分布式光伏发电控制系统设计策略研究

2022-01-20马竞涛

通信电源技术 2021年15期

马竞涛

（隆基乐叶光伏科技有限公司，陕西西安 710018）

0 引言

利用太阳能发电的方式主要有3种，分别是将光能转换为电能、将光能转换为热能以及将光能转换为化学能，通过这3种方式衍生出了多样化的能源转换方法。在能源输送方面，太阳能光伏发电有独立光伏发电、并网光伏发电以及分布式光伏发电3种，其中分布式光伏发电系统又被称为分布式供能或者分散式发电。这一方式主要是通过在用户的使用现场或附近设置一些小型的光伏发电系统，通过这些发电系统产生的电能来满足用户的生产生活需求，这不仅能够帮助用户解决用电需求还能够帮助电网降低运行成本[1]。为了更好地发展这一技术，分布式光伏发电系统应运而生，下面将详细分析这一系统，从而进行更好的设计优化。

1 分布式光伏发电系统

近年来，随着电子产业、光伏产业以及信息产业的不断发展，光伏发电技术受到了越来越高的重视，进而极大地促进了光伏发电技术的进步。现阶段所使用的分布式发电应用系统涵盖了多种信息技术与光伏技术，在硬件设备方面也有着很多的技术要求[2]。目前的分布式光伏发电系统一般是指并网型系统，不包括离网系统。分布式发电并网方式可以“自发自用，余电上网”，也可“统购统销”(全额出售给电网)。并网型分布式光伏发电系统分类如图1所示，下面将针对这一系统进行全面分析，从而提出设计策略。

图1 并网型分布式光伏发电系统分类

1.1 集中控制模块

对于集中控制系统而言，硬件设备包含三菱FX5U-64MR、光伏单轴供电系统、离网光伏发电系统以及并网光伏发电系统等。在具体的运行过程中，为了保证系统运行的稳定性，需要利用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）来控制整个系统中的继电器和接触器[3]。通过对PLC的运用，可以极大提高整个系统的可控性，保证整个光伏系统在运行过程中能够稳定高效的进行能源转换，保证系统中各个子系统可以有效运转，并对各个子系统的数据和运行进行全面处理与控制，大大提高了整个发电系统的运行效率。

1.2 离网光伏发电系统

离网发电系统的硬件设施主要包括太阳能电池组件、光伏控制器、蓄电池以及交流逆变器4个部分。通过这4部分的相互配置，能够形成一个完整的供电系统，这一发电系统又被称为独立光伏的发电系统，顾名思义，这一系统可以独立运行。光伏电池板是整个系统的核心部件，通过光伏电池板来实现对光能的转换，能够直接将光能转换为电能，随后利用光伏控制器将电能储存在蓄电池中。在系统运行过程中，产生的电为直流电，因此需要增加交流逆变器来进行电力转换，将直流电转换为交流电，从而供给电器使用。在这一系统中，能够将太阳能电池组件产生的电能进行及时储存与使用，不需要进行其他的系统转换，因此可在各种环境下高效使用，有着很强的实用性[4]。对于整个系统的控制与运转而言，光伏控制器起着至关重要的作用，在太阳能不能正常使用的情况下，控制器能够对电池的放电与充电进行全面保护，极大延长了蓄电池的使用寿命。与此同时，当系统出现短路、电极出现反接现象时，可以及时为系统提供保护，对系统的正常使用提供良好的保障。最后，在夜间还能够防止蓄电池储存的电能反向输出。

1.3 并网光伏发电系统

相较于离网光伏发电系统而言，并网光伏发电系统会与公共电网相连接，能够将产生的电能输送到公共电网中去。其组成与离网光伏发电系统类似，主要由太阳能电池组件、并网逆变器、双向电能表以及隔离变压器构成。这一系统在运转过程中通过太阳能电池组进行发电，随后再利用并网逆变器实现对直流电向交流电的转换，在完成转换之后这些电力会直接输送到公共电网。这一系统相比较于离网光伏发电系统而言，占地面积更小，同时需要的资源投入也较小，国家相关政策也有很大的扶持力度，正是这些优势促使并网光伏发电系统得到了快速发展，实现了对光能的有效利用，为国家的公共用电减轻了负担[5]。

1.4 通信模块

由于并网光伏发电系统需要与公网相连，因此要利用逆变器来对电流进行调整和转换。为了更好地保证转换效果就需要根据发电系统的情况来进行合理调整，需要通信模块来发挥其相应的作用。由于通信模块的作用是收集光伏发电系统的实际情况，进而对逆变器进行调整，因此需要利用各种传感器来辅助完成信息的收集。其主要组成部分包括两个LoRa通信模块、光伏监控模块、1个采集器、温湿度及光照度模块，通过利用通信模块来发送与接收环境的各种信息数据，利用一种超远距离的无线传输方案，能够实现对数据信息的远程传输。对于光伏监控模块而言，通过利用收集到的信息来采集逆变器的信息，在完成信息的收集之后，利用RS-485通信方式来实现信息数据的传输，从而实现对逆变器的有效控制，保证整个并网光伏发电系统的正常高效运转。

