光伏组件课程设计2Word文件下载.docx
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传统的独立型太阳能光伏发电系统在农村供电系统应用中存在随着用户的用电需求的增大扩容难、成本高的问题,本文提出了一种新的太阳能光伏发电用户系统:
分布式太阳能农村户用系统,通过用户之间的组网,进行电量借调,电量共享,达到降低单个家庭的用电成本,并为大功率用电设备的使用提供电源,本论文包括以下几个方面内容:
1)通过局部电力传输单元使用户间组成一个分布式能源网络,在本单元蓄电池电量亏欠情况下,通过电力共享通讯单元发出请求,系统在允许的情况下响应请求,实现电量共享,
2)系统的智能化控制单元是基于高性能智能主控芯片的控制单元,其完成了本系统的蓄电池充放电管理、运行参数的实时采集和存储,控制参数的调整和修正以及多种电路保护等功能,
3)局部电力传输单元采用双向DC一DC变换器技术实现了硬件上的电量共享,负载均衡单元采用软件均流解决负载特性不均问题,为实现系统间的电力传输请求。
4)设计了系统的软件,实现了用户间的电量借调、蓄电池的充放电、方阵和蓄电池的电压和电流采集、蓄电池温度补偿等功能。
关键词:
分布式发电;
能源网络;
双向DC一DC;
1绪论
课题研究的主要内容和任务
太阳能光伏发电在偏远地区独立户用系统和集中村落电站的供电系统中得到了大量的应用,作为主要的清洁能源,太阳能发电的好处显而易见,目前常见的太阳能发电系统由太阳能光伏组件、太阳能控制器、蓄电池组、负载和逆变器(可选)组成,作为农村户用系统的太阳能控制器,其现有技术存在的问题是:
太阳能发电系统的太阳能组件和储能蓄电池只能供本单元使用,由于太阳能组件和储能蓄电池的价格居高不下,使得太阳能发电的成本很高,成为了太阳能发电推广应用的主要障碍,本文组建一种具有能量组网功能的太阳能光伏发电系统,以解决现有技术存在的成本高的问题,这种分布式太阳能农村户用系统由智能控制单元、局部电网电力传输单元、负载均衡单元、电力共享调节单元、太阳能光伏组件和模块化储能单元组成,系统的工作原理是当某个用户单元的发电量大于其自身的用电需求时,多余的电力可输送到能源网络上;
当电单元的发电量不能满足其自身的用电需求时,向能源网络发出借电请求,在得到许可后可从能源网络得到电力支持,解决较小容量配置基本单元的用电问题,论文的具体研究内容分为以下几部分:
l)在基本的太阳能发电系统构成基础上介绍分布式发电的概念和特点,提出分布式太阳能农村户用系统的总体方案,
2)对局部电网电力传输单元的工作原理进行分析,对双向推挽全桥DC一DC进行了研究,
3)通过现场总线CAN总线实现局域能源网络命令传递,制定出系统的电量借调通讯协议,完成1Km范围以内的村庄或楼宇间基本电单元所发电力的传输,
4)将以AT90cAN128为核心控制器,设计出一套含有双向推挽全桥DC一Dc变换技术、PWM控制、蓄电池充放电和电量共享于一体的分布式户用型光伏发电系统。
5)系统预期指标如下:
a、通过CAN现场总线完成1Kin范围内的多家用户电量共享;
b、通过DC一DC输出直流母线电压额定值:
110VDC士4%;
c、蓄电池电压输出12V,过充保护、过放保护;
2系统整体方案设计
太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池的光生伏打效应把光能转化成电能的发电系统,虽然太阳能光伏发电系统的应用形式多种多样,上到航天器电能供应,下到太阳能玩具,从小到一两瓦的草坪灯,大到几百兆瓦的大型太阳能光伏发电站,但太阳能发电系统的工作原理和组成部分都基本的相同。
2.1常见太阳能发电系统工作原理和构成部分
2.1.1太阳能发电系统工作原理
太阳能光伏发电系统大致上可以分为独立离网型光伏发电系统和并网型光伏发电系统两大类
