高效分布式光伏发电论文范文

1主要研究内容

1.1基于ARM和DSP双核架构的智能化电源管理模式光伏发电通常利用所谓的“三高效”来提高其电能采集量，即高效的能量转换、高效的制造方法和高效的材料使用。但是，智能化电源管理系统通过第四种途径来提高能量采集量，即利用半导体芯片技术实现对太阳能光伏组件发电的高效管理。本文中的研究采用ARM嵌入式系统加上DSP信号处理器的控制方式，将DC-DC变换器、逆变器等部件以及最大功率点跟踪、通讯等功能统一管理，形成一个组件级的智能化电源管理系统，与太阳能光伏电池共同构成智能光伏组件，见图1。其中，ARM嵌入式系统擅长于应用处理和控制，而DSP信号处理器擅长于浮点运算、矢量运算，尤其适用于最大功率点跟踪的实现，两种各具特长芯片的结合，能发挥最佳的功效。目前，美国TI公司已经研制出ARM与DSP整合在一起的达芬奇系列芯片，但器件成本和开发成本相对较高，应用于智能光伏组件性价不够突出。其实，针对智能组件的设计方案，最基本的ARM和DSP芯片就能满足要求，关键在于设计能力和开发能力。组件级的电源管理模式可以在单个组件层面而不是在整个组件串层面提高光电转换效率。当然安装场所不同，效果也有差异，比如在有树叶遮蔽等情况下，组件级电源管理解决方案可以多采集3%～20%的光伏电量。而且，组件级电源管理解决方案能够配合监控系统对每一块光伏组件实施监控，实现对各个组件的智能巡检，提高光伏发电系统运行的可靠性和安全性。

1.2改进的全桥拓扑结构高效逆变电路要把光伏组件输出的波动直流电压转变成恒定可靠的正弦波交流市电，实现方式通常分为两种构架：单级变换和两级变换，也称为无直流斩波和有直流斩波式。DC-DC斩波器能够保持逆变器输入侧电压的恒定和可调，从而实现电压和功率控制之间的解耦，有时也利于电力半导体器件的选取和系统成本优化。但是，这一级额外的变换装置很可能对系统效率带来负面影响，所以越来越多的厂商在开发或评估单级变换的架构，即使这样会面临更复杂的逆变器控制和潜在的更高器件耐量要求。本研究中的智能组件的逆变电路因其特殊的应用需求，决定不能采用传统的降压型拓扑结构，如简单的全桥或半桥结构，而应选择能够同时实现升降压变换功能的拓扑结构，除此之外，还应实现电气隔离，但是受体积的限制，高效率的逆变电路不应该采用工频变压器来实现电气隔离，而应采用高频变压器。本文中的研究，通过综合分析智能高效分布式光伏发电系统对逆变器的要求，并考虑到成本等因素，发现在当前的技术环境下采用改进的全桥拓扑结构最为合理。如图2所示，改进的全桥拓扑结构是在传统的单相逆变全桥基础上增加一对二极管串联开关反并联作为输出。新增电路中的开关器件以工频周波速度开关，对于器件速度没有特殊需求。在应用适当的相位控制之后，这种电路能够更加有效地处理无功功率，从而提高系统效率。

1.3优化散热设计的电子部件壳体结构太阳能光伏电站的组件等部件全天候工作于户外，用于安装智能组件所集成的电子部件的壳体的设计显得尤为重要。壳体机构既要能满足功率元器件的散热，又要具有较高的防水、防尘性能，至少应达到IP65的防护等级。如果仅仅考虑增加散热表面积，往往提高了散热能力，却不能满足必要的防护等级；如果既满足散热要求，又有较好的防水、防尘性能，其结果使壳体的体积和重量大幅度增加，而且增加材料成本。为解决上述问题，必须设计一种特殊的壳体内壁散热结构。在自然冷却中，为了提高散热能力，最有效的方法是增加换热表面。因此，本研究中设计壳体结构时，在保证具有可靠的防水、防尘性能，且不增加壳体的体积、重量和制造成本的前提下，将壳体结构设计成内部用隔板分隔为3个部分，形成3个有效的独立空间，中间的独立空间用于放置电子元器件线路板，并用导热防水型灌封胶体完全填充，左右2个独立空间外部壳体两端开一定数量的小孔，将内部空间与外界空气充分对流，使壳体内表面也能被充分利用散热，见图3。这样的壳体结构不但能够满足电子部件的散热需求，又能满足要求的防护等级。同时，为了提高智能光伏组件在工作过程中的散热效果，本文中的研究还利用微热管阵列超导热平板对光伏组件的背板进行自然对流冷却或水冷却，即使在最高气温环境条件下也能将光伏组件的温度控制在一个合理的工作范围内，防止太阳能电池过热，延长太阳能电池的使用寿命，且能使光电转换效率进一步得到提高。

