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1KW负载光伏市电供电(互补)智能控制系统设计

发布时间:2019-11-06 17:03

  摘要:人类社会在进步,对能源的需求进一步加大,化石能源在枯竭,世界各国不得不重视能源紧缺问题。石油储备资源的短缺和环境污染使得新能源的开发利用显得尤为重要。当前社会发展迅速,能源与经济社会发展越来越不平衡,为保证协调发展就必须大力发展新能源。新能源的形式不仅是过去的水能,还应包括太阳能、潮汐能等等。太阳能是新能源的重要途径,本文将介绍太阳能光伏发电的原理和市场电力的自由切换。人类科学技术发展迅速,社会发展不断进步,光伏发电与人们的经济发展相适应,成为了当前最具有前途的新能源发电技术之一。

  关键字:智能控制系统 光伏 原理 功率平衡

  Design of Intelligent Control System for Power Supply of 1KW Load Photovoltaic City

  LIU jiajun

  College of Engineering and Technology,Southwest University,Chongqing 400716,China

  Abstract: As human society is progressing, the demand for energy is further increasing and fossil energy is depleting, all countries in the world have to focuse on the problem of energy shortage. It is particularly important for the development and utilization of new energy to solve the shortage of petroleum reserve resources and environmental pollution. In order to reach the coordinated development of energy and economic and social development, New energy should be developed. The form is not limited to the water, solar and wind energy should be considered[14]. Solar energy is a significant part of new energy. In this work, the principle of solar photovoltaic power generation and the free switching of market power will be introduced. With the continuous progress of technology, photovoltaic power generation will become one of the significant promising new energy generation technologies[6].

  Key words:Intelligent Control System Photovoltaic Principle Power balance

  0 文献综述

  0.1光伏发电现状

  近年来,光伏建筑一体化在工业,商业等领域的应用,使得分布式光伏发电迅速发展,有效地解决了我国部分地区能源紧缺问题。用光伏发电不像火力发电和水力发电,是一种的清洁无污染发电方式,该技术成为了许多发达国家的社会经济发展的重要技术。

  从国家方面来看,国家能源管理总局也做出相应,综合司发函征求了分布式发电管理意见。新能源分布式发电补贴的范围、模式、补贴起点等配套政策措施在措施和保障中明确规定。

  从世界范围来看,更加注重环境保护的国家一对新能源光伏发电技术更热情。世界上90%的电力供应均来自一般会产生污染较大的电网点,随着社会的快速发展,环境污染问题和污染程度日益加剧,新能源对电力供应的质量与安全以及可靠性要求也与日俱增,而大电网本身还是一个存在缺陷的系统,因此在技术上还需要进行创新,提高安全性,防止安全隐患对人们造成危害,深冬随时可能发生雪灾、夏季我国南方地区的洪涝灾害等自然灾害都有可能影响发电的正常运行。而采用分布式光伏发电,遇到这些情况也不用担心,该发电系统具有较灵活的特点,能够很好的解决这些自然灾害问题。而在一些偏远地区能源供应限制的经济的发展,因此可以弥补这些局限性。

  然而,分布式发电系统在我国还没有大范围落实应用,影响发展的原因多种多样。但是随着电力负荷方面的研究越来越深入,电力对人们的生活影响力增强。并且随分布式发电技术和电子技术在社会和政府的支持下,其发展可以得到重视。相信分布式发电会给人们的经济发展带来极大促进作用[2]。

  0.2重庆市政府对分布式光伏的政策支持

  我国长期以来坚定不移地实施国民经济可持续发展战略和环境保护战略,其中可再生能源作为战略纲要的重要组成部分之一,清洁式发电系统为新能源的发展奠定了基础。

  重庆市按照属地化原则实事求是,实地考察选好项目实施区县,再实施城市光伏发电项目,项目具体措施不仅要通过企业实施,当地政府部门也应制定相关文件保证项目成功开展。区、县(自治县)根据本区的实际情况,在其管辖范围内寻找太阳能资源,充分利用园区厂房、大型商业建筑等地方空间,确保电网能够成功接入。通过这种方式能促进分布式光伏发电项目有序发展[1]。

