儲能型光伏發電系統實驗平臺研究

陳啟卷, 周元貴, 何昌炎, 車孝軒

(武漢大學 動力與機械學院, 湖北 武漢 430072)

儀器設備研制與應用

儲能型光伏發電系統實驗平臺研究

陳啟卷, 周元貴, 何昌炎, 車孝軒

(武漢大學 動力與機械學院, 湖北 武漢 430072)

為滿足太陽能光伏發電技術教學與科研工作需要,設計和搭建了含有儲能裝置的3 kW光伏發電系統實驗平臺。介紹了該平臺的總體拓撲結構,闡述了構成該平臺的各關鍵模塊的原理。由于該平臺采用模塊化設計,各軟硬件獨立性強、開放性好,便于系統平臺的不斷更新改造。實驗表明,該平臺能滿足高年級本科生和研究生基本的實驗教學與科學研究的需求,具有較好的教學與科研價值。

光伏發電系統； 實驗平臺； 儲能

隨著化石能源的急劇消耗及地球生態的日益惡化,太陽能光伏發電作為一種清潔可再生能源得到了青睞[1]。科學技術的發展,使光伏發電單位成本不斷下降,并逐漸逼近傳統能源發電成本,而智能電網的規劃實施,使得太陽能發電并網的可靠性進一步得以保障[2]。這在一定程度上解決了太陽能光伏發電的發電和輸電兩大難題。加之政策的優惠導向,使得大量企業投入太陽能光伏發電行業,而行業的高速有效發展,必然離不開大量高層次技術人才,因此有必要及早培養。鑒于當前一些客觀條件,大量的教學科研工作往往側重在理論學習研究上,缺少對真實光伏發電環境的主觀感受及實踐動手操作能力。為了更好推進理論與實踐的結合,滿足新形勢下光伏發電技術人才培養的需要,有必要建設光伏發電系統實驗研究平臺[3-4]。

考慮到儲能環節可以增加光伏發電系統供電的可靠性及平滑輸出功率,目前已成為光伏發電系統的關鍵一環,因此在設計該實驗平臺時也需要考慮此環節,以此保證系統平臺的完整性[5]

鑒于上述原因,本文設計了具有儲能功能的太陽能光伏發電系統實驗研究平臺,通過該主體平臺可以完成眾多光伏發電技術涉及到的關鍵原理及技術驗證實驗。同時,平臺在設計過程中充分考慮了后期教學科研過程中二次開發的可能性,采用模塊化組合結構,系統整體結構及各模塊軟硬件可擴充更新。

1 實驗研究平臺總體結構

儲能型太陽能光伏發電系統實驗研究平臺主要包括光伏陣列、并網逆變器、直流柜(含蓄電池)、雙向逆變器、交流柜、環境監測儀和控制箱,系統總體結構框圖見圖1。光伏陣列輸出的直流電接入并網逆變器后變換成單相正弦交流電,雙向逆變器除了通信接口外,共有3路輸入輸出口,一路接直流柜中蓄電池組,一路接本地電網,另一路接并網逆變器的交流輸出側。直流柜配置蓄電池組采用4塊蓄電池串聯為一組存儲能量。交流柜主要通過空氣斷路器和交流接觸器,實現交流電能分配和并網接口,同時交流柜中內置防逆流裝置,通過逆流功率設定可以控制本地系統和電網間電能的雙向流動。環境監測儀用來實時監測輻照度、溫度、濕度及風向等氣象信息,可供實驗研究分析使用。控制箱主要包含PC機、數據采集板及繼電器控制板,通過通信可以監測、控制各設備的運行狀態。各部分通過電氣線路連接,各自獨立為模塊,便于學習研究及二次開發設計。

圖1 儲能型光伏發電系統實驗研究平臺總體結構框圖

2 核心模塊工作原理

2.1 光伏陣列

光伏組件采用半導體材料制成,基于“光生伏打效應”原理發電,通過一定串并聯組合,即可產生需要的電壓和電流值[6]。考慮并網逆變器的啟動電壓及MPPT追蹤范圍,該實驗平臺采用12塊JC250M-24/Bb構成串聯陣列。系統平臺所選光伏組件的電氣特性參數見表1。

表1 JC250M -24/Bb光伏組件電氣特性參數

型號Im/AUm/VIsc/AUoc/VJC250M-24/Bb8.3130.18.8337.4

一般情況下,光伏模塊生產廠家只為用戶提供標準測試條件下的短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點輸出功率Pm、最大功率點處的電壓Um和最大功率點處的電流Im[7]。通過近似處理可以建立光伏電池工程用數學模型[8-10]。光伏電池的輸出特性曲線方程為

(1)

當光伏電池的輻照度和溫度偏離標準測試條件時,根據標準日照Sref和標準溫度Tref下的Isc、Uoc、Im、Um推算一般工況(輻照度S和溫度T)下的Isc_new、Uoc_new、Im_new、Um_new如下：