1.4光伏电并网的有功无功潮流控制方法因为光伏发电具有间歇性、随机性、可调度性差的缺点，在电网接纳能力不足的情况下，光伏发电并网会给电网带来某些不利影响。①光伏发电并网电量随机波动较大，并网时会产生较大的冲击电流，从而会引起电网频率偏差、电压波动与闪变，引起馈线中的潮流发生变化，进而影响稳态电压分布和无功特性，使电网的不可控性和调峰容量余度增大，如果电网中没有足够的调峰容量，就会使电力系统的安全稳定性受到影响；②由于并网光伏发电系统均配有电力电子装置，会产生一定的谐波和直流分量，谐波电流注入电力系统会引起电网电压畸变，影响电能质量，还会造成电力系统继电保护、自动装置误动作，影响电力系统安全运行，因此需用相应的技术和设备来抑制注入电网的谐波含量；③当电网失压时并网光伏发电系统仍保持对失压电网中的某一部分供电的状态，并与本地负载连接形成独立运行状态，成为孤岛，这时孤岛中的电压和频率不受电网控制，如果电压和频率超出允许的范围，可能会对用户设备造成损坏，如果负载容量大于孤岛中智能光伏组件的逆变器容量，会使逆变器过载而烧毁。为解决光伏发电并网接入中存在的问题，缓解光伏电与电网之间的矛盾，本文中的研究，在基于电力电子技术的控制方法基础上，提出对并网光伏电实施有功无功潮流控制方法。该方法采用不同的控制模块，分别对有功、无功进行控制，在基于频率下垂特性的基础上加入频率恢复算法，能很好地满足频率的质量要求。

1.5基于物联网无线传感器网络技术的发电系统智能运行管理方案目前，一般的分布式光伏发电系统配置的设备及辅助生产系统，大多是各自独立，且不具备智能对话功能，在运行过程中形成多个信息孤岛，需要更多的人工来关注、了解和处理这些设备的信息，远没有达到光伏发电系统智能运行管理的程度。设备的巡视还依靠人工巡视为主，巡视的质量受人为因素影响较大，由于人员的素质高低造成巡视质量的参差不齐；人员对巡视的数据要进行分析才能确定正确的处理办法，而现场运行人员往往不具备这样的能力；现场检修、维护工作中的停电、供电操作还是需要依靠人为判断所要操作的间隔是否正确，因为设备基本都是相同，容易造成误操作现象的发生，且缺乏有效手段加以防范。本文中的研究，利用物联网无线传感器网络技术实现对分布式光伏发电系统的高效率的智能运行管理。物联网无线传感器网络技术综合传感器、低功耗、通讯以及微机电等技术，由许多集传感与驱动控制能力、计算能力、通信能力于一身的嵌入式节点互连网络。每一个节点由数据采集模块、数据处理和控制模块、通信模块和供电模块等组成。通过对每块光伏组件性能参数的感知，构建传感网测控网络，在无线传感网络测控平台基础上建立智能监测与辅助控制系统，全面实现对分布式光伏发电系统的智能运行管理，使之具备智能监测、智能判断、智能管理、智能验证等功能。图4所示的是系统运行架构。

2实验结果

利用上述研究成果，在浙江中硅电子科技有限公司已经建成的1.5MW并网型光伏发电站的基础上，进行部分改造，建立了50KW独立式试验光伏发电系统以及0.5MW并网型试验光伏发电系统。实验结果的主要测试数据如下：①有效工作温度范围：-45℃～85℃；②可并网频率：48.5Hz～50.5Hz；③最大逆变转换效率：97%；④并网电网容差率：15%；⑤功率因数：≥0.99；⑥并网电流总谐波：≤2.5%；⑦最大功率点跟踪精度：≥95%。

3结语

（1）基于ARM和DSP双核架构的智能化电源管理模式可以实现组件级的智能化管理，能够在单个组件层面提高光电转换效率。而且能够配合监控系统对每一块光伏组件实施监控，实现对各个组件的智能巡检，提高光伏发电系统运行的可靠性和安全性。（2）采用改进的全桥拓扑结构高效逆变电路，该电路中的开关器件以工频周波速度开关，对于器件速度没有特殊需求，能够满足智能高效分布式光伏发电系统对逆变器的要求，也能有效地处理无功功率，从而提高系统效率，并充分考虑成本等因素，具有较高的性价比。（3）在自然冷却条件下，设计具有3个独立空间的电子部件壳体内壁散热结构，能够使内部空间与外界空气充分对流，不但满足电子部件的散热需求，也符合防护等级要求。微热管阵列超导热平板对光伏组件的背板进行冷却，能够延长太阳能电池使用寿命，进一步提高光电转换效率。（4）对并网光伏电实施有功无功潮流控制方法，可以有效解决光伏发电并网电量随机波动所带来的对电网的冲击电流、电网频率偏差、电压波动与闪变等问题，降低注入电网的谐波含量，消除孤岛中用户设备的安全隐患。（5）利用物联网无线传感器网络技术，通过对每块光伏组件性能参数的感知，构建传感网测控网络，在无线传感网络测控平台基础上建立智能监测与辅助控制系统，可以全面实现对分布式光伏发电系统的高效率的智能运行管理，使之具备智能监测、智能判断、智能管理、智能验证等功能。

作者：林期远田石强江海燕单位：中国光电技术发展中心农夫山泉股份有限公司浙江中硅电子科技有限公司