光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

新能源的開發(fā)使用已成當(dāng)今世界發(fā)展主流.太陽能儲(chǔ)量巨大,具有環(huán)保、潔凈與可再生的特點(diǎn),且開發(fā)利用時(shí)無污染,不影響生態(tài)平衡,是低碳社會(huì)理想的新能源之一,專家預(yù)測(cè)在２１世紀(jì)前半期太陽能光伏產(chǎn)業(yè)將超過核電成為最重要的基礎(chǔ)能源之一.目前我國太陽能光伏板的產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的６０％,但我們很少有核心技術(shù),在技術(shù)上仍然處于被動(dòng)局面.為此近年來,我國高校開始增設(shè)光伏類新能源專業(yè),培養(yǎng)市場(chǎng)急需的專業(yè)技術(shù)人才,將新能源引入到高校實(shí)訓(xùn)教學(xué)當(dāng)中,通過實(shí)訓(xùn)使學(xué)生了解新能源發(fā)電裝置的構(gòu)成和工作原理,激發(fā)學(xué)生的科研興趣,這對(duì)加快人才培養(yǎng)步伐,實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破具有重要意義.筆者結(jié)合多年的實(shí)訓(xùn)設(shè)備研制與實(shí)訓(xùn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn),自主開發(fā)創(chuàng)制了光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)訓(xùn)裝置.
１、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)設(shè)計(jì)要求
(１)避免理論與實(shí)際脫節(jié)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)與工程應(yīng)用脫節(jié)的問題,讓學(xué)生在實(shí)踐中學(xué)習(xí),能夠融理論與工程應(yīng)用于一體的開放式實(shí)訓(xùn)教學(xué)平臺(tái),同時(shí)還能適合技能鑒定培訓(xùn)的需要.
(２)結(jié)構(gòu)完備、使用靈活,便于拆卸,易于維護(hù)、安全可靠,易于擴(kuò)展兼容.
２、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)技術(shù)方案
本實(shí)訓(xùn)平臺(tái)技術(shù)方案包含模擬光源、光伏陣列系統(tǒng)、雙軸跟蹤系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)訓(xùn)臺(tái),見圖１.光伏陣列系統(tǒng)安裝在雙軸跟蹤系統(tǒng)上,模擬光源與光伏陣列的支架固定相連,光伏陣列、雙軸跟蹤系統(tǒng)和公共電網(wǎng)分別通過航空電纜接口與光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)訓(xùn)臺(tái)相連.光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)訓(xùn)臺(tái)包含匯流箱、逆變器、儀表顯示系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)與雙向電表,這些部件首先分別制作控制盒體、進(jìn)行模塊化,然后依據(jù)工程控制需要進(jìn)行組裝.

圖１光伏發(fā)電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)技術(shù)方案
３、平臺(tái)核心模塊工作原理
光伏電池陣列是光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的核心,它主要由２塊單晶硅太陽能電池板(６０Wp/１７．３V)和２塊多晶硅太陽能電池板(６０Wp/１７．３V)組成.光伏陣列由光伏組件構(gòu)成,光伏組件主要由硅半導(dǎo)體材料制成.光生伏特效應(yīng)原理(示意圖見圖２):當(dāng)光照射到太陽能電池上時(shí),電池吸收光能,能量大于禁帶寬度的光子穿過減反射膜進(jìn)入硅中,激發(fā)出光生電子Ｇ空穴對(duì),并立即被內(nèi)建電場(chǎng)分離,光生電子進(jìn)入N 區(qū),光生空穴進(jìn)入P區(qū),在光電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累,形成與內(nèi)建電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng),使P型層帶正電、N 層帶負(fù)而產(chǎn)生“光生電壓”,這就是“光生伏特效應(yīng)”.

