分布式光伏發電控制系統設計策略研究

馬競濤

（隆基樂葉光伏科技有限公司，陜西 西安 710018）

0 引 言

利用太陽能發電的方式主要有3種，分別是將光能轉換為電能、將光能轉換為熱能以及將光能轉換為化學能，通過這3種方式衍生出了多樣化的能源轉換方法。在能源輸送方面，太陽能光伏發電有獨立光伏發電、并網光伏發電以及分布式光伏發電3種，其中分布式光伏發電系統又被稱為分布式供能或者分散式發電。這一方式主要是通過在用戶的使用現場或附近設置一些小型的光伏發電系統，通過這些發電系統產生的電能來滿足用戶的生產生活需求，這不僅能夠幫助用戶解決用電需求還能夠幫助電網降低運行成本[1]。為了更好地發展這一技術，分布式光伏發電系統應運而生，下面將詳細分析這一系統，從而進行更好的設計優化。

1 分布式光伏發電系統

近年來，隨著電子產業、光伏產業以及信息產業的不斷發展，光伏發電技術受到了越來越高的重視，進而極大地促進了光伏發電技術的進步。現階段所使用的分布式發電應用系統涵蓋了多種信息技術與光伏技術，在硬件設備方面也有著很多的技術要求[2]。目前的分布式光伏發電系統一般是指并網型系統，不包括離網系統。分布式發電并網方式可以“自發自用，余電上網”，也可“統購統銷”(全額出售給電網)。并網型分布式光伏發電系統分類如圖1所示，下面將針對這一系統進行全面分析，從而提出設計策略。

圖1 并網型分布式光伏發電系統分類

1.1 集中控制模塊

對于集中控制系統而言，硬件設備包含三菱FX5U-64MR、光伏單軸供電系統、離網光伏發電系統以及并網光伏發電系統等。在具體的運行過程中，為了保證系統運行的穩定性，需要利用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）來控制整個系統中的繼電器和接觸器[3]。通過對PLC的運用，可以極大提高整個系統的可控性，保證整個光伏系統在運行過程中能夠穩定高效的進行能源轉換，保證系統中各個子系統可以有效運轉，并對各個子系統的數據和運行進行全面處理與控制，大大提高了整個發電系統的運行效率。

1.2 離網光伏發電系統

離網發電系統的硬件設施主要包括太陽能電池組件、光伏控制器、蓄電池以及交流逆變器4個部分。通過這4部分的相互配置，能夠形成一個完整的供電系統，這一發電系統又被稱為獨立光伏的發電系統，顧名思義，這一系統可以獨立運行。光伏電池板是整個系統的核心部件，通過光伏電池板來實現對光能的轉換，能夠直接將光能轉換為電能，隨后利用光伏控制器將電能儲存在蓄電池中。在系統運行過程中，產生的電為直流電，因此需要增加交流逆變器來進行電力轉換，將直流電轉換為交流電，從而供給電器使用。在這一系統中，能夠將太陽能電池組件產生的電能進行及時儲存與使用，不需要進行其他的系統轉換，因此可在各種環境下高效使用，有著很強的實用性[4]。對于整個系統的控制與運轉而言，光伏控制器起著至關重要的作用，在太陽能不能正常使用的情況下，控制器能夠對電池的放電與充電進行全面保護，極大延長了蓄電池的使用壽命。與此同時，當系統出現短路、電極出現反接現象時，可以及時為系統提供保護，對系統的正常使用提供良好的保障。最后，在夜間還能夠防止蓄電池儲存的電能反向輸出。

1.3 并網光伏發電系統

相較于離網光伏發電系統而言，并網光伏發電系統會與公共電網相連接，能夠將產生的電能輸送到公共電網中去。其組成與離網光伏發電系統類似，主要由太陽能電池組件、并網逆變器、雙向電能表以及隔離變壓器構成。這一系統在運轉過程中通過太陽能電池組進行發電，隨后再利用并網逆變器實現對直流電向交流電的轉換，在完成轉換之后這些電力會直接輸送到公共電網。這一系統相比較于離網光伏發電系統而言，占地面積更小，同時需要的資源投入也較小，國家相關政策也有很大的扶持力度，正是這些優勢促使并網光伏發電系統得到了快速發展，實現了對光能的有效利用，為國家的公共用電減輕了負擔[5]。

1.4 通信模塊

由于并網光伏發電系統需要與公網相連，因此要利用逆變器來對電流進行調整和轉換。為了更好地保證轉換效果就需要根據發電系統的情況來進行合理調整，需要通信模塊來發揮其相應的作用。由于通信模塊的作用是收集光伏發電系統的實際情況，進而對逆變器進行調整，因此需要利用各種傳感器來輔助完成信息的收集。其主要組成部分包括兩個LoRa通信模塊、光伏監控模塊、1個采集器、溫濕度及光照度模塊，通過利用通信模塊來發送與接收環境的各種信息數據，利用一種超遠距離的無線傳輸方案，能夠實現對數據信息的遠程傳輸。對于光伏監控模塊而言，通過利用收集到的信息來采集逆變器的信息，在完成信息的收集之后，利用RS-485通信方式來實現信息數據的傳輸，從而實現對逆變器的有效控制，保證整個并網光伏發電系統的正常高效運轉。

