智能分布式光伏發電實訓平臺的設計

三江學院電子信息工程學院 李 路

智能分布式光伏發電實訓平臺的設計

三江學院電子信息工程學院 李 路

為提高電子類專業學生的動手能力，培養學生對光伏發電技術的興趣，本文設計了一種智能分布式光伏發電教學實訓平臺，學生通過在本平臺的實訓過程，可以了解光伏發電系統的集成、工作原理和分類，掌握光伏陣列的組合設計，和光伏系統的故障排除。

光伏發電；分布式系統；實訓平臺；智能微電網

一、引言

應用型本科院校里的光伏類課程包含了光伏電池、組件的原理與制造以及應用，其相對應的實踐過程的開展往往是一個比較難的環節，電池及組件制造技術的實踐環節需要完整的生產線，如果在校內建設此類實驗平臺，無論從場地、資金以及利用率等方面都不容易滿足課程要求，所以大都依托于相關的企業來實現。對于光伏應用的實踐環節，則可以選擇在校內建設分布式發電教學實訓平臺，所開展的分布式發電技術課程是電子科學與技術專業課程體系中的實驗部分，是對理論課程的外延和補充。本文提出了一種智能分布式光伏發電教學實訓平臺的設計方案以及使用方法，通過在此實驗實訓平臺的學習，學生掌握光伏發電過程中所涉及的技術環節，成為與社會“無縫銜接”的光伏電站方面的技術人才[1-3]。

二、設計方案

（一）外觀結構設計

為了結合光伏建筑一體化(BIPV)工程技術，以陽光玻璃房將作為實訓平臺的重要附件部分，光伏組件集成在屋頂用來替代傳統的磚瓦，具有屋頂和發電的兩種功能，既美觀、智能又具有很強的示范性。可以改變角度的光伏組件將鋪設在實驗室的南面，具有遮擋陽光和發電兩種功能。實驗室的四周及門窗安裝雙層中空鋼化玻璃，具有隔熱保溫作用。綜合南京當地的經緯度和小屋的安全性能，屋面的傾斜角設定為20°，誤差5°以內。為了便于實驗室的防水、排水，小屋的前沿、后沿超過鋼支架200 mm，鋼支柱根數為8根，規格為100mm×100mm×3mm，四周玻璃及門框鋼化雙層中空玻璃的厚度：5mm+5mm。

圖1　實訓平臺結構圖

（二）內部結構

圖1是分布式光伏發電實訓平臺框架結構示意圖，它是建立在集成的、雙向通信網絡的基礎上，采用先進的互聯技術實現電網的可靠、安全、經濟和高效的運行。分布式發電：（Distributed Generation，簡稱DG），如圖中的模塊1所示，通常是指發電功率在幾千瓦至數百瓦的小型模塊化、分散式、布置在用戶附近的高效、可靠地發電單元。建成以（PV）光伏陣列和儲能裝置作為分布式電源，并預留擴容接口，可以方便的對風力發電、燃油輪機發電和其它形式的新能源（生物質能等）的接入，使分布式光伏發電系統具有“即插即用”功能。由PV陣列構成的分布式光伏能源，指采用光伏組件，將太陽能直接轉換成電能的分布式發電單元。

三、實現功能

（一）逆變器比較功能

本實驗平臺中的微型逆變器和組串式逆變器并網發電智能系統部分示意圖，該部分平臺可以為讓學生掌握微型逆變器和組串逆變器的區別以及系統發電的比較等，還可以讓學生在實際的天氣情況下深入了解最大功率跟蹤（MPPT）控制的過程。該系統為現實應用版，非教學演示版，學生通過該平臺可以更好的貼近實際應用，達到快速學以致用的目的。學生通過雙向開關的切換，可以實現“并網型光伏發電智能系統”，“并網、離網型光伏發電智能儲能系統”，“智能微網的模擬”，“單雙向智能電表的安裝”。該實訓平臺還可以實現直流微網、交直流混合微網等功能，完全實現市面上各種光伏陣列的安裝形式，學生可以全面掌握光伏電站的設計，監測等技術。

（二）智能微網功能

所謂智能電網系統，也就是電網系統的智能化，也稱為電網2.0，其核心內涵是實現電網的信息化、數字化、自動化和互動化。微電網監控系統由微電網能量管理系統（MEMS）、微電網協調控制器和微電網設備就地控制器構成。MEMS與微電網協調控制器采用以太網接口，通過104規約進行通信。根據微電網內各設備實際情況，微電網協調控制器與就地控制器之間的通信方式包括RS485、CAN、以太網等，并可能采用多種通信規約。

