光伏并網發電實訓平臺研制與應用

張 磊, 趙明冬

(1. 鄭州科技學院 實踐教學中心， 河南 鄭州 450064;

光伏并網發電實訓平臺研制與應用

張 磊1, 趙明冬2

(1. 鄭州科技學院 實踐教學中心， 河南 鄭州 450064;

2. 鄭州科技學院 電氣工程學院， 河南 鄭州 450064)

參照實際分布式光伏并網系統工程的項目，創制了一套面向光伏應用專業的開放式模塊化光伏并網發電實訓平臺，介紹了該平臺的技術方案、構成、可完成的實訓項目、調試步驟及其應用。該實訓平臺融識圖、設計、裝配、調試、應用于一體,可分層次、分類別使用。實踐效果表明:該平臺對學生由知識掌握型向知識靈活應用、解決實際工程問題的轉化有很好的過渡作用，具有較高教學與科研價值。

光伏并網； 實訓平臺； 光伏發電； 電氣系統

新能源的開發使用已成當今世界發展主流。太陽能儲量巨大，具有環保、潔凈與可再生的特點,且開發利用時無污染，不影響生態平衡,是低碳社會理想的新能源之一,專家預測在21世紀前半期太陽能光伏產業將超過核電成為最重要的基礎能源之一[1]。目前我國太陽能光伏板的產量占世界總產量的60%,但我們很少有核心技術,在技術上仍然處于被動局面。為此近年來,我國高校開始增設光伏類新能源專業,培養市場急需的專業技術人才,將新能源引入到高校實訓教學當中,通過實訓使學生了解新能源發電裝置的構成和工作原理,激發學生的科研興趣,這對加快人才培養步伐,實現技術突破具有重要意義[2]。筆者結合多年的實訓設備研制與實訓教學的經驗,自主開發創制了光伏并網發電實訓裝置。

1 實訓平臺設計要求

(1) 避免理論與實際脫節、實訓教學與工程應用脫節的問題,讓學生在實踐中學習,能夠融理論與工程應用于一體的開放式實訓教學平臺,同時還能適合技能鑒定培訓的需要。

(2) 結構完備、使用靈活,便于拆卸,易于維護、安全可靠,易于擴展兼容。

2 實訓平臺技術方案

本實訓平臺技術方案包含模擬光源、光伏陣列系統、雙軸跟蹤系統、防雷系統和光伏并網發電實訓臺，見圖1。光伏陣列系統安裝在雙軸跟蹤系統上,模擬光源與光伏陣列的支架固定相連,光伏陣列、雙軸跟蹤系統和公共電網分別通過航空電纜接口與光伏并網發電實訓臺相連。光伏并網發電實訓臺包含匯流箱、逆變器、儀表顯示系統、運行監控系統、防雷系統與雙向電表,這些部件首先分別制作控制盒體、進行模塊化,然后依據工程控制需要進行組裝。

圖1 光伏發電實訓平臺技術方案

3 平臺核心模塊工作原理

光伏電池陣列是光伏并網發電實訓平臺的核心,它主要由2塊單晶硅太陽能電池板(60 Wp/17.3 V)和2塊多晶硅太陽能電池板(60Wp/17.3V)組成。光伏陣列由光伏組件構成,光伏組件主要由硅半導體材料制成。光生伏特效應原理[3](示意圖見圖2)：當光照射到太陽能電池上時,電池吸收光能,能量大于禁帶寬度的光子穿過減反射膜進入硅中,激發出光生電子-空穴對,并立即被內建電場分離,光生電子進入N區,光生空穴進入P區,在光電池兩端出現異號電荷的積累,形成與內建電場方向相反的光生電場,使P型層帶正電、N層帶負而產生“光生電壓”,這就是“光生伏特效應”。

圖2 光生伏特效應示意圖

光伏電池產生的實際電流I為

(1)

式中:VD為P-N兩端的結電壓；I0為P-N結的反向飽和電流；Iph為與入射光的強度成正比的光生電流,其比例系數是由太陽能電池的結構和材料的特性決定；n為結構因子,表示P-N結特性的參數,通常n在1～2之間；q為電子電荷,q=1.6×10-19C；KB為波爾茲曼常數,KB=1.38×10-23C；T為實際電池板絕對溫度[3]。