独立离网型太阳能光伏发电系统的工作示意图如图2.1所示,太阳能光伏组件接受太阳能光转化成为直流电,通过太阳能控制器把直流电存储到用户蓄电池中,当负载需要用电时,蓄电池中存储的电会通过控制器对各个负载用电进行合理的分配,太阳能光伏组件和蓄电池输出的都是直流电,如果是直流负载的话就可以直接的应用,也可以通过交流逆变器将直流电转化成交流电,供应交流负载使用,独立离网型太阳能发电系统因为配备蓄电池,所以发出的电可以及时的使用,或者先存起来等到需要时使用。
图2.1独立离网型太阳能光伏发电系统工作原理
并网型太阳能光伏发电系统的工作示意图如图2.2所示,太阳能光伏组件接收到太阳光转化成直流电经过直流配线箱进入到并网逆变器,并网逆变器的功能有充放电控制、功率调节,并网切换保护,交流逆变等,经并网逆变器出来的电流是交流电用于直接连接电网,给电网供电,当光伏系统因天气等原因发不出电的时候,就可通过公共电网向交流负载供电。
图2.2并网型太阳能光伏发电系统工作原理
2.1.2太阳能发电系统构成部分作用
太阳能发电系统无论是那种形式其主要结构都是由太阳能电池组件,太阳能控制器、蓄电池、逆变器还有监控、测试、保护等附属部分构成。
l)太阳能电池组件
太阳能电池组件的工作原理可以分为以下过程:
¹
太阳能电池吸收一定的能量光子后,半导体内就会产生空穴一电子对,被成为/光生载流子0,空穴带正电,光子激发的电子带负电,两者电荷极性相反,数量相等,º
半导体PN结所产生的内部静电场使得这两种极性相反的电荷分离开,»
光生伏打效应产生的空穴和电子分别被太阳能组件的正负极收集,形成电动势,在外边接上负载后就形成了一个供电回路,产生电流,负载获得电能,其作用就是把太阳光能转化成电能的器件,当发电需求量比较的时候,就需要把多块的电池组件串并联,形成太阳能方阵满足转化要求,目前在工程上应用的太阳能电池组件主要有单晶硅电池、多晶硅电池、薄膜电池等。
2)太阳能控制器
太阳能控制器在整个太阳能系统中的重要性就像人类的大脑作用一样,通过它可以智能的控制整个系统正常运行,防止蓄电池过充,出现过充时蓄电池内会出现析气现象,还要能防止蓄电池过放,否则得话,蓄电池的电极板会发生硫酸盐碱化,这种现象发生后,就直接影响到了蓄电池的容量,而且事后容量难以恢复如初,作为太阳能发电系统的核心部分,除了对蓄电池的管理外,还应该有系统短路保护、系统极性反接保护、夜间防反充保护等,在温差大的区域,蓄电池的容量会随温度的不同而变化,控制器还有温度补偿功能,控制器按照发电容量分为小功率、中功率和大功率太阳能控制器,太阳能控制器按照控制方式的不同可分为串联型控制器,并联型控制器、多路型控制器、智能型控制器、最大功率跟踪控制器,a、串联型控制器是在太阳能光伏组件和蓄电池充电之间增加一个机械式继电器或者固态继电器的控制器件,当蓄电池充电完成后断开继电器控制器件,同时这样也保证了夜晚的时候蓄电池电流反充,b、并联型控制器相对与串联型控制器来说是把控制开关器件并联在太阳能电池方阵的输出端,当蓄电池充电完成后控制开关器件闭合,短路蓄电池,此时的开关器件使得太阳能电池方阵的电流经过控制开关器件完成泄流,以热的形式把转化的电能消耗掉,这种消耗热能的方式,只能应用于小型的低功率发电系统,在小系统中可靠工作,但是也有缺点,如果太阳能组件中的个别电池受到树叶或污泽的遮盖会出现热斑效应,c、多路型控制器一般用于10千瓦以上的大型光伏发电站,这种大型电站一般把太阳能光伏方阵,分为多个方阵,当蓄电池开始充电时,所有的支路同时开启,以大电流充电,当电量充到一定程度,支路逐渐开始断开,电流减小,当蓄电池的电量有回落的时候,支路逐渐打开,增大电流充电,这样符合蓄电池的充电要求,d、智能型控制器的主电路可以是上面提出控制器主电路的任意一种,这种控制器采用CPU处理器和AD采集芯片构成了一个实时数据采集和实时监控系统,并且带有数据传输和历史数据保存功