基于110kV锥山变电站光伏并网发电系统研究
【摘要】对110kv 锥山变电站光伏并网发电系统的结构进行了介绍,对光伏并网发电系统相关技术进行了研究,分析了该太阳能光伏系统的效益,从太阳能发电量和节能减排效益的角度认为该太阳能光伏发电系统不仅解决了变电站自用电,对城市电力也是一个补充,同时降低了能耗污染。
0 引言
太阳能是资源最丰富的可再生能源，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处及能源与环境的协调发展。21 世纪以来， 世界太阳能光伏发电产业快速发展，市场应用规模迅速扩大。为了研究光伏并网发电应用技术，蚌埠供电公司申报了一个科技项目， 在锥山变电站建立了光伏并网发电系统。
1 系统构成
锥山变电站光伏系统设计总容量为30kw，主要包括光伏组件、并网逆变器、交直流防雷配电柜等部分。光伏组件在光生伏打效应下将太阳能转换成直流电能， 直流电经交直流防雷配电柜流入并网逆变器，并网逆变器将其逆变成符合电网电能质量要求的交流电，经过交直流防雷配电柜接入ac380v/50hz 三相交流电网进行并网发电。该系统采用大功率单晶硅太阳能电池组件， 光伏组件有效总面积220m2，占地约470m2。
每个太阳能电池串列按照8 块电池组件进行串联设计，系统可分成21 个太阳能电池串列。为了减少电池组件与逆变器之间连接线，以及日后的维护方便，在直流侧配置了4 台光伏方阵防雷汇流箱，其直流输出通过电缆线输送到二次室，经交直流防雷配电柜直流单元汇流成一条直流母线输入到sg30k3 并网逆变器，再通过交直流防雷配电柜交流单元接入ac380v/50hz 三相交流低压电网。
整个光伏并网发电系统配置1 套监控装置， 通过rs485 或ethernet（以太网）通讯接口将系统的工作状态和运行数据以及环境参数提供给专业技术人员进行实时监测。
系统原理图如下：
2 系统技术要求
2.1 要求光伏并网，在白天由光伏发电给站用电负荷供电，并将多余电量馈入电网。在晚上或阴雨天发电量不足时，由市电给站用电负荷供电。
2.2 要求系统具备最大功率点跟踪控制功能， 使系统获得最大的功率输出；
2.3 要求系统具备过/欠压保护、过/欠频保护、短路保护、防孤岛效应等并网保护功能；
2.4 要求系统具备远程通讯功能，以实现系统运行情况的远程监视。
3 太阳能电池组件方阵的设计
3．1 太阳能电池发电原理和分类
太阳能电池组件方阵在有光照情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，太阳能电池是能量转换的器件。当太阳光照射到半导体p-n结时，会在p-n 结两边产生电压，使p-n 结短路，就会产生电流。这个电流随着光的强度的加大而增大，当接受的光的强度一定时，就可以将太阳能电池看成恒流源。太阳能电池主要有以下几种类型：单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。目前在研究的还有纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜以及有机太阳电池等。但实际应用的主要还是单晶硅电池和多晶硅电池。其中单晶硅电池的转换效率最高，因此锥山变电站光伏并网发电系统选用了单晶硅电池。
3．2 光伏组件方阵的设计
采用180w 单晶硅光伏电池组件共168 块，分为21 个单元，每个单元阵列支架可放置8 块太阳能电池组件。组件正面朝南放置，阵列共5 行，其中靠北4 行每行包含5 个单元阵列，靠南单独一单元阵列为一行。根据蚌埠纬度，优化设计支架与水平地面倾角为27.4°。
整个发电系统采用8 块组件串联为一单元， 一共21 支路并联的方式，输入4 个汇流箱，其中的3 个汇流箱每个接5 路输入，另一个汇流箱接6 路输入。经汇流后电缆经过电缆沟进入主控室交直流配电柜，通过交直流配电柜直流单元接入sg30k3 并网逆变器，最后由并网逆变器经交直流配电柜交流单元至380v 低压电网。
4 光伏并网逆变器的研究
4.1 性能特点
光伏并网逆变器采用美国ti 公司dsp 控制芯片， 主电路采用日本最先进的智能功率ipm 模块组装，运用电流控制型pwm 有源逆变技术和优质进口高效隔离变压器，可靠性高，保护功能齐全，且具有电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等优点。其结构图2 所示。
