基于太陽能電池陣列仿真器的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)平衡點(diǎn)研究

摘要：文中提出通過使用太陽電池陣列仿真器模擬實(shí)際太陽電池陣列輸出電參數(shù)，通過控制電能的釋放和消耗搭建獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)平衡點(diǎn)。設(shè)計(jì)的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)能對系統(tǒng)性能進(jìn)行準(zhǔn)確評估，對系統(tǒng)能量儲存和能量管理設(shè)備的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)性，可以平衡系統(tǒng)的容量和負(fù)載的消耗需求。文中研制的試驗(yàn)系統(tǒng)為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量評估提出了新思路。

關(guān)鍵詞：太陽能電池陣列仿真器；獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)；平衡點(diǎn)

Research on Balance Point of Independent Photovoltaic Power Generation System Based on Using a Solar Cell Array Simulator

YOU Hongliang1，2， HE Xiang1，2， LUO Jun1

（ 1 Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350001， Fujian， China ）

（ 2 National PV Industry Measurement and Testing Center， Fuzhou 350001， Fujian， China ）

Abstract： The article proposes using a solar cell array simulator to mimic the actual output electrical parameters of a solar cell array， and to build an independent photovoltaic power generation system by controlling the release and consumption of electrical energy， and calculating the equilibrium point of the independent photovoltaic power generation system through experimental data. The designed independent photovoltaic power generation system can accurately evaluate the system performance， provide guidance for the design of energy storage and energy management equipment， and balance the capacity and load consumption needs of the system. The experimental system developed in the article proposes new ideas for the design capacity evaluation of independent photovoltaic power generation systems.

Key Words： Solar cell array simulator; Independent photovoltaic power generation system; Equilibrium point

0 前言

獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是相對于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)而言的，屬于孤立的發(fā)電系統(tǒng)。孤立系統(tǒng)主要應(yīng)用于偏遠(yuǎn)無電地區(qū)，其建設(shè)的主要目的是解決無電問題。其供電可靠性受氣象環(huán)境、負(fù)荷等因素影響很大，供電穩(wěn)定性也相對較差，很多時(shí)候需要加裝能量儲存和能量管理設(shè)備，且要求系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量滿足負(fù)載的消耗需求。

系統(tǒng)平衡點(diǎn)[1]為平均的最小輻照量與負(fù)載的平衡點(diǎn)，即太陽電池陣列發(fā)電量效率曲線與負(fù)載曲線的交點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)平衡點(diǎn)可以得出獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)在安裝地點(diǎn)正常運(yùn)行的最小平均輻照量。但目前獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)是依照經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行核算，缺乏可靠的測試驗(yàn)證平臺，且尚未對測試系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)和性能作出詳細(xì)規(guī)定，因此無法對測試結(jié)果進(jìn)行評定，影響測試結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，設(shè)計(jì)具有較高準(zhǔn)確度和通用性的設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺是十分必要的。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)平衡點(diǎn)的確定不僅能夠?qū)ο到y(tǒng)性能進(jìn)行準(zhǔn)確評估，還可以有效指導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以更加合理、經(jīng)濟(jì)的方式對獨(dú)立光伏系統(tǒng)進(jìn)行配置。

文中針對獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)平衡點(diǎn)的計(jì)算原理，通過太陽電池陣列仿真器模擬實(shí)際太陽電池陣列輸出電參數(shù)，搭建獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，其中太陽能電池陣列模擬器是利用實(shí)際電路來模擬太陽能電池陣列的輸出特性，使實(shí)際電路的輸出I-V特性能與所模擬的太陽能電池陣列一致，使得該電路可替代其進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)IEC 62124-2004 《Photovoltaic（PV）stand-alone systems - Design verification》［光伏（PV）獨(dú)立系統(tǒng)-設(shè)計(jì)驗(yàn)證］與GB/T 33766-2017《獨(dú)立太陽能光伏電源系統(tǒng)技術(shù)要求》的試驗(yàn)方法，得出系統(tǒng)蓄電池的安培時(shí)數(shù)（電池容量單位：A·h），從而繪制獨(dú)立發(fā)電光伏系統(tǒng)的工作特性圖，計(jì)算得出獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)平衡點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，該方法能得出獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)在安裝地點(diǎn)正常運(yùn)行的最小平均輻照量。

1 基于太陽能電池陣列仿真器的獨(dú)立

光伏發(fā)電系統(tǒng)

