智能分布式光伏发电实训平台的设计

三江学院电子信息工程学院 李 路

智能分布式光伏发电实训平台的设计

三江学院电子信息工程学院 李 路

为提高电子类专业学生的动手能力，培养学生对光伏发电技术的兴趣，本文设计了一种智能分布式光伏发电教学实训平台，学生通过在本平台的实训过程，可以了解光伏发电系统的集成、工作原理和分类，掌握光伏阵列的组合设计，和光伏系统的故障排除。

光伏发电；分布式系统；实训平台；智能微电网

一、引言

应用型本科院校里的光伏类课程包含了光伏电池、组件的原理与制造以及应用，其相对应的实践过程的开展往往是一个比较难的环节，电池及组件制造技术的实践环节需要完整的生产线，如果在校内建设此类实验平台，无论从场地、资金以及利用率等方面都不容易满足课程要求，所以大都依托于相关的企业来实现。对于光伏应用的实践环节，则可以选择在校内建设分布式发电教学实训平台，所开展的分布式发电技术课程是电子科学与技术专业课程体系中的实验部分，是对理论课程的外延和补充。本文提出了一种智能分布式光伏发电教学实训平台的设计方案以及使用方法，通过在此实验实训平台的学习，学生掌握光伏发电过程中所涉及的技术环节，成为与社会“无缝衔接”的光伏电站方面的技术人才[1-3]。

二、设计方案

（一）外观结构设计

为了结合光伏建筑一体化(BIPV)工程技术，以阳光玻璃房将作为实训平台的重要附件部分，光伏组件集成在屋顶用来替代传统的砖瓦，具有屋顶和发电的两种功能，既美观、智能又具有很强的示范性。可以改变角度的光伏组件将铺设在实验室的南面，具有遮挡阳光和发电两种功能。实验室的四周及门窗安装双层中空钢化玻璃，具有隔热保温作用。综合南京当地的经纬度和小屋的安全性能，屋面的倾斜角设定为20°，误差5°以内。为了便于实验室的防水、排水，小屋的前沿、后沿超过钢支架200 mm，钢支柱根数为8根，规格为100mm×100mm×3mm，四周玻璃及门框钢化双层中空玻璃的厚度：5mm+5mm。

图1　实训平台结构图

（二）内部结构

图1是分布式光伏发电实训平台框架结构示意图，它是建立在集成的、双向通信网络的基础上，采用先进的互联技术实现电网的可靠、安全、经济和高效的运行。分布式发电：（Distributed Generation，简称DG），如图中的模块1所示，通常是指发电功率在几千瓦至数百瓦的小型模块化、分散式、布置在用户附近的高效、可靠地发电单元。建成以（PV）光伏阵列和储能装置作为分布式电源，并预留扩容接口，可以方便的对风力发电、燃油轮机发电和其它形式的新能源（生物质能等）的接入，使分布式光伏发电系统具有“即插即用”功能。由PV阵列构成的分布式光伏能源，指采用光伏组件，将太阳能直接转换成电能的分布式发电单元。

三、实现功能

（一）逆变器比较功能

本实验平台中的微型逆变器和组串式逆变器并网发电智能系统部分示意图，该部分平台可以为让学生掌握微型逆变器和组串逆变器的区别以及系统发电的比较等，还可以让学生在实际的天气情况下深入了解最大功率跟踪（MPPT）控制的过程。该系统为现实应用版，非教学演示版，学生通过该平台可以更好的贴近实际应用，达到快速学以致用的目的。学生通过双向开关的切换，可以实现“并网型光伏发电智能系统”，“并网、离网型光伏发电智能储能系统”，“智能微网的模拟”，“单双向智能电表的安装”。该实训平台还可以实现直流微网、交直流混合微网等功能，完全实现市面上各种光伏阵列的安装形式，学生可以全面掌握光伏电站的设计，监测等技术。

（二）智能微网功能

所谓智能电网系统，也就是电网系统的智能化，也称为电网2.0，其核心内涵是实现电网的信息化、数字化、自动化和互动化。微电网监控系统由微电网能量管理系统（MEMS）、微电网协调控制器和微电网设备就地控制器构成。MEMS与微电网协调控制器采用以太网接口，通过104规约进行通信。根据微电网内各设备实际情况，微电网协调控制器与就地控制器之间的通信方式包括RS485、CAN、以太网等，并可能采用多种通信规约。