能,数据传输使得集中管理、远距离监控成为可能性,历史运行数据的保存为研究发电系统的运行正确性和系统设计合理性提供了数据依据,e、最大功率跟踪型控制器就是让太阳能电池方阵的输出曲线在当前环境下工作在最大功率点上,它通过直流变换电路和最大功率寻优程序,使得负载曲线跟随在太阳辐射强度、温度变化下的太阳能电池输出最大功率点上,充分发挥太阳能方阵的效率,这种方法也叫做MPPT,多用于并网发电系统,对于真正的MPPT控制,需要对太阳能电池的工作电压和工作电流同时采样,然后通过乘法运算得到当前的功率值,然后通过最大功率寻优程序使得太阳能电池方阵工作在最大功率附近点,无论哪种最大功率跟踪方式都要考虑电路的稳定性和抗云雾干扰和误判问题。
3)蓄电池
蓄电池的作用是存储太阳能发出的电能,在负载需要电的时候向负载供电,作为太阳能光伏发电用蓄电池有着使用寿命长、自放电率低、深度放电能力强、充电效率高、工作的温度范围要宽、免维护或者少维护、价格低等基本要求,目前在工程应用中,可以使用铅酸电池、镍福电池、超级电容的。
4)交流逆变器
交流逆变器的作用是把蓄电池或者太阳能光伏组件输出的直流电转化成为供给电网和交流负载的交流电,逆变器按照输出交流电的相数可以分为单相逆变器、三相逆变器和多相逆变器,按照输出电压波形分为方波逆变器、梯度波逆变器和正弦波逆变器。
5)光伏发电系统附属设施
太阳能光伏发电的附属设施包括直流配电系统、运行监控、检测系统、交流配电系统、防雷和接地系统。
2.1.3太阳能发电系统应用场合
太阳能光伏发电系统目前已经广泛应用于农业、工业、国防、科技和和人们日常生活中的方方面面,预计到21实际中叶,太阳能光伏发电在可再生能源发电中占到一定得比例。
太阳能发电具体应用在以下几个方面:
l)大型光伏发电站的应用,大型光伏发电站可以是风光互补电站、并网光伏电站和大型停车场充电站等,2)通讯领域的应用,主要有移动通信基站、卫星通讯和卫星电视的接收系统、无人值守微波中继站等。
3)铁路、公路和航空等交通领域的应用,如铁路和公路信号系统,交通警示灯、高空障碍等、高速公路监控系统,无人值守的道班供电、航标灯灯塔、公路太阳能路灯等。
4)海洋、石油和气象领域的应用,如石油钻井平台生活应急电源、气象、水文观测设备、海洋监测设备的电源系统,5)农村和边远地区供电的应用,在海岛、高原、边防、牧区等地用太阳能发电系统解决生活用电问题,6)太阳能光伏建筑一体化并网发电,将建筑材料和太阳能发电相结合,充分利用建筑物的屋顶和外立面,使得大型建筑物能实现电力自给、并网发电,7)其他领域的应用,如太阳能汽车、太阳能游艇、电池充电设备、航天器、卫星、空间太阳能电站等。
2.2分布式太阳能农村户用系统总体方案
2.2.1系统组成结构
上述常见的太阳能光伏发电系统存在随着用户的用电需求的增大扩容难、成本高的问题,用户在使用大功率用电器的时候,原本的容量配置就不能满足条件了,扩充容量就牵扯了多个方面的改变,如太阳能光伏方阵的增加,更换大功率太阳能控制器,系统的直流配线重新接线等等,这样大大的增加了太阳能光伏发电系统成本,为了有效的降低太阳能成本的同时,用户可以在原来容量配置的基础上使用大功率的用电器件,本文提出了分布式太阳能农村户用系统,如图2.3所示。
图2.3分布式太阳能农村户用系统结构图
2.2.2系统工作原理
分布式太阳能农村户用系统由智能控制单元、储能模块、局部电力传输单元、负载均流单元、电力共享通讯单元组成,基本用户单元的太阳能光伏组件和储能装置为满足本单元用电需求的最小配置,用以降低成本,当太阳能光伏组件发电量仅供本单元使用时,系统切断蓄电池与局域电网电力传输单元的连接,太阳能光伏组件仅对本单元的储能模块充电,当系统通过电力共享通讯单元接受到外部的电量借调需求后,智能控制单元分析判断本单元的电量是否在系统设置的电量借调参数值以上,如果是启动局部电力传输单元,往电力传输网送电,否则对于借电需求不予响应,当本单元的发电量不能满足其自身的用电需求时,向能源网络发出借电请求,在得到许可后,局域电网电力传输单元连接本电单元蓄电池,从能源网络得到电力支持,使得较小容量配置电单元可以使用较大功率电器。