  0.3重庆市全年光照特点

  重庆位于我国内陆地区,地处中低纬度北纬30度附近, 气候温和,非常适宜人群居住。重庆地区位于长江中上游,水源充足,年平均照明时间约为1100小时左右,属于太阳能资源综合地区。夏季太阳光充足,利用光伏发电会有效的节能减排,而冬季多阴雨,光照不足时需要自动切换至市电,季节不同日照时间不一,所以可以进行灵活的调整。

  1 引言

  1.1光伏发电的特点

  1、太阳能是一种清洁能源,不存在资源枯竭的危险;

  2、太阳能电池在运行时无噪声和污染物的排放;

  3、不受资源分布地理位置的限制,当地环境也不受其破坏;

  4、可就近发电,减少配套投资和输电损失;

  5、具有稳定的光电转换效率,且转换效率高。

  6、安装在建筑物屋顶的光伏板能有效地减少阳光辐射,降低室内温度,对节能减排起到重要作用。

  1.2分布式光伏发电系统设计构思

  光伏电源(互补)智能控制系统是一个分布式光伏发电系统,主要由太阳能电池板、主电路、控制电路、逆变器、蓄电池和负载组成。我们可以在30教的屋顶安装太阳能电池板。系统通过自动切换继电器实现与电网相连,现共同承担为交流负载供电任务。当有阳光照射时,光伏发电系统转换的直流电通过控制器存储在磷酸锂铁电池中。当负载需要工作时,逆变器起到了发电关键作用,可将电流转变成我们生活中常用220V、50HZ正弦交流电,以提供交流负载使用。如果光伏系统不能产生足够的电力,它将被传感器自动检测并连接到电网上,符合将由电网和光伏系统共同提供。

  图1 分布式光伏发电系统设计构思图

  Fig.1 Design concept of distributed photovoltaic power system

  一般来说,大功率电器设计有相应的接地保护系统,光伏发电更要做好安全防护,包括防雷和漏电保护系统,充分利用过(欠)流保护等功能,提高电力系统的安全性和稳定性。

  2 正文

  2.1太阳能电池板

  2.1.1太阳能电池板工作原理

  半导体是太阳能电池的主要材料,可以看成由两种不同的材料构成一个大面积P-N结,其中P区带负电荷,N区带正电荷。在没有光照的情况下,太阳能电池可以看作是一个二极管,其内部载流子处在动态平衡状态,不存在电流;在光照射条件下,P-N结会产生导电的载流子-空穴和电子,在静电场作用下,P区电位升高,N区电位降低,由于P区和N区电位不平衡从而产生了电动势,在这种情况下,电子形成光伏效应。若与外部电路连接,光照条件下电路会一直导通,此时P-N结相当于电源,为外部电路提供电能。

  因此可将太阳能电池中太阳能转换为电能的过程分为3步:

  (1)一定能量的光子被太阳能电池吸收后,电子-空穴对在半导体内产生,形成“光生载流子”,并且两者所带电荷相反,电子带负电荷,空穴带正电荷。

  (2)为保证电流的顺利传输,半导体中PN结产生的静电场作用能够被充分地利用,从而将电极性质相反的光生载流子自然分开。

  (3)光生载流子电子和空穴是太阳能电池的正、负极收集的重要点[15]。当一个电子流过一个外部电路时,它会产生电流,从而产生电能。

  图2 太阳能电池板工作原理图

  Fig.2 Working Principle of Solar Panel

  2.1.2光伏列阵特性

  光伏电池的输出特性独特,与一般电池输出不同,是非线性的,当电压的增大时,列阵的输出特性特性曲线呈规律变化,曲线出现先增大后减小现象,在输电过程会出现功率峰值。研究表明,在一定范围内,光照强度越强,最大短路电流越大,相应的输出功率越大;由于光伏电池板的最大开路电压会随着温度的升高而降低,因此对功率输出造成影响。

