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1、本科生科研训练报告分布式光伏储能发电系统设计 分布式光伏储能发电系统设计姓名（学院，市，学校代码）1 研究背景、目的及意义随着新能源在整个电网中的占比逐渐增加，不可控功率波动将会严重影响大电网的稳定性，往往会导致用电高峰时出现较大的用电缺口，用电低谷时又面临不能并网输电的缺陷。民用太阳能电源更有明显的反调峰特点，即白天为用电低谷，晚上为用电高峰，正好与太阳能发电能力相反，因此，并网发电系统更不能满足电网覆盖不到地区的生产、生活用电。近年来，光伏储能并/离网发电技术作为光伏产业未来的重要发展方向已引起世界各国的高度关注。分布式光伏发电是指在用户所在场地或附近建设安装、装机规模较小、运行以用户端自
2、发自用为主、多余电量上网、电网调剂余缺为特征的发电设施或有电力输出的能量综合梯级利用多联供设施。目前应用最为广泛的分布式光伏发电系统，是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目，它一般接入低于35千伏或更低电压等级的电网。这是一种新型的、具有广阔发展前景的发电和能源综合利用方式，它倡导就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则，不仅能够有效提高同等规模光伏电站的发电量，同时还有效解决了电力在升压及长途运输中的损耗问题，达到改善电网质量，加强电网的调峰能力的目的等。相较传统光伏发电而言，分布式光伏发电有着众多优势。并网难度低，投资成本低，硬件设施要求低，有利于更好地普及清洁能源知识和措施。大电网与分布
3、式发电相结合被世界许多能源、电力专家公认为是能够节省投资、降低能耗、提高电力系统可靠性和灵活性的主要方式，是21世纪电力工业的发展方向。光伏等分布式能源的输出具有间歇性、随机性和波动性等特点，接入配电网后带来的诸多影响限制了其接入电网的容量。将分布式电能存储系统与分布式电源相结合，可显著改善这些分布式电源的运行特性，平滑分布式电源的功率波动，实现分布式电源端节点电压控制，增强分布式电源的功率可调度性。与大规模、集中式的储能电站相比，分布式电能存储设备对接入位置的环境、自然条件限制较少，接入电网的方式更加灵活，在配电网、微电网、分布式电源侧，以及用户侧都可以发挥独特的作用。目前，分布式电能存储技
4、术的总装机容量在电网中的比例依然很小，尚处于发展起步阶段。随着其技术日益成熟、成本不断降低，以及未来智能配电网的发展，分布式电能存储技术将有广阔的应用前景。2 国内外研究现状及发展趋势国家鼓励开展多种形式的分布式光伏储能发电，主要有以下几种，具备条件的建筑屋顶含附属空闲场地资源，鼓励屋顶面积大、用电负荷大、电网供电价格高的开发区和大型工商企业率先开展光伏发电应用,公共设施系统资源鼓励在火车站、含高铁、高速公路服务、飞机场航站楼、大型综合交通枢纽建筑、大型体育场馆和停车场等推广光伏发电，因地制宜利用废弃土地、荒山荒坡、农业大棚、滩涂、鱼塘湖泊等建设就地消纳的分布式光伏电站。据统计，国际上分布式光
5、伏发电系统占光伏发电的比例达到67 %左右，与之相比，中国分布式光伏应用比例较低，约为47 %。分布式能源技术在欧美等发达国家已经得到迅速发展，如丹麦、芬兰、挪威等北欧国家，分布式发电装机容量已超过其总装机容量的30 %，德国也达到20 %，其中80 %的装机来自屋顶电站，美国已有6000多座分布式能源站，占其总装机容量的7.8 %。2013年8月9日，国家能源局关于开展分布式光伏发电应用示范区建设的通知发布，正式公布第一批分布式光伏发电示范区名单，涉及7 省5市共18个示范区项目；2014年1月17日，国家能源局下达了2014年新增光伏电站备案总规模14 GW，其中8 GW为分布式项目的年度