2.2.3系统构成部分作用
分布式太阳能农村户用系统是由太阳能电池组件,智能控制单元、电力共享通讯单元、储能模块、局部电力传输单元、负载均衡单元和保护等附属部分构成,智能化控制装置:
完成储能模块的充放电管理,实时采集系统参数(蓄电池两端电、充电电流、负载的输出电压和输出电流等),实现系统各类运行参数的存储及显示,系统控制参数的调整和修正,系统的各种电路保护(过冲、过放、反接、短路等等),蓄电池的实际电压的温度补偿,监控用户用电量,电力共享通讯单元:
通过现场总线CAN总线来实现整个能源网络中的电量管理的数据通讯,完成能源网络内控制信号的传递,储能装置:
为蓄电池或超级电容器,存储太阳能光伏组件所发电能,局部电力传输单元:
可以将储能装置的低压直流电升压,进入局域电网电力传输单元,减小电量传输中的损耗,也可以使电力传输网上的直流110V电压降压成蓄电池的额定直流电压12V,为蓄电池充电同时也为大功率用电器使用提供电源,负载均衡单:
避免并联电源模块工作时,由于各个模块的特性差异,导致模块之间所承担的电流是均匀分布的,有的模块在工作的时候输出的电流比较大,而有些模块的输出电流就比较小,更有甚者就根本没有电流输出来的情况。
3组建分布式太阳能农村户用系统关键部件分析
3.1分布式发电对太阳能电力系统的影响
3.1.1分布式发电概念
分布式发电概念是相对于目前国家电网的集中式发电方式来说的,分布式发电又称为嵌入式发电,它是把各个离散的发电系统嵌入到电力传输系统中,这种电力传输系统把分散、小规模用户附近的发电系统连接到一个供电网络中,这种发电系统相对于集中发电系统不但降低了系统电力传输中的线损,同时电网电压分布情况也得到了改善,增加了电网运行的经济性和稳定性=川,分布式电源直接靠近用户端进行安装,有效减少了电力输送环节的损耗,实现了资源的最大化利用,到目前为止对分布式发电仍然没有一个比较统一的定义,国际大型电力系统委员会对分布式发电定义为/非经规划的或中央调度型的电力生产方式,通常与配电网连接,一般的发电规模在几十兆瓦到几十千瓦之间=.2]0,按照这种定义方法,分布式发电系统可以认为是:
所有不直接与国家电网相连接、不由中央配电系统进行电力配送、不经过电网调频的发电系统。
3.1.2分布式发电的特点
分布式发电是近年电力系统讨论的热点,它是利用小型发电系统向用户端直接提供能源供应的一种新型的能源利用方式,对比传统大型集中式发电系统,分布式发电系统靠近负载,不需要投资大量资金建设大型电网进行远距离超高压或高压输配电,可以大大减少传输线路上的损耗,有利于输配电建设投资和运行费用的减少;
并且可以兼具供热、发电等多种能源服务功能,分布式发电系统实现了对能源的梯级利用,提高了能源的综合利用率116],分布式发电系统以用户系统为单位,各系统运行互相独立,自发发电系统启停方便,互不干扰,系统的安全性和可靠性较高;
此外,分布式发电系统的构成可以是水电、风电、太阳能发电或者天然气等清洁能源为燃料的发电系统,比传统的集中式发电系统更加环保,分布式发电的特点表现在以下几个方面:
l)农村和边远地区供电,投资少,安装和运营具有更高的灵活性,由于容量及体积比较小,因此易于找到合适的安装地点,对于一些边远贫困地区,安装小型分布式发电用户系统,充分的利用当地自然资源,采取就地发电方法为该地区的缺点用户提供电能,这种方案投资少、系统建设的周期短=.3],分布式发电系统具有比较灵活的调节负荷能力,启动过程所需时间短,调节电能输出时间比较长。