從式(1)可知光伏產生的電流與光照強度和溫度相關。光伏電池的I-V特性和P-V特性曲線見圖3和圖4(P為功率)。

圖3 常溫不同光照下光伏電池特性曲線

圖4 相同光照不同溫度下光伏電池特性曲線

從圖3中可知：當環境溫度保持不變時,光照度越強，光伏電池輸出的電流與功率越大,電流與電壓呈非線性關系,電壓較低時與恒流源類似；在P-V曲線的拐點處為最大功率點,該點即為最大功率點，每條曲線僅有1個最大功率點[4]。

從圖4中可知：當光照強度不變時,溫度越高光伏電池輸出的電壓與功率越低,當電壓較高時可近似為恒壓源；當輸出電壓小于最大功率點電壓時,輸出功率近似呈線性變化；溫度越高最大輸出功率越小。

由圖3與式(1)可知，輸出功率和電流的強弱與日光強度、光伏材料和溫度有關。生產廠家通常只為用戶提供25 ℃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,應用時有困難。因此需將二者聯系起來建立如下的光伏電池工程數學模型方程式：

式中，C1、C2為修正系數;Np與Ns為分別為光伏陣列中串聯、并聯的數目[5]。

4 實訓平臺結構

該實訓平臺主要由實訓平臺臺體與電氣系統兩部分構成,

4.1 實訓平臺臺體

實訓平臺臺體采用金屬框架結構,表面靜電噴涂處理,分2層,底層為光伏發電與逆變部分的積木模塊,通過航空電纜轉接口與光伏陣列和外部電網相連；頂層為測量指示部分的積木盒體,通過插接線與底層模塊相連。支架中間橫梁高強度設計,耐用美觀,積木盒體在中間靠上下間隙卡住,安裝簡便。這樣非常方便師生在實訓裝置上進行教學與科研。

4.2 電氣系統構成

電氣系統主要由光伏陣列、模擬光源、光源雙軸跟蹤裝置、能量轉換測量顯示系統、運行監測系統、防雷系統與負載系統構成。

(1) 模擬光源系統。在光伏組件上方50 cm處分別裝有3盞鹵鎢燈,一支為220 V/50 Hz/300 W鹵鎢燈，仿早晨陽光；中間為220 V/50 Hz，1 kW鹵鎢燈，仿中午陽光；另外一盞為220 V/50 Hz/500 W鹵鎢燈，仿下午陽光,三盞燈呈弧形分布。

(2) 光源雙軸跟蹤裝置。由太陽運行傳感器、運動機構、控制變壓器、步進電機、步進驅動器、控制器和支架組成。太陽運行傳感器采集模擬太陽光照度及位置信息,控制運動機構工作,使模擬太陽光源光線與光伏陣列始終垂直,光電的轉換效率最高,陣列輸出功率最大。

(3) 能量轉換測量顯示系統。該系統是光伏并網發電裝置的控制核心,主要有匯流箱、逆變器、雙向電度表與斷路器組成。匯流箱采用江蘇安科瑞的APV-M4；逆變器采用GTI-300W；雙向電度表采用浙江立新儀表的DDS238-2ZN/S,具有RS485通信功能。此外測量顯示部分由電壓表、電流表、功率表、溫濕度表、照度表,接在輸出級的回路中,主要是直觀地顯示電流、電壓、功率、溫濕度與照度的大小及變化的情況,以便學生觀察。

(4) 運行監測系統。由環境監測儀、光伏系統監控軟件、PC機與匯流箱中的數據測量和采集部分組成。主要功能：顯示充電電壓、充電電流、功率、運行狀態；顯示負載電壓、負載電流、負載功率、負載狀態；顯示當前風向、照度、溫度等環境信息；各種參數保護、實時數據顯示與處理、詳細的事故記錄、報警參數設定、對用戶提供權限管理、密碼登錄等[6]。不僅能夠準確及時地對整體系統的各項參數進行記錄和數據分析,還能夠輕松實現從全球任何一臺PC或智能手機監控光伏電站運行狀態。

(5) 防雷系統。對電氣設備進行雷電防護,對每串光伏電池的出線端及支架、光伏陣列匯流箱、并網逆變器等相關電氣設備進行等電位連接并安裝防雷保護裝置,匯流箱和逆變器與防雷模塊之間采用防浪涌保護。防雷模塊與接地線之間阻值小于4 Ω[7]。

