摘要：针对光伏发电与市电互补式的发电系统在建筑公共设施供配电中的应用进行研究, 以实际工程为例介绍光伏发电系统在高层楼宇地下车库及电梯间照明系统中的设计应用。阐述自动切换系统的硬件电路设计及光伏发电系统的匹配功率计算。
关键词：光伏发电；公共设施系统；运行模式；负荷计算；控制模块；
1 太阳能光伏发电在我国的发展现状
2016年12月, 国家能源局印发了《太阳能发展“十三五”规划》, 太阳能开发利用规模快速扩大, 技术进步和产业升级加快, 成本显著降低, 已成为全球能源转型的重要领域。“十三五”将是太阳能产业发展的关键时期, 基本任务是完成产业升级, 降低成本, 扩大应用, 实现不依赖国家补贴的市场化自我持续发展。
我国在2017年上半年内完成了总量为24.4 GW的太阳能项目安装。据CPIA数据显示, 中国目前的太阳能光伏发电设备总累积量已达101.82G W, 其中包括84.39 GW公共事业光伏项目和14.73 GW分布式光伏项目。光伏发电技术已逐渐在民用建筑领域推广应用。下面结合工程实例介绍光伏发电技术在建筑公共设施系统中的应用。
2 建筑供配电中的光伏发电系统组成
2.1太阳能光伏板
太阳能光伏板是光伏发电系统的核心部件, 光伏板板面吸收太阳光, 将太阳能转化为电能。太阳能光伏板直接关系到整个光伏发电系统的光电转换效率。本工程中, 将太阳能光伏板安放在楼顶处, 采用先串联后并联的连接方式, 组成整个光伏阵列。太阳能光伏板的倾角由单轴跟踪系统来确定, 具体实现方式为:由采光桶对日光进行采集, 通过桶内两个光敏电阻的阻值判断太阳位置, 电阻的差值经信号调理电路和A/D转换后, 送至PLC, 由PLC控制步进电机调整光伏板的角度, 直至两光敏电阻阻值相等。
2.2DC/DC变换器
DC/DC变换器主要功能:检测主回路中的直流电压和输出电流, 计算太阳能转化为光能后的输出功率。
2.3储能电池及储能电量检测与控制
本文中储能电池的电量检测与控制通过电池管理系统 (BMS) 实现。BMS通过实时监测电池充放电数据, 确定电池的各项参数如电压、电流、温度、SOC等,实时监控电池状态, 有效利用电池能量、避免电池过度充电和过度放电, 以达到延长电池寿命的目的。
2.4PWM控制模块
PWM控制模块主要通过检测回路中的电流和电压, 把直流电压分割成一系列脉冲, 改变脉冲的占空比来获得所需的输出电压, 从而获得所需输出功率, 实现最大功率点追踪。
2.5DC/AC变换器
DC/AC变换器又称逆变器。逆变器的主要功能就是将光伏发电系统所发出的直流电变换成符合配电要求的交流电, 为负载提供AC 220 V、50 Hz交流电源。
2.6双电源自动切换开关
双电源自动切换开关的作用是将负载电路从当前电源自动换接至备用电源, 能够确保为重要负荷连续、可靠的供电。当光照充足时, 由太阳能光伏发电为建筑公共设施系统供电, 多余电能储存至储能电池;当光照不足或阴雨天时, 自动切换开关的控制器通过对电源回路的电压监测, 控制转换开关对光伏回路欠压或失压的情况进行电源切换, 将公共设施系统的供电方式切换至市电供电, 并为储能电池充电。
2.7负载
建筑物公共设施系统, 主要包括车库照明及楼梯间照明。
3 光伏发电技术在公共设施系统中的应用
3.1系统运行模式
本文采用并网与离网混合型光伏发电模式。当光照充足时, 发电系统处于离网状态, 太阳能转化为电能, 经过DC/AC变换为交流负载供电, 多余电能储存至储能电池。当光照不足或阴雨天, 且储能电池内电量低于某一定值时, 发电系统接入市电, 离网状态转为并网状态, 由市电直接为交流负载供电, 并为储能电池充电。