圖２　光生伏特效應(yīng)示意圖
光伏電池產(chǎn)生的實(shí)際電流I為式中:VD為PＧN 兩端的結(jié)電壓;10為PＧN 結(jié)的反向飽和電流;Iph為與入射光的強(qiáng)度成正比的光生電流,其比例系數(shù)是由太陽能電池的結(jié)構(gòu)和材料的特性決定;
n 為結(jié)構(gòu)因子,表示PＧN 結(jié)特性的參數(shù),通常n 在１~２之間;q 為電子電荷,q＝１．６×１０－１９C;KB為波爾茲曼常數(shù),KB ＝１．３８×１０ －２３C;T 為實(shí)際電池板絕對(duì)溫度.
從式(１)可知光伏產(chǎn)生的電流與光照強(qiáng)度和溫度相關(guān).光伏電池的IＧV 特性和PＧV 特性曲線見圖３和圖４(P 為功率).

圖３常溫不同光照下光伏電池特性曲線

圖４相同光照不同溫度下光伏電池特性曲線
從圖３中可知:當(dāng)環(huán)境溫度保持不變時(shí),光照度越強(qiáng),光伏電池輸出的電流與功率越大,電流與電壓呈非線性關(guān)系,電壓較低時(shí)與恒流源類似;在PＧV 曲線的拐點(diǎn)處為最大功率點(diǎn),該點(diǎn)即為最大功率點(diǎn),每條曲線僅有１個(gè)最大功率點(diǎn).
從圖４中可知:當(dāng)光照強(qiáng)度不變時(shí),溫度越高光伏電池輸出的電壓與功率越低,當(dāng)電壓較高時(shí)可近似為恒壓源;當(dāng)輸出電壓小于最大功率點(diǎn)電壓時(shí),輸出功率近似呈線性變化;溫度越高最大輸出功率越小.由圖３與式(１)可知,輸出功率和電流的強(qiáng)弱與日光強(qiáng)度、光伏材料和溫度有關(guān).生產(chǎn)廠家通常只為用戶提供２５℃下的短路電流Isc、開路電壓Uoc、最大功率點(diǎn)輸出功率Pm、最大功率點(diǎn)處的電壓Um 和最大功率點(diǎn)處的電流Im,應(yīng)用時(shí)有困難.因此需將二者聯(lián)系起來建立如下的光伏電池工程數(shù)學(xué)模型方程式:
 