本系統搭建完成以后，可以實現并網發電、離網發電、離網儲能及離網放電幾種形式的職能切換，控制邏輯如下面幾種情況[4]。

在太陽光充足時（比如中午），太陽光所發電量優先提供給負載使用，多余的部分儲存到蓄電池中，蓄電池充滿以后，多余電量可以并入市電，整個過程通過智能雙向電表進行計量計費。

在太陽光不足時（如早上或傍晚），太陽所發能量優先供給負載使用，不足的部分將由蓄電池通過充/放電器進行發電，與光伏組件發的店一起給負載供電，蓄電池完全放電后，不足的部分再從市電進行補充，整個過程通過智能雙向電表進行計量計費。

在沒有太陽時（如晚上），太陽能無法發電，負載用電則優先通過蓄電池進行放電，不足的部分再從市電進行補充，整個過程通過智能雙向電表進行計量計費。

在外電網市電突然停電時，儲能型雙向逆變器則可以自動切換到離網模式，確保系統中最重要的負載不間斷供電。當市電恢復后，儲能型雙向逆變器便自動切換回到并網模式。

（三）軟件設計、監測功能

該實訓平臺的軟件具有電站設計、運行和故障監測功能，軟件中包含強大的氣象數據庫，可以任意選擇全球各地，軟件自動計算出當地最佳傾角，并且可以選擇方位角；可以選擇市場上主流光伏組件以及逆變器，還具有自定義添加功能；可以根據實際組件數量自動配置逆變器；可以通過微調進行最優化系統設計，如果設計超出范圍，軟件會進行報錯提示，到完全匹配為止。并且軟件有非常友好的人機界面和多語言支持，具有強大的云平臺支持，可提供實時數據的可視化和歷史數據的查詢。

（四）其他功能

除了以上提到的實驗功能，該平臺還具有以下幾方面的功能：

（1）平臺具有環境監測功能，可以測量當地的天氣情況，如溫度，輻照度，風向，風速等。

（2）系統具有防孤島作用和計劃性孤島作用，以保證實驗過程中以及維護維修過程中人員的安全。

（3）當電力系統出現故障或擾動，從而引起光伏發電站并網點電壓跌落時，在一定的電壓跌落范圍和時間間隔內，該系統可以能夠保證不離網連續運行。

（4）充電控制器具有短路保護、過負荷保護、蓄電池過充（放）保護、欠（過）壓保護及防雷保護功能，必要時應具備溫度補償、數據采集和通信功能[5]。

（5）分布式電站部署了有線和無線監控平臺，可以對離散式并網點進行數據采集和管理，可遠程進行有功和無功調節，以配合智能電網升級[6]。

四、結束語

通過對智能分布式光伏發電實訓平臺的設計與搭建，形成了一套智能微電網系統，該系統的兼容性比較好，并網時具有分布式電源的“即插即用”和微電網的運行控制功能，在主網正常時，保持微電網與主網的協調運行，在主網停電時，微電網獨立運行，當主網恢復正常時，微電網可再次與主網協調運行。并且該實訓平臺可“拆卸”性強，多以自由組合多種形式的光伏發電系統，增強了學生的動手能力，可以培養學生的創新思維，容易地掌握電站的設計和光伏系統的故障排除。

[1]黃偉,孫昶輝,吳子平,等.含分布式發電系統的微網技術研究綜述[J].電網技術,2009,33(9):14-18.

[2]李光濤.微網技術在分布式發電系統中的應用探討[J].技術研發,2013,20(5):110-111.

[3]章鹿華,王思彤,易忠林,等.面向智能用電的家庭綜合能源管理系統的設計與實現[J].電測與儀表,2010,47(537):35-38.

[4]陳曉高,熊保鴻.基于微網技術的家庭光伏發電及能量管理系統[J].太陽能,2014,12:20-22.

[5]聶穎.100kWp光伏電站的建設與研究[D].大連理工大學碩士論文,2012.

[6]殷明思.分裂式光伏升壓變壓器的研究與設計[D].東北大學碩士論文,2014.

江蘇高校品牌專業建設工程資助項目（PPZY2015A033）；江蘇省高校自然科學研究面上項目（14KJD510009）。

李路（1983－），男，三江學院電子信息工程學院講師，碩士，主要研究方向為高效太陽能電池。