3.2光伏发电在车库及楼梯间照明系统中的应用及功率计算
本文采用光伏发电技术为建筑公共设施供电, 主要包括车库照明及楼梯间照明。
以某住宅项目 (8栋26层高层住宅) 为例, 进行功率计算。经现场实际测算, 车库照明需36 W单管荧光灯484盏, 每盏灯配4 W的镇流器, 分8路供电;楼梯间采用剪刀式楼梯, 每层楼梯间设置2套灯具, 故楼梯间照明采用了32 W环形荧光灯832盏, 分16路供电, 如图1所示。
即该项目公共设施系统所需负荷为:
图1建筑公共设施配电系统图
以光伏发电取代市电作为常用电源, 将减少常规能源消耗, 减小电网压力。市电作为备用电源, 在光伏系统无法发电的情况下切换至市电, 也提高了建筑公共设施系统供电的可靠性。
4 双电源自动转换开关
本文采用光伏发电与市电双电源供电模式, 光伏发电作为常用电源, 市电作为备用电源, 采用双电源自动转换开关 (ATSE) 作为电源切换装置。
考虑PC级双电源自动转换开关相比于CB级, 可靠性和安全性更高, 转换速度更快, 故本工程选用了PC级双电源自动转换开关, 并为PC级ATSE配置短路保护电器。由于熔断器限流性能好, 限制短路电流能力强, 故选用熔断器作为PC级ATSE的短路保护。
本文针对建筑公共设施系统主要是车库及楼梯间照明的配电, 要求ATSE转换时间较短, 故选用二段式ATSE。二段式ATSE开关主触头只有两个工作位, 即“常用电源位”与“备用电源位”, 其供电可靠性高, 转换动作时间快, 总动作时间一般在50~250 ms。
综合各方面要求, 本工程选用TBBQ6系列转换开关, 使用类别为AC-33 A, 电流范围为16~630 A, 采用励磁驱动, 触头转换时间小于75 ms;最大限制短路电流120 k A;N线重叠切换可选, 避免因切换引起三相不平衡, 满足对建筑公共设施系统供电电源的切换需求。
双电源自动切换开关的控制器主要用来监测主备两路电源的工作状况。当任一路被监测的电源发生断相、欠压、失压或频率偏差时, 控制器接收到故障信号并发出动作指令, 开关本体带着负载从一个电源自动转换至另一个电源。针对本文所设计的系统, 当太阳光衰减或消失, 控制器会检测到光伏线路欠压或失压, 并控制开关本体动作, 将供电电源切换至市电。而从备用电源恢复到常用电源 (即复位) 时, 并不是因为备用电源故障, 通常不希望常用电源 (光伏) 一恢复就立刻转换, 而需要在常用电源恢复正常一定时间后, ATSE再切换到常用电源。延时复位的目的在于确保常用电源恢复正常, 避免因常用电源短时间再次出故障, 导致电源频繁转换, 缩短ATSE的使用寿命。
ATSE在本工程中起到了关键的转换作用, 将光伏与市电及时切换, 实现光伏发电在建筑公共设施供配电中合理运用的目的。
5 结语
光伏发电与市电互补自动切换的发电系统是未来光伏发电的主流形式, 本文主要研究其在建筑物公共设施系统中的应用, 利用光伏发电系统作为主电源, 市电作为备用电源, 高效稳定地为建筑物公共设施系统提供电能, 也降低了建筑物能耗。
参考文献
[1]胡云岩, 张瑞英, 王军.中国太阳能光伏发电的发展现状及前景[J].河北科技大学学报, 2014, 35 (1) :69-72.
[2]邓洲.国内光伏应用市场存在的问题、障碍和发展前景[J].中国能源, 2013, 35 (1) :12-16.
论文作者:尹炳娇
论文发表刊物:《基层建设》2018年第25期
论文发表时间:2018/9/17
标签：光伏论文; 电源论文; 市电论文; 系统论文; 公共设施论文; 太阳能论文; 变换器论文; 《基层建设》2018年第25期论文;