(6) 負載系統。分交流負載與直流負載,交流負載主要由50 W的白熾燈和交流電風扇(約20 W)構成,由逆變器供電；直流負載主要由滑動電阻器1(10 Ω/200 W)、滑動電阻器2(100 Ω/100 W)、25 W LED節能燈等組成,由太陽能電池直接供電。這樣分類使用可提高系統效率、節約能源和延長逆變器的壽命,同時也提高了系統的可靠性[8]。

5 主要實訓項目

實訓平臺的各個部分是完全獨立的“元器件積木模塊”,學生在實訓過程中可根據自己對光伏發電應用的理解,自己動手選擇相關模塊進行組合實訓。能夠完成以下實訓項目:太陽能光伏板能量轉換原理實訓；太陽能電池板最大輸出功率連接和轉換效率測試；太陽能電池板方位角、傾斜角的選擇及太陽能組件支架的安裝；太陽能電池自動追光系統；陣列匯流測試；DC-AC逆變轉換；防雷系統測試；運行監測系統實訓；最大功率追蹤與并網發電測試；光伏發電并網等。

6 光伏并網發電實訓平臺調試

(1) 接線檢查。檢查該平臺的各個積木模塊的線纜、連線、接插件與器件無松動、損壞；檢查確認DC連接線纜極性正確、端子連接牢固度；電纜連接、接線端有無絕緣損壞、斷線等現象。

(2) 器件檢查。檢查積木模塊上的器件(模擬光源、匯流器、逆變器,交流斷路器、直流斷路器與熔斷器)等是否完好無損壞及動作是否靈活可靠，所有器件的金屬支架或螺釘是否固定牢靠。

(3) 絕緣度檢測。用1 000 V兆歐表,對每個模塊的外殼、面板、插接件、電纜與裝置的外殼等做絕緣耐壓測試或測量絕緣電阻，確保絕緣良好；檢測地線連接,確保接地電阻小于4 Ω。注意對泄漏電流測量時,測試電壓可分4～5階段進行均勻升壓,每階段停留1 min,并讀取泄漏電流值；當測試電壓升至規定值后維持15 min,其間讀取1 min和15 min時的泄漏電流,測量時應消除雜散電流的影響,測量后的泄漏電流作為判斷絕緣狀況的參考,不作為是否能投入運行的依據[9]。但有下列情況之一并予以處理:(1)泄漏電流很不穩定；(2)泄漏電流隨測試電壓升高急劇上升；(3)泄漏電流隨測試時間延長有上升現象[10]。檢查時,應確保該平臺的所有斷路器均處于OFF位置。

(4) 首次開機。首先打開模擬光源的電源開關,等燈亮10 min后再打開匯流箱的直流斷路器開關與跟蹤控制器開關,進行光線跟蹤控制；然后再打開直流負載開關,直至負載工作正常；最后閉合逆變器直流輸入開關，確認無誤后再閉合空載下逆變器交流輸出開關,檢測并確認交流輸出電壓值正確后,接入交流負載,直至全部負載工作正常；啟動運行監測系統,進行檢測控制。此后逆變電源會自動追蹤光伏電池最大功率點,實現最大功率并網,至此首次開機工作完成。

(5) 系統運行測試。用電能質量分析儀來檢測光伏發電質量。檢測項目主要有：有功輸出特性、有功和無功控制特性；電能質量檢測包含諧波、電壓偏差、電壓不平衡度、電壓波動和閃變、電磁兼容等；電壓電流與頻率響應特性；安全與保護功能；電源起停對電網的影響及其他規定的內容[11]，是否滿足并網要求,并觀察監控顯示與測量值是否一致(如不一致,且誤差較大,則需核對參數設置是否與所要求的參數一致,如兩者不一致,則修改參數設置。

(6) 平臺系統“老化”。需對系統的每個積木模塊進行連續供電24 h,并以間隔為20 min時間進行4 h高頻開關機,然后再測量電能參數,這樣循環測試1周,達到老化目標后,則可放心使用。“老化”時注意事項:①逆變器要空載啟動;②人為控制開關機的頻率不要太高,一般要間隔20 min、開機15 min后再打開逆變電源;③交流最大負載要低于300 W;為了人身和設備的安全,交流負載端子不能短路。

