分布式光伏發電微電網供能系統研究構建

楊勝偉，張斌，杜源，姜鑫

（1.云南電網有限責任公司楚雄供電局，云南 楚雄 675000； 2.云南電網有限責任公司文山馬關供電局，云南 文山 663000； 3.云南電網有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000； 4.云南電網有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000）

0 前言

分布式光伏發電對公共電網及儲能裝置有著較高的依賴性，在帶水泵作用下能夠對負荷起到調節作用，且使得分布式光伏發電為直流電源[1]。由直流供電網提供的電流一方面能夠降低電能的轉換頻率，另一方面能夠促進電能利用效率的提升。探究分布式光伏發電微電網功能系統，實現技術突破，有利于帶動系統電能儲備發展。

1 原理與分布式光伏微電網優勢

1.1 光伏發電原理

作為電力系統重要技術，光伏發電借助半導體界面光生伏特效應，可實現光能向電能的轉化，通常，半導體與金屬兩者是相連狀態，其連接位置經過光照會導致電壓高低不同，實現光能向電能的轉化。光伏電池是光伏發電的核心。近年來，光伏電池在薄膜技術的支持下實現了量產，同時制造成本也不斷減少。為實現轉化光能最大效應的實現，應將光伏電池進行陣列排列，對其最大功率點進行跟蹤，能夠提升對電能的利用與儲存效率。

1.2 分布式光伏發電系統優勢

分布式光伏發電微電網功能一方面能夠供電于直流負荷電源，另一方面對分布式光伏發電電源使用不排斥，間接促進了功能系統供電與發電效率的提升。隨著發電系統微電網的開發利用，分布式光伏應用范圍不斷擴大，具有一定的節能效能，兼具經濟效益與分擔能源壓力的作用。分布式光伏發電微電網結構如圖1所示，其僅需要光照便能夠完整安裝，且頂部與側面均可以得到良好的利用，減少土建投資[2]。作為一種清潔能源，光伏發電主要原料為光，產品為電，生產期間不會產生其他原料損失，且無污染，能量應用遵循就近原則，在一定程度上降低了運送期間產生的損耗。不僅如此該發電系統電流高峰、使用量高峰保持重合，若有多余電量可以進行并網處理避免了電源資源的浪費。

2 實驗平臺構建

2.1 電池陣列、儲能裝置

研究構建的微電網實驗平臺，分布式光源電源采用的是太陽能光伏與樓宇相結合的方式，樓宇屋頂安裝了光伏電池陣列，18V 5W多晶硅太陽能電池板陣列共包括28塊，均來源于深圳星華科技有限公司，將其分為4組，每組7塊，將其與微電網實驗平臺接入，接入位置為控制室轉接箱（圖2）。四組光伏電池陣列經過串聯或并聯后能夠投入使用，可組合成為11種不同容量大小的分布式光伏電源接入方式。除對樓宇實際交直流負荷提供電能，還可以完成控制室的模擬負荷，其主要構件為180 Ω大功率電阻箱、單相/三相可編程電子負荷（4.5 kW）。

圖2 室內轉接箱安裝示意圖

選擇免維修護酸蓄電池組、超級電容器組構建一個儲能裝置，鉛酸蓄電池單組的電壓為12 V，容量100 AH，設置滿充電壓、過放電 壓 分 別 為13.6～13.9 V、9.9～10.0 V，采 用5×12 mm銅排低于10組蓄電池進行聯接，能夠正常應用的電壓為99 V～138 V，確保最大充放電流可達到100 A，最佳充放電電流達到10 A，其能夠達到微電網實驗對穩態的要求，當處于暫態時，可通過對充、放電電能進行調節。

2.2 變換電路與控制器制作

根據分布式光伏發電系統、微電網電路拓撲及控制策略，光伏發電微電網實驗平臺的構建需要各類變換電路的支持，常用變換電路為光伏電池陣列端DC/DC電路，儲能裝置DC/DC電路，另外還包括系統與公共電網整流電路，綜合上述相關電路的開關元件、PWM信號驅動，在智能功率模塊作用下能夠實現對過電壓、過電流等故障的檢測，對電路具有一定的保護作用，避免出現負荷過載情況，防止IPM受損。作為微電網的重要組成部分，變換器主要包括整流、逆變與斬波等，其發出的直流電經過DC/DC電路升壓、穩壓，其中一部分為直流負載功能，另一方面由DC/AC電路為直流負載功能。當光伏發電電量處于較高狀態，剩余的電能能夠為蓄電池充電，若蓄電池電量已滿，電能會直接并入電網。蓄電池、光伏發電在光照減弱狀態下能夠提供電能[3-4]。針對光伏發電系統輸出電壓小的問題，選擇Buck-Boost型 DC/DC變換器，將MPPT控制模式作為逆變器。當光伏發電處于工作狀態下，受光照、溫度等因素的影響，會選擇合適的時機將電壓值輸出并達到峰值，即最大功率點。

微電網正常工作需要由檢測與控制部分提供支持，研究采用的PLC控制，組合PLC控制與力控組態軟件，設計上位機界面，能夠對系統運行情況進行監控，并對期間產生的數據進行記錄，且具備數據分析功能，根據結果對系統運行情況作出合理、科學的判斷[5-6]。當出現故障后能夠及時發出報警，其架構如圖3所示。

圖3 PLC控制下控制單元結構

3 可行性驗證

3.1 直流型微電網拓撲結構及控制策略

由多個分布式光伏電源、鉛酸蓄電池及集成控制器電路等構建直流型微電網，將筆記本、臺式電腦及數碼產品等作為直流負荷，空調、打印機等作為交流負荷[7]。應用鉛酸蓄電池、光伏電池陣列端Boost電路能夠構成微電網控制系統，由DSP28335集成控制器能夠實現對光伏電池陣列發電功率、蓄電池等的控制，使得發電與本地用電需求能夠達到平衡狀態，是提升直流母線電壓穩定性的有效舉措[8-9]。光伏電池陣列輸出電壓、電流及母線電壓等能夠協助光伏電池陣列端Boost電路控制。在對光伏電池陣列進行統一能量控制時，采用的是獨立型光伏發電系統[10]。

3.2 直流型微電網實驗平臺驗證

研究利用Chroma可編程直流電源對分布式光伏電池陣列P-U曲線及其他參數進行模擬，經Boost電路接入，采用INC法經DSP28335集成控制器繪制MPPT波形圖，鉛酸蓄電池經集成控制器，將直流母線電壓控制在360 V左右，可以對其最大功率點進行追蹤[10]，當電壓為220 Vrms、50 Hz，其對應的母線電壓波形、SPWM脈寬信號見圖4，提示該系統切實可行。

圖4 交流母線電壓波形與SPWM脈寬信號

4 結束語

綜上所述，微電網具有較高的靈活性，安裝快捷、運行無污染，構建分布式光伏發電微電網供能系統能夠有效解決分布式光伏發電能源輸出問題，通過采用分布式光伏發電控制策略，能夠提升光伏發電輸出波動的可控性，減少對微電網的影響，具有廣闊的發展前景。