1.1太陽電池陣列仿真器程序的編寫

根據(jù)試驗(yàn)要求，使用便攜式IV曲線測試儀測得在不同輻照度下（100 、200 、500 、700 W/m2）太陽電池陣列（由于試驗(yàn)時(shí)間較長，為考慮實(shí)驗(yàn)室和人員操作安全，選取單塊太陽電池組件）對應(yīng)的I-V特性數(shù)據(jù)并保存，該太陽電池組件型號為TS-320P005，最大功率為320 W，開路電壓為45.3 V，短路電流為15.6 A。不同輻照度下太陽電池陣列I-V特性數(shù)據(jù)如表1所示。

采用MATLAB的Table模式讓太陽電池陣列仿真器模擬太陽電池陣列對應(yīng)的I-V特性數(shù)據(jù)。根據(jù)配置說明，設(shè)置LAN通信參數(shù)，連接電腦和仿真器，并創(chuàng)建表格。由于需要模擬不同輻照度條件的太陽電池陣列I-V特性數(shù)據(jù)，需要在仿真器內(nèi)創(chuàng)建多個(gè)表格，與輻照度對應(yīng)。編輯表內(nèi)的I-V的電流和電壓值，使得每個(gè)表內(nèi)的電流電壓值與對應(yīng)的太陽電池陣列對應(yīng)的I-V特性數(shù)據(jù)一致。

1.2 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的搭建

通過太陽電池陣列仿真器提供模擬太陽電池陣列的輸出直流源，MPPT太陽能控制器根據(jù)工作情況對直流電源進(jìn)行控制，向蓄電池充電或釋放蓄電池內(nèi)的能量。為了能夠模擬不同負(fù)載下的耗電情況，使用可調(diào)放電速率的電氣負(fù)載模擬負(fù)載消耗電能。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)線路如圖1所示。

電氣線路（用實(shí)線表示）：將太陽能電池陣列仿真器與MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）太陽能控制器[2]相連，MPPT太陽能控制器的一個(gè)輸出端與分流器、電氣負(fù)載[3]相連，另一個(gè)輸出端與分流器、蓄電池相連。

其中：MPPT太陽能控制器能夠?qū)崟r(shí)偵測太陽能電池陣列的發(fā)電電壓，并追蹤最高電壓電流值，協(xié)調(diào)太陽能電池陣列、蓄電池、負(fù)載的工作，使系統(tǒng)以最大功率輸出對蓄電池充電，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的大腦。MPPT太陽能控制器在搭建獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的電氣線路中可以設(shè)置蓄電池的電壓保護(hù)閾值，防止蓄電池過充過放，避免蓄電池使用壽命縮短，影響試驗(yàn)正常運(yùn)行。

分流器是一種測量直流電流用的儀器，根據(jù)直流電流通過電阻時(shí)在電阻兩端產(chǎn)生電壓的原理制成，內(nèi)部是一個(gè)能夠通過極大電流的電阻。在系統(tǒng)電器線路中，分流器用于模擬量采集模塊采集充入蓄電池的安培時(shí)數(shù)，同時(shí)監(jiān)控負(fù)載回路的電流損耗。

電氣負(fù)載是電路中接收電能的設(shè)備，包括引擎、燈泡、空調(diào)、電動機(jī)等可消耗功率的元件，在系統(tǒng)電氣線路中采用蓄電池放電容量測試儀作為電氣負(fù)載。電氣負(fù)載在運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、消耗的功率，模擬實(shí)際負(fù)載消耗低能，并能根據(jù)試驗(yàn)需要更改放電流參數(shù)，從而調(diào)整蓄電池的放電速率。同時(shí)電氣負(fù)載能對回路電壓電流進(jìn)行監(jiān)控，保證系統(tǒng)在正常狀態(tài)下運(yùn)行。

信號線路（用虛線表示）：將模擬量采集模塊的采集端口分別連接到分流器、蓄電池，分別監(jiān)控其電壓電流、溫度，確保系統(tǒng)處于正常狀態(tài)下運(yùn)行。將數(shù)字量輸入/輸出模塊與MPPT太陽能控制器相連，用于在實(shí)驗(yàn)中控制線路的切換。再將模擬量采集模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊連接到控制器。

將太陽能電池陣列仿真器、控制器連接到電腦，通過監(jiān)控軟件查看操控系統(tǒng)的參數(shù)和線路狀態(tài)。

2 基于太陽能電池陣列仿真器的獨(dú)立

光伏發(fā)電系統(tǒng)平衡點(diǎn)

2.1試驗(yàn)實(shí)施

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)要求，需對蓄電池進(jìn)行初始容量試驗(yàn)和充電循環(huán)試驗(yàn)完成后，再開啟系統(tǒng)功能試驗(yàn)。