7 實訓平臺運用

以光伏并網發電為例介紹其運用。

(1) 查閱資料。學生到圖書館或電子閱覽室查閱所需資料,資料內容包括項目所在地區的地理方位(經度、緯度)以及該區的陽光資源、環境狀況、氣象資料、風力狀況與氣候條件等,特別是安裝地區的太陽的輻照強度與方位角、高度角的變化規律。具體實施過程由該組組長負責,相應的組員嚴格按照分工執行。

(2) 設計。依據掌握的資料信息對光伏并網發電系統進行容量與硬件設計。光伏并網發電系統容量設計主要依據安裝面積、負載容量與特性進行計算。主要依據工程的耐候性來選擇最佳的硬件設備,主要包含光伏組件的類型、支撐架材料結構、防雷與接地系統設計、逆變器的選擇、運行監控與控制系統設計和負載系統設計等環節。并網型太陽能光伏系統接線圖見圖5。在工程設計時，首先要從工程系統的軟件和硬件方面進行斟酌,要本著系統設計的合理性、實用性、經濟性、可靠性與高性價比的原則進行設計。

圖5 并網型太陽能光伏系統接線圖

(3) 實施。步驟如下：

① 依據設計內容選取實訓器件模塊，見表1；

表1 光伏并網發電系統所用模塊

② 將選取的模塊在實訓裝置上安插好,然后依據設計圖用插接線進行連接；

③ 啟動模擬光源,將光照射到太陽能電池板上10 ms后,打開匯流箱開關；

④ 此時觀察直流單元,觀測光伏輸入電壓,并作出記錄；然后打開逆變器開關,3 ms后打開并網開關；

⑤ 打開負載開關調節電阻器,觀察光伏輸入電流、電壓、頻率等,并記錄數據；

⑥ 實驗并觀察MPPT最大功率跟蹤以及孤島效應檢測,用示波器讀取電壓和電流波形,計算并網型電站的太陽能利用效率；

⑦ 撰寫實訓報告。

8 結語

光伏并網實訓平臺結合工程實際，采取積木式模塊設計,結構靈活、便于組合和擴展,學生能夠依據自己的水平選擇合適的實訓項目,有利于加快學生由知識向靈活應用、獨立解決實際工程問題的轉化,突出學生工程創新應用能力、團隊合作能力和創新精神的培養,為學生今后工作打下了較堅實的基礎。

References)

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[3] 閻娜.光伏發電系統實驗臺設計與搭建[J].實驗技術與管理,2012,29(12):71-74.

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[5] 陳啟卷,周元貴.儲能型光伏發電系統實驗平臺研究[J].實驗技術與管理,2015,32(9):68-72.

[6] 百度文庫.電力電子技術實訓指導書[EB/OL].(2012-11)[2016-07-15].http://wenku.baidu.com/view/c211745ebe23482fb4da4cc8.html.

[7] GB50169—2006 電氣裝置安裝工程接地裝置施工及驗收規范[S].北京：中國計劃出版社，2006.

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[10] 王杰輝.電纜耐壓試驗的分析與探討[J].科技致富向導,2011(21):322.

[11] 劉猛,劉亮，李國軍，等.分布式發電并網自動化檢測系統設計[J].自動化儀表,2013(9):60-62.

Development and application of training platform for photovoltaic grid-connected power generation

Zhang Lei1, Zhao Mingdong2

(1. Practical Teaching Center，Zhengzhou Institute of Science and Technology, Zhengzhou 450064, China;2. College of Electrical Engineering，Zhengzhou Institute of Science and Technology, Zhengzhou 450064, China)

Referring to the engineering project of the actual distributed photovoltaic grid-connected system，a training platform for the open modularized photovoltaic grid-connected power generation for Photovoltaic Application speciality is developed. Its technical scheme, constitution, training projects, debugging steps and application are introduced. The training platform integrates image recognition, design, assembly, debugging and application into one, which can be used in accordance with different levels and categories. The practical results show that the platform plays a good transitional role in turning students’ acquisition of knowledge to the flexible application of knowledge and in the transformation of solving the practical engineering problems. Therefore, it has relatively high value for teaching and research.

photovoltaic grid-connected； training platform； photovoltaic power generation; electrical system

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.025

2016-07-17 修改日期：2016-09-01

河南省科技攻關項目“積木式光伏發電綜合應用裝置研制”(162102310237)

張磊(1976—)，男，河北邯鄲，本科、實驗師、電工電子技術訓練中心主任，研究方向為光伏應用及實踐教學與實訓設備研制.

TM615;G484

A

1002-4956(2017)1-0109-05