2)有效的提高了供电系统的可靠性和弥补了大电网传输在安全性和稳定性方面的不足,分布式发电系统也可以作为要求不间断供电用户的备用电源,在用电高峰期的时候,投入使用可以保证电力供应的可靠性,并且减少用电支出=.81,当大电网由于意外的雪灾、地震、人为破坏等造成电网崩溃时,由于分布式发电装置与大电网的接入、断开相互独立性,可以维持重要的应急设备的正常工作。
3)能量的使用效率高119],由于能源发电生产设备靠近用户,必然减少了电网输送损耗和输配电设备的投资;
同时,全部用户能分享某些热电联供系统生产的电能、冷能和热能,增加了能源的利用率。
4)具有环保无污染的性能,分布式发电系统一般采用清洁燃料作为能源发电,如风能、水能、天然气、太阳能、生物质能等(传统的发电以煤为主),绿色能源的利用,减少了S02、粉尘、废水,废渣,NO等污染物的排放,分布式供电系统由于减少了输变电设备和线路,噪音污染和电磁污染降低,因此具有很好的无污染环保性能。
5)用户得到最大限度的经济实惠,伴随着分布式发电系统在公共电网中逐步的进入,打破了大型中心发电站一家做大的模式,电网的供电者将会呈现出多元化局面,多元化局面的出现给供电者带来了竞争意识,竞争机制的出现会带来电能质量的提高、电价的合理化、供电服务态度的改善、电网的可靠供应等,消费者会成为最终的收益人。
3.2局部电网电力传输单元
本文分布式太阳能农村户用发电系统的用户间的电量共享是依靠局部电网电力传输单元,户用系统工作电压是12V,其他用户在自家电量不足的情况下,通过电量共享通讯单元向整个电力网络发送需电请求,各个系统接收到命令后,进行指令解析,判断自家的蓄电池电量,在满足自己的基本需求情况下,智能控制器控制光伏网络化充电单元,开通局部电网电力传输单元,使得12V系统经过DC一DC升压至11OV直流电,连接到输配电网络上,完成电量共享,如果用户自家的电压回落到设定值以下后,局部电网电力传输单元从输配电网络上借电,110V直流电通过DC一DC降压至12V给蓄电池充电,可以看出电网电力传输单元是分布式农村户用系统的重要组成之一。
3.2.1常见DC一DC变换器拓扑结构分析
电网电力传输单元功能的实现是建立在DC一DC变化器的基础上,DC一DC变换器的主要分为非隔离型和隔离型两种12.],非隔离型Dc一Dc变化器根据电路的不同可以分为:
升压(Boost)型电路、降压(Buek)型电路、升降压电路、库克(Cuk)型电路、Spiek电路和Zcta型电路,升压(Boost)型电路和降压(Buck)型电路是非隔离DC一DC变换器电路的最基本形式,其余的四种都是在它两的基础上变化得来的,所以非隔离型DC一DC型变化器电路就只分析这两种基础电路。
3.3负载均衡模块单元
在进行并联电源直接相连工作的时候,各个模块由于制作工艺水平的限制和不可完全避免的误差,造成了实际运行中各个并联电源之间参数和特性多多少少的偏,这种偏差会随着工艺的改进逐渐的减小,但不能完全的避免,在各个模块的运行过程中环境因素的变化也会引起各个模块之间的运行特性的差异,外界环境因素所引起的差异可能还要大于模块本身之间自带的差异,这样的情况下,如果直接的并联电源模块工作的话,很可能导致各个模块之间所承担的电流不是均匀分布的,有的模块在工作的时候输出的电流比较大,而有些模块的输出电流就比较小,更有甚者就根本没有电流输出来,在并联的电源系统中,如果各个工作的模块输出的电流不一样,即各个模块没有均匀的承担负载的电流,这样就可能会导致出很多问题来。
3.3.1常见负载均衡方法简介
负载均衡技术是在开关电源的发展过程中提出的,从上述的分析可以看出直接电源并联会导致系统出现一些不良反应,对各个供电单元也不好,目前从国内外对电源系统的均衡技术来看,为了使得各个模块的电流不会差异很大,能较均匀分布,一般采用的方法有以下几种:
输出阻抗法、主从设置法、平均电流均流法、最大电流自动均流法等等。
l)输出阻抗法