式中,C１、C２ 為修正系數(shù);Np 與Ns 為分別為光伏陣列中串聯(lián)、并聯(lián)的數(shù)目.
４、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)
該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)主要由實(shí)訓(xùn)平臺(tái)臺(tái)體與電氣系統(tǒng)兩部分構(gòu)成,
４．１實(shí)訓(xùn)平臺(tái)臺(tái)體
實(shí)訓(xùn)平臺(tái)臺(tái)體采用金屬框架結(jié)構(gòu),表面靜電噴涂處理,分２層,底層為光伏發(fā)電與逆變部分的積木模塊,通過航空電纜轉(zhuǎn)接口與光伏陣列和外部電網(wǎng)相連;頂層為測(cè)量指示部分的積木盒體,通過插接線與底層模塊相連.支架中間橫梁高強(qiáng)度設(shè)計(jì),耐用美觀,積木盒體在中間靠上下間隙卡住,安裝簡便.這樣非常方便師生在實(shí)訓(xùn)裝置上進(jìn)行教學(xué)與科研.
４．２　電氣系統(tǒng)構(gòu)成
電氣系統(tǒng)主要由光伏陣列、模擬光源、光源雙軸跟蹤裝置、能量轉(zhuǎn)換測(cè)量顯示系統(tǒng)、運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)與負(fù)載系統(tǒng)構(gòu)成.
(１)模擬光源系統(tǒng).在光伏組件上方５０cm 處分別裝有３盞鹵鎢燈,一支為２２０V/５０Hz/３００W 鹵鎢燈,仿早晨陽光;中間為２２０V/５０Hz,１kW 鹵鎢燈,仿中午陽光;另外一盞為２２０V/５０Hz/５００ W 鹵鎢燈,仿下午陽光,三盞燈呈弧形分布.
(２)光源雙軸跟蹤裝置.由太陽運(yùn)行傳感器、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制變壓器、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器、控制器和支架組成.太陽運(yùn)行傳感器采集模擬太陽光照度及位置信息,控制運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作,使模擬太陽光源光線與光伏陣列始終垂直,光電的轉(zhuǎn)換效率最高,陣列輸出功率最大.
(３)能量轉(zhuǎn)換測(cè)量顯示系統(tǒng).該系統(tǒng)是光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置的控制核心,主要有匯流箱、逆變器、雙向電度表與斷路器組成.匯流箱采用江蘇安科瑞的APVＧM４;逆變器采用GTIＧ３００W;雙向電度表采用浙江立新儀表的DDS２３８Ｇ２ZN/S,具有RS４８５通信功能.此外測(cè)量顯示部分由電壓表、電流表、功率表、溫濕度表、照度表,接在輸出級(jí)的回路中,主要是直觀地顯示電
流、電壓、功率、溫濕度與照度的大小及變化的情況,以便學(xué)生觀察.
(４)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng).由環(huán)境監(jiān)測(cè)儀、光伏系統(tǒng)監(jiān)控軟件、PC機(jī)與匯流箱中的數(shù)據(jù)測(cè)量和采集部分組成.主要功能:顯示充電電壓、充電電流、功率、運(yùn)行狀態(tài);顯示負(fù)載電壓、負(fù)載電流、負(fù)載功率、負(fù)載狀態(tài);顯示當(dāng)前風(fēng)向、照度、溫度等環(huán)境信息;各種參數(shù)保護(hù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示與處理、詳細(xì)的事故記錄、報(bào)警參數(shù)設(shè)定、對(duì)用戶提供權(quán)限管理、密碼登錄等.不僅能夠準(zhǔn)確及時(shí)地對(duì)整體系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行記錄和數(shù)據(jù)分析,還能夠輕松實(shí)現(xiàn)從全球任何一臺(tái)PC或智能手機(jī)監(jiān)控光伏電站運(yùn)行狀態(tài).
(５)防雷系統(tǒng).對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行雷電防護(hù),對(duì)每串光伏電池的出線端及支架、光伏陣列匯流箱、并網(wǎng)逆變器等相關(guān)電氣設(shè)備進(jìn)行等電位連接并安裝防雷保護(hù)裝置,匯流箱和逆變器與防雷模塊之間采用防浪涌保護(hù).防雷模塊與接地線之間阻值小于４Ω.
(６)負(fù)載系統(tǒng).分交流負(fù)載與直流負(fù)載,交流負(fù)載主要由５０W 的白熾燈和交流電風(fēng)扇(約２０W)構(gòu)成,由逆變器供電;直流負(fù)載主要由滑動(dòng)電阻器１(１０Ω/２００W)、滑動(dòng)電阻器２(１００Ω/１００W)、２５W LED節(jié)能燈等組成,由太陽能電池直接供電.這樣分類使用可提高系統(tǒng)效率、節(jié)約能源和延長逆變器的壽命,同時(shí)也提高了系統(tǒng)的可靠性.
５、主要實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目
實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的各個(gè)部分是完全獨(dú)立的“元器件積木模塊”,學(xué)生在實(shí)訓(xùn)過程中可根據(jù)自己對(duì)光伏發(fā)電應(yīng)用的理解,自己動(dòng)手選擇相關(guān)模塊進(jìn)行組合實(shí)訓(xùn).能夠完成以下實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目:太陽能光伏板能量轉(zhuǎn)換原理實(shí)訓(xùn);太陽能電池板最大輸出功率連接和轉(zhuǎn)換效率測(cè)試;太陽能電池板方位角、傾斜角的選擇及太陽能組件支架的安裝;太陽能電池自動(dòng)追光系統(tǒng);陣列匯流測(cè)試;DCＧAC逆變轉(zhuǎn)換;防雷系統(tǒng)測(cè)試;運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)訓(xùn);最大功率追蹤與并網(wǎng)發(fā)電測(cè)試;光伏發(fā)電并網(wǎng)等.
