智能光伏系統在建筑應用中的研究

夏成希

[摘 要]提出一種智能光伏系統在建筑中應用的一種新方案，該方案利用并網逆變器快速靈活的可控性，設計了一款高效率高功率因數的用戶型光伏并網發電系統。根據有功功率需求把光伏發電的不可調度電源轉換為主動參與電網運行從而確保穩定。不僅可以增強電網對分布式光伏的消納，而且可以改善電網的電能質量。該方案的提出能有效地減少光伏的棄光現象，讓光伏發揮更大潛力來發電。

[關鍵詞]建筑微電網；智能光伏-蓄電池；模式切換

[中圖分類號]TM615 [文獻標識碼]A

太陽光能是一種具有長時間使用年限并且可以有很大規模的應用前景與開采價值的寶貴能源。在當今我國的土地資源愈加寶貴的情況下，使建筑與光伏相結合而成的發電技術一體化成為一種當今的熱門發展趨勢。建筑與光伏發電相結合，并且應用于房屋建筑之中，是一種非常高效利用太陽能并且解決能源危機的方案，與此同時，光伏材料同房屋建筑相融合的一個整體系統可以取代傳統的建筑材料，同時又有壓縮節約成本的功效，因此引起了相關科研人員的興趣與研究。本文提出可用于城市大型建筑的光伏系統，此光伏系統可以配合大電網的運行。連接在蓄電池的雙向DC/DC確保直流母線工作電壓達到預定值并且可以實現蓄電池的充電與放電；并網逆變器可以實現光伏的功率極大值跟蹤狀態（Maximum power point Tracking，MPPT）

1 建筑光伏發電系統的構成與特點

建筑光伏并網發電的工作原理為屋頂太陽能電池板接收光輻射，頂層光伏輸出直流電，通過逆變器轉化為與城市電網電壓的頻率相同、相位相同的交流電，與此同時實現交流并網的目的。一個典型的建筑光伏并網發電系統一般由接線箱、建筑用儲能蓄電池、并網逆變裝置、光伏電池、電網和負載組成。

2 智能光伏系統的結構

其中有一次側主回路系統與二次側控制系統。一次主回路由子網負荷及電網、儲蓄電池能、光伏電池組、逆變器組成。光伏電池組通過雙向DC/DC變換器連接在直流母線上，逆變器接入升壓變壓器并且與配電網相連接。其中連接在蓄電池組的雙向DC/DC實現蓄電池組的充電與放電的平穩進行；逆變器的輸出功率可以根據實時不同工況需求發出大電網要求的有功功率。

控制系統包括上層中心控制器和底層控制器，控制目標是在大電網的可接受容量內把建筑光伏所發出的電量盡最大的努力傳輸到電網之中。上層中心控制器判斷系統運行模式和根據AGC指令，選擇控制邏輯，從而達到底層協調控制的目標，具體包括蓄電池充放電控制器、底層控制器選擇、控制器參考值計算和蓄電池充放電管理。底層控制包括逆變器控制器。逆變器有功功率控制外環有恒功率控制控制和最大功率跟蹤控制兩種。

3 上層控制系統

考慮光伏發電功率隨光照強度的變化而變化，隨時間變化情況下光伏發電功率和電網所需功率關系如圖2所示。圖中，曲線為光伏輸出最大功率和時間相對應的情況，點B和點G為光伏起動和關閉功率，點C和點F為電網所需負荷功率，點D和點E為假設光伏微網中電網所需負荷功率與蓄電池最大充電功率之和。根據光伏發電功率和電網需求功率關系，智能光伏系統運行模式如下。Pload為并網逆變器輸出功率，Umpp為光伏輸出最大功率時的光伏電壓，Pbatt_max為蓄電池最大充電功率。

由圖2可知，系統運行工況如下：

（1）在AB段時，太陽光的輻射比較微弱，建筑光伏發電的最大功率為Pmpp小于Pmin，光伏系統切換為關閉模式，建筑自帶蓄電池采取放電模式，目的是讓母線上電壓的穩定，蓄電池側的DC/DC控制器為恒壓控制器；如果蓄電池放電已經達到上限，即當蓄電池剩余容量小于最小剩余容量或蓄電池端電壓小于最小放電電壓時，建筑自帶蓄電池停止放電，整個系統關閉。

（2）在BC段時，太陽光輻射逐漸加強，建筑光伏發出的最大功率Pmpp≥Pmin，但Pmpp

（3）在CD段時，建筑光伏最大發電功率Pmpp≥PLoad且Pmpp

（4）在DE段時，光伏最大發電功率Pmpp≥PLoad+Pbatt_max，光伏退出最大功率運行，為負荷供電的同時為蓄電池充電，如果蓄電池充電已滿，光伏恒功率輸出單獨為負荷供電。

（5）在EF段時，系統運行工況同（3）。

（6）在FG段時，系統運行工況同（2）。

（7）在GH段時，系統運行工況同（1）。

4 底層控制器設計

在不同光照條件下與溫度條件下，光伏電池的功率—電壓輸出曲線如圖3，其中G表示太陽輻射的強度，把不同情況下光伏電池所能輸出的最大功率點與端口電壓連接起來就可以得到光伏電池的最大功率跟蹤曲線，如圖中的虛線所示。曲線上每一點代表著某一光照強度下，光伏單元輸出的最大功率Pmpp，例如a、b、c即為最大功率點，其對應的橫坐標即為最大功率點所對應的光伏單元端口電壓Umpp。

從圖中輸出功率—端口電壓曲線關系，在太陽光輻射不同情況下控制直流側端口的電壓達到目標值，就可以確保達到光伏電池最大功率控制的目的。

5 仿真分析

5.1 仿真條件

此文仿真研究的方法是等比例，假設條件是電網額定容量10MW，使用Matlab/Simulink軟件對圖所示的光伏蓄電池微網系統進行了仿真。光伏微網中蓄電池由191節電池串聯而成，總容量為800Ah，額定電壓為382V。

5.2 仿真結果

如圖所示，（a）為蓄電池充放電電流；（b）為并網逆變器向電網輸送的有用功；（c）為蓄電池端口電壓；（d）為光伏發出有用功功率；仿真在0.4s時啟動智能光伏蓄電池系統。在0.4-2s內，電網有功功率功率過多，此時系統處于整流狀態，蓄電池充電來吸收電網多余有功功率，起到削峰填谷的作用。光伏隨著光照的增強，產生的功率也越來越大。在1.7s時達到峰值45kW。

2-4s內，電網出現有功功率的缺額，此時光伏發出的功率不足以提供電網所需的有功功率，蓄電池處于放電狀態來彌補相應的功率缺額。隨著光伏發出功率越來越少，可以看出蓄電池的出力越來越大從而滿足功率的動態平衡。

4-5s內，電網所需有功功率減少到10kW，而此時的光伏處于無光狀態，不滿足發電條件（特別是4.3s以后，光伏出力為0），此時所有功率由蓄電池通過放電來提供。

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