并网逆变器通过三相逆变器，将光伏阵列的直流电压变换为高频的三相交流电压，并通过滤波器滤波变成正弦波电压接着通过三相变压器隔离升压后并入电网发电。为了使光伏阵列以最大功率发电，在直流侧采用了先进的mppt（maximum power point tracking)）算法。
4.2 基于模糊控制的太阳电池最大功率点跟踪控制算法
4.2.1 太阳电池特性
日照强度在极大的程度上影响太阳电池阵列的输出电流。图3 给出了不同日照强度下典型的i-v 和p-v 特性。
图4 为太阳电池阵列的输出功率特性p-v 曲线， 由图可知当阵列工作电压小于最大功率点电压vmax 时，阵列输出功率随太阳电池端电压vpv 上升而增加； 当阵列工作电压大于最大功率点电压vmax时，阵列输出功率随vpv 上升而减少。mppt 的实现实质上是一个自寻优过程，即通过控制阵列端电压vpv ，使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。
本项目采用基于模糊逻辑的mppt 控制算法，取得了良好地动态响应速度和精度。
4.2.2 基于模糊逻辑控制器的mppt基于模糊集合和模糊算法的模糊理论可以得出一系列模糊控制规则，可以由dsp 十分简明的执行。模糊逻辑控制器的设计主要包括以下几项内容：
1）确定模糊控制器的输入变量和输出变量；
2）归纳和总结模糊控制器的控制规则；
3）确定模糊化和反模糊化的方法；
4）选择论域并确定有关参数。实现mppt 的模糊逻辑控制器构成如图5 所示。
4.2.3 模糊推理算法
在模糊理论中，模糊控制的推理方法很多，但在模糊控制中应用较多有mamdani 推理、larsen 推理、tsukamoto 推理和takagi-sugeno推理。本文采用mamdani 推理举例说明控制算法， 推理规则采用“if……then……”的语句格式进行定义。
举例说明： “if (dp/di is pb) and (△dp/di is pb) and (△udc (k-1)is p) then (△udc (k) is pb)”。如图6 所示，“dp/di is pb”意味着目前太阳电池阵列的工作点位于p-i 曲线的左半部分斜率较大的部分，所以大致上flc 的输出△udc (k)应该为正。考虑“△udc (k-1) is p”意味着上次flc 的输出△udc (k)为正，即并网输出功率加大；接着考虑“△dp/di is pb”，意味着的斜率变化为正，即当前的斜率比上次的斜率有较明显的加大。从p-i 曲线可以看出，如果日照不变，在曲线左半段，p 增加，则斜率dp/di 是下降的，而目前斜率dp/di 反而上升，意味着当前的日照有较大幅度的增加。为此，flc 的输出△udc (k)也应为较大的正值。所以△udc(k) is pb。
4.2.4 精确输出量的反模糊化
反模糊化的目的就是必须求出能代表所有模糊输出量的作用的精确值。即在推理得到的模糊集合中取出最能代表这个模糊集合的单值。对于本文来说，flc 的输出应该是一个确定具体的△udc (k)提供给后级的直流电压外环控制程序。
反模糊判决可以采用不同的方法，用不同的方法所得的结果也是不同的。常用的方法有：最大隶属度法，重心法，系数加权平均法和隶属度限幅元素平均法。本文采用重心法。其计算表达式如下：
上式中μ(di)为第i 个模糊输出量的隶属度，即模糊推理的结果；di 为第i 个模糊输出量单点位置或中心元素的位置；n 为所定义的系统输出模糊量的个数，本项目中n 为5。
5 运行效益
蚌埠供电公司110kv 锥山变电站光伏系统总功率为30kw，系统直流部分效率按90％计，交流部分效率按90％计，蚌埠地区平均每天峰值日照时间按3 小时，理论系统年发电量为：30×3×365×90％×90％=26608 kwh。2009 年实际发电量为25818 kwh。
传统的火力发电多以煤炭为燃料且产生大量污染， 主要为粉尘、二氧化碳、二氧化硫、热污染和化学药品污染等。每年需要一大批污染处理和环保费用。太阳能发电无需消耗燃料，没有空气污染，可以节约标煤和实现减排温室气体（包括co2，nox 等）的作用，实现能源的清洁利用， 对保护环境， 节省能源作出很大贡献。以每发1 度电消耗374g 标煤计算，发2.6 万kwh 电消耗耗标煤9.724 吨。以每发1 度电可以少排放170gco2，7.68gso2计算，光伏发电2.6 万kwh 可减少co2排放量4.42 吨，减少so2排放量199.68kg。