６、光伏并網(wǎng)發(fā)電實(shí)訓(xùn)平臺(tái)調(diào)試
(１)接線檢查.檢查該平臺(tái)的各個(gè)積木模塊的線纜、連線、接插件與器件無松動(dòng)、損壞;檢查確認(rèn)DC連接線纜極性正確、端子連接牢固度;電纜連接、接線端有無絕緣損壞、斷線等現(xiàn)象.
(２)器件檢查.檢查積木模塊上的器件(模擬光源、匯流器、逆變器,交流斷路器、直流斷路器與熔斷器)等是否完好無損壞及動(dòng)作是否靈活可靠,所有器件的金屬支架或螺釘是否固定牢靠.
(３)絕緣度檢測(cè).用１０００V 兆歐表,對(duì)每個(gè)模塊的外殼、面板、插接件、電纜與裝置的外殼等做絕緣耐壓測(cè)試或測(cè)量絕緣電阻,確保絕緣良好;檢測(cè)地線連接,確保接地電阻小于４Ω.注意對(duì)泄漏電流測(cè)量時(shí),測(cè)試電壓可分４~５階段進(jìn)行均勻升壓,每階段停留１min,并讀取泄漏電流值;當(dāng)測(cè)試電壓升至規(guī)定值后維持１５min,其間讀取１min和１５min時(shí)的泄漏電流,測(cè)量時(shí)應(yīng)消除雜散電流的影響,測(cè)量后的泄漏電流作為判斷絕緣狀況的參考,不作為是否能投入運(yùn)行的依據(jù).但有下列情況之一并予以處理:(１)泄漏電流很不穩(wěn)定;(２)泄漏電流隨測(cè)試電壓升高急劇上升;(３)泄漏電流隨測(cè)試時(shí)間延長有上升現(xiàn)象.檢查時(shí),應(yīng)確保該平臺(tái)的所有斷路器均處于OFF位置.
(４)首次開機(jī).首先打開模擬光源的電源開關(guān),等燈亮１０min后再打開匯流箱的直流斷路器開關(guān)與跟蹤控制器開關(guān),進(jìn)行光線跟蹤控制;然后再打開直流負(fù)載開關(guān),直至負(fù)載工作正常;最后閉合逆變器直流輸入開關(guān),確認(rèn)無誤后再閉合空載下逆變器交流輸出開關(guān),檢測(cè)并確認(rèn)交流輸出電壓值正確后,接入交流負(fù)載,直至全部負(fù)載工作正常;啟動(dòng)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行檢測(cè)控制.此后逆變電源會(huì)自動(dòng)追蹤光伏電池最大功率點(diǎn),實(shí)現(xiàn)最大功率并網(wǎng),至此首次開機(jī)工作完成.
(５)系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試.用電能質(zhì)量分析儀來檢測(cè)光伏發(fā)電質(zhì)量.檢測(cè)項(xiàng)目主要有:有功輸出特性、有功和無功控制特性;電能質(zhì)量檢測(cè)包含諧波、電壓偏差、電壓不平衡度、電壓波動(dòng)和閃變、電磁兼容等;電壓電流與頻率響應(yīng)特性;安全與保護(hù)功能;電源起停對(duì)電網(wǎng)的影響及其他規(guī)定的內(nèi)容,是否滿足并網(wǎng)要求,并觀察監(jiān)控顯示與測(cè)量值是否一致(如不一致,且誤差較大,則需核對(duì)參數(shù)設(shè)置是否與所要求的參數(shù)一致,如兩者不一致,則修改參數(shù)設(shè)置.
(６)平臺(tái)系統(tǒng)“老化”.需對(duì)系統(tǒng)的每個(gè)積木模塊進(jìn)行連續(xù)供電２４h,并以間隔為２０min時(shí)間進(jìn)行４h高頻開關(guān)機(jī),然后再測(cè)量電能參數(shù),這樣循環(huán)測(cè)試１周,達(dá)到老化目標(biāo)后,則可放心使用.“老化”時(shí)注意事項(xiàng):①逆變器要空載啟動(dòng);②人為控制開關(guān)機(jī)的頻率不要太高,一般要間隔２０min、開機(jī)１５min后再打開逆變電源;③交流最大負(fù)載要低于３００W;為了人身和設(shè)備的安全,交流負(fù)載端子不能短路.
７、實(shí)訓(xùn)平臺(tái)運(yùn)用
以光伏并網(wǎng)發(fā)電為例介紹其運(yùn)用.
(１)查閱資料.學(xué)生到圖書館或電子閱覽室查閱所需資料,資料內(nèi)容包括項(xiàng)目所在地區(qū)的地理方位(經(jīng)度、緯度)以及該區(qū)的陽光資源、環(huán)境狀況、氣象資料、風(fēng)力狀況與氣候條件等,特別是安裝地區(qū)的太陽的輻照強(qiáng)度與方位角、高度角的變化規(guī)律.具體實(shí)施過程由該組組長負(fù)責(zé),相應(yīng)的組員嚴(yán)格按照分工執(zhí)行.
(２)設(shè)計(jì).依據(jù)掌握的資料信息對(duì)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行容量與硬件設(shè)計(jì).光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)容量設(shè)計(jì)主要依據(jù)安裝面積、負(fù)載容量與特性進(jìn)行計(jì)算.主要依據(jù)工程的耐候性來選擇最佳的硬件設(shè)備,主要包含光伏組件的類型、支撐架材料結(jié)構(gòu)、防雷與接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)、逆變器的選擇、運(yùn)行監(jiān)控與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和負(fù)載系統(tǒng)設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié).并網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)接線圖見圖５.在工程設(shè)計(jì)時(shí),首先要從工程系統(tǒng)的軟件和硬件方面進(jìn)行斟酌,要本著系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性與高性價(jià)比的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)..