6、目标。作为前期先导性的18个分布式光伏发电示范区项目的进展并不顺利。虽然我国分布式光伏储能发电已经在各地快速起步，取得了不少成绩，但从当前了解的情况看，也还存在一些不容忽视的问题，如对于普通家庭来说仍有较高门槛，电网规划和城市规划衔接协调问题，政策衔接落实问题，分布式光伏发电宣传普及不足等等。在中国，分布式电能存储技术被视为未来智能配电网、分布式发电和微电网发展必不可少的支撑技术。例如：在2012年8月由国家能源局发布的可再生能源发展“十二五”规划中提出：到2015年，中国将建成30个以智能电网、物联网和储能技术为支撑的新能源微电网示范工程。这将极大地促进国内分布式电能存储技术的发展。相比于西
7、部地区的光伏电站发展，分布式太阳能发电项目主要位于中东部地区，该地区用电量大，光伏发电高峰时段与用电高峰重合，无论自发自用还是余电上网都可全部消纳，不存在产能消纳问题；而且分布式太阳能发电项目可以建在屋顶、厂房等闲置空间，不占用土地。因此，分布式光伏发电项目在商业盈利模式上具有优势，国内光伏项目向分布式转移是合理布局的必然选择。就目前光伏电池的组件和配件的价格而言，利用光伏电池发电收回成本年限较长。但是，随着科技的发展和进步，光伏电池组件等的价格具有非常大的下降空间。从长远发展角度来看，光伏发电技术的造价成本会越来越低，甚至低于火电投资建设的成本。因此，实现太阳能光伏发电短时间内收回成本并产生
8、高额经济效益指日可待。从德日美三国发展分布式光伏的经验可知，分布式光伏电源发展的上网电价补贴策略是引导分布式光伏市场发展的主要刺激因素，需要根据分布式光伏发展的不同阶段调整政策，使政策的促进作用与分布式光伏的合理发展相适应。此外，国外经验显示，分布式光伏的发展应该立足于自发自用，不但有利于节约国家的补贴资金，而且有利于分布式光伏健康有序发展。据中国可再生能源学会光伏专委会“中国光伏发展路线图（2020 / 2030 / 2050）”研究推算,2020年我国建筑总面积将达到700亿平方米,其中可利用的南墙和屋面面积为300亿平方米,按照可利用面积的20 %用于安装光伏系统计算，则届时可安装光伏的
9、建筑面积约为60亿平方米。从国际经验和国内发展状况看，分布式光伏储能发电代表着光伏产业未来的发展方向，拥有广阔的前景和光明的未来，将成为新能源产业发展最为激动人心的实践，形成燎原之势。3 分布式光伏储能发电系统及设计方案3.1 光伏阵列太阳能光电池是利用P-N截面的光伏效应（Photovoltaic Effect），将光能转换为电能。光伏效应原理是将光源照射半导体介面时，产生电子与空穴互相往相反方向移动，造成电荷分离的现象。太阳能光电池是由半导体材料制成的光电能转换元件，加上增加机械强度的支撑基板，表面由玻璃覆盖而制成，即为太阳能光电池板。目前乃至今后光伏电池发展的重点仍是硅系光伏电池，尤其是
10、多晶硅光伏电池和非晶硅薄膜光伏电池，成本低且效率高，在未来的光伏电池市场上将会占据主导地位。P-N结及光伏电池工作原理如下图1、图2所示。图 1 P-N结示意图图 2 光伏电池工作原理图 在光伏电池的两端并联旁路二极管，当被遮挡的电池带有的负压大小达到二极管导通电压时，旁路二极管可以把被遮挡部分短路，只有很少的电流流过被遮挡部分，从而避免热斑效应带来的危害。光伏电池的电路结构如图3。 图 3 光伏电池的电路结构将若干个光伏电池进行适当的串、并联再经过封装，作为光伏发电系统中的最小单元-太阳能电池组件，其功率等级为几瓦到几百瓦不等。为满足的电压以及功率需求，一般将光伏组件进行串、并联连接以构成光
11、伏阵列。忽略实际单个电池之间的接触电阻、连接线路损耗及组件差异的条件下，光伏电池阵列的等效电路与单光伏电池及光伏电池组件结构上相似。光伏电池基本连接方式有串联结构和并联结构，除此之外，以四个光伏模块考虑光伏阵列拓扑结构，还有以下四种结构如图4所示。图 4 光伏阵列四种拓扑结构并联结构受局部阴影影响最小，输出功率最大，但单一的并联结构有时无法满足系统输出电压等级要求。串联结构是目前最主要应用于光伏组件设计的一种连接方式，但它受局部阴影影响最大，各个串联阵列之间的电流相同，将会让未被遮挡的光伏电池受到遮挡的光伏电池的影响而功率发生变化，畸变严重。三串两并结构和三并两串结构由于布局上的不对称性，实际