  2.1.3太阳能电池容量的确定方法

  (1)确定负载的功率和连续工作时间:所有负载的名称、额定工作电压、功耗、功耗时间等、有无特殊要求等。

  (2)确定太阳能电池组件安装的地理位置:经度、纬度以及海拔高度。

  (3)确定安装地点的气象:年平均或月平均太阳辐射总量、年平均气温和较低极端天气温度、最长连续降雨等。

  太阳能电池的标准输出功率满足由欧洲委员会提出的101标准,其概念为:太阳能电池的额定输出功率的条件为电池温度处于25℃的室温条件,同时太阳的光照辐射强度达到1000W/m^2,并且大气空气质量保持在较好的AM1.5水平的条件下。

  太阳能电池的输出电压定义为一定数量的太阳能电池组件串联或并联以保持其正常工作状态时需要达到的电压水平。

  2.1.4太阳能电池阵列的应用

  (1)太阳能电池阵列的倾角和方向

  太阳能电池的组件为了达到较好的达到吸收太阳光的效果,需要在安装电池阵列时考虑一些主要的影响因素,具体包括安装的倾斜角度、方位角度、电池正面位于的方向等等。在普遍情况下,当光伏发电系统的安装地点位于北半球时,因为正南朝向的电池可以接受到最大量的太阳光照射,实现了电池的最大发电量。此外,倾斜角度主要决定了电池阵列接受太阳光能的效率[3]。

  (2)太阳能电池阵列倾角。

  在并网光伏发电系统中,关于太阳能电池阵列相对于水平面的倾斜角度的原则问题,应为太阳能电池板在一年中接收最大量的太阳辐射。太阳能电池组件的安装应根据不同地区的地理位置和气象环境,选择最佳角度。目前并网的最大特点在于,该系统可以在太阳光充足的情况下向电网进行收集电量的回馈。同时,在无太阳光存在的阴天或黑天时,该系统可以将其负载电器转变为由电网供电,以此满足各个负载电器的用电需求。为了提高并网光伏发电系统的发电量,人们可以通过设置最佳效果的倾斜角来实现。最佳倾斜角度的选择需要人们根据各个实际情况来综合评判,其中太阳能光伏电池组件的安装地点是主要限制因素。此外,在一些BIPV项目中,倾角的设置还与建筑外观的美观程度息息相关。因此,在实际安装中可以在小范围内进行倾角的细微调整,以期望达到不会对太阳辐射吸收效率造成不良影响,又能营造良好的外观效果的目的。

  2.1.5太阳能电池板的型号

  该1kw光伏发电系统设计中选用的单块太阳能电池的主要技术参数为:

  2.2.1控制器基本工作原理

  太阳能电池的伏安特性是高度非线性的,当照明强度发生变化时,根据P=ui,开路电压U不会发生巨大变化,但最大电流会发生改变,从而使发电功率受到影响。为了最大发电功率的获得,这就需要人们安装控制器,其功能是能够将光伏系统控制在最大功率点的周边距离。具体来说,控制器作用表现在两个方面,一方面是对于充放电过程进行保护,防止出现过量的充放电现象,一方面是为逆变器提供较为平稳的直流电压源。

  2.2.2控制器基本电路

  太阳能光伏发电系统的控制器的微处理器主要采用16位,控制器的核心为80C196NC,同时控制器的外围电路由三部分主要构成,分别为组成蓄电池的电压电路、在外环境充电和放电时起到检测和控制作用的电路,以及输出电流与电压的控制电路。

