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光伏發(fā)電技術(shù)在建筑供配電中的應用研究

來(lái)源:玻璃雜志 作者:杜姜濤、郭帥 2019/3/6 10:39:03

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中玻網(wǎng)】太陽(yáng)能是新能源和可更新能源的重要組成部分,是緩解當前能源危機的有效途徑。光伏發(fā)電已成為利用太陽(yáng)能的主要方式之一,建立太陽(yáng)能發(fā)電站并供給建筑自身用電,是解決建筑物能耗的有效途徑。開(kāi)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)在建筑供配電系統中的應用研究,對于緩解能源和環(huán)境問(wèn)題,具有重大的理論和現實(shí)意義。

  建筑供配電中的光伏發(fā)電系統主要由太陽(yáng)能光伏板、基于很大功率點(diǎn)的追蹤技術(shù)(MPPT)的DC/DC變換器、蓄電池組、單軸跟進(jìn)系統、PWM控制模塊、DC/AC變換器以及配電負載回路等部分組成,系統構成如圖1所示。

  圖1光伏發(fā)電系統構成

  為了提高光伏發(fā)電系統的效率,本文主要從兩個(gè)方面進(jìn)行了應用研究:首先采用太陽(yáng)能光伏板單軸跟進(jìn)系統,以提高光伏板的發(fā)電效率。其次采用MPPT技術(shù),系統能實(shí)時(shí)跟進(jìn)光伏陣列的很大功率點(diǎn),充分提高光伏陣列能量轉換效率。

 。1)首先關(guān)于太陽(yáng)能光伏板單軸跟進(jìn)系統,常用的太陽(yáng)能跟進(jìn)方法有視日跟進(jìn)和光電跟進(jìn)。本文研究了太陽(yáng)能光伏板單軸跟進(jìn)系統,采用光電跟進(jìn)的控制方式,利用光敏元件組成的傳感器測量光強,進(jìn)而通過(guò)PLC控制低功耗伺服機構實(shí)現光伏板平行陣列的逐日跟進(jìn)?刂葡到y的結構框圖如圖2,其中系統核心部件是光電傳感器和PLC。光電傳感器采用MG44-2型光敏電阻構成,其電氣特性表現為光強負阻性即電阻值在光照下阻值≤2 kW,在黑暗中阻值≥0.2 MW,這種阻值變化與光強變化相關(guān)。結構見(jiàn)圖3,根據兩個(gè)光敏電阻檢驗光強大小,判斷太陽(yáng)的位置。當太陽(yáng)沒(méi)有直射太陽(yáng)能光伏板時(shí),上下兩個(gè)光敏電阻阻值不同,在檢驗電路中分壓不等,利用運算放大器組成信號調理電路,分析數據并進(jìn)行AD轉換,將處理后的信號送至PLC,進(jìn)而控制步進(jìn)電機,調整太陽(yáng)能光伏板的水平角度,提高光伏板的光電轉換效率,保證系統能夠全天效率高工作。光伏板單軸跟進(jìn)系統檢驗電路如圖3。

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  圖2單軸跟進(jìn)控制系統結構框圖

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  圖3太陽(yáng)能跟進(jìn)系統檢驗電路

  太陽(yáng)能跟進(jìn)系統的工作流程如圖4。系統首先采集位于太陽(yáng)能光伏板上下兩個(gè)光電傳感器的信號VH、VL,判斷兩者的大小,若兩信號不同,說(shuō)明太陽(yáng)沒(méi)有直射光伏板,PLC上電,通過(guò)驅動(dòng)器控制步進(jìn)電機工作,拖動(dòng)水平運動(dòng)機構,調整太陽(yáng)能光伏板的水平角度,為保證系統的運轉穩定,在必要位置設置限位開(kāi)關(guān),當光伏板到達限位開(kāi)光處,系統停止工作,若沒(méi)有到達限位開(kāi)關(guān)處,則只有VH、VL相等時(shí),系統停止。黑天時(shí),VH、VL信號也有可能相等,為此加入判定模塊,檢驗是否白天。通過(guò)對單軸跟進(jìn)系統的應用與研究,發(fā)現通過(guò)對系統執行結構進(jìn)行合理設計,其成本與固定支架基本相當,但相較于普通光伏發(fā)電系統,采用單軸跟進(jìn)技術(shù)的光伏發(fā)電系統,可在原系統的基礎上有效提高發(fā)電量20%~40%,因此,采用光伏板單軸跟進(jìn)系統可以有效地提高發(fā)電效率。