(2)

其中,溫度差ΔT=T-Tref,相對輻照度差ΔS=S/Sref-1,系數α、β、γ的典型值為α=0.0025/℃、β=0.5、γ=0.002 88/℃,實際應用中根據實測組件進行修正即可。

將(2)式代入(1)式即可進行非標準工況下的輸出特性工程計算。根據電路理論,光伏陣列的輸出特性曲線方程為

(3)

其中,Np、Ns分別為光伏陣列中組件的串、并聯數目。

2.2 并網逆變器

并網逆變器實現將光伏陣列的直流輸出變換成本地電網電壓,以實現光伏系統并網運行及為本地負載供電[11-12]。所設計平臺采用的單相光伏并網逆變器的電路框圖如圖2所示。并網逆變器的直流輸入和交流輸出端均采用EMC濾波電路,直流母線上并聯接入儲能電容器,實現穩壓功能,從而形成電壓源型逆變器。硬件控制電路主要包括主控制器電路、信號采集調理電路、驅動電路、輔助電源電路等。主控電路發出SPWM波形信號，經過信號放大驅動電路驅動功率逆變模塊,功率逆變模塊的輸出經過交流電抗器、保護電路和交流EMC濾波后,即可并入單相電網。該平臺中接入為雙向逆變器的交流輸出端。并網逆變器的軟件程序主要包含主程序模塊、系統初始化模塊、MPPT模塊、AD中斷服務程序模塊、SPWM中斷服務程序模塊、捕獲中斷服務程序模塊、鎖相環模塊、故障處理保護模塊等。該平臺并網逆變器采用雙路MPPT組串式設計,每路MPPT最大直流輸入電壓為580 V,啟動電壓為150 V,該方式使得平臺的直流輸入端靈活多變,一方面增強了系統的應用場合,另一方面使得系統可以接受多種規格電池板和組串設計,增強了系統對直流輸入端的后期改造實驗設計。

圖2 單相光伏并網逆變器電路框圖

2.3 雙向逆變器及蓄電池

系統平臺中雙向逆變器具有逆變控制和蓄電池充放電控制雙重功能[5,13],除通信功能外,外置交流輸入接口ACIN、交流輸出接口ACOUT及蓄電池接口BAT。其中,ACIN接入單相電網、ACOUT接并網逆變器的交流輸出口。雙向逆變器的逆變原理類似并網逆變器。充放電控制器在蓄電池的每個充電循環采用3段式充電,分別為均衡充、吸收充、浮充。均衡充階段充電電流不變,一旦達到吸收充設定的恒定電壓,充電循環進入第二階段,當吸收充充電時間結束后,或實際吸收充電流小于設定值,蓄電池點的充電電壓被調整到更低的一個值,該階段便是浮充階段。采用3段式充電方式,可以保證蓄電池進行最佳充電。當蓄電池放電時,考慮到放電電流、時間、蓄電池老化、蓄電池

電壓等因素,放電保護在42～46.32 V之間切斷(蓄電池約保留20%能量)。考慮到雙向逆變器的BAT接口設計的額定電壓為48 V,選用LCPC50-12閥控式密閉蓄電池,額定容量為50 Ah,額定電壓12 V,4塊蓄電池串聯即可滿足設計要求,且該膠體蓄電池免維護,更加適合實驗室環境。

2.4 控制箱

控制箱中主要有數據采集板和繼電器控制板以及PC機,其中采集板CJB可以通過RS485/RS232接口采集來自并網逆變器、環境監測儀、雙向逆變器的實時數據,同時建立與PC機之間的通信。另外,CJB可與繼電器控制板通信實現對系統一般負載及重要負載的控制等。PC機端通過VC++設計上位機軟件,實現平臺運行的實時監測與控制。控制箱部分電氣原理如圖3所示。

圖3 控制箱電氣原理圖

2.5 環境采集儀及交流柜

環境采集儀采用PC-4型環境監測裝置,可以實時采集環境溫度、風速、風向、輻射量、濕度等信息,通過485通信連接控制箱中數據采集板。

交流柜主要用來實現系統平臺交流部分的匯集,包括并網逆變器、雙向逆變器及電網的連接端子排、防逆流控制板、空氣斷路器、交流接觸器及電能計量表等,以及測試負載工作狀態的電壓表、電流表。

3 關鍵實驗項目

所設計含儲能裝置的光伏發電系統實驗平臺,能完成的實驗內容主要包括:光伏陣列伏安特性測試實驗、光伏陣列的陰影效應實驗、并網逆變器并網實驗、并網逆變器防孤島實驗、雙向逆變器并網、雙向逆變器孤島運行實驗、并網逆變器效應測試實驗、雙向逆變器并離網切換實驗及系統防逆流實驗。下面簡要介紹幾個典型實驗內容。

