新型市电互补光伏系统的设计与应用

朱德志，张春仙

(1.镇江高等专科学校电子与信息工程系，江苏 镇江 212003;2.镇江拓新电力电子有限公司技术部，江苏 镇江 212009)

光伏系统大体上分为离网系统和并网系统模式。在使用市电不方便或使用对环保性有一定要求的设备或设施时可以采用离网系统模式供电。离网系统分为独立型光伏系统和市电互补光伏系统［1］。

独立型光伏系统(见图1)是野外和海岛经常采用的供电方案，设计时必须考虑阳光资源最少的冬季及特殊季节的“连续阴雨天”问题，故需设计足够数量的太阳能组件阵列和蓄电池。

图1 独立型光伏系统示意图

传统市电互补光伏系统(见图2)可以在独立型光伏系统电源和市电电源中自动切换。作为次要负载的直流负载供电的可靠性同样受到阳光条件的限制，作为主要负载的交流负载供电的可靠性由于作为备用的市电电源的确保而得到很大提高。系统蓄电池的备用天数在最长阴雨天的基础上可以适当缩短，减少了蓄电池数量，降低了项目造价，有利于光伏系统的推广和应用。

图2 传统市电互补光伏系统示意图

1 小区路灯系统设计方案概述

笔者在镇江新区大港“紫竹苑”小区中设计并运用了新型市电互补光伏系统［2］，详见图3。

图3 新型市电互补光伏系统示意图

1)新型市电互补光伏系统采用双向逆变器，可以提高系统供电的稳定性。该系统在光伏发电不足的情况下不仅自动把负载电源切换到市电供电，而且由双向逆变器对直流负载进行供电，能够同时确保交流负载和直流负载的供电可靠性。

2)新型市电互补光伏系统在满足交流负载安全供电的同时，由双向逆变器可以对直流负载和蓄电池供电，从而大幅度减少蓄电池数量和备用天数，降低系统成本。

3)新型市电互补光伏系统用市电对蓄电池自动补电和养护［3］，延长了蓄电池的寿命，减少了蓄电池更换次数，从而降低了使用成本。

新型市电互补光伏系统相比传统市电互补光伏系统，节约了人力、物力和财力，是离网光伏系统在实际应用中降低成本的一种重要探索。

2 小区智能市电互补光伏系统设计

系统的设计需要实现以下功能:1)系统交流和直流母线必须确保供电不间断。2)能够自动启动和停止路灯。3)系统不断检测蓄电池和光伏发电情况。蓄电池电压不足且光伏发电不足时，系统自动切换由市电供电，并对蓄电池补电和保养;蓄电池或光伏供电满足负载需求时，由光伏或蓄电池对负载供电。

在太阳能阵列设计时，还需要考虑屋顶承载能力，选定的设备房间需要考虑楼板的承重能力。

2.1 路灯设计

作为主要负载的小区路灯照明系统要求设计照度符合小区道路要求，照明不能有死角。经过整体路灯排布后，初步设计路灯系统为170盏25 W的LED节能路灯。

2.2 系统参数估算

RETscreen上美国国家航天航空局(NASA)公布的中国镇江按年平均的每日水平面辐射值为3.88 kW·h/d。详见图4。

图4 NASA数据

1)镇江气象局提供的数据为年均太阳辐射量4 577 MJ·m－2·a－1)。折算日均日照小时约为4 h，H2=4 h/d。

2)负载功率ZW=25 W×170盏=4 250 W。考虑20%的线损和其他损失，所需功率约为5 312 W。负载的工作时间长度为H1=12 h/d。

3)蓄电池组电压VZ=216 V(综合考虑设备电压范围和传输损耗后确定)。

4)组件组串工作电压VW=324 V(综合考虑蓄电池电压和单块组件工作电压后确定，详见后面组件阵列设计说明)。

5)蓄电池放电深度为70%。

6)连续阴雨天数为2 d(新型市电互补系统可以把蓄电池备用时间由传统的7 d缩短到2 d)。

2.3 蓄电池容量估算

按蓄电池容量估算公式进行计算［3］，蓄电池单体选择为24 V，200 Ah，蓄电池组共需要72块电池，9串8并后连接成蓄电池组接入控制器。

2.4 组件阵列设计

选用的峰值输出功率为180 WP标准单晶组件单片工作电压为36 V，本系统蓄电池组电压VZ为216 V，考虑充电问题，组件组串电压应在280 V以上。需要9块组件串联后电压VW为324 V。

组件组总功率WP计算公式为

按式(2)计算结果，组件配置为180 WP组件162块，进行9串18并后连接成组串后接入控制器。

2.5 控制器选型

1)蓄电池电压为216 V。2)组件总功率为30 kW。3)最大充放电电流为90 A。4)选择阳光公司的SD220150型号控制器作为控制核心。

2.6 逆变器选型

1)组件总功率为30 kW。2)最大充电电流为90 A。3)负载最大放电电流为24 A。4)选择相应的双向逆变器产品。

2.7 系统设计

按照功能需求进行电气接线图设计［4］。图5为经过优化设计后的本项目系统接线原理图。

图5 系统接线原理图

按照路灯的功能需要进行路灯控制系统设计。图6为路灯控制系统接线原理图。

图6 路灯控制系统接线原理图

3 系统实现

本系统于2012年3月正式完成并投入使用。使用中，运行可靠，路灯照明亮度符合用户要求，截至目前还没有市电电费开支产生。本项目充分体现了节能环保的理念。系统光伏组件阵列现场照片见图7，系统蓄电池组照片见图8。

使用中，系统累计发电约46 428 kW·h，节约电费约37 500元，减少燃煤消耗约18 107 kg，减少CO2排放约 47 420 kg［5］，具有一定的绿色环保示范作用和经济作用［5］，也赢得了用户的好评。

图7 光伏组件阵列现场照片

图8 蓄电池组现场照片

4 结束语

光伏资源是充足和环保的，在具体项目的方案设计上需要科学合理的布局，以更充分利用太阳能资源，这需要不断的探索和创造。

经过实际项目实施的验证，新型市电互补光伏系统较传统市电互补光伏系统能够减少光伏电站的投资，提高系统的稳定性［6］。

［1］李钟实.太阳能光伏发电系统设计施工与维护［M］.北京:人民邮电出版社，2010:6－12.

［2］徐青山.分布式发电与微电网技术［M］.北京:人民邮电出版社，2011:11－23.

［3］陈慧玲.独立光伏电站铅酸蓄电池的运行管理参数［J］.可再生能源，2006(5):77－78.

［4］DIMEAS A L，HATZIARGYRIOU N D.Agent based control for mirogrids［C］//IEEE.Power Engineering Society General Meeting.New York:IEEE，2007:125.

［5］何伟，季杰.光伏光热建筑一体化对建筑节能影响的理论研究［J］.通暖空调，2003，33(6):8211.

［6］王成山，王守相.分布式发电供能系统若干问题研究［J］.电力系统自动化，2008，32(20):124.