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  圖4太陽(yáng)能跟進(jìn)系統控制工作流程框圖

 。2)其次是關(guān)于功率點(diǎn)跟進(jìn)(MPPT)實(shí)現,本文采用擾動(dòng)觀(guān)察法實(shí)現功率點(diǎn)跟進(jìn)(MPPT),其工作原理是測量當前系統的輸出功率,然后給系統的輸出電壓一個(gè)擾動(dòng),這個(gè)擾動(dòng)會(huì )影響系統的輸出功率,通過(guò)測量當前的輸出功率,同時(shí)對比之前的輸出功率就可確定功率的變化方向,如果輸出功率增加,就保持該擾動(dòng);如果輸出功率減少,就改變擾動(dòng)的方向。擾動(dòng)觀(guān)察法的跟進(jìn)工作情況如圖5所示。

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  圖5擾動(dòng)觀(guān)察法示意圖

  光伏發(fā)電系統硬件電路主要包括MPPT控制電路、電壓檢驗電路、電流檢驗電路和IGBT驅動(dòng)控制電路,如圖6所示。

  圖6光伏發(fā)電系統硬件電路總體構成

  電壓檢驗電路結構如圖7所示,由電阻分壓網(wǎng)絡(luò )、減法器構成。利用電阻分壓成比例的衰減被測電壓信號,再通過(guò)減法器,提取出被測電壓信號。電流檢驗電路由霍爾電流傳感器、電阻分壓網(wǎng)絡(luò )以及端口保護構成,電流檢驗電路結構如圖8所示。MPPT控制電路結構如圖9所示,利用BOOST變換器構建了MPPT控制電路,實(shí)現光伏捕獲功能。調節BOOST變換器的占空比,可使系統運行在不同的輸出電壓狀態(tài),從而找到功率點(diǎn)。IGBT驅動(dòng)控制電路結構如圖10所示,其作用是將DSP輸出的PWM信號經(jīng)過(guò)放大直接驅動(dòng)IGBT的導通與關(guān)斷。

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  圖7電壓檢驗電路結構

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  圖8電流檢驗電路

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  圖9 MPPT控制電路結構

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  圖10 IGBT驅動(dòng)控制電路結構

  太陽(yáng)能儲量巨大、分布廣泛、可更新、不污染環(huán)境,是化石能源的主要替代之一,因此開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能具有重大的戰略意義。目前,光伏發(fā)電已經(jīng)成為人類(lèi)利用太陽(yáng)能的主要方式之一。傳統的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統由于光伏發(fā)電的不穩定性、間歇性、發(fā)電功率受到天氣的影響等問(wèn)題,給傳統電網(wǎng)帶來(lái)很多問(wèn)題,如無(wú)法提供穩定電力輸出,與傳統電網(wǎng)相比所占比例不高,高峰產(chǎn)生電能浪費,對電網(wǎng)的穩定性造成沖擊等。單獨式光伏發(fā)電系統由于自發(fā)自足,解決了傳統光伏并網(wǎng)系統存在的問(wèn)題,同時(shí)在電網(wǎng)故障時(shí),太陽(yáng)能可以繼續發(fā)電,切換到離網(wǎng)模式滿(mǎn)足負載供電要求?梢哉f(shuō)單獨式光伏發(fā)電系統是未來(lái)光伏發(fā)電的主流形式。本文研究單獨式光伏發(fā)電系統在建筑物供配電中的光伏板逐日問(wèn)題和功率點(diǎn)跟進(jìn)問(wèn)題,利用光伏板單軸跟進(jìn)技術(shù)和擾動(dòng)觀(guān)察法有效地解決了以上兩大問(wèn)題,提高了光伏發(fā)電系統的工作效率,滿(mǎn)足了建筑物供配電系統的用電需求,有效地降低了建筑物能耗。

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