后借助LabVIEW 中Database 模塊實現(xiàn)實驗系統(tǒng)與SQL Server 數(shù)據(jù)庫的連接、管理和存儲光伏微網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)。

LabVIEW 可以通過自帶組件完成C++、Java、MATLAB等軟件混合編程，便于實驗教學(xué)設(shè)計。如LabVIEW 可以通過Matlabscript 組件實現(xiàn)與MATLAB 混合編程，將MATLAB 程序在算法運算上的優(yōu)勢充分融合到實驗系統(tǒng)中[7]。實驗系統(tǒng)既可以完成簡單的電氣入門實驗，也可以進行大型設(shè)計型實驗，同時還能滿足研究型實驗內(nèi)容。光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式中脫離實際實驗設(shè)備運行數(shù)據(jù)、弱化實驗工程性的缺點，讓學(xué)生基于真實工程環(huán)境自主探索、創(chuàng)新，同時克服了傳統(tǒng)強電實驗中存在的設(shè)備損壞和危害人身安全等隱患。

4 結(jié)論

為了滿足工程教育培養(yǎng)需求，克服現(xiàn)在光伏微網(wǎng)系統(tǒng)缺點，積極構(gòu)建10 kW 光伏微網(wǎng)系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)主要組成組件的選擇依據(jù)和線路連接；同時為滿足不同層級實驗教學(xué)需求和簡化實驗系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理，上位機中增加用戶權(quán)限管理單元和采用ActiveX 數(shù)據(jù)對象(ADO)完成上位機與數(shù)據(jù)庫連接。實踐表明，光伏微網(wǎng)實驗系統(tǒng)使理論和實際緊密結(jié)合，具有較強的工程性、復(fù)雜性和科學(xué)前沿性，對學(xué)生的創(chuàng)新實踐能力的提升和高層次工程人才培養(yǎng)有著積極的作用，為光伏微網(wǎng)研究提供可靠的數(shù)據(jù)支持，有較大的推廣和實用價值。