開啟太陽電池陣列仿真器，使其按照預(yù)先寫入的程序輸出，讓系統(tǒng)正常工作10天。每天試驗(yàn)時(shí)間不要求達(dá)到24 h，因?yàn)樨?fù)載工作和光伏充電之間不需要間歇，具體每天的循環(huán)步驟按照表1進(jìn)行。試驗(yàn)循環(huán)內(nèi)包括連續(xù)2天的低輻照量[＜2 kW·h/（m2·d）]和3個(gè)顯著不同的日輻照量。需要用這3個(gè)輻照量畫出系統(tǒng)特性圖，并由此推導(dǎo)出系統(tǒng)平衡點(diǎn)，還需要兩個(gè)輻照量與比系統(tǒng)平衡點(diǎn)更高的輻照量相對應(yīng)。10天的平均日輻照量需在[4 kW·h/（m2·d）±

0.3 kW·h/（m2·d）]范圍內(nèi)。

2.2獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)平衡點(diǎn)確定分析

在進(jìn)行系統(tǒng)功能試驗(yàn)時(shí)，蓄電池已處于充滿狀態(tài)。在試驗(yàn)中仿真器程序模擬輻照度變化，輸出的電壓電流也隨之變化，蓄電池會處于放電或充電狀態(tài)。

在蓄電池沒有充滿時(shí)，充入蓄電池能量為仿真器輸出與電氣負(fù)載消耗的差值。當(dāng)電氣負(fù)載消耗為定值時(shí)，充入蓄電池能量與仿真器輸出能量成正相關(guān)。由于仿真器輸出的能量正比于輻照度，可知充入蓄電池能量與輻照度的關(guān)系曲線為斜線。該曲線的下方區(qū)域可為系統(tǒng)正常運(yùn)行區(qū)域；在蓄電池充滿時(shí)，則可知仿真器輸出能量大于電氣負(fù)載消耗且蓄電池滿足電氣負(fù)載需求，即充入蓄電池能量為電氣負(fù)載消耗能量。在此狀態(tài)下，蓄電池的輸入和輸出處于平衡狀態(tài)，其關(guān)系曲線為直線。該直線上方區(qū)域可為系統(tǒng)正常運(yùn)行區(qū)域。

斜線是由原點(diǎn)和MPPT太陽能控制器不限制仿真器輸出到蓄電池能量在試驗(yàn)天數(shù)中的最大安培時(shí)數(shù)繪制得到的。水平直線是通過MPPT太陽能控制器限制仿真器輸出到蓄電池能量，在試驗(yàn)天數(shù)中的最小安培時(shí)數(shù)繪制得到的。直線和斜線的交點(diǎn)為平均的最小輻照量與負(fù)載的平衡點(diǎn)，即為系統(tǒng)平衡點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)功能試驗(yàn)得到的結(jié)果，可以得到系統(tǒng)特征圖，其中Y軸為每日流入蓄電池的安培時(shí)數(shù)，X軸為輻照度[4]，并且以圖形方式給出系統(tǒng)可以正常工作地點(diǎn)的最小平均輻照度。

根據(jù)模擬量采集模塊采集到流入蓄電池的安培時(shí)數(shù)，并通過曲線擬合繪制獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)平衡點(diǎn)圖。

由獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)平衡點(diǎn)圖（見圖4）（曲線公式采用EXCEL的最小二乘法曲線擬合生成）可知，平衡點(diǎn)為：3.8 kW·h/（m2·d）。即該獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)在安裝地點(diǎn)正常運(yùn)行的最小平均輻照量需不低于3.8 kW·h/（m2·d）。

3 結(jié)論

文中使用太陽電池陣列仿真器模擬實(shí)際太陽電池陣列，通過與MPPT太陽能控制器相連控制蓄電池充電和電氣負(fù)載消耗，同時(shí)用模擬量采集模塊監(jiān)控系統(tǒng)電壓電流、溫度，搭建模擬獨(dú)立光伏的發(fā)電系統(tǒng)，按照IEC 62124-2004標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)平衡點(diǎn)，能適用于安裝地點(diǎn)已建成的光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運(yùn)行的最小平均輻照量。文中設(shè)計(jì)的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)既能保證系統(tǒng)以最佳狀態(tài)運(yùn)行，也能優(yōu)化系統(tǒng)建設(shè)配置，為研制的試驗(yàn)系統(tǒng)為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)容量評估提出了新思路。

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