  图三 控制器工作原理图

  Fig.3 Working Principle of controller

  图3所示的电路结构为Buck型(降压)变换器,该类型变换器的主要作用是实现最大输出功率的跟踪。它的具体工作原理为:通过调制脉冲宽度,对主电路中各个功率电器的输出占空比实现控制。使得为蓄电池充电的电流得到改变。从而使太阳能电池的输出功率无限的朝着最大输出功率接近[5]。此外,Buck型(降压)变换器还可以借助主电路完成蓄电池输出电压、充放电电流等的采集,通过将电路进行控制来实现对电路的跟踪、保护。

  2.2.3控制器软件流程图

  图四 控制器软件流程图

  Fig.4 Controller Software Flow Chart

  如图4控制器软件流程图所示,太阳能电池控制器的最大功率跟踪方式为恒压跟踪。这种跟踪方式的使用,能够起到提升电池整体功率效率的作用,同时整个光伏发电系统的工作性能也能够保持在较高水平。

  2.3蓄电池

  2.3.1蓄电池的作用

  由于太阳能具有不稳定性,不能连续运行,所以蓄电池在其中具有非常重要的作用。它的功能是将太阳辐射能转换成为化学能,用于负载应用。反之,当各种电器负载需要补充电能时,蓄电池又能够实现由化学能向电能的转换。

  太阳能光伏的整体特性将会被蓄电池的特性直接影响,蓄电池储能的能力也会影响系统电流输出的平稳性。因此,在为光伏系统选择蓄电池时,应该能够遵守以下原则:保证负载可用,同时能够将太阳能电池在晴天转换的能量尽可能存储下来。

  在太阳能光伏发电系统中,蓄电池应满足以下两个要求:其一,当蓄电池充放电完成后,尽可能使之恢复额定的容量;其二,通过采用浮充电的方式使得蓄电池的电池损耗得到补充,最好能够恢复额定容量。

  2.3.2实验蓄电池的选型

  在实验室中选用的是磷酸铁锂(LiFePo4)电池储能系统,但此储能系统的标称电压为240V,不适用于1KW,所以我们可以使用标称电压为48V的蓄电池。

  (1)在安全性方面,磷酸铁锂晶体中的P-O键能够保持稳定状态,不会轻易造成断裂。它在高温条件或是充电过量的情况下,性能要明显优于钴酸锂电池,不会发生发热崩塌,也不会产生强腐蚀性的氧化性物质。该种电池材料的安全性能较好[8]。根据相关报道,将磷酸铁锂电池进行针刺和短路实验,得出少量样品发生燃烧的实验结果,但是没有造成爆炸。在过充实验中,使用高压充电时仍会发生爆炸,爆炸强度是放电电压本身的几倍。但与普通液体电介质锂钴氧化物电池相比,其过充安全性有了很大提高。

  (2)铅酸电池平均循环使用次数为300次,然而对于相同质量的磷酸铁锂电池,以每次充电为5小时计算,它的循环次数可以高达2000次。同时,铅酸电池面临着需要定期多次维护的问题,最长的使用寿命也就是1.5年左右。而对于相同工作条件下的磷酸铁锂电池来说,其7-8年的理论寿命远高于铅酸电池。

  (3)在电池容量方面,磷酸铁锂电池容量明显大于较为普通的铅酸电池,其容量可以达到5AH-1000AH。

  (4)没有记忆效应。记忆效应是指充电电池在充满电,但未完全消耗的情况下工作时,其电池容量明显低于其额定容量的现象。记忆效应在镍氢电池等常见的电池类型中都有发现,但在磷酸铁锂充电电池中不存在。无论电池处于何种状态,都可以在充电时使用,而无需先将其取出再充电。

  (5)重量轻。磷酸铁锂电池具有重量小的优势,相同容量规格条件,它的体积只是铅酸电池的2/3左右,重量也达到了1/3左右的程度。

  (6)环保。符合SGS认证体系和欧洲RoHS的规定[8]。

  因此,锂电池之所以受到业界的广泛青睐,主要是出于对环境保护的考虑。在“十五”期间,该类型电池同时进入了"十五"和863"国家发展重大计划,成为了受到重点扶持和发展的项目。

