CPVC14论文投稿--双模式逆变器在高原高寒地区光伏工程中的应用

项目来源：参考国家科技支撑计划课题项目 — 高原高寒地区分布式光伏发电与建筑结合技术研究与应用示范作者： 王玉凤 （ 1984— ） ， 女， 在职研究生， 中级工程师， 主要从事光伏发电及多种新能源互补型发电技术研究。 xueyuan301@163.com 双模式逆变器在建筑光伏工程中的应用王玉凤 , 王哲，王胜利，刘莉敏，定世攀（北京科诺伟业科技股份有限公司 100083 ）摘要：通过建设高原高寒地区双模式建筑光伏电站项目，分析双模式逆变器在高原高寒地区各工作模式及组件性能的适应条件；探索基于下垂特性的平滑切换控制技术及电站数学模型的建立，并通过其运行的稳定性分析对电网的影响；掌握双模式建筑光伏系统集成设计与稳定控制技术。关键词：双模式逆变器；建筑光伏；0、 引言双模式逆变器在建筑光伏工程中的应用是目前光伏发电技术一种新的应用方式。光伏发电从最早应用在卫星上的离网独立发电技术，到近几年与电网并列运行的大规模光伏地面电站应用，再到逐渐兴起的小规模并入电网的分布式光伏发电，这些技术的应用在国内乃至国际上技术都已经很成熟。近年来国内光伏发电市场市场供求关系及技术发展呈现出：在无电网、电能需求较大的区域，光伏发电系统并 / 离网并列运行模式的需求越来越大；且针对已建成区域的光伏发电系统供电不稳定情况；已建成的独立光伏电站技术升级改造；及边远地区微电网建立实施前的技术探索等需求。本文对作为光伏发电系统电网及负载连接的核心部件 — 双模式逆变器既可以运行在并网模式，又可以运行在独立带负载模式，保证无论在什么运行模式，双模式逆变器均具备良好的电能质量特性，能够在独立运行时为负载提供优质的供电电源进行研究；且同时满足有关国家、行业标准的要求。双模式逆变器在建筑光伏工程中的应用设计需综合考虑建筑物立体结构、屋面承载力、 结构型式、 可利用面积、 光伏系统发电量、 光伏电池组件的安装位置、遮挡因素、散热分析、负载特性及电站建设后的整体美观性等多方面因素。1、 系统结构分析1.1 双模式逆变器是双模式光伏系统的核心设备，具有独立和并网两种运行模式。当电网出现异常，如电压跌落、不对称、闪变、频率过低、谐波以及瞬时供电中断等电能质量问题或检修等情况，切断与大电网的连接。逆变器工作在独立运行模式，作为组网单元负责建立微电网的电压与频率，给本地特定负载供电；当大电网恢复正常，微电网则在并网运行模式下工作，此时可将大电网看作电压与频率固定不变的无穷大电网，逆变器只能跟随大电网的电压与频率，通常条件下，逆变器最大限度地将发电源的能量输送到电网。充电器蓄电池双模式逆变器电网光伏阵列图 1 双模式逆变器在建筑光伏工程中的应用框图并网单元控制器组网单元控制器双模式控制器本地非敏感负载大电网协调控制单元控制信号线图 2 双模式逆变器模式切换控制技术双模式微网系统除了以上两种基本运行模式外，还存在独立与并网两种模式间的过渡过程，该过程不是微电网电源的简单切换，切换过程不但要确保本地特定负载的供电质量不受影响，还要使逆变器的输出平稳，即平滑切换。1.2 充电控制器该设备具有光伏最大功率跟踪功能和蓄电池一致性充电控制功能。充电控制器是光伏储能系统的核心设备之一，其性能优劣直接关系到蓄电池组寿命和光伏组件利用率。设备具有光伏最大功率跟踪功能，提高了系统转换效率。在光伏方阵最大功率跟踪算法方面，采用改进的事件记录法、克服爬山法和增量电导法在跟踪步长和稳定点判断方面的局限性，提高最大功率跟踪的稳定性。PVUPVIoutUoutIPWM光伏组件电量采集DC/DC 蓄电池控制电路 电量采集充电控制器图 3 充电控制器系统框图在储能系统充电方式上，采用恒压限流结合最大功率跟踪的控制方式对储能系统进行充电管理。设备针对不同地区的海拔及气候条件，进行特殊处理设计；针对四季及昼夜温差较大区域，配备具有储能元件的温度补偿充电控制。鉴于部分项目蓄电池容量较大，为保证储能元件在使用过程中的一致性，提高储能系统可靠性和寿命，还配备储能元件一致性控制功能。光伏充电控制器在并网和离网的充电方式上进行模式转换。离网状态时，采用四段式充电结合光伏的 MPPT控制，根据蓄电池状态：电量严重不足， MPPT大电流充电；电量基本充满，小电流恒压充电；充满后，浮充；并网状态时，采用电网给负载供电，为了保持充分利用光资源，解决光伏充电控制器和逆变器的 MPPT协调问题，在蓄电池已满的情况下，将光伏能量直接并入电网。2、 各关键参数设计分析2.1 方阵间距计算光伏方阵的布置避免屋顶构筑物或其它高大建筑物阴影遮挡，否则在遮荫部分，非但没有电力输出，反而要消耗电力，形成局部发热，产生 “ 热斑效应 ” ，严重时会损坏光伏组件。