2 分布式光伏发电系统的硬件设计

在对这一系统的硬件进行设计时，需要分为输入和输出两部分，其中输入涉及的主要是系统运行过程中，指令信号和位置信号等输入性信号在输入到这一发电系统中后如何保证信号正确得到处理与保护。对于指令性信号可以利用按钮来提供，对于位置信号的输入则需要利用传感器来实现，通过利用单轴系统来实现对这一类型信号的传输与保护。对于输出设计而言，需要利用接触器和继电器来完成，通过继电器和接触器来实现信号的产生，并利用通信模块来传输产生的信号。在这一过程中，需要进行正确的参数设置，以保证设备的正常运转。

3 分布式光伏发电系统的软件设计

在整个分散式光伏发电系统中，最为重要的就是软件部分。通过软件的有效设计能够促进对分布式光伏发电系统中子系统的有效控制，这些子系统虽然相互独立但是又存在着关联，为了更好地保证这一系统的有效运转，就需要优化软件的设计，以实现更为高效的系统控制。利用FX5U可编程控制器可以实现逻辑运行，在整个控制系统中，这一控制器有着至关重要的作用，通过写入ST语言和FBD/LD，保证结构化的程序在执行过程中不受阻碍，大大提高整个系统的运行效率。此外，利用单轴光伏控制系统时可以通过按钮来对光源的运行模式进行转换，在这些软件的基础上可以实现对整个系统的高效控制，不仅能够保证系统各个部分元件的高效运转，而且能够提高各个原件相互配合的效率，为各项指令的执行与设备的各项数据显示提供保障。

4 分布式光伏发电系统配置

4.1 光伏电池组件选择

太阳能组件作为整个光伏发电系统的核心部分，其性能会直接对整个系统的工作效率产生影响，与此同时还会对整个系统的运营与维护产生直接影响。为了更好地保证分布式光伏发电系统的运行，就需要对整个光伏发电进行全面改进，从而实现系统发电效率的全面优化升级。在整个系统的预算成本中，光伏发电组件的成本占比达到了一半以上，为了降低整个系统的开发成本，需要对光伏发电组件进行升级优化[6]。利用多晶硅电池替换传统的单晶硅电池，能够有效节省光伏电池产生的成本开支，从而以更低的运行与建造成本来达成更高的项目要求。在实际的建设过程中，需要根据工程的实际情况来选择电池组件的规格，从而更好地降低工程成本，提高整个发电系统的发电效率，同时还能够在最大程度上简化整个系统的接线工作，降低工程量与后期的维护成本。

4.2 最佳倾角计算

想要保证光伏发电系统全年发电量能够达到最佳，就需要在安装光伏电池时设置好最佳的倾斜角。为了保证安装过程简单，同时降低后续维护与运营的成本，可以采用固定轴形式来进行光伏电池的安装。采用这一安装方式能够很好地降低前期成本投入，同时还能够有效降低后续的运营成本，大大提高整个系统运行的经济效益。在安装之前，首先需要利用相关软件来计算最佳倾角，根据地区和时间等因素来计算出不同倾角下太阳辐射量的大小。在测算得到最佳倾角之后，还需要考虑后续安装过程的操作难度、对组件的维护以及极端天气等因素，从而进行合理修改，更好地保证光伏发电系统的高效、稳定运转。

4.3 光伏并网逆变器拓扑

在光伏发电控制系统中，逆变器对整个系统的正常运转起着至关重要的作用，在光伏并网发电系统中，逆变器拓扑可以根据是否含有隔离变压器来进行详细区分，但是对于隔离型光伏并网逆变器和非隔离型光伏并网逆变器而言，又可以根据变压器的工作频率进行下一步区分，分为工频隔离型与高频隔离型两种。对于工频隔离型光伏并网逆变器，由于其内部没有直接耦合，也就很好地避免了信号干扰现象的产生，同时将高电压转换为低电压能够有效地保障工作人员的生命安全。同时还能够有效避免变压力磁路饱和现象的发生，但是尺寸相对较大，不能够实现简化设计[7]。由此可见，不同类型的逆变器有着各自的优势与不足，在进行分布式光伏发电系统建设时，首先要考虑安装环境的因素，保证外界干扰的强度和天气不会影响其正常工作。其次还要合理设置输出功率，避免日照变化影响电力的输出。最后要根据安装环境和使用环境来进行合理选择，从而更好地保证分布式光伏发电系统的正常运转，实现稳定高效的电力输出[8-10]。