本系统搭建完成以后，可以实现并网发电、离网发电、离网储能及离网放电几种形式的职能切换，控制逻辑如下面几种情况[4]。

在太阳光充足时（比如中午），太阳光所发电量优先提供给负载使用，多余的部分储存到蓄电池中，蓄电池充满以后，多余电量可以并入市电，整个过程通过智能双向电表进行计量计费。

在太阳光不足时（如早上或傍晚），太阳所发能量优先供给负载使用，不足的部分将由蓄电池通过充/放电器进行发电，与光伏组件发的店一起给负载供电，蓄电池完全放电后，不足的部分再从市电进行补充，整个过程通过智能双向电表进行计量计费。

在没有太阳时（如晚上），太阳能无法发电，负载用电则优先通过蓄电池进行放电，不足的部分再从市电进行补充，整个过程通过智能双向电表进行计量计费。

在外电网市电突然停电时，储能型双向逆变器则可以自动切换到离网模式，确保系统中最重要的负载不间断供电。当市电恢复后，储能型双向逆变器便自动切换回到并网模式。

（三）软件设计、监测功能

该实训平台的软件具有电站设计、运行和故障监测功能，软件中包含强大的气象数据库，可以任意选择全球各地，软件自动计算出当地最佳倾角，并且可以选择方位角；可以选择市场上主流光伏组件以及逆变器，还具有自定义添加功能；可以根据实际组件数量自动配置逆变器；可以通过微调进行最优化系统设计，如果设计超出范围，软件会进行报错提示，到完全匹配为止。并且软件有非常友好的人机界面和多语言支持，具有强大的云平台支持，可提供实时数据的可视化和历史数据的查询。

（四）其他功能

除了以上提到的实验功能，该平台还具有以下几方面的功能：

（1）平台具有环境监测功能，可以测量当地的天气情况，如温度，辐照度，风向，风速等。

（2）系统具有防孤岛作用和计划性孤岛作用，以保证实验过程中以及维护维修过程中人员的安全。

（3）当电力系统出现故障或扰动，从而引起光伏发电站并网点电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，该系统可以能够保证不离网连续运行。

（4）充电控制器具有短路保护、过负荷保护、蓄电池过充（放）保护、欠（过）压保护及防雷保护功能，必要时应具备温度补偿、数据采集和通信功能[5]。

（5）分布式电站部署了有线和无线监控平台，可以对离散式并网点进行数据采集和管理，可远程进行有功和无功调节，以配合智能电网升级[6]。

四、结束语

通过对智能分布式光伏发电实训平台的设计与搭建，形成了一套智能微电网系统，该系统的兼容性比较好，并网时具有分布式电源的“即插即用”和微电网的运行控制功能，在主网正常时，保持微电网与主网的协调运行，在主网停电时，微电网独立运行，当主网恢复正常时，微电网可再次与主网协调运行。并且该实训平台可“拆卸”性强，多以自由组合多种形式的光伏发电系统，增强了学生的动手能力，可以培养学生的创新思维，容易地掌握电站的设计和光伏系统的故障排除。

[1]黄伟,孙昶辉,吴子平,等.含分布式发电系统的微网技术研究综述[J].电网技术,2009,33(9):14-18.

[2]李光涛.微网技术在分布式发电系统中的应用探讨[J].技术研发,2013,20(5):110-111.

[3]章鹿华,王思彤,易忠林,等.面向智能用电的家庭综合能源管理系统的设计与实现[J].电测与仪表,2010,47(537):35-38.

[4]陈晓高,熊保鸿.基于微网技术的家庭光伏发电及能量管理系统[J].太阳能,2014,12:20-22.

[5]聂颖.100kWp光伏电站的建设与研究[D].大连理工大学硕士论文,2012.

[6]殷明思.分裂式光伏升压变压器的研究与设计[D].东北大学硕士论文,2014.

江苏高校品牌专业建设工程资助项目（PPZY2015A033）；江苏省高校自然科学研究面上项目（14KJD510009）。

李路（1983－），男，三江学院电子信息工程学院讲师，硕士，主要研究方向为高效太阳能电池。