针对应用广泛的小型离网型光伏发电系统，为研究特定应用环境下系统工作特性，合理选择发电装置和负载。本文设计一种小型离网型光伏发电实验系统设计方法，通过分析实验系统发电装置和负载的工作特性，开展小型离网型光伏发电实验系统的设计与优化工作。
小型离网型光伏发电实验系统设计与实现
◎刘小旭 范大林 牛奔 高连宇
引言：可再生能源越来越受到人们的重视，大力开发可再生能源可有效缓解传统化石能源开发利用过程中引起的资源日趋枯竭、环境污染等问题。当前，可供开发利用的可再生能源有多种类型，但考虑到海洋能、地热能等可再生能源开发利用技术发展较晚，开发技术难度较大，尚处于科研实验阶段。因此真正达到产品化并可供普通民众利用的可再生能源仅有太阳能和风能。太阳能发电与风力发电技术在我国已经形成比较完备的产业技术优势，综合考虑施工难度、运行维护成本、系统运行稳定性等多方面因素，当前情况下，民用多以离网型小型发电系统形式为主。太阳能是蕴藏最为丰富、应用范围最为广泛的可再生能源，在我国东北、华北、西北以及青藏高原部分地区均具有开发利用太阳能的优势。太阳能发电也称为光伏发电技术，被认为是开发利用难度相对较小的可再生能源利用方式。但考虑到太阳能电池受光伏材料工艺技术水平的制约，当前多数光伏发电产品光电转换效率在10%以下，且光伏发电设备在夜间或白天光照情况较差时不工作，这就需要我们在获取相同电能时，选择更大功率的光伏发电设备。光伏发电单位功率造价较高，成本因素是在系统设计时必须要考虑的因素，合理选择满足负载需求的光伏发电设备至关重要。对于要求持续供电的负载，一般需要配备储能装置来维持发电系统的供需平衡。本文针对室外LED照明负载，设计由光伏电池、相关外围电路、储能蓄电池构成的小型离网型光伏发电实验系统，通过对发电装置和负载的工作特性分析，完善光伏发电系统的运行参数，进而实现系统的设计与优化。
一、实验系统构成
如图1所示为小型离网型光伏实验系统结构框图，该系统由光伏电池、DC/DC电路、储能蓄电池和负载构成。其中DC/DC电路有两部分构成，包括DC/DC充电电路和放电电路，负载包括常规LED负载和卸荷负载。光伏电池将吸收的太阳能转换为电能，并通过DC/DC充电电路为储能蓄电池充电；储能蓄电池吸收发电系统提供的电能，与此同时，通过DC/DC放电电路为LED负载提供所需电能；当蓄电池充满，LED负载无法完全消耗光伏电池所产生的电能时，DC/DC放电电路接入卸荷负载，消耗多余的电能，维持实验系统电能供需平衡。
二、实验系统电源管理与优化设计
由小型离网型光伏发电实验系统的结构图和工作原理可知，实验系统的运行过程实际是发电系统电能产生与负载电能消耗的过程，其中储能蓄电池在系统运行过程中至关重要。由于光伏发电系统直接受到工况光照环境的影响，存在不稳定的问题，负载用电消耗也具有随机性和不可预测性，这就不可避免地导致发电系统存在电能需求与供应的不平衡，储能蓄电池就是维持系统电能供需平衡的设备。从系统电源管理的角度分析，实验系统电能供应部分为光伏电池，电能的消耗部分包括LED负载、卸荷负载、DC/DC电路。储能蓄电池在充电过程中属于电能消耗部分，在放电过程中属于电能供应部分，但是严格意义上分析，实验系统蓄电池存储的电能最终来源于由光伏发电系统，因而储能蓄电池在本文中认为是电能消耗部分。
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实验系统存在以下三种工作状态：首先是电能的供应大于电能消耗，即光伏发电系统提供电能通过充电电路为蓄电池充电，蓄电池同时通过放电电路为LED负载供应所需电能，当电池充满且LED负载无法消耗多余的电能，这就需要引入卸荷负载，若卸荷负载不能消耗多余的电能时，如不采取其他措施，实验系统将面临损坏的风险；其次，电能的供应小于电能的消耗，即光伏发电系统提供的电能无法满足蓄电池充电和LED负载工作所需的电能，要维持系统正常工作，蓄电池停止充电，并转入放电模式为LED负载提供不足的电能，若长时间存在系统电能供应小于需求的状况，使蓄电池处于长期的放电状态，就要防止蓄电池出现过放和损坏；最后，系统电能的供应等于电能的消耗，即光伏电池产生的电能恰好等于LED负载消耗的电能，蓄电池储能状态维持稳定，这种状态其实是系统最为理想的工作状态，但考虑到发电装置和负载均具有随机性的特点，该状态却是系统实际运行时最难以达到的状态。通过以上分析，实验系统要实现运行状态稳定，首先要依据LED负载的用电需求选择合适的光伏发电系统规模，光伏发电系统功率选择过大或过小，均会加重系统电能供需的失衡；其次，储能蓄电池通过充电和放电，能够在系统电能供需失衡时维持发电系统与负载的稳定运行，离网型小型可再生能源发电系统必须要配备储能蓄电池。
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实验系统的优化设计实质是系统各部分参数的优化设计以及系统电源管理系统的优化设计。要结合负载的实际用电需求，选择合适额定功率和额定电压的光伏发电装置，以及适当额定容量和额定电压的储能蓄电池，DC/DC充放电电路的输入和输出参数要留出足够的裕量。在选择光伏发电系统运行参数之前，要准确采集实验环境光照强度，并依据光照强度和负载的工作电压计算光伏系统的额定参数，蓄电池容量的选择要确保其可以单独为负载提供24-48小时稳定电能。系统按照设计原理结构图连接后，要观察其运行状态，正常需要蓄电池的荷电状态维持在80%-95%的工作区间。倘若在系统运行过程中，蓄电池荷电状态长时间低于80%，则需要增加光伏发电系统的额定功率；倘若卸荷负载长时间处于工作状态，日平均工作时间大于3小时，则需要减小光伏发电系统的额定功率。通过对实验系统的运行参数进行分析，完成系统的优化设计。
三、结论
本文针对应用广泛小型离网型光伏发电实验系统，分析其基本结构与工作原理，通过对实验系统运行参数进行采集与分析，判定系统电能供需状态，以此为依据实现对光伏发电系统的优化设计。
（作者单位：吉林建筑大学电气与计算机学院）
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