6 结语
变电站光伏并网发电系统使用了太阳能这一绿色、环保无污染的清洁能源，节能、环保，而且增加了变电站站用电系统的可靠性。在夜晚或阴雨天发电量不足时，由电网给站用电负荷供电，总体上实现站用电负荷全年对于市电的“零消耗”。尽管目前太阳能光伏发电系统的造价相对偏高,相比其它发电形式来说,其经济效益并不明显,但随着光伏发电的产业化及常规能源的稀有化,其投资造价必然会逐步降低、经济效益也会越发明显。
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1 系统构成
锥山变电站光伏系统设计总容量为30kw，主要包括光伏组件、并网逆变器、交直流防雷配电柜等部分。光伏组件在光生伏打效应下将太阳能转换成直流电能， 直流电经交直流防雷配电柜流入并网逆变器，并网逆变器将其逆变成符合电网电能质量要求的交流电，经过交直流防雷配电柜接入ac380v/50hz 三相交流电网进行并网发电。该系统采用大功率单晶硅太阳能电池组件， 光伏组件有效总面积220m2，占地约470m2。
每个太阳能电池串列按照8 块电池组件进行串联设计，系统可分成21 个太阳能电池串列。为了减少电池组件与逆变器之间连接线，以及日后的维护方便，在直流侧配置了4 台光伏方阵防雷汇流箱，其直流输出通过电缆线输送到二次室，经交直流防雷配电柜直流单元汇流成一条直流母线输入到sg30k3 并网逆变器，再通过交直流防雷配电柜交流单元接入ac380v/50hz 三相交流低压电网。
整个光伏并网发电系统配置1 套监控装置， 通过rs485 或ethernet（以太网）通讯接口将系统的工作状态和运行数据以及环境参数提供给专业技术人员进行实时监测。
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2 系统技术要求
2.1 要求光伏并网，在白天由光伏发电给站用电负荷供电，并将多余电量馈入电网。在晚上或阴雨天发电量不足时，由市电给站用电负荷供电。
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2.3 要求系统具备过/欠压保护、过/欠频保护、短路保护、防孤岛效应等并网保护功能；
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太阳能电池组件方阵在有光照情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。在光生伏打效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，太阳能电池是能量转换的器件。当太阳光照射到半导体p-n结时，会在p-n 结两边产生电压，使p-n 结短路，就会产生电流。这个电流随着光的强度的加大而增大，当接受的光的强度一定时，就可以将太阳能电池看成恒流源。太阳能电池主要有以下几种类型：单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等。目前在研究的还有纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜以及有机太阳电池等。但实际应用的主要还是单晶硅电池和多晶硅电池。其中单晶硅电池的转换效率最高，因此锥山变电站光伏并网发电系统选用了单晶硅电池。
3．2 光伏组件方阵的设计
采用180w 单晶硅光伏电池组件共168 块，分为21 个单元，每个单元阵列支架可放置8 块太阳能电池组件。组件正面朝南放置，阵列共5 行，其中靠北4 行每行包含5 个单元阵列，靠南单独一单元阵列为一行。根据蚌埠纬度，优化设计支架与水平地面倾角为27.4°。
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4 光伏并网逆变器的研究
4.1 性能特点
光伏并网逆变器采用美国ti 公司dsp 控制芯片， 主电路采用日本最先进的智能功率ipm 模块组装，运用电流控制型pwm 有源逆变技术和优质进口高效隔离变压器，可靠性高，保护功能齐全，且具有电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电等优点。其结构图2 所示。
