新型市电互补光伏系统的设计与应用

钟 斌

（云南大唐国际宾川新能源有限责任公司，云南 大理 671000）

近年来石化能源的紧缺以及核电能源的限用， 促进了太阳能资源在人类社会中的使用。 新型市电互补光伏系统正是对太阳能资源进行利用的供电系统之一， 相比于传统的市电互补光伏系统， 其具有更加稳定的工作性能，可以使光伏系统中的蓄电池得到充分的养护，继而达到降低供电成本投资的效果。

1 新型市电互补太阳能光伏发电系统概述

新型市电互补太阳能光伏发电技术是集合物理知识与化学知识为一体的交叉科学技术， 涉及到的科学知识包括化学学科中的量子力学、 电化学以及物理学科中的半导体物理、电力电子现代技术、光电子技术以及物理中最新的控制理论等[1]。 新型市电互补太阳能光伏发电系统在城市供电中的应用不仅会给国家带来巨大的经济效益， 同时也对一个国家的社会经济产值进步以及促进国家政治结构稳定起到十分积极的作用。

1.1 新型市电互补太阳能光伏发电原理

物理学中的光生伏特效应是新型市电互补太阳能光伏发电系统中应用的基本原理，该原理也可简称为“光伏效应”。 该原理的实现过程大致为，由硅质材料制成的太阳能电池晶片pn 结面受到光照以后，太阳光子会渗入到系统半导体的内部，并在太阳能电池晶片pn 结面的两边产生电子-空穴对[2]。 在此之后，太阳能光伏系统在太阳能电池晶片pn 结面内的电流磁场的作用下，其n 型半导体的电子空穴向p 型半导体区域移动。 而在此过程中，p 型半导体区域的电势将升高，n 型半导体区域的电势将降低，继而在太阳能光伏发电电池两端形成电势差。 在按该原理运行的太阳能光伏发电系统中， 将其电池与外部电路进行连接，那么外接电路将会产生负载电流。

1.2 太阳能光伏发电系统分类

太阳能光伏发电系统可以分为并网系统和离网系统两种， 其中离网系统通常是在市电使用不方便或应用设备对环保有一定要求时选用， 其又分为独立型光伏系统以及市电互补光伏系统[3]。

独立型光伏系统在我国多用于野外供电及海岛供电等， 其设计的重点在于需要考虑阳光照射短暂季节及阴雨天的问题， 故需要设计出大量的太阳能光伏电池组件及太阳能蓄电池组。

市电互补光伏系统的优势在于可以自动切换独立的光伏系统电源与城市电源。 在市电互补光伏系统中次要的直流负载供电稳定性会受到阳光的日照时间限制，故该系统中主要的供电负载交流负载供电由于是城市电源备用的保障而得到很大的提高。 其中所包含的太阳能蓄电池组的备用天数可以适当地缩短， 这样可减少供电工程项目的造价， 更有利于太阳能光伏发电系统的应用与推广。

2 新型市电互补光伏系统的设计与应用

2.1 市电供电系统构成

城市的供电系统通常是由直流配电屏和开关整流器组成，开关整流器主要是由供电输入整流滤波电路、供电功率因数矫正电路、供电PWM 变频逆变电路以及供电输出整流滤波电路构成[4]。 为了保证城市供电系统中开关整流器可靠供电， 通常采用N+1 的系统流程模块进行冗余系统的连接。 这种做法可以确保系统运行过程中，当某一模块发生故障时，其余模块仍能够输出足够的电力功率。

2.2 新型市电互补光伏系统

2.2.1 新型市电互补光伏系统的设计

在进行新型市电互补光伏系统设计的过程中， 其必须满足和实现以下几点功能。 首先，新型市电互补光伏系统在供电过程中， 必须保证系统中的交流负载和直流负载母线供电不间断。 其次， 能够进行自动启动及关闭活动。 最后，新型市电互补光伏系统在供电过程中，必须能够对太阳能光伏系统中的蓄电池电量及光伏发电情况进行定时检测。 在发现太阳能光伏发电系统中的蓄电池电量不足或光伏发电不稳定时， 该系统能够将太阳能光伏发电系统自动装换成城市供电系统， 并对太阳能光伏发电系统中的蓄电池组及时进行维护和蓄电。 在设计太阳能光伏发电阵列时， 还需要对架设设备的屋顶或房间的承载能力进行预估。

在对新型市电互补光伏系统进行设计的过程中，应对太阳能光伏系统中的蓄电池容量进行估算， 并根据其容量选定蓄电池组中所需要包含的电池数量。 蓄电池容量 的 估 算 公 式 为1517Ah，其中蓄电池的单体应选择为24V，200Ah。

在对新型市电互补光伏系统中的控制器进行设计时，其蓄电池电压应为216V， 蓄电池组的总功率应为30kW。在系统运作时其最大的充入及放出电流量应为90A。

2.2.2 新型市电互补光伏系统的应用意义

相比于传统的市电互补光伏系统， 新型系统的应用节约了城市供电系统建设和使用维修过程中的人力、物力和财力， 是离网光伏系统在现实生活应用中降低供电成本的一项重要举措。

首先，新型系统采用的是双向的供电逆变器，这样的设计可以改善传统供电过程中的不稳定性。 在光伏发电不足的情况下， 可以自动将负载电源调换到城市供电电源， 并由系统中所运用的双向供电逆变器对直流负载进行直接供电， 继而使供电时的直流负载和交流负载同时得到保障。

其次，新型系统的设计，可以在保障供电交流负载安全的同时， 由双向供电逆变器向直流负载及太阳能蓄电池组供电， 这样可以在极大程度上减少太阳能光伏系统中的蓄电池组数量及备用天数， 继而从根本上节约系统供电成本。

最后，新型市电互补光伏系统在设计过程中，可以利用城市供电对太阳能光伏系统中的蓄电池组自动补充电量和进行养护， 这样可延长太阳能光伏系统中蓄电池组的使用寿命，降低蓄电池组中电池的更换次数，降低其使用成本。 具体的新型市电互补光伏系统流程图如下。

图1 新型市电互补光伏系统流程图

3 结论

综上所述，太阳能作为世界能源中最大的绿色能源，是促进我国能源变革的强有力的保证。 在世界十大光伏能源用电市场中，我国是唯一处于世界“阳光地带”的国家，经过了数十年的变革与发展，我国也已经具备了大规模发展光伏发电的能力。 而随着新型市电互补光伏系统在人们生活中的不断应用， 传统市电光伏互补系统中蓄电池更换次数频繁这一问题得到改善， 继而从根本上促进我国国民用电的低碳与环保。

［1］朱德志，张春仙.新型市电互补光伏系统的设计与应用［J］.镇江高专学报，2014，02（14）:54-56.

［2］孟昭渊，高鹏.太阳能路灯的设置需要因地制宜——浅析太阳能光伏电力与市电互补道路照明 ［J］. 中国照明电器，2010，05（27）:15-20.

［3］周青， 曾玉. 光伏专业应用型本科人才培养模式探析［J］.职业技术教育，2012，10（26）:31-34.

［4］张礼联，谢敬仁.太阳能光伏系统在通信供电中的应用研究［J］.中国电子科学研究院学报，2012，06（01）:655-660.