  然而,一些专家表示,企业的非标准生产和回收过程是铅酸蓄电池造成环境污染的主要原因。从原料组成方面分析,电池属于化学物质,电池各个生产工艺流程中产生的排泄物造成污染

  同样地,磷酸铁锂电池本身也具有一些不足之处:在低温环境中不能发挥较好性能,阴极材料的致密性不好,同等容量下的体积大于钴酸锂等锂离子电池。

  2.3.3磷酸铁锂电池工作原理

  橄榄石结构的LiFePo4是电池的正极材料,再通过一种材质特殊的聚合物隔膜将电池的正极与负极分离开,锂电池Li+能够通过隔膜,而电子e-的通过受到其阻碍,碳(石墨)是电池右边的负极材料,负极材料与电池负极通过铜箔相连。电解质充满于电池的上下部分,并被密封在金属外壳中。

  充电:

  磷酸铁锂电池充电过程中,通过隔膜后的Li+再经电解质溶液迁移到电池负极材料表面,然后嵌入石墨烯晶格中,同时,电子经过导电体流向电池正极的铝箔,进而向负极的铜箔集流体移动,再经导电体到达石墨负极,从而使负极的电荷达到平衡,在这一过程中将磷酸铁锂转换成了磷酸铁。

  放电:

  电池放电过程中电子通过导电体流向负极的铜箔集电极,流向正极的铜箔集流体,再经导电体到磷酸铁锂正极,使正极达到电荷平衡状态[16]。

  氧化还原反应就是磷酸铁锂电池充放电时发生反应的本质。  此蓄电池采用RS485通讯协议,该协议能够收集电池的电压、电流、温度和容量等信息,且电池组循环寿命高,低碳节能,遵循了绿色环保的价值理念。

  2.4并网逆变器

  2.4.1并网逆变器的功能

  逆变器运行时,通过不断地改变直流电的正负极连接来得到电流方向不停变化的交流电。要使逆变器与电网连接,必须严格满足三个要求。电网电能质量、防止孤岛效应和安全隔离接地[9]。为了避免光伏并网发电系统对公用电网的污染,需要满足一定的条件。即,逆变器应输出失真度小的正弦波[9]。

  (1)正弦波电流由逆变器输出。并网光伏发电系统提供给公用电网的电力,必须符合电网制定的标准,不可以让电网被谐波污染。

  (2)在负载和日照变化幅度较大的情况下,逆变器均能高效运行。

  (3)逆变器具有跟踪太阳能电池最大功率的能力,当日照温度等外界环境发生改变时,通过逆变器的自动调节功能,使太阳能电池板的工作功率维持最大。

  (4)逆变器的体积要小,可靠性要高。

  (5)在电网断电而有日照的情况下,逆变器具有单独供电的能力。

  2.4.2小容量逆变器的优势

  对于1KW负载光伏系统,可以使用小容量的逆变器。与集中式逆变器相比,小容量逆变器运行简单,维护成本低。然而从电站监控的角度,集中型逆变器易于配置监控系统,更适合参与电网稳定管理,如调节功率、电压等电能质量参数。

