高效分布式光伏發電論文范文

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1主要研究內容

1.1基于ARM和DSP雙核架構的智能化電源管理模式光伏發電通常利用所謂的“三高效”來提高其電能采集量，即高效的能量轉換、高效的制造方法和高效的材料使用。但是，智能化電源管理系統通過第四種途徑來提高能量采集量，即利用半導體芯片技術實現對太陽能光伏組件發電的高效管理。本文中的研究采用ARM嵌入式系統加上DSP信號處理器的控制方式，將DC-DC變換器、逆變器等部件以及最大功率點跟蹤、通訊等功能統一管理，形成一個組件級的智能化電源管理系統，與太陽能光伏電池共同構成智能光伏組件，見圖1。其中，ARM嵌入式系統擅長于應用處理和外圍控制，而DSP信號處理器擅長于浮點運算、矢量運算，尤其適用于最大功率點跟蹤的實現，兩種各具特長芯片的結合，能發揮最佳的功效。目前，美國TI公司已經研制出ARM與DSP整合在一起的達芬奇系列芯片，但器件成本和開發成本相對較高，應用于智能光伏組件性價不夠突出。其實，針對智能組件的設計方案，最基本的ARM和DSP芯片就能滿足要求，關鍵在于設計能力和開發能力。組件級的電源管理模式可以在單個組件層面而不是在整個組件串層面提高光電轉換效率。當然安裝場所不同，效果也有差異，比如在有樹葉遮蔽等情況下，組件級電源管理解決方案可以多采集3%～20%的光伏電量。而且，組件級電源管理解決方案能夠配合監控系統對每一塊光伏組件實施監控，實現對各個組件的智能巡檢，提高光伏發電系統運行的可靠性和安全性。

1.2改進的全橋拓撲結構高效逆變電路要把光伏組件輸出的波動直流電壓轉變成恒定可靠的正弦波交流市電，實現方式通常分為兩種構架：單級變換和兩級變換，也稱為無直流斬波和有直流斬波式。DC-DC斬波器能夠保持逆變器輸入側電壓的恒定和可調，從而實現電壓和功率控制之間的解耦，有時也利于電力半導體器件的選取和系統成本優化。但是，這一級額外的變換裝置很可能對系統效率帶來負面影響，所以越來越多的廠商在開發或評估單級變換的架構，即使這樣會面臨更復雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。本研究中的智能組件的逆變電路因其特殊的應用需求，決定不能采用傳統的降壓型拓撲結構，如簡單的全橋或半橋結構，而應選擇能夠同時實現升降壓變換功能的拓撲結構，除此之外，還應實現電氣隔離，但是受體積的限制，高效率的逆變電路不應該采用工頻變壓器來實現電氣隔離，而應采用高頻變壓器。本文中的研究，通過綜合分析智能高效分布式光伏發電系統對逆變器的要求，并考慮到成本等因素，發現在當前的技術環境下采用改進的全橋拓撲結構最為合理。如圖2所示，改進的全橋拓撲結構是在傳統的單相逆變全橋基礎上增加一對二極管串聯開關反并聯作為輸出。新增電路中的開關器件以工頻周波速度開關，對于器件速度沒有特殊需求。在應用適當的相位控制之后，這種電路能夠更加有效地處理無功功率，從而提高系統效率。

1.3優化散熱設計的電子部件殼體結構太陽能光伏電站的組件等部件全天候工作于戶外，用于安裝智能組件所集成的電子部件的殼體的設計顯得尤為重要。殼體機構既要能滿足功率元器件的散熱，又要具有較高的防水、防塵性能，至少應達到IP65的防護等級。如果僅僅考慮增加散熱表面積，往往提高了散熱能力，卻不能滿足必要的防護等級；如果既滿足散熱要求，又有較好的防水、防塵性能，其結果使殼體的體積和重量大幅度增加，而且增加材料成本。為解決上述問題，必須設計一種特殊的殼體內壁散熱結構。在自然冷卻中，為了提高散熱能力，最有效的方法是增加換熱表面。因此，本研究中設計殼體結構時，在保證具有可靠的防水、防塵性能，且不增加殼體的體積、重量和制造成本的前提下，將殼體結構設計成內部用隔板分隔為3個部分，形成3個有效的獨立空間，中間的獨立空間用于放置電子元器件線路板，并用導熱防水型灌封膠體完全填充，左右2個獨立空間外部殼體兩端開一定數量的小孔，將內部空間與外界空氣充分對流，使殼體內表面也能被充分利用散熱，見圖3。這樣的殼體結構不但能夠滿足電子部件的散熱需求，又能滿足要求的防護等級。同時，為了提高智能光伏組件在工作過程中的散熱效果，本文中的研究還利用微熱管陣列超導熱平板對光伏組件的背板進行自然對流冷卻或水冷卻，即使在最高氣溫環境條件下也能將光伏組件的溫度控制在一個合理的工作范圍內，防止太陽能電池過熱，延長太陽能電池的使用壽命，且能使光電轉換效率進一步得到提高。

