光伏發電技術在建筑供配電中的應用研究

【中玻網】太陽能是新能源和可更新能源的重要組成部分，是緩解當前能源危機的有效途徑。光伏發電已成為利用太陽能的主要方式之一，建立太陽能發電站并供給建筑自身用電，是解決建筑物能耗的有效途徑。開展太陽能光伏發電技術在建筑供配電系統中的應用研究，對于緩解能源和環境問題，具有重大的理論和現實意義。

　　建筑供配電中的光伏發電系統主要由太陽能光伏板、基于很大功率點的追蹤技術（MPPT）的DC/DC變換器、蓄電池組、單軸跟進系統、PWM控制模塊、DC/AC變換器以及配電負載回路等部分組成，系統構成如圖1所示。

　　圖1光伏發電系統構成

　　為了提高光伏發電系統的效率，本文主要從兩個方面進行了應用研究：首先采用太陽能光伏板單軸跟進系統，以提高光伏板的發電效率。其次采用MPPT技術，系統能實時跟進光伏陣列的很大功率點，充分提高光伏陣列能量轉換效率。

　　（1）首先關于太陽能光伏板單軸跟進系統，常用的太陽能跟進方法有視日跟進和光電跟進。本文研究了太陽能光伏板單軸跟進系統，采用光電跟進的控制方式，利用光敏元件組成的傳感器測量光強，進而通過PLC控制低功耗伺服機構實現光伏板平行陣列的逐日跟進。控制系統的結構框圖如圖2，其中系統核心部件是光電傳感器和PLC。光電傳感器采用MG44-2型光敏電阻構成，其電氣特性表現為光強負阻性即電阻值在光照下阻值≤2 kW，在黑暗中阻值≥0.2 MW，這種阻值變化與光強變化相關。結構見圖3，根據兩個光敏電阻檢驗光強大小，判斷太陽的位置。當太陽沒有直射太陽能光伏板時，上下兩個光敏電阻阻值不同，在檢驗電路中分壓不等，利用運算放大器組成信號調理電路，分析數據并進行AD轉換，將處理后的信號送至PLC，進而控制步進電機，調整太陽能光伏板的水平角度，提高光伏板的光電轉換效率，保證系統能夠全天效率高工作。光伏板單軸跟進系統檢驗電路如圖3。

　　圖2單軸跟進控制系統結構框圖

　　圖3太陽能跟進系統檢驗電路

　　太陽能跟進系統的工作流程如圖4。系統首先采集位于太陽能光伏板上下兩個光電傳感器的信號VH、VL，判斷兩者的大小，若兩信號不同，說明太陽沒有直射光伏板，PLC上電，通過驅動器控制步進電機工作，拖動水平運動機構，調整太陽能光伏板的水平角度，為保證系統的運轉穩定，在必要位置設置限位開關，當光伏板到達限位開光處，系統停止工作，若沒有到達限位開關處，則只有VH、VL相等時，系統停止。黑天時，VH、VL信號也有可能相等，為此加入判定模塊，檢驗是否白天。通過對單軸跟進系統的應用與研究，發現通過對系統執行結構進行合理設計，其成本與固定支架基本相當，但相較于普通光伏發電系統，采用單軸跟進技術的光伏發電系統，可在原系統的基礎上有效提高發電量20%~40%，因此，采用光伏板單軸跟進系統可以有效地提高發電效率。

　　圖4太陽能跟進系統控制工作流程框圖

　　（2）其次是關于功率點跟進（MPPT）實現，本文采用擾動觀察法實現功率點跟進（MPPT），其工作原理是測量當前系統的輸出功率，然后給系統的輸出電壓一個擾動，這個擾動會影響系統的輸出功率，通過測量當前的輸出功率，同時對比之前的輸出功率就可確定功率的變化方向，如果輸出功率增加，就保持該擾動；如果輸出功率減少，就改變擾動的方向。擾動觀察法的跟進工作情況如圖5所示。

　　圖5擾動觀察法示意圖

　　光伏發電系統硬件電路主要包括MPPT控制電路、電壓檢驗電路、電流檢驗電路和IGBT驅動控制電路，如圖6所示。

　　圖6光伏發電系統硬件電路總體構成

　　電壓檢驗電路結構如圖7所示，由電阻分壓網絡、減法器構成。利用電阻分壓成比例的衰減被測電壓信號，再通過減法器，提取出被測電壓信號。電流檢驗電路由霍爾電流傳感器、電阻分壓網絡以及端口保護構成，電流檢驗電路結構如圖8所示。MPPT控制電路結構如圖9所示，利用BOOST變換器構建了MPPT控制電路，實現光伏捕獲功能。調節BOOST變換器的占空比，可使系統運行在不同的輸出電壓狀態，從而找到功率點。IGBT驅動控制電路結構如圖10所示，其作用是將DSP輸出的PWM信號經過放大直接驅動IGBT的導通與關斷。

　　圖7電壓檢驗電路結構

　　圖8電流檢驗電路

　　圖9 MPPT控制電路結構

　　圖10 IGBT驅動控制電路結構

　　太陽能儲量巨大、分布廣泛、可更新、不污染環境，是化石能源的主要替代之一，因此開發利用太陽能具有重大的戰略意義。目前，光伏發電已經成為人類利用太陽能的主要方式之一。傳統的光伏并網發電系統由于光伏發電的不穩定性、間歇性、發電功率受到天氣的影響等問題，給傳統電網帶來很多問題，如無法提供穩定電力輸出，與傳統電網相比所占比例不高，高峰產生電能浪費，對電網的穩定性造成沖擊等。單獨式光伏發電系統由于自發自足，解決了傳統光伏并網系統存在的問題，同時在電網故障時，太陽能可以繼續發電，切換到離網模式滿足負載供電要求。可以說單獨式光伏發電系統是未來光伏發電的主流形式。本文研究單獨式光伏發電系統在建筑物供配電中的光伏板逐日問題和功率點跟進問題，利用光伏板單軸跟進技術和擾動觀察法有效地解決了以上兩大問題，提高了光伏發電系統的工作效率，滿足了建筑物供配電系統的用電需求，有效地降低了建筑物能耗。