  表2.4-1 小容量逆变器优势表

  Tab.2.4-1 Small Capacity Inverter Advantage Table

  分析项目小容量方案集中性方案

  单台产品功率1.2-17KW100-500KW

  设备总成本较低较高

  汇流箱不要求要求

  直流配电柜不要求要求

  交流配电柜要求要求

  直流电缆要求要求

  监测系统选配选配

  运维费用无需要

  组件朝向对发电效率的影响不同朝向、不同角度的光伏列阵单独组成一个发电单元,以实现发电效率最大化人为将不同朝向、不同角度的光伏列阵接入同一台逆变器,会导致效率损失

  精确设计每个单元都可实现逆变器与光伏阵列的精确匹配合并为几个发电单元,无法精确匹配,不能充分利用各屋面

  安装调试质量轻,墙面户外就近安装,调试简单,普通电工即可胜任质量大、需吊车吊装;调试复杂,需原厂专业技术人员进行调试

  安全性设备故障时影响范围很小,恢复也很快,只需更换故障设备即可一旦设备故障,会导致大面积停电,且恢复周期长

  场地要求简便安装,无需专门的配电室需专门的配电室来放置逆变器

  运行维护几乎零成本,普通电工即可解决常规问题每年需投入设备成本的10%-15%左右的维护费用,需专业技术人员定期维护

  零配件无需任何零配件需库存一定数量的零配件

  针对该1kw负载光伏系统,逆变器可设计为小容量逆变系统。

  2.4.3逆变器的电路

  图五 逆变器电路图

  Fig.5 Inverter Circuit Diagram

  逆变模块由逆变器驱动芯片,散热风扇,反馈模块,升压模块四个部分组成。EGS002是该逆变器中的一款驱动板,它专门用于单相纯正弦波逆变器。DC-DC-AC两级功率变换应使用EG8010,并将一个12MHZ晶体振荡器外接。能实现高精度、失真、谐波都很小的纯正弦波50HZ输出[10]。

  此逆变器为48V直流变48V交流,功率为3600W。如图六所示,如若想实现至220V的变换,需要外接电感电容还有升压器才能够实现,电感电容使输出的波形变为正弦波,升压器使电压升至220V,这样就可正常接负载。

  2.4.4并网逆变器的实物

  逆变器实物见附录A,大小为19cm*11cm*8cm

  2.5交流负载

  2.5.1负载选择

  教学楼里的日光灯为单个功率因数为0.3-0.4之间的感性负载,实验选用的日光灯功率为250W,但由于日光灯本身的功率因素过低,在并入电网时会引起电网波动,甚至并不进电网,因此需要提高日光灯的功率因素。为日光灯并联一个大电容是提高功率因素的有效方法,该方法能够使日光灯的功率因数提高至95%。

  2.6接入并网控制传感器

  2.6.1传感器工作原理

  为了实现光伏系统与市电的自由切换,需要在电网和独立光伏系统之间加入一个控制传感器,此传感器连接控制器和电网侧,可通过反馈与负反馈来实现市电与光伏发电的自由切换。20世纪90年代以来,随着电力电子及控制技术的发展,16位微处理器80C196NC可以直接应用于太阳能电池组的并网发电,获得电网侧正弦电流特性。优秀的双向功率变换器和电流控制性能可以让真正绿色的电能转换成为现实。

  图六 传感器工作原理一

  Fig.6 Operating Principle of Sensor No.1

  图七 传感器工作原理二

  Fig.7 Operating Principle of Sensor No.2

  当并网运行时,控制系统控制太阳能电池阵列直流侧电压Up,控制系统在太阳能电池阵列的激励下向电网馈电。并网运行时网侧电流正弦化控制过程如下:

  如图六所示,首先,已知的直流电压Up*与反馈电压Up相互比较,由此得到误差电压信号。再经电压调节后,输出电流调节信号Im*,sinwt是与电网同步的单位正弦波信号,通过它可以得到其相位。正弦电流信号In*可通过两者的乘积得到,经电流调解器控制后,PWM模式发生器输出控制信号。作用是强迫输出电流跟踪输入电流[11]。

  但当公用电网停电时,电网侧相当于短路状态,此时并网运行的逆变器将由于过载而自动保护。当传感器检测到过载时,除封锁SPWM信号外,还将断开与电网连接的断路器,若此时太阳能电池阵列有能量输出,逆变器将在单独运行状态下运行。

  在太阳能电池单独运行就能够提供足够功率的前提下,逆变器单独运行时,交流电压处于负反馈状态,传感器将检测到的逆变器输出电压与220V的市电压进行比较,通过控制PMW输出的占空比,从而实现稳压运行。在负载太大或日照条件较差的情况下,太阳能电池就无法提供足够的功率而单独运行,因此逆变器输出的功率不足,导致太阳能电池阵列的端电压下降,从而因为输出交流电压的降低而进入低压保护状态。当电网恢复供电时,又将自动切换至回馈状态。

