光伏發(fā)電技術(shù)在建筑供配電中的應(yīng)用研究

【中玻網(wǎng)】太陽(yáng)能是新能源和可更新能源的重要組成部分，是緩解當(dāng)前能源危機(jī)的有效途徑。光伏發(fā)電已成為利用太陽(yáng)能的主要方式之一，建立太陽(yáng)能發(fā)電站并供給建筑自身用電，是解決建筑物能耗的有效途徑。開(kāi)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在建筑供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，對(duì)于緩解能源和環(huán)境問(wèn)題，具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

　　建筑供配電中的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能光伏板、基于很大功率點(diǎn)的追蹤技術(shù)（MPPT）的DC/DC變換器、蓄電池組、單軸跟進(jìn)系統(tǒng)、PWM控制模塊、DC/AC變換器以及配電負(fù)載回路等部分組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

　　圖1光伏發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)成

　　為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率，本文主要從兩個(gè)方面進(jìn)行了應(yīng)用研究：首先采用太陽(yáng)能光伏板單軸跟進(jìn)系統(tǒng)，以提高光伏板的發(fā)電效率。其次采用MPPT技術(shù)，系統(tǒng)能實(shí)時(shí)跟進(jìn)光伏陣列的很大功率點(diǎn)，充分提高光伏陣列能量轉(zhuǎn)換效率。

　　（1）首先關(guān)于太陽(yáng)能光伏板單軸跟進(jìn)系統(tǒng)，常用的太陽(yáng)能跟進(jìn)方法有視日跟進(jìn)和光電跟進(jìn)。本文研究了太陽(yáng)能光伏板單軸跟進(jìn)系統(tǒng)，采用光電跟進(jìn)的控制方式，利用光敏元件組成的傳感器測(cè)量光強(qiáng)，進(jìn)而通過(guò)PLC控制低功耗伺服機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光伏板平行陣列的逐日跟進(jìn)�？刂葡到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2，其中系統(tǒng)核心部件是光電傳感器和PLC。光電傳感器采用MG44-2型光敏電阻構(gòu)成，其電氣特性表現(xiàn)為光強(qiáng)負(fù)阻性即電阻值在光照下阻值≤2 kW，在黑暗中阻值≥0.2 MW，這種阻值變化與光強(qiáng)變化相關(guān)。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，根據(jù)兩個(gè)光敏電阻檢驗(yàn)光強(qiáng)大小，判斷太陽(yáng)的位置。當(dāng)太陽(yáng)沒(méi)有直射太陽(yáng)能光伏板時(shí)，上下兩個(gè)光敏電阻阻值不同，在檢驗(yàn)電路中分壓不等，利用運(yùn)算放大器組成信號(hào)調(diào)理電路，分析數(shù)據(jù)并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，將處理后的信號(hào)送至PLC，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)，調(diào)整太陽(yáng)能光伏板的水平角度，提高光伏板的光電轉(zhuǎn)換效率，保證系統(tǒng)能夠全天效率高工作。光伏板單軸跟進(jìn)系統(tǒng)檢驗(yàn)電路如圖3。

　　圖2單軸跟進(jìn)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

　　圖3太陽(yáng)能跟進(jìn)系統(tǒng)檢驗(yàn)電路

　　太陽(yáng)能跟進(jìn)系統(tǒng)的工作流程如圖4。系統(tǒng)首先采集位于太陽(yáng)能光伏板上下兩個(gè)光電傳感器的信號(hào)VH、VL，判斷兩者的大小，若兩信號(hào)不同，說(shuō)明太陽(yáng)沒(méi)有直射光伏板，PLC上電，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制步進(jìn)電機(jī)工作，拖動(dòng)水平運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，調(diào)整太陽(yáng)能光伏板的水平角度，為保證系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，在必要位置設(shè)置限位開(kāi)關(guān)，當(dāng)光伏板到達(dá)限位開(kāi)光處，系統(tǒng)停止工作，若沒(méi)有到達(dá)限位開(kāi)關(guān)處，則只有VH、VL相等時(shí)，系統(tǒng)停止。黑天時(shí)，VH、VL信號(hào)也有可能相等，為此加入判定模塊，檢驗(yàn)是否白天。通過(guò)對(duì)單軸跟進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用與研究，發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，其成本與固定支架基本相當(dāng)，但相較于普通光伏發(fā)電系統(tǒng)，采用單軸跟進(jìn)技術(shù)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，可在原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上有效提高發(fā)電量20%~40%，因此，采用光伏板單軸跟進(jìn)系統(tǒng)可以有效地提高發(fā)電效率。

