新型市電互補光伏系統的設計與應用

鐘 斌

（云南大唐國際賓川新能源有限責任公司，云南 大理 671000）

近年來石化能源的緊缺以及核電能源的限用， 促進了太陽能資源在人類社會中的使用。 新型市電互補光伏系統正是對太陽能資源進行利用的供電系統之一， 相比于傳統的市電互補光伏系統， 其具有更加穩定的工作性能，可以使光伏系統中的蓄電池得到充分的養護，繼而達到降低供電成本投資的效果。

1 新型市電互補太陽能光伏發電系統概述

新型市電互補太陽能光伏發電技術是集合物理知識與化學知識為一體的交叉科學技術， 涉及到的科學知識包括化學學科中的量子力學、 電化學以及物理學科中的半導體物理、電力電子現代技術、光電子技術以及物理中最新的控制理論等[1]。 新型市電互補太陽能光伏發電系統在城市供電中的應用不僅會給國家帶來巨大的經濟效益， 同時也對一個國家的社會經濟產值進步以及促進國家政治結構穩定起到十分積極的作用。

1.1 新型市電互補太陽能光伏發電原理

物理學中的光生伏特效應是新型市電互補太陽能光伏發電系統中應用的基本原理，該原理也可簡稱為“光伏效應”。 該原理的實現過程大致為，由硅質材料制成的太陽能電池晶片pn 結面受到光照以后，太陽光子會滲入到系統半導體的內部，并在太陽能電池晶片pn 結面的兩邊產生電子-空穴對[2]。 在此之后，太陽能光伏系統在太陽能電池晶片pn 結面內的電流磁場的作用下，其n 型半導體的電子空穴向p 型半導體區域移動。 而在此過程中，p 型半導體區域的電勢將升高，n 型半導體區域的電勢將降低，繼而在太陽能光伏發電電池兩端形成電勢差。 在按該原理運行的太陽能光伏發電系統中， 將其電池與外部電路進行連接，那么外接電路將會產生負載電流。

1.2 太陽能光伏發電系統分類

太陽能光伏發電系統可以分為并網系統和離網系統兩種， 其中離網系統通常是在市電使用不方便或應用設備對環保有一定要求時選用， 其又分為獨立型光伏系統以及市電互補光伏系統[3]。

獨立型光伏系統在我國多用于野外供電及海島供電等， 其設計的重點在于需要考慮陽光照射短暫季節及陰雨天的問題， 故需要設計出大量的太陽能光伏電池組件及太陽能蓄電池組。

市電互補光伏系統的優勢在于可以自動切換獨立的光伏系統電源與城市電源。 在市電互補光伏系統中次要的直流負載供電穩定性會受到陽光的日照時間限制，故該系統中主要的供電負載交流負載供電由于是城市電源備用的保障而得到很大的提高。 其中所包含的太陽能蓄電池組的備用天數可以適當地縮短， 這樣可減少供電工程項目的造價， 更有利于太陽能光伏發電系統的應用與推廣。

2 新型市電互補光伏系統的設計與應用

2.1 市電供電系統構成

城市的供電系統通常是由直流配電屏和開關整流器組成，開關整流器主要是由供電輸入整流濾波電路、供電功率因數矯正電路、供電PWM 變頻逆變電路以及供電輸出整流濾波電路構成[4]。 為了保證城市供電系統中開關整流器可靠供電， 通常采用N+1 的系統流程模塊進行冗余系統的連接。 這種做法可以確保系統運行過程中，當某一模塊發生故障時，其余模塊仍能夠輸出足夠的電力功率。

2.2 新型市電互補光伏系統

2.2.1 新型市電互補光伏系統的設計

在進行新型市電互補光伏系統設計的過程中， 其必須滿足和實現以下幾點功能。 首先，新型市電互補光伏系統在供電過程中， 必須保證系統中的交流負載和直流負載母線供電不間斷。 其次， 能夠進行自動啟動及關閉活動。 最后，新型市電互補光伏系統在供電過程中，必須能夠對太陽能光伏系統中的蓄電池電量及光伏發電情況進行定時檢測。 在發現太陽能光伏發電系統中的蓄電池電量不足或光伏發電不穩定時， 該系統能夠將太陽能光伏發電系統自動裝換成城市供電系統， 并對太陽能光伏發電系統中的蓄電池組及時進行維護和蓄電。 在設計太陽能光伏發電陣列時， 還需要對架設設備的屋頂或房間的承載能力進行預估。

在對新型市電互補光伏系統進行設計的過程中，應對太陽能光伏系統中的蓄電池容量進行估算， 并根據其容量選定蓄電池組中所需要包含的電池數量。 蓄電池容量 的 估 算 公 式 為1517Ah，其中蓄電池的單體應選擇為24V，200Ah。

在對新型市電互補光伏系統中的控制器進行設計時，其蓄電池電壓應為216V， 蓄電池組的總功率應為30kW。在系統運作時其最大的充入及放出電流量應為90A。

2.2.2 新型市電互補光伏系統的應用意義

相比于傳統的市電互補光伏系統， 新型系統的應用節約了城市供電系統建設和使用維修過程中的人力、物力和財力， 是離網光伏系統在現實生活應用中降低供電成本的一項重要舉措。

首先，新型系統采用的是雙向的供電逆變器，這樣的設計可以改善傳統供電過程中的不穩定性。 在光伏發電不足的情況下， 可以自動將負載電源調換到城市供電電源， 并由系統中所運用的雙向供電逆變器對直流負載進行直接供電， 繼而使供電時的直流負載和交流負載同時得到保障。

其次，新型系統的設計，可以在保障供電交流負載安全的同時， 由雙向供電逆變器向直流負載及太陽能蓄電池組供電， 這樣可以在極大程度上減少太陽能光伏系統中的蓄電池組數量及備用天數， 繼而從根本上節約系統供電成本。

最后，新型市電互補光伏系統在設計過程中，可以利用城市供電對太陽能光伏系統中的蓄電池組自動補充電量和進行養護， 這樣可延長太陽能光伏系統中蓄電池組的使用壽命，降低蓄電池組中電池的更換次數，降低其使用成本。 具體的新型市電互補光伏系統流程圖如下。

圖1 新型市電互補光伏系統流程圖

3 結論

綜上所述，太陽能作為世界能源中最大的綠色能源，是促進我國能源變革的強有力的保證。 在世界十大光伏能源用電市場中，我國是唯一處于世界“陽光地帶”的國家，經過了數十年的變革與發展，我國也已經具備了大規模發展光伏發電的能力。 而隨著新型市電互補光伏系統在人們生活中的不斷應用， 傳統市電光伏互補系統中蓄電池更換次數頻繁這一問題得到改善， 繼而從根本上促進我國國民用電的低碳與環保。

［1］朱德志，張春仙.新型市電互補光伏系統的設計與應用［J］.鎮江高專學報，2014，02（14）:54-56.

［2］孟昭淵，高鵬.太陽能路燈的設置需要因地制宜——淺析太陽能光伏電力與市電互補道路照明 ［J］. 中國照明電器，2010，05（27）:15-20.

［3］周青， 曾玉. 光伏專業應用型本科人才培養模式探析［J］.職業技術教育，2012，10（26）:31-34.

［4］張禮聯，謝敬仁.太陽能光伏系統在通信供電中的應用研究［J］.中國電子科學研究院學報，2012，06（01）:655-660.