12、应用时应避免采用。TCT（两并两串）结构在遮阴情况下优于SP（两串两并）结构。TCT结构在均匀光照下输出功率最大，在局部阴影条件下受影响最小，且能满足绝大多数光伏发电系统输出电压等级和输出电流等级的要求。综合以上分析，TCT结构为最优拓扑结构。3.2 光伏系统的最大功率点跟踪控制太阳能光伏电池是一种非线性直流电源，它的输出随着光照强度、温度和负载的变化表现出明显的非线性。在光照强度、温度等外部因素相同的情况下,光伏电池不同的工作电压具有不同的工作电流,在某一特定工作电压时输出功率达到最大值，我们把这个工作点叫做最大功率点（MPP-Maximum Power Point），也就是P-U曲线上的最
13、高点。不同条件下太阳能电池对应唯一一条P-U曲线，每条曲线的最高点为其在当前条件下的最大功率点的位置，这些最高点所组成的曲线即为最大功率点轨迹曲线，需要一控制策略能在外界条件不断变化时，通过实时记录光伏电池不同时刻的输出电压或电流，计算出电池的输出功率再进行比较，从而判断出光伏电池输出最大功率时的可能位置，然后调节电池的工作点至最大功率点周围，即所谓的最大功率点跟踪（MPPT-Maximum Power Point Tacking）。最大功率点跟踪因为其算法繁多，效果明显，在工程应用中较为普遍，成为提高光伏电池转换效率研究领域的重点和难点。可以说MPPT效果的好坏直接决定了整个系统的精度和光电
14、转换效率，在整个光伏发电系统中占据主导地位，对推进光伏发电技术的发展具有重大意义。目前许多光伏发电系统的MPPT并不是单一的某一种算法，通常是两种或几种算法的结合，取长补短，实现算法互补，从而更好地跟踪到最大功率点，各种MPPT算法都有各自的优缺点，在选择MPPT算法时要综合考虑应用领域，成本高低，算法的复杂程度，跟踪的快速性，准确性以及在最大功率点附近的稳定性，但这些往往不能同时兼顾。随着电子科技的发展,算法可以借助处理芯片来实现。分布式光伏系统非阴影条件下MPPT算法， 典型的MPPT方法就是不断寻找最优点的过程，通过光伏特性的分析，检测光伏系统的最大功率的输出，然后相互比较，再变动一下参
15、数，这样一个不断重复的过程，来寻找到最大功率点的位置。其控制框图如图5。 图 5 MPPT实现控制框图通常该调节方法是通过DC-DC变换器的阻抗匹配来实现。阻抗匹配原则是指在线性电路中当外部负载等效电阻与电源内阻相等时，外部负载可以获得电源输出的最大功率，虽然太阳能电池和DC-DC变换器都是非线性的，但在短时间内仍可视为是线性电路，阻抗匹配原则仍然适用，然而实际应用中由于太阳能电池输出随环境不断变化且无法控制，很难保证负载与太阳能电池直接匹配或始终匹配，因此为了保证太阳能电池始终处于高效状态，只有通过调节太阳能电池外部负载实现阻抗变化，使负载线与太阳能电池最大功率点相交来达到太阳能电池的最大功
16、率点跟踪。MPPT就是把DC-DC变换器看成外部等效负载，通过不停地寻找合适的脉冲占空比D，使DC-DC变换器的等效电阻与不同光照下的太阳能电池阻抗匹配。分布式光伏系统局部阴影条件下MPPT 算法，典型的最大功率点跟踪方法，主要是扰动观察法和电导增量法等。然而在阴影条件下，通过分析光伏电池的曲线可以得知，整个光伏电池不止具备一处最大值，可能会有几处最大值，用局部的最大功率跟中的方法很难实现最大功率的跟踪。目前广泛应用的有一个是粒子群优化算法，另外一个就是模拟退火跟踪法。本次设计方案采用扰动观察和电导增量混合算法。系统首先实时采集电流、电压瞬时值，计算相邻两次电流、电压和功率变化量，然后根据获取的变化值判断系统环境是否发生突变。若外界环境发生缓慢变化，最大功率算法采用扰动观察法进行最大功率跟踪，提高跟踪