　　圖4太陽(yáng)能跟進(jìn)系統(tǒng)控制工作流程框圖

　�。�2）其次是關(guān)于功率點(diǎn)跟進(jìn)（MPPT）實(shí)現(xiàn)，本文采用擾動(dòng)觀察法實(shí)現(xiàn)功率點(diǎn)跟進(jìn)（MPPT），其工作原理是測(cè)量當(dāng)前系統(tǒng)的輸出功率，然后給系統(tǒng)的輸出電壓一個(gè)擾動(dòng)，這個(gè)擾動(dòng)會(huì)影響系統(tǒng)的輸出功率，通過(guò)測(cè)量當(dāng)前的輸出功率，同時(shí)對(duì)比之前的輸出功率就可確定功率的變化方向，如果輸出功率增加，就保持該擾動(dòng)；如果輸出功率減少，就改變擾動(dòng)的方向。擾動(dòng)觀察法的跟進(jìn)工作情況如圖5所示。

　　圖5擾動(dòng)觀察法示意圖

　　光伏發(fā)電系統(tǒng)硬件電路主要包括MPPT控制電路、電壓檢驗(yàn)電路、電流檢驗(yàn)電路和IGBT驅(qū)動(dòng)控制電路，如圖6所示。

　　圖6光伏發(fā)電系統(tǒng)硬件電路總體構(gòu)成

　　電壓檢驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)如圖7所示，由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、減法器構(gòu)成。利用電阻分壓成比例的衰減被測(cè)電壓信號(hào)，再通過(guò)減法器，提取出被測(cè)電壓信號(hào)。電流檢驗(yàn)電路由霍爾電流傳感器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò)以及端口保護(hù)構(gòu)成，電流檢驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)如圖8所示。MPPT控制電路結(jié)構(gòu)如圖9所示，利用BOOST變換器構(gòu)建了MPPT控制電路，實(shí)現(xiàn)光伏捕獲功能。調(diào)節(jié)BOOST變換器的占空比，可使系統(tǒng)運(yùn)行在不同的輸出電壓狀態(tài)，從而找到功率點(diǎn)。IGBT驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)如圖10所示，其作用是將DSP輸出的PWM信號(hào)經(jīng)過(guò)放大直接驅(qū)動(dòng)IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷。

　　圖7電壓檢驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)

　　圖8電流檢驗(yàn)電路

　　圖9 MPPT控制電路結(jié)構(gòu)

　　圖10 IGBT驅(qū)動(dòng)控制電路結(jié)構(gòu)

　　太陽(yáng)能儲(chǔ)量巨大、分布廣泛、可更新、不污染環(huán)境，是化石能源的主要替代之一，因此開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能具有重大的戰(zhàn)略意義。目前，光伏發(fā)電已經(jīng)成為人類利用太陽(yáng)能的主要方式之一。傳統(tǒng)的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由于光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性、間歇性、發(fā)電功率受到天氣的影響等問(wèn)題，給傳統(tǒng)電網(wǎng)帶來(lái)很多問(wèn)題，如無(wú)法提供穩(wěn)定電力輸出，與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比所占比例不高，高峰產(chǎn)生電能浪費(fèi)，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)定性造成沖擊等。單獨(dú)式光伏發(fā)電系統(tǒng)由于自發(fā)自足，解決了傳統(tǒng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)存在的問(wèn)題，同時(shí)在電網(wǎng)故障時(shí)，太陽(yáng)能可以繼續(xù)發(fā)電，切換到離網(wǎng)模式滿足負(fù)載供電要求�？梢哉f(shuō)單獨(dú)式光伏發(fā)電系統(tǒng)是未來(lái)光伏發(fā)電的主流形式。本文研究單獨(dú)式光伏發(fā)電系統(tǒng)在建筑物供配電中的光伏板逐日問(wèn)題和功率點(diǎn)跟進(jìn)問(wèn)題，利用光伏板單軸跟進(jìn)技術(shù)和擾動(dòng)觀察法有效地解決了以上兩大問(wèn)題，提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率，滿足了建筑物供配電系統(tǒng)的用電需求，有效地降低了建筑物能耗。