并网逆变器通过三相逆变器，将光伏阵列的直流电压变换为高频的三相交流电压，并通过滤波器滤波变成正弦波电压接着通过三相变压器隔离升压后并入电网发电。为了使光伏阵列以最大功率发电，在直流侧采用了先进的mppt（maximum power point tracking)）算法。
4.2 基于模糊控制的太阳电池最大功率点跟踪控制算法
4.2.1 太阳电池特性
日照强度在极大的程度上影响太阳电池阵列的输出电流。图3 给出了不同日照强度下典型的i-v 和p-v 特性。
图4 为太阳电池阵列的输出功率特性p-v 曲线， 由图可知当阵列工作电压小于最大功率点电压vmax 时，阵列输出功率随太阳电池端电压vpv 上升而增加； 当阵列工作电压大于最大功率点电压vmax时，阵列输出功率随vpv 上升而减少。mppt 的实现实质上是一个自寻优过程，即通过控制阵列端电压vpv ，使阵列能在各种不同的日照和温度环境下智能化地输出最大功率。
本项目采用基于模糊逻辑的mppt 控制算法，取得了良好地动态响应速度和精度。
4.2.2 基于模糊逻辑控制器的mppt基于模糊集合和模糊算法的模糊理论可以得出一系列模糊控制规则，可以由dsp 十分简明的执行。模糊逻辑控制器的设计主要包括以下几项内容：
1）确定模糊控制器的输入变量和输出变量；
2）归纳和总结模糊控制器的控制规则；
3）确定模糊化和反模糊化的方法；
4）选择论域并确定有关参数。实现mppt 的模糊逻辑控制器构成如图5 所示。
4.2.3 模糊推理算法
在模糊理论中，模糊控制的推理方法很多，但在模糊控制中应用较多有mamdani 推理、larsen 推理、tsukamoto 推理和takagi-sugeno推理。本文采用mamdani 推理举例说明控制算法， 推理规则采用“if……then……”的语句格式进行定义。
举例说明： “if (dp/di is pb) and (△dp/di is pb) and (△udc (k-1)is p) then (△udc (k) is pb)”。如图6 所示，“dp/di is pb”意味着目前太阳电池阵列的工作点位于p-i 曲线的左半部分斜率较大的部分，所以大致上flc 的输出△udc (k)应该为正。考虑“△udc (k-1) is p”意味着上次flc 的输出△udc (k)为正，即并网输出功率加大；接着考虑“△dp/di is pb”，意味着的斜率变化为正，即当前的斜率比上次的斜率有较明显的加大。从p-i 曲线可以看出，如果日照不变，在曲线左半段，p 增加，则斜率dp/di 是下降的，而目前斜率dp/di 反而上升，意味着当前的日照有较大幅度的增加。为此，flc 的输出△udc (k)也应为较大的正值。所以△udc(k) is pb。
4.2.4 精确输出量的反模糊化
反模糊化的目的就是必须求出能代表所有模糊输出量的作用的精确值。即在推理得到的模糊集合中取出最能代表这个模糊集合的单值。对于本文来说，flc 的输出应该是一个确定具体的△udc (k)提供给后级的直流电压外环控制程序。
反模糊判决可以采用不同的方法，用不同的方法所得的结果也是不同的。常用的方法有：最大隶属度法，重心法，系数加权平均法和隶属度限幅元素平均法。本文采用重心法。其计算表达式如下：
上式中μ(di)为第i 个模糊输出量的隶属度，即模糊推理的结果；di 为第i 个模糊输出量单点位置或中心元素的位置；n 为所定义的系统输出模糊量的个数，本项目中n 为5。
5 运行效益
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传统的火力发电多以煤炭为燃料且产生大量污染， 主要为粉尘、二氧化碳、二氧化硫、热污染和化学药品污染等。每年需要一大批污染处理和环保费用。太阳能发电无需消耗燃料，没有空气污染，可以节约标煤和实现减排温室气体（包括co2，nox 等）的作用，实现能源的清洁利用， 对保护环境， 节省能源作出很大贡献。以每发1 度电消耗374g 标煤计算，发2.6 万kwh 电消耗耗标煤9.724 吨。以每发1 度电可以少排放170gco2，7.68gso2计算，光伏发电2.6 万kwh 可减少co2排放量4.42 吨，减少so2排放量199.68kg。
6 结语
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