光伏发电装置各组件的原理与改进措施

作者：端柯羽、赵溢康、梁梦馨

南京工程学院电力工程学院

针对光伏发电问题，提出了一套完整的光伏发电并网、采集与预测体系。首先，详述了光伏发电并网装置各个组件的原理，提出了部分改进措施；其次，针对光伏发电实例进行了预测，结果表明，该光伏发电并网装置不仅可以指导未来光伏发电高效并网，还能在此基础上取得良好的经济效益。

0  引言

正如电力“十三五”规划所论述的那样，目前我国正处于深化改革的攻坚期，也是电力工业加快转型发展的重要机遇期。在这样的新时期，能源格局进一步调整，环境资源的约束也进一步加强，给我国电力行业的发展带来了一系列新的挑战。随着世界气候形势越发严峻，人们对清洁能源的需求正不断增长，加速对清洁能源的开发和利用已经成为电力人义不容辞的责任，电源结构的清洁化必然逐渐成为能源结构调整的主流。

取之不竭、安全可靠、无噪声污染，不受资源分布地域的限制，建设周期短，获取能源花费的时间周期短，光伏发电因以上优点在清洁能源建设中占据了很大比重。在光伏发电的用电需求侧，对于小区家庭用户，新能源供电装置（以屋顶光伏发电装置为例）大大缓解了能源供给/消耗矛盾，以“自发自用，余电上网”的原则，有力地推动了能源结构的优化。

目前国内关于光伏发电原理的论文较多，但很少有论文将原理与实例的计量与预测进行联系。文献[1-4]提出的是光伏发电装置各组件的原理与改进措施，并未涉及实例的计算；文献[5]提出的是小区屋顶光伏应用的实例计算，并未详述光伏应用各组件原理。本文基于以上研究，提出了一套完整的光伏发电并网、采集与预测体系。

1  小区光伏发电并网装置

本文按照国家电网公司《关于促进分布式电源并网管理工作的意见（修订版）》接入系统一般原则设计光伏发电并网装置。

与传统配电系统单一的潮流流向不同，光伏发电的潮流流向具有双向性，用户侧的节点会根据用户的发电量和负载量在电源节点与负荷节点之间转换。本文利用充放电控制器、双向变流器、功率调节和并网保护等装置组成光伏发电并网装置，结构示意图如图1所示。

下面分别对各个组件进行详细介绍。

1.1  充放电控制器

充放电控制器[1]的结构简图如图2所示。本文以STC15W4K60S4_PDIP40单片机为控制中心，将通过软硬件结合的方式采集到的电流和电压，通过单片机进行A/D转换处理，从单片机输出的数值经光耦驱动MOSFET管处理实现系统充放电的控制。通过该充放电控制系统，太阳能电池板的电能在用户侧得到最优化利用，蓄电池电压在（10.5±0.5）V至（14.5±0.5）V之间浮动，单片机在蓄电池到达下限和上限时分别实现充电和放电控制。

在采集模块中，采用分流器接入的方式提供电流采样，采用电阻分压的方式进行电压衰减采样。电压通道允许最大输入差分电压设置为±165 mV，共模电压设置为100 mV。输入电压的衰减通过9级电阻分压网络实现。精度校验时，进行分级调整；到最高级，精度调整至0.05%。用8421编码设置该衰减网络的校验范围，允许在±30%左右，用电阻和电容并联来实现分压网络-3 dB的频率。设计选用RC滤波器，可以避免分流器寄生电感产生的影响，同时也能顾及通道平衡。根据计算和通道1与通道2的匹配，选定合适的电容与电阻。

1.2  双向变流器

根据接入光电的容量以及用户端节点PDGi与负荷节点Pi功率大小情况，调整接入节点的功率方向。本项目使用双向变流器和充放电控制器共同实现潮流流向的控制。通过利用单相输出的并网逆变器将太阳能板产生的直流电转变为所需的交流电，一部分自用，余电进行并网，在负荷功率超过光伏接入点功率时，从电网取电。

如图3所示，双向变流器主要由交流回路、功率桥回路、直流回路组成[2]。在电流方向从网侧指向变流器且双向变流器稳定运行时，可以通过控制V的大小和相角来实现变流器在以P、Q、-P、-Q对应的有功放电4个特殊工作点的平面里做四象限运行。

1.3  功率调节装置

目前，光伏发电中的功率调节装置主要采用双向DC-DC变换器。而本文采用的是双向全桥隔离型DC-DC变换器[3]，变换器由全桥整流器、高频变压器和全桥逆变器3个部分组成，电压型变换器位于两端构成对称结构，通过控制变压器原副边处的两个H桥方波电压信号的相位与占空比，达到控制变换器传递功率方向和大小的效果，具有隔离、大电压变比、高效、高功率密度等特点。将输入和输出的H桥看作是两个电源，分别简化到变压器的两端，通过傅里叶变换计算得出：变压器副边绕组的有功功率与移相角的正弦值成正比，有功功率为正值时，由变压器原边流向副边，副边吸收有功功率；当有功功率为负值时，由变压器副边流向原边，副边绕组发出有功功率。