阴影遮挡确定原则为：一年中冬至日太阳高度角最低，方阵间距 D 应大于冬至日真太阳时上午 9:00 和下午 3:00 时的阴影的最大长度，保证在该时段不发生阴影遮挡，则光伏阵列一年之中太阳能辐射较佳利用范围不会发生阴影遮挡。根据项目所在地的地理纬度、太阳运动情况、高度差等可由以下公式计算最大阴影长度 D[1] 。D = L cos??+ ??= ???cos??+ sin ???cos??tan ?? ?d = ??tan ???cos ??= ??sin ???cos??tan ??H = L sin ??式中： L— 电池板倾斜面长度；θ — 电池板固定倾角；α — 冬至日早上 9： 00 时太阳高度角；β — 冬至日早上 9： 00 时太阳方位角；d — 前排电池板阴影长度；D — 电池板南北向最小间距。2.2 电池组件串并联组合计算光伏组件串并联数量需要与并网逆变器相匹配，匹配计算取值和公式如下计算公式：① ( )max1 25dcoc vVNV t K≤ × + - ×② ( ) ( )min max 1 251 25mppt mpptpm vpm vV VNV t KV t K ≤ ≤ × + - ×× + - ×式中： N—— 光伏组件串联数（ N取整） ；Kv—— 光伏组件的开路电压温度系数；Kv’—— 光伏组件的工作电压温度系数；t —— 光伏组件工作条件下的极限低温（℃） ；t ’—— 光伏组件工作条件下的极限高温（℃） ；Vdcmax—— 逆变器允许最大直流输入电压（ V） ；Vmpptmax—— 逆变器 MPPT电压最大值（ V） ；Vmpptmin—— 逆变器 MPPT电压最小值（ V） ；Voc—— 电池组件开路电压（ V） ；Vpm—— 电池组件工作电压（ V） 。根据以上计算结果可得：结合双模式逆变器和充电控制器设计光伏组串数，兼具考虑工程地区所处的海拔及气候条件，考虑降容、防腐等因素，确定每条支路最佳串联光伏组件块数，并联支路数结合光伏方阵布置方案具体进行调整。2.3 蓄电池各参数计算（ 1）蓄电池串联数VVVN di +=式中： Vi —— 双模式逆变器最低工作直流侧输入电压；Vd —— 蓄电池与逆变器间的线压降；V —— 蓄电池放电终止电压；依据具体项目双模式逆变器的直流输入电压输入范围，确定蓄电池与逆变器间的线压降，计算出 N 的数值；再根据项目情况选用蓄电池电压等级及块数，确保整个放电过程电压范围在双模式逆变器直流输入电压允许电压范围之间。（ 2）蓄电池容量计算在项目的双模式光伏系统处于失电状态时，确定维持供电负载容量大小及负载正常工作时间；计算额定供电负载下逆变器的直流输入电流：)(0difd VVEPI+×= =502A 式中： Id —— 在额定供电负载下逆变器的直流输入电流 (A) ；P0—— 额定供电负载；Ef—— 逆变器效率；蓄电池容量：LIKC ×=式中： I —— 在额定供电负载下单组蓄电池组的输出电流；K—— 容量换算时间，蓄电池布置在室内，温度取 25℃， K取 5；L—— 蓄电池寿命末期的容量减少率，取 0.8 。放电深度 %100蓄电池的额定容量实际的放电量 ×=DOD因此通过上述公式计算出，在确保不超过 DOD的放电深度基础上，得出双模式光伏系配备的蓄电池组组数及能够满足维持负载容量持续运行小时数。3、 结论针对建筑形体、体形系数、表面面积系数的关系进行分析，结合光伏组件不同安装部位与安装倾角对系统效率的影响，优化建筑的形体以及组合方式；综合考虑光伏组件所必须满足的建筑性能，研究光伏构件的安装部位与安装方式，分析光伏组件安装的施工流程与工艺；根据光伏组件的安装部位和安装方式对建筑形体的需求，最终完成光伏电站的一体化设计。通过建设高原高寒地区双模式建筑光伏电站项目，掌握双模式建筑光伏电站各工作状态信息，解决光伏充电控制器并网和离网充电控制方式间无缝切换技术的难点问题。分析双模式逆变器在高原高寒地区各工作模式及组件性能的适应条件；探索基于下垂特性的平滑切换控制技术及电站数学模型的建立，并通过其运行的稳定性分析对电网的影响；掌握双模式建筑光伏系统集成设计与稳定控制技术。【参考文献】[1] 郭家宝，汪毅，等 .2014. 光伏发电站设计关键技术 .2014 年 3 月第一版 . （北京 . 中国电力出版社出版、发行） P31 [ 2] GB50797-2012.2012-11-01. 光伏发电站设计规范 .2012 年 10 月第一版 .（北京 .中国计划出版社出版）