输出阻抗法是调节开关变换器的外部特性倾斜度,以达到并联模块接近均流的目的,有的文献中称为电压调整率法,国外文献中称为Droop法1381,这种方法是最简单的一种实现并联电源模块均流的方法,其本质上的控制是开环控制,它的特点是在小电流时电流分配特性差,重载的时候分配特性较好,其缺点是:
为达到均流,每个模块必须个别调整;
对于不同额定功率的并联模块,难以实现均流139],所以在一般的电压调整率要求较高的电源系统中不适合应用。
2)主从设置法
这一方法适用于有电流型控制的并联开关系统中,.主从设置法是在并联的n个变换器模块中,指定其中一个为/主模块0,而其余各模块跟从主模块分配分配电流,称为从模块,主模块按照电压控制的规律进行工作,主模块的输出的误差电压作为从模块的电流控制的标准,所有的从模块的电流调节的参数都来自于主模块,从而与主模块的电流基本一致,实现均流,主从设置法在工程上应用的不多,主从模块间必需有通讯联系,使系统变的复杂,如果主模块失效,则整个电源系统不能工作,因此这种方法不适用于冗余并联系统,并且主模块的稳定性决定了整个电源系统的性能。
3)平均电流均流法
平均电流均流法是通过电阻连接各个并联电流放大器最终接到公用均流母线上,这样均流母线上就有了多个这种连接的模块,当输出结果达到均流时,电流放大器的输出电流为零,否则,在电阻上产生一个电压,通过这个电压值来控制模块各自的输出电流,最终实现均流,这种方法可以精确的实现均流,可靠性比较高,但是如果均流母线出现异常或者某个模块不工作,会导致系统电压下降,电源无法正常的工作。
4)最大电流自动均流法
最大电流自动均流法是系统自动的确定主模块,它以输出电流最大的模块作为主模块,其余作为从模块,最大电流自动均流法的取样把平均电流均流法的电阻换成二极管,二极管具有单导电性,均流母线上的电压是因为输出最大电流的那个模块二极管导通加载的电压,从模块的控制信号来自于母线电压,从模块通过来自母线上的控制信号实现系统均流,最大电流自动均流法具有可扩性好、自动调节均流、系统容错性好的优点,目前市场上有一些厂家生产的专用均流集成芯片,比如常用的负载均衡芯片UC3906和UC3907,这些芯片的均流方法就是采用最大电流自动均流法,最大电流自动均流法是在平均电流均流法的基础上改进的一种方法。
3.3.2负载均流方法的选择
并联直流模块均流有很多解决方案,但对于分布式太阳能电力电源,都会有或多或少的缺陷,输出阻抗法的均流的精度不是很高,主从设置法和平均电流法都没有实现冗余技术,最大电流自动均流法比较好但是都是属于硬件均流的方案,硬件均流存在着高成本、方案更换困难和系统扩展比较麻烦等问题,所以本论文中使用软件均流方式,软件均流具有方便扩容,成本低廉,方案改变容易,易升级的特点。
3.3.3负载均流策略
软件均流的方法是通过测流器采集监控电力传输网上的电流,流经传输网的是能源网络的总电流,采集数据传递到智能控制单元存储,电力共享通讯系统确定网络中的输出电流单元数量,智能控制单元通过软件计算出能源网络中的平均电流,根据系统均流的要求,对比本单元的输出电流,使用误差调节本单元的输出电流,保证在电流的偏移范围之内并进行不断的比对,促使各个模块电流不断的逼近,达到各个模块之间的输出电流均衡,实现负载均衡。
4.1智能控制单元硬件设计
分布式太阳能农村户用系统的智能控制单元是整个系统的重要组成部分之一,智能控制单元主要包括主控芯片的电路设计、电源电路、温湿度检测电路、充电电压和充放电电流检测电路、液晶键盘接口电路、与上位机通讯接口电路、PWM驱动电路、输入输出报警电路,智能控制单元的电路结构图如图4.1所示。
图4.1智能控制单元的电路结构图
小结
通过此次光伏产品设计,我对于课堂上的内容有了深入的理解和对实际应用方面有了一定了解,感受到了太阳能技术开发利用的益处,受益良多。
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