1.4光伏電并網的有功無功潮流控制方法因為光伏發電具有間歇性、隨機性、可調度性差的缺點，在電網接納能力不足的情況下，光伏發電并網會給電網帶來某些不利影響。①光伏發電并網電量隨機波動較大，并網時會產生較大的沖擊電流，從而會引起電網頻率偏差、電壓波動與閃變，引起饋線中的潮流發生變化，進而影響穩態電壓分布和無功特性，使電網的不可控性和調峰容量余度增大，如果電網中沒有足夠的調峰容量，就會使電力系統的安全穩定性受到影響；②由于并網光伏發電系統均配有電力電子裝置，會產生一定的諧波和直流分量，諧波電流注入電力系統會引起電網電壓畸變，影響電能質量，還會造成電力系統繼電保護、自動裝置誤動作，影響電力系統安全運行，因此需用相應的技術和設備來抑制注入電網的諧波含量；③當電網失壓時并網光伏發電系統仍保持對失壓電網中的某一部分供電的狀態，并與本地負載連接形成獨立運行狀態，成為孤島，這時孤島中的電壓和頻率不受電網控制，如果電壓和頻率超出允許的范圍，可能會對用戶設備造成損壞，如果負載容量大于孤島中智能光伏組件的逆變器容量，會使逆變器過載而燒毀。為解決光伏發電并網接入中存在的問題，緩解光伏電與電網之間的矛盾，本文中的研究，在基于電力電子技術的控制方法基礎上，提出對并網光伏電實施有功無功潮流控制方法。該方法采用不同的控制模塊，分別對有功、無功進行控制，在基于頻率下垂特性的基礎上加入頻率恢復算法，能很好地滿足頻率的質量要求。

1.5基于物聯網無線傳感器網絡技術的發電系統智能運行管理方案目前，一般的分布式光伏發電系統配置的設備及輔助生產系統，大多是各自獨立，且不具備智能對話功能，在運行過程中形成多個信息孤島，需要更多的人工來關注、了解和處理這些設備的信息，遠沒有達到光伏發電系統智能運行管理的程度。設備的巡視還依靠人工巡視為主，巡視的質量受人為因素影響較大，由于人員的素質高低造成巡視質量的參差不齊；人員對巡視的數據要進行分析才能確定正確的處理辦法，而現場運行人員往往不具備這樣的能力；現場檢修、維護工作中的停電、供電操作還是需要依靠人為判斷所要操作的間隔是否正確，因為設備基本都是相同，容易造成誤操作現象的發生，且缺乏有效手段加以防范。本文中的研究，利用物聯網無線傳感器網絡技術實現對分布式光伏發電系統的高效率的智能運行管理。物聯網無線傳感器網絡技術綜合傳感器、低功耗、通訊以及微機電等技術，由許多集傳感與驅動控制能力、計算能力、通信能力于一身的嵌入式節點互連網絡。每一個節點由數據采集模塊、數據處理和控制模塊、通信模塊和供電模塊等組成。通過對每塊光伏組件性能參數的感知，構建傳感網測控網絡，在無線傳感網絡測控平臺基礎上建立智能監測與輔助控制系統，全面實現對分布式光伏發電系統的智能運行管理，使之具備智能監測、智能判斷、智能管理、智能驗證等功能。圖4所示的是系統運行架構。

2實驗結果

利用上述研究成果，在浙江中硅電子科技有限公司已經建成的1.5MW并網型光伏發電站的基礎上，進行部分改造，建立了50KW獨立式試驗光伏發電系統以及0.5MW并網型試驗光伏發電系統。實驗結果的主要測試數據如下：①有效工作溫度范圍：-45℃～85℃；②可并網頻率：48.5Hz～50.5Hz；③最大逆變轉換效率：97%；④并網電網容差率：15%；⑤功率因數：≥0.99；⑥并網電流總諧波：≤2.5%；⑦最大功率點跟蹤精度：≥95%。

3結語

（1）基于ARM和DSP雙核架構的智能化電源管理模式可以實現組件級的智能化管理，能夠在單個組件層面提高光電轉換效率。而且能夠配合監控系統對每一塊光伏組件實施監控，實現對各個組件的智能巡檢，提高光伏發電系統運行的可靠性和安全性。（2）采用改進的全橋拓撲結構高效逆變電路，該電路中的開關器件以工頻周波速度開關，對于器件速度沒有特殊需求，能夠滿足智能高效分布式光伏發電系統對逆變器的要求，也能有效地處理無功功率，從而提高系統效率，并充分考慮成本等因素，具有較高的性價比。（3）在自然冷卻條件下，設計具有3個獨立空間的電子部件殼體內壁散熱結構，能夠使內部空間與外界空氣充分對流，不但滿足電子部件的散熱需求，也符合防護等級要求。微熱管陣列超導熱平板對光伏組件的背板進行冷卻，能夠延長太陽能電池使用壽命，進一步提高光電轉換效率。（4）對并網光伏電實施有功無功潮流控制方法，可以有效解決光伏發電并網電量隨機波動所帶來的對電網的沖擊電流、電網頻率偏差、電壓波動與閃變等問題，降低注入電網的諧波含量，消除孤島中用戶設備的安全隱患。（5）利用物聯網無線傳感器網絡技術，通過對每塊光伏組件性能參數的感知，構建傳感網測控網絡，在無線傳感網絡測控平臺基礎上建立智能監測與輔助控制系統，可以全面實現對分布式光伏發電系統的高效率的智能運行管理，使之具備智能監測、智能判斷、智能管理、智能驗證等功能。

作者：林期遠田石強江海燕單位：中國光電技術發展中心農夫山泉股份有限公司浙江中硅電子科技有限公司