智能光伏系统在建筑应用中的研究

夏成希

[摘 要]提出一种智能光伏系统在建筑中应用的一种新方案，该方案利用并网逆变器快速灵活的可控性，设计了一款高效率高功率因数的用户型光伏并网发电系统。根据有功功率需求把光伏发电的不可调度电源转换为主动参与电网运行从而确保稳定。不仅可以增强电网对分布式光伏的消纳，而且可以改善电网的电能质量。该方案的提出能有效地减少光伏的弃光现象，让光伏发挥更大潜力来发电。

[关键词]建筑微电网；智能光伏-蓄电池；模式切换

[中图分类号]TM615 [文献标识码]A

太阳光能是一种具有长时间使用年限并且可以有很大规模的应用前景与开采价值的宝贵能源。在当今我国的土地资源愈加宝贵的情况下，使建筑与光伏相结合而成的发电技术一体化成为一种当今的热门发展趋势。建筑与光伏发电相结合，并且应用于房屋建筑之中，是一种非常高效利用太阳能并且解决能源危机的方案，与此同时，光伏材料同房屋建筑相融合的一个整体系统可以取代传统的建筑材料，同时又有压缩节约成本的功效，因此引起了相关科研人员的兴趣与研究。本文提出可用于城市大型建筑的光伏系统，此光伏系统可以配合大电网的运行。连接在蓄电池的双向DC/DC确保直流母线工作电压达到预定值并且可以实现蓄电池的充电与放电；并网逆变器可以实现光伏的功率极大值跟踪状态（Maximum power point Tracking，MPPT）

1 建筑光伏发电系统的构成与特点

建筑光伏并网发电的工作原理为屋顶太阳能电池板接收光辐射，顶层光伏输出直流电，通过逆变器转化为与城市电网电压的频率相同、相位相同的交流电，与此同时实现交流并网的目的。一个典型的建筑光伏并网发电系统一般由接线箱、建筑用储能蓄电池、并网逆变装置、光伏电池、电网和负载组成。

2 智能光伏系统的结构

其中有一次侧主回路系统与二次侧控制系统。一次主回路由子网负荷及电网、储蓄电池能、光伏电池组、逆变器组成。光伏电池组通过双向DC/DC变换器连接在直流母线上，逆变器接入升压变压器并且与配电网相连接。其中连接在蓄电池组的双向DC/DC实现蓄电池组的充电与放电的平稳进行；逆变器的输出功率可以根据实时不同工况需求发出大电网要求的有功功率。

控制系统包括上层中心控制器和底层控制器，控制目标是在大电网的可接受容量内把建筑光伏所发出的电量尽最大的努力传输到电网之中。上层中心控制器判断系统运行模式和根据AGC指令，选择控制逻辑，从而达到底层协调控制的目标，具体包括蓄电池充放电控制器、底层控制器选择、控制器参考值计算和蓄电池充放电管理。底层控制包括逆变器控制器。逆变器有功功率控制外环有恒功率控制控制和最大功率跟踪控制两种。

3 上层控制系统

考虑光伏发电功率随光照强度的变化而变化，随时间变化情况下光伏发电功率和电网所需功率关系如图2所示。图中，曲线为光伏输出最大功率和时间相对应的情况，点B和点G为光伏起动和关闭功率，点C和点F为电网所需负荷功率，点D和点E为假设光伏微网中电网所需负荷功率与蓄电池最大充电功率之和。根据光伏发电功率和电网需求功率关系，智能光伏系统运行模式如下。Pload为并网逆变器输出功率，Umpp为光伏输出最大功率时的光伏电压，Pbatt_max为蓄电池最大充电功率。

由图2可知，系统运行工况如下：

（1）在AB段时，太阳光的辐射比较微弱，建筑光伏发电的最大功率为Pmpp小于Pmin，光伏系统切换为关闭模式，建筑自带蓄电池采取放电模式，目的是让母线上电压的稳定，蓄电池侧的DC/DC控制器为恒压控制器；如果蓄电池放电已经达到上限，即当蓄电池剩余容量小于最小剩余容量或蓄电池端电压小于最小放电电压时，建筑自带蓄电池停止放电，整个系统关闭。

（2）在BC段时，太阳光辐射逐渐加强，建筑光伏发出的最大功率Pmpp≥Pmin，但Pmpp

（3）在CD段时，建筑光伏最大发电功率Pmpp≥PLoad且Pmpp

（4）在DE段时，光伏最大发电功率Pmpp≥PLoad+Pbatt_max，光伏退出最大功率运行，为负荷供电的同时为蓄电池充电，如果蓄电池充电已满，光伏恒功率输出单独为负荷供电。

（5）在EF段时，系统运行工况同（3）。

（6）在FG段时，系统运行工况同（2）。

（7）在GH段时，系统运行工况同（1）。

4 底层控制器设计

在不同光照条件下与温度条件下，光伏电池的功率—电压输出曲线如图3，其中G表示太阳辐射的强度，把不同情况下光伏电池所能输出的最大功率点与端口电压连接起来就可以得到光伏电池的最大功率跟踪曲线，如图中的虚线所示。曲线上每一点代表着某一光照强度下，光伏单元输出的最大功率Pmpp，例如a、b、c即为最大功率点，其对应的横坐标即为最大功率点所对应的光伏单元端口电压Umpp。

从图中输出功率—端口电压曲线关系，在太阳光辐射不同情况下控制直流侧端口的电压达到目标值，就可以确保达到光伏电池最大功率控制的目的。

5 仿真分析

5.1 仿真条件

此文仿真研究的方法是等比例，假设条件是电网额定容量10MW，使用Matlab/Simulink软件对图所示的光伏蓄电池微网系统进行了仿真。光伏微网中蓄电池由191节电池串联而成，总容量为800Ah，額定电压为382V。

5.2 仿真结果

如图所示，（a）为蓄电池充放电电流；（b）为并网逆变器向电网输送的有用功；（c）为蓄电池端口电压；（d）为光伏发出有用功功率；仿真在0.4s时启动智能光伏蓄电池系统。在0.4-2s内，电网有功功率功率过多，此时系统处于整流状态，蓄电池充电来吸收电网多余有功功率，起到削峰填谷的作用。光伏随着光照的增强，产生的功率也越来越大。在1.7s时达到峰值45kW。

2-4s内，电网出现有功功率的缺额，此时光伏发出的功率不足以提供电网所需的有功功率，蓄电池处于放电状态来弥补相应的功率缺额。随着光伏发出功率越来越少，可以看出蓄电池的出力越来越大从而满足功率的动态平衡。

4-5s内，电网所需有功功率减少到10kW，而此时的光伏处于无光状态，不满足发电条件（特别是4.3s以后，光伏出力为0），此时所有功率由蓄电池通过放电来提供。

[参考文献]

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