  2.6.2并网接入点的选择

  只有认真考虑了现在已经存在的店里设施的一些实际情况,以及建筑物电力负荷等因素,才能做好大型的公共的建筑的BIPV系统对接入电网自己接入点的数量的选择。

  对于光伏发电系统并网的接入方法,其原则应该是要率先符合了当地的负荷需要,在此基础上,再把剩下的电力输入到电网之中。就我国目前的情况来看,在电网传输能量方面的损耗是很大的,可以到5%-10%左右。因为对于公用电网,其电力分配以及传送具有一定的能量消耗。所以由光伏发电系统产生的电力能源,一般都是在哪里生产,就在哪里使用。这样就能够最大程度上降低电力能源在运输过程中的浪费。从而达到能源利用率的最大化[12]。为了达到光伏发电系统中,发电曲线以及其负荷的需求曲线达成一致,也是为了使光伏发电系统在工作时的功率分配和负荷的真实情况相互匹配,从而能够最大程度上使用电力能源。

  2.6.3接入并网方案

  可调度的并网发电系统一般都有储能过程(一般最常用的是电池)。太阳能为电池供电,然后电池阵列再通过双向的逆变器来给蓄电池进行充电,与此同时并网也开始发电。而并网的发电功率是通过测控装置依据实际上当地负载的功率进行调节,当光能不够的时候,蓄电池也能够供给能量。

  2.7 光伏系统辅助模块

  2.7.1光伏发电监控系统

  实验室采用爱伏新能源远程监控系统,该系统的监控主机是高性能PC机,能够实现每天24h连续不间断地监测并网逆变器运行数据。

  (1)像时间、已经产生的总电量、当天的发电总量、目前所输出的功率、正常工作的逆变器总数以及逆变器的总共数量等等,都是光伏发电系统所显示的总体信息。

  (2)对于光伏发电系统的一些具体在线数据和信息也得到了监测,比如并网逆变器的编号和型号、当前的时间、输出的功率和工作状态等等,还有并网逆变器的交流电流电压、直流电流自己一天工作的时间等。

  (3)群控器监控并网逆变器发电量的查询时间以及并网逆变器的发电量、编号和型号等。

  (4)可获得光伏发电系统的运行报告以及并网逆变器的历史故障。

  2.7.2分布式光伏发电系统的保护

  因为建造光伏发电系统的价钱非常昂贵,所以一旦线路出现问题,就要立刻切断线路,来保护好设备。应选用性能优良的熔断器,该类产品具有如下特性:

  (1)精准的时-电流特性。

  (2)良好的抗老化能力。

  (3)达到熔断值时,快速熔断能力。

  (4)故障时,良好的断流能力。

  以上的几个特征,既可以当做是对全部光伏并网发电系统的一种保护,也可以当做是线路保护以及并网逆变器。

  2.7.3光伏系统的发电计量

  可采用逆变器两端的直流与交流电表进行发电量的统计。

  2.8功率平衡计算

  2.8.1电流

  如若选用总功率为1kw的日光灯,功率因数为0.35,为了能够并入电网而不受影响,就需要在负载之前并一个电容用以提高功率因素,提高后的功率因素为0.95左右。采用48V磷酸铁锂蓄电池系统,电流

  2.8.2蓄电池容量需求

  四只日光灯每天工作4小时(18:00-22:00),如若一周有连续阴雨天5天外加前一天的照明,晴一天,则蓄电池需要满足六天每天四小时的照明要求,

  为了防止蓄电池的过充和过放电,蓄电池额定容量为50AH,一般充电到90%,剩余放电为20%。因此可用值为 ,526AH不满足此情况。因此,这六天并不是全部的电池供电,而是接上市电工作。