圖５并網(wǎng)型太陽能光伏系統(tǒng)接線圖

表１光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)所用模塊
(３)實(shí)施.步驟如下:
① 依據(jù)設(shè)計(jì)內(nèi)容選取實(shí)訓(xùn)器件模塊,見表
② 將選取的模塊在實(shí)訓(xùn)裝置上安插好,然后依據(jù)設(shè)計(jì)圖用插接線進(jìn)行連接;
③ 啟動(dòng)模擬光源,將光照射到太陽能電池板上１０ms后,打開匯流箱開關(guān);
④ 此時(shí)觀察直流單元,觀測(cè)光伏輸入電壓,并作出記錄;然后打開逆變器開關(guān),３ms后打開并網(wǎng)開關(guān);
⑤ 打開負(fù)載開關(guān)調(diào)節(jié)電阻器,觀察光伏輸入電流、電壓、頻率等,并記錄數(shù)據(jù);
⑥ 實(shí)驗(yàn)并觀察MPPT 最大功率跟蹤以及孤島效應(yīng)檢測(cè),用示波器讀取電壓和電流波形,計(jì)算并網(wǎng)型電站的太陽能利用效率;
⑦ 撰寫實(shí)訓(xùn)報(bào)告.
光伏并網(wǎng)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)結(jié)合工程實(shí)際,采取積木式模塊設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)靈活、便于組合和擴(kuò)展,學(xué)生能夠依據(jù)自己的水平選擇合適的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目,有利于加快學(xué)生由知識(shí)向靈活應(yīng)用、獨(dú)立解決實(shí)際工程問題的轉(zhuǎn)化,突出學(xué)生工程創(chuàng)新應(yīng)用能力、團(tuán)隊(duì)合作能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng),為學(xué)生今后工作打下了較堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).


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