分布式光伏发电微电网供能系统研究构建

杨胜伟，张斌，杜源，姜鑫

（1.云南电网有限责任公司楚雄供电局，云南 楚雄 675000； 2.云南电网有限责任公司文山马关供电局，云南 文山 663000； 3.云南电网有限责任公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000； 4.云南电网有限责任公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000）

0 前言

分布式光伏发电对公共电网及储能装置有着较高的依赖性，在带水泵作用下能够对负荷起到调节作用，且使得分布式光伏发电为直流电源[1]。由直流供电网提供的电流一方面能够降低电能的转换频率，另一方面能够促进电能利用效率的提升。探究分布式光伏发电微电网功能系统，实现技术突破，有利于带动系统电能储备发展。

1 原理与分布式光伏微电网优势

1.1 光伏发电原理

作为电力系统重要技术，光伏发电借助半导体界面光生伏特效应，可实现光能向电能的转化，通常，半导体与金属两者是相连状态，其连接位置经过光照会导致电压高低不同，实现光能向电能的转化。光伏电池是光伏发电的核心。近年来，光伏电池在薄膜技术的支持下实现了量产，同时制造成本也不断减少。为实现转化光能最大效应的实现，应将光伏电池进行阵列排列，对其最大功率点进行跟踪，能够提升对电能的利用与储存效率。

1.2 分布式光伏发电系统优势

分布式光伏发电微电网功能一方面能够供电于直流负荷电源，另一方面对分布式光伏发电电源使用不排斥，间接促进了功能系统供电与发电效率的提升。随着发电系统微电网的开发利用，分布式光伏应用范围不断扩大，具有一定的节能效能，兼具经济效益与分担能源压力的作用。分布式光伏发电微电网结构如图1所示，其仅需要光照便能够完整安装，且顶部与侧面均可以得到良好的利用，减少土建投资[2]。作为一种清洁能源，光伏发电主要原料为光，产品为电，生产期间不会产生其他原料损失，且无污染，能量应用遵循就近原则，在一定程度上降低了运送期间产生的损耗。不仅如此该发电系统电流高峰、使用量高峰保持重合，若有多余电量可以进行并网处理避免了电源资源的浪费。

2 实验平台构建

2.1 电池阵列、储能装置

研究构建的微电网实验平台，分布式光源电源采用的是太阳能光伏与楼宇相结合的方式，楼宇屋顶安装了光伏电池阵列，18V 5W多晶硅太阳能电池板阵列共包括28块，均来源于深圳星华科技有限公司，将其分为4组，每组7块，将其与微电网实验平台接入，接入位置为控制室转接箱（图2）。四组光伏电池阵列经过串联或并联后能够投入使用，可组合成为11种不同容量大小的分布式光伏电源接入方式。除对楼宇实际交直流负荷提供电能，还可以完成控制室的模拟负荷，其主要构件为180 Ω大功率电阻箱、单相/三相可编程电子负荷（4.5 kW）。

图2 室内转接箱安装示意图

选择免维修护酸蓄电池组、超级电容器组构建一个储能装置，铅酸蓄电池单组的电压为12 V，容量100 AH，设置满充电压、过放电 压 分 别 为13.6～13.9 V、9.9～10.0 V，采 用5×12 mm铜排低于10组蓄电池进行联接，能够正常应用的电压为99 V～138 V，确保最大充放电流可达到100 A，最佳充放电电流达到10 A，其能够达到微电网实验对稳态的要求，当处于暂态时，可通过对充、放电电能进行调节。

2.2 变换电路与控制器制作

根据分布式光伏发电系统、微电网电路拓扑及控制策略，光伏发电微电网实验平台的构建需要各类变换电路的支持，常用变换电路为光伏电池阵列端DC/DC电路，储能装置DC/DC电路，另外还包括系统与公共电网整流电路，综合上述相关电路的开关元件、PWM信号驱动，在智能功率模块作用下能够实现对过电压、过电流等故障的检测，对电路具有一定的保护作用，避免出现负荷过载情况，防止IPM受损。作为微电网的重要组成部分，变换器主要包括整流、逆变与斩波等，其发出的直流电经过DC/DC电路升压、稳压，其中一部分为直流负载功能，另一方面由DC/AC电路为直流负载功能。当光伏发电电量处于较高状态，剩余的电能能够为蓄电池充电，若蓄电池电量已满，电能会直接并入电网。蓄电池、光伏发电在光照减弱状态下能够提供电能[3-4]。针对光伏发电系统输出电压小的问题，选择Buck-Boost型 DC/DC变换器，将MPPT控制模式作为逆变器。当光伏发电处于工作状态下，受光照、温度等因素的影响，会选择合适的时机将电压值输出并达到峰值，即最大功率点。

微电网正常工作需要由检测与控制部分提供支持，研究采用的PLC控制，组合PLC控制与力控组态软件，设计上位机界面，能够对系统运行情况进行监控，并对期间产生的数据进行记录，且具备数据分析功能，根据结果对系统运行情况作出合理、科学的判断[5-6]。当出现故障后能够及时发出报警，其架构如图3所示。

图3 PLC控制下控制单元结构

3 可行性验证

3.1 直流型微电网拓扑结构及控制策略

由多个分布式光伏电源、铅酸蓄电池及集成控制器电路等构建直流型微电网，将笔记本、台式电脑及数码产品等作为直流负荷，空调、打印机等作为交流负荷[7]。应用铅酸蓄电池、光伏电池阵列端Boost电路能够构成微电网控制系统，由DSP28335集成控制器能够实现对光伏电池阵列发电功率、蓄电池等的控制，使得发电与本地用电需求能够达到平衡状态，是提升直流母线电压稳定性的有效举措[8-9]。光伏电池阵列输出电压、电流及母线电压等能够协助光伏电池阵列端Boost电路控制。在对光伏电池阵列进行统一能量控制时，采用的是独立型光伏发电系统[10]。

3.2 直流型微电网实验平台验证

研究利用Chroma可编程直流电源对分布式光伏电池阵列P-U曲线及其他参数进行模拟，经Boost电路接入，采用INC法经DSP28335集成控制器绘制MPPT波形图，铅酸蓄电池经集成控制器，将直流母线电压控制在360 V左右，可以对其最大功率点进行追踪[10]，当电压为220 Vrms、50 Hz，其对应的母线电压波形、SPWM脉宽信号见图4，提示该系统切实可行。

图4 交流母线电压波形与SPWM脉宽信号

4 结束语

综上所述，微电网具有较高的灵活性，安装快捷、运行无污染，构建分布式光伏发电微电网供能系统能够有效解决分布式光伏发电能源输出问题，通过采用分布式光伏发电控制策略，能够提升光伏发电输出波动的可控性，减少对微电网的影响，具有广阔的发展前景。