力诺电力集团股份有限公司 250103
摘要：太阳能作为一种新型、环保、洁净的可再生能源，近年来越来越受到人们的普遍关注，在政策方面国家也对太阳能的发展给予了大力扶持。太阳能已经成为未来能源开发利用的一个重要方向。户用光伏发电系统属于小型光伏发电系统功率小、安装方便、维护简单。我国大部分农村地区太阳能资源丰富，部分贫困地区无电、缺电，在广大农村地区大力推广小型户用光伏发电系统能够直接作用于我国的新农村建设。基于此，本文主要对户用光伏发电系统的研究与应用进行分析探讨。
关键词：户用光伏发电系统；研究；应用
1、前言
随着能源危机和环境污染的日益严重，新型绿色能源受到各国的重视。太阳能作为资源最丰富的非化石能源，具有分布广、可再生、无污染等优点，是世界各国的研究重点。户用光伏发电系统的应用，对于解决边远贫困地区的部分生活用电，促进地区经济社会的协调发展和民族团结有着重要意义。
2、户用光伏发电系统的研究
2.1发电系统类型
太阳能光伏发电系统的运行方式主要分为离网运行和并网运行两大类。选取双方向并网系统进行研究。该系统可以对电网调峰，出入电网灵活，而且可以将公共电网作为储能装置，把剩余电能回馈至公共电网中，节省掉配备蓄电池的开支。户用双向发电系统基本结构如图1所示。
图 1 户用型双向光伏发电系统基本结构
逆变器选用双向逆变器，即光伏系统和公共电网之间的能量可以双方向传输。一个典型的户用型太阳能发电系统，其负载的供能方式有2种，即公共电网提供电力（称顺朝流）和太阳能电池直接供能，剩余电能反馈给公共电网（称逆潮流）。
2.2并网双向逆变器构成
逆变器由PWM与DC/DC直流斩波电路构成，其不使用变压器结构，而是通过在直流一端加入DC/DC电路进行电压变换，因此系统的工作效率较高。在户用型发电系统设计中，多选用此种方案。现只针对单相并网双向逆变器进行研究，单相并网双向逆变器系统结构如图2所示。
图 2 单相并网双向逆变器系统结构
单相并网双向逆变器由主电路和控制电路组成。主电路包括电抗器、PWM、DC/DC变换器等结构；控制电路包括PWM整流控制和DC/DC直流变换器控制两部分，均由单片机PIC16F877A进行控制。其中，PWM整流控制由交流电压或相位检测、过流保护、过压保护等构成；DC/DC变换器控制主要包括PWM波产生、电能传输方向控制及过压、过流保护等。在设计电路过程中，在直流侧加入一个直流负载。此负载通过单片机进行控制，为保证直流负载运行稳定，负载两端电压UR须保持为恒定值。保持UR恒定的方法为：当太阳能电池阵列输出功率小于负载所消耗功率时，UR降低，由公共电网进行补充；当太阳能电池阵列输出功率大于负载所消耗功率时，UR升高，此时向公共电网输送电能。逆变器的主电路由PWM整流桥和boost/buck升降压斩波电路构成，结构如图3所示。
图 3 单相并网双向逆变器主电路结构
2.3模糊控制算法最大功率点跟踪
模糊化、模糊推理、输出量解模糊是模糊控制最常见的3个阶段。当光伏阵列输出功率和输出电压关系满足dPPV/dUPV=0时，达到最大功率点，所以选择dPPV/dUPV和ΔdPPV/dUPV作为模糊控制输入变量E和CE。基于dPPV/dUPV=0原理的模糊控制如图4所示。
图 4 模糊控制基本原理
3、应用分析
3.1系统参数设定
3.1.1环境参数
设计用户面向沈阳周边农村地区。设定此地区的最长阴雨天为5d，连续两次最长阴雨天之间的最短间隔为30d。
3.1.2负载参数
抽取中等生活水平的农户作为设计对象，日平均负荷详细参数见表1。根据上表统计日负荷平均耗电量时，增加5%的预期负荷留量，所以日均耗电总量为：0.97×1.05=1.02kwh。
表1，负荷的基本情况
3.2能量利用率及用户需求满足率
用PVSYST软件对该系统进行仿真，用户需求率为97﹪，只有12月及1月系统输出不能完全满足用户需求。由于光伏倾角按冬季可接收到最大太阳辐射设计，因此11月、12月及1月的能量利用率高于其余月份，整体的能量利用率为65%。沈阳地区冬季降雪量大，日照时间短，光伏系统的发电量会受到影响，在此期间，用户可以配备其他能源作为补充或相应的减少用电量。
3.3蓄电池的工作状态
11月、12月及1月平均荷电状态在0.6左右，其余月份维持在0.85左右。
3.4系统经济性
该光伏发电系统中光板的寿命一般为25年，蓄电池寿命为5到7年，设定整个发电系统的使用周期为25年，在此期间，还应该更换蓄电池的次数约为3次，系统成本如表2所示。因此，25年内该系统的投资成本约为28200元。该光伏系统每年产电约为476kwh，在一个周期25年内总产电11900kwh，折合为2.37元/kwh。
表2，光伏系统成本
3.5环保效益
该光伏系统每年产电约为476kwh，在一个周期25年内总产电11900kwh，按照火力发电标准，每度电耗煤0.4kg，则光伏系统一周期内节约煤4.76t。该光伏系统在一周期内总减排效益为992.22元。
结合实例总结了户用独立光伏发电系统设计步骤，归纳了设计过程中需要注意和解决的问题。在蓄电池的的容量设计时除考虑蓄电池的最长连续阴雨天外，还考虑了亏电后的最短恢复时间，提高了设计的供电可靠性。通过PVSYST软件对设计系统进行仿真与分析，可以看出光伏组件的效率损失和电池的充电能量损失占系统能量损失的大部分，但系统基本能够满足用户的需要。由于户用光伏系统的投资较大，使光伏电价比常规电价高出许多，但是却有很好的减排效益，能够服务于农村的能源建设，适合在农村低层住宅引入。
4、结语
户用光伏系统应用范围广泛，不仅可用于经济不发达地区的偏远山区、农村、海岛等，也可大量应用于经济较发达地区的乡间居民屋顶、城乡别墅或大量应用于城市居民建筑屋顶或维护结构，应用前景广阔，适合大规模推广应用。
参考文献：
[1]王江波，费标清，王越，等.户用微电网能量调度日前计划研究[J].电测与仪表，2013，（8）：81-86.
[2]杜海江，杨明皓，丑丽丽，等.户用风光水直流微电网控制策略与实现[J].农业工程学报，2011，（8）：277-281.
论文作者:韩文敏
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/5/29
标签：系统论文; 光伏论文; 逆变器论文; 电网论文; 用光论文; 双向论文; 负载论文; 《基层建设》2018年第10期论文;