1.4  并网保护装置

针对分布式电源特性，本文基于传统的三段式电流保护装置做出以下改进[4]：

1.4.1  运行方式

在运行方式方面，本文采取以下两种技术方案：

（1）孤岛方案。移除原有的线路保护装置，对保护系统重新规划，在线路出现故障时，光伏发电单元独立供电，将配电网分为数个孤岛，将故障控制在一定范围之内。

（2）切源方案。线路出现故障，在重合闸操作之前将光伏发电单元从线路中切断，使用传统配电线路以及保护措施。

1.4.2  距离保护

本文利用四边形距离继电器这一保护装置实现对距离保护的改进，实现对微机线路的有效保护。借助距离继电器对距离以及方向的精准测量，使整定电阻分量和整定三段式电抗定值达到预定标准，从而完成距离保护。

1.4.3  继电保护

对于继电保护，本文拟采用以下两种方案：

（1）TCM方案。选择时限最短的继电保护装置来实现方案最优，将故障切除的时间控制在最短。

（2）电流分量检测方案。采用过电流保护措施，只对比零序和负序电流分量，当电流值达到设定值时启动保护动作。

2  某住宅小区屋顶光伏发电实例预测

以上文中的光伏发电并网系统为基础，本文选取了一个屋顶光伏发电条件良好的小区作为例子，对其光伏年发电量进行预测。

2.1  小区基本情况

该小区位于南京市江宁区秣陵街道，占地面积50.40 hm2，建筑面积350 000 m2。小区已有部分业主安装屋顶光伏发电系统，以中电电气在徐先生家安装的12 kW屋顶光伏发电系统为例：该发电装置采用双玻组件进行安装，利用双玻组件透光的特点，在光伏发电的同时，不影响业主享受阳光的体验，集美化屋顶、遮风挡雨、绿色节能、透光可控等多种优点于一体，实现发电自用的经济效益的同时，还带来了促进可持续发展等可观的经济效益。

此外，随着充电汽车的普及，加快屋顶光伏发电系统建设可以有效缓解公共电网的负载压力，所以本文对该小区光伏发电的效益进行了预测，以展望小区光伏发电广泛投入使用的美好蓝图。

2.2  小区屋顶光伏发电量预测

南京市地处江苏南部、长江南岸，太阳能资源十分丰富，年总辐射量约为1 416.77 kW·h/m2，年平均日照小时数约为3.96 h。根据相关规范要求，考虑到土地周围建筑物对屋顶的影响、土地内建筑物之间的相互遮挡等因素，建筑物屋顶的可用光伏面积应满足冬至09：00—15：00日照时数3 h以上的要求。

该小区的屋顶面积数据如下：排屋屋顶总面积约为25 328.33 m2，高层屋顶总面积约为8 724.83 m2，根据公式Apr=kprAroof计算可知，该小区屋顶光伏可安装面积为15 456.11 m2。公式中，Apr为屋顶光伏可安装面积；Kpr为屋顶光伏可利用系数（假设排屋取0.50，高层取0.32）；Aroof为屋顶总面积。

再通过Epr=ApzGpηλ计算该小区屋顶光伏年发电量约为89.96万kW·h。公式中，Epr为屋顶光伏年发电量；Apz为屋顶光伏组件有效面积（假设光伏组件有效面积系数为0.39）；Gp为光伏组件所接收到的辐射量（按江宁太阳高度角34.62°计算）；η为理论测试的光伏模块转换效率（假设取多晶硅组件光伏效率0.16）；λ为光伏系统的运行效率（假设取80%）[5]。

假设该小区每户居住2.8人，人均年用电量为500 kW·h，则该小区每年需要235.9万kW·h的电量。根据预测，该小区利用光伏发电取得的电量可以满足其电力消耗的38.1%，能够极大地缓解配电网的高负荷压力，经济效益非常可观，同时也为小区未来太阳能汽车入户，太阳能充电桩进一步发展提供了充裕的空间。该小区全面光伏发电预计效益如表1所示。

      

4  结语

在能源结构加速调整的今天，对于清洁能源，应该加快推动其从理论向实践发展。本文提出的光伏发电并网装置涉及较为完整的光伏发电原理，对于设备的安装和改进也有一定的实际意义。本文介绍的小区屋顶光伏设备发电量预测，对于光伏发电设备应用的经济意义做出了较为完善的说明，也可以为小区推动光伏发电设备建设提供一定的借鉴。

参考文献

REFERENCE  DOCUMENTS

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申振东，张新跃，李闯，等.微电网储能的双向变流器控制策略[J].集成电路应用，2020，37（11）：152-153.

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饶鑫，吴祉娴，刘涛.智能配电网分布式光伏电源并网保护技术研究[J].科技创新与应用，2018（35）：152-153.

宋莲.城镇住宅小区屋顶光伏应用实例[J].电子世界，2020（15）：161-162.

编辑：黄飞