  如若将蓄电池的可用电35AH全供给此负载使用,日光灯可连续工作时间 小时。

  2.8.3并网逆变器的容量计算

  式中的L为负载功率,单位为KW;N为使用系数,其值为80%;M为各相负载不平衡系数,其值为1.2;S是负载功率因素,其值为0.95;n为逆变器效率,其值为0.85。

  以为2KW负载供电为例, ,因此逆变器的容量可以选择3KVA。

  2.8.4电池板的需求峰值

  以4小时(h)为负载平均累计照明时间,重庆的平均有效照明时间约为 ,电池板至少需要20%的储备电量。该电池板的峰值电压为30.21V。

  WP=1060W

  经过计算得到电池板的总需求峰值为1060w,因此采用标准峰值功率为260w的电池板能够满足条件。当总损耗约为20%时,单块电池板的实际需求约为 ,而面板组件转换效率为33.4%,则有效的为

  ,

  为了使占地面积有效利用,可以采用4串4并的方式接入。

  2.8.5该系统每年可产生的发电量

  按照平均年光照时间1100小时计算,该光伏系统年发电量为 ,而平均每天发电量为 左右。因每年的天气有所变化,年发电量也有相应变化。

  此电量低于正常使用电量,因此需要和市电一同供电。

  2.8.6 环保效应

  光伏发电作为我国目前最优良的绿色能源之一,具有很多优点,比如突出的环保、能源以及经济的效益。以我国在平均日照情况下来计算,每安装一个1千瓦的光伏发电系统,一年内就可以发出1200度电供使用。相当于减少煤炭使用量约400千克,同时也减少了一吨左右的二氧化碳排放量,根据研究显示,减少的二氧化碳排放量等同于栽种了100平方米的树木。同时,现在大力发展和普及光伏发电等一系列可再生的能源。就能够从根本上对酸雨和雾霾等问题进行治理[14]。该系统每年大约减排二氧化碳1吨,投资回报率预计15年。

  3 结论

  3.1 结论

  光伏建筑的一体化不再只是在屋顶上使用,在许多建筑中都可以看到它的使用。从系统的观点来看,这种将储能,控制,负载等统一起来形成一个可控的单元,能解决分散电源的大规模接入问题,充分发挥各分散电源的优势,为用户带来多方面的效益。此系统的构建,缓解了部分建筑物负荷的压力,安全,优质,灵活,有望在未来得到进一步的应用。

  3.2 此系统可改善的部分

  由于雷雨天气不可避免,整个系统配备有防雷模块,防雷发电装置能够有效的防止由于浪涌雷击等等外在的环境和因素而引起的系统物件发生毁坏。但依然避免不了雨水。因此在此系统的基础上,可设计一个雨棚,起到美观,避雨的作用,在夏季还可用于乘凉。

  3.3未来发展方向方向

  实际上,光伏并网发电的应用不仅限于建筑,在新能源领域,光伏发电还可用于商业运营,比如光伏发电新能源汽车充电站,可有效缓解大功率所带来的电网的压力。不过,分布式光伏发电技术也并不是不存在困难,如果该项技术想继续发展完善,技术进步将起到重要的作用。和光伏发电有关的一些研究的热点与关键性的技术有如下几点:

  3.3.1电力电子变换器

  由于光伏列阵中的直流电压普遍偏低,需要加入升压电路才能输出与要求相符合的交流电压,最常用的为工频变压器,在提供电气隔离的同时提高电压等级,而双级结构的逆变器虽然灵活且具有更高的自由度,但功率级的增多将会降低整体的效率。从这方面看,在将来逆变器的发展中,把多功率的系统整个成单级的系统,会成为很有可能的一种趋势。

  而对于储能元件蓄电池来说,为其找到合适的电力电子变换器,也是一个新型且重要的研究热点。

  3.3.2安全性和可靠性

  现在,并网逆变器中直流分量的注入中所存在的问题以及光伏并网单元中对于孤岛检测技术问题和地漏电的问题,还有安全可靠的问题,是将来发展中要坚持的重要方面。

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