2 分布式光伏發電系統的硬件設計

在對這一系統的硬件進行設計時，需要分為輸入和輸出兩部分，其中輸入涉及的主要是系統運行過程中，指令信號和位置信號等輸入性信號在輸入到這一發電系統中后如何保證信號正確得到處理與保護。對于指令性信號可以利用按鈕來提供，對于位置信號的輸入則需要利用傳感器來實現，通過利用單軸系統來實現對這一類型信號的傳輸與保護。對于輸出設計而言，需要利用接觸器和繼電器來完成，通過繼電器和接觸器來實現信號的產生，并利用通信模塊來傳輸產生的信號。在這一過程中，需要進行正確的參數設置，以保證設備的正常運轉。

3 分布式光伏發電系統的軟件設計

在整個分散式光伏發電系統中，最為重要的就是軟件部分。通過軟件的有效設計能夠促進對分布式光伏發電系統中子系統的有效控制，這些子系統雖然相互獨立但是又存在著關聯，為了更好地保證這一系統的有效運轉，就需要優化軟件的設計，以實現更為高效的系統控制。利用FX5U可編程控制器可以實現邏輯運行，在整個控制系統中，這一控制器有著至關重要的作用，通過寫入ST語言和FBD/LD，保證結構化的程序在執行過程中不受阻礙，大大提高整個系統的運行效率。此外，利用單軸光伏控制系統時可以通過按鈕來對光源的運行模式進行轉換，在這些軟件的基礎上可以實現對整個系統的高效控制，不僅能夠保證系統各個部分元件的高效運轉，而且能夠提高各個原件相互配合的效率，為各項指令的執行與設備的各項數據顯示提供保障。

4 分布式光伏發電系統配置

4.1 光伏電池組件選擇

太陽能組件作為整個光伏發電系統的核心部分，其性能會直接對整個系統的工作效率產生影響，與此同時還會對整個系統的運營與維護產生直接影響。為了更好地保證分布式光伏發電系統的運行，就需要對整個光伏發電進行全面改進，從而實現系統發電效率的全面優化升級。在整個系統的預算成本中，光伏發電組件的成本占比達到了一半以上，為了降低整個系統的開發成本，需要對光伏發電組件進行升級優化[6]。利用多晶硅電池替換傳統的單晶硅電池，能夠有效節省光伏電池產生的成本開支，從而以更低的運行與建造成本來達成更高的項目要求。在實際的建設過程中，需要根據工程的實際情況來選擇電池組件的規格，從而更好地降低工程成本，提高整個發電系統的發電效率，同時還能夠在最大程度上簡化整個系統的接線工作，降低工程量與后期的維護成本。

4.2 最佳傾角計算

想要保證光伏發電系統全年發電量能夠達到最佳，就需要在安裝光伏電池時設置好最佳的傾斜角。為了保證安裝過程簡單，同時降低后續維護與運營的成本，可以采用固定軸形式來進行光伏電池的安裝。采用這一安裝方式能夠很好地降低前期成本投入，同時還能夠有效降低后續的運營成本，大大提高整個系統運行的經濟效益。在安裝之前，首先需要利用相關軟件來計算最佳傾角，根據地區和時間等因素來計算出不同傾角下太陽輻射量的大小。在測算得到最佳傾角之后，還需要考慮后續安裝過程的操作難度、對組件的維護以及極端天氣等因素，從而進行合理修改，更好地保證光伏發電系統的高效、穩定運轉。

4.3 光伏并網逆變器拓撲

在光伏發電控制系統中，逆變器對整個系統的正常運轉起著至關重要的作用，在光伏并網發電系統中，逆變器拓撲可以根據是否含有隔離變壓器來進行詳細區分，但是對于隔離型光伏并網逆變器和非隔離型光伏并網逆變器而言，又可以根據變壓器的工作頻率進行下一步區分，分為工頻隔離型與高頻隔離型兩種。對于工頻隔離型光伏并網逆變器，由于其內部沒有直接耦合，也就很好地避免了信號干擾現象的產生，同時將高電壓轉換為低電壓能夠有效地保障工作人員的生命安全。同時還能夠有效避免變壓力磁路飽和現象的發生，但是尺寸相對較大，不能夠實現簡化設計[7]。由此可見，不同類型的逆變器有著各自的優勢與不足，在進行分布式光伏發電系統建設時，首先要考慮安裝環境的因素，保證外界干擾的強度和天氣不會影響其正常工作。其次還要合理設置輸出功率，避免日照變化影響電力的輸出。最后要根據安裝環境和使用環境來進行合理選擇，從而更好地保證分布式光伏發電系統的正常運轉，實現穩定高效的電力輸出[8-10]。

5 結 論

現階段，光伏發電系統建設水平不斷提高，推動了我國光伏發電系統的全面建設。在進行分布式光伏發電控制系統的建設時，需要工作人員合理改善設計流程和設計方法，從而更好地提升建設效率。不僅如此，還要充分發揮光伏發電的優勢，嚴格遵守相關建設標準，充分發揮出光伏發電的優勢，從而全面推動我國經濟水平的提升與發展。