3.1 并網逆變器并網實驗

由于并網逆變器需要將光伏陣列的直流電轉換成與電網電能參數一致的交流電后才可以安全傳輸到電網,因此需要測試并網逆變器并網運行功能。完成該實驗需要的實驗設備及工具為:光伏陣列、并網逆變器(單相)、電網(單相220 V)、雙向逆變器、萬用表及示波器。

具體操作步驟如下:先測量光伏組件的輸出電壓是否在逆變器輸入電壓的范圍內,然后接通直流側開關(直流柜),再將雙向逆變器輸出開關(面板按鈕開關)打開,提供電網,逆變器在此期間會檢測60 s,60 s后完成并網,此時可查看并網逆變器的輸出功率及電網電壓、頻率等。

3.2 并網逆變器防孤島運行實驗

孤島檢測和保護是光伏并網發電系統必須考慮的功能,是人員及設備安全的重要保證,也是并網逆變器面臨的一項關鍵技術[14]。當電網無電或者雙向逆變器沒有輸出的情況下,并網逆變器應停止工作,此時輸出端應無交流輸出。完成該實驗需要的實驗設備有:光伏組件、光伏并網逆變器(單相)、電網(單相220 V)、雙向逆變器、萬用表及示波器。

具體操作步驟如下:雙向逆變器有輸出,并網逆變器工作在發電狀態,此時將雙向逆變器輸出切斷(面板按鈕開關),再用萬用表、示波器等測量并網逆變器的輸出。

3.3 雙向逆變器孤島運行實驗

當電網停電時,雙向逆變器應能正常輸出220 V、50 Hz正弦波交流電,以完成臨時供電。因此,需要測試雙向逆變器在電網斷電時的運行情況,實驗需要設備有:電網(單相220 V)、雙向逆變器、萬用表及示波器。

具體操作步驟如下:斷開電網開關(交流柜),打開蓄電池開關(直流柜),再將雙向逆變器的輸出開關打開(面板按鈕開關),此時雙向逆變器進入離網工作模式。

4 平臺運行測試結果

設計完成的3 kW儲能型光伏發電系統實驗平臺如圖4所示。該實驗平臺從2013年8月初開始調試運行,9月份正式投入運行。至今,在滿足所有實驗研究基礎上,該系統平臺共計發電2 647 kW·h,系統平臺運行穩定可靠,滿足設計要求。

圖4 儲能型光伏發電系統實驗平臺

以某晴天9:00為例,系統平臺運行狀態表征如下:平均輻射量455 W/m2,陣列電壓為338 V,陣列輸出電流為4.536 A,相應的陣列輸出功率為1.533 kW,逆變器功率為1.44 W,環境溫度為32.5 ℃,組件溫度為41.7 ℃,發電量為0.1 kW·h,測得電網電壓為236 V,此時照明負載接入運行。通過上位機處理存儲,將為未來的光伏發電技術的預測、控制研究積累大量可靠數據。

實驗平臺從投入使用以來,已完成大量本科生及研究生的有關新能源課程的設計及研究工作,增強了學生的自主科研及實踐動手能力,達到預期效果。

5 結束語

本文設計了含儲能裝置的光伏發電系統實驗平臺,通過實際運行測試,證明該平臺運行穩定可靠,模塊化設計方式使得后期的實驗研究簡單易行,為專業技術人才從光伏發電技術理論階段向實踐環節的過渡提供了條件。通過該平臺配置的輔助實驗軟件及電路板,學生可以發揮個人能力,自主設計各模塊控制系統,無縫接入平臺,以實現該實驗研究平臺運行價值的最大化。

References)

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Study on experimental platform of photovoltaic system with energy storage equipment

Chen Qijuan, Zhou Yuangui, He Changyan, Che Xiaoxuan

(School of Power and Mechanical Engineering,Wuhan University,Wuhan 430072, China)

In order to satisfy the needs of teaching and research work of solar photovoltaic technology,a 3 kW experimental research platform of photovoltaic system with energy storage equipment is designed and built. The overall topology is introduced and the basic principles of the key modules making up the system platform are illustrated.With the modular design,all the hardware and software have merits such as strong independence and good opening which can make the platform easy to be continuously renewed and modified.The experiments show that it can meet the basic laboratory teaching and scientific research needs of the advanced undergraduates and graduates and the platform has a certain value in the actual teaching and scientific research.

photovoltaic system; experimental platform; energy storage

2015- 01- 14 修改日期：2015- 03- 10

武漢大學實驗技術基金項目(whu-2014-syjs-06)

陳啟卷 (1963—)，男，浙江金華，博士，教授，博士生導師，主要從事電力設備狀態監測及故障診斷技術、新能源發電控制技術等方面的研究.

E-mail：qjchen@whu.edu.cn

TM615;G484

A

1002-4956(2015)9- 0068- 04