小型带储能光伏微网系统的教学模型设计与实现
发表时间：2018-10-19T13:21:22.027Z  来源：《防护工程》2018年第14期作者：王文
[导读] 本文结合具体教学课程与实验场地等情况，搭建了一套小型光伏微网系统。系统采用框架式结构将单晶硅电池组件、模拟光源、光线传感器、运动机构
王文
杭州天科教仪设备有限公司浙江杭州  310023
摘要：本文结合具体教学课程与实验场地等情况，搭建了一套小型光伏微网系统。系统采用框架式结构将单晶硅电池组件、模拟光源、光线传感器、运动机构、减速箱等构架成一组光伏模拟单元，并匹配控制器、蓄电池、逆变器、负载等有机组合成一套完整光伏发电智能控制微系统。系统原理简洁明了，各部功能可视化、可操作性强，能有效辅助实验教学，帮助学生理解太阳能光伏发电原理，学习工程应用技能。
关键字：光伏发电系统；控制系统；微网系统；实验教学
1 引言
近年来随着全球经济的发展，能源需求越来越大，太阳能作为清洁无污染的可再生能源，受到了广泛关注，成为各国新能源开发计划中的重点。新能源也成为了各大专院校开设的一项新课题，并在实验室中建立微系统，配合科研与教学。
本文借鉴实际光伏发电系统的构造，结合当前教学需求，搭建了一套由光伏组件、储能、交直流转换器、负载、监测系统及保护装置构成的小型发配电系统。并对系统构架和主要功能做了介绍与分析，希望能对各大高校实验教学有所参考价值。
2 光伏微网系统
2.1光伏微网系统设计
本系统由光伏发电模拟系统，蓄电池储能系统、逆变控制系统及监测保护通讯系统构成，见图1。系统中的微机及上位机控制部分，通过RS485数据线与光伏发电系统、储能系统、跟踪系统、逆变系统进行通讯，并设置整机工作模式及监测电压、电流、频率等相关参数。
2.2 系统运行
2.2.1光伏组件主要参数
光伏电池组件额定功率：20W，额定电压
图1光伏实验微网系统结构图
17.2V，额定电流：1.17A，开路电压：21.4V ，短路电流：1.27A ，数量4片
2.2.2模拟光源控制
由于实验场地的限制（室内），本装置采用3只高瓦数（300W）射灯作为光伏发电模拟光源，三只射灯分别以一定角度固定于光伏组件上方，代表“早、中、晚”三个时间段太阳方位，并且亮度可控，用于模拟天气变化。
2.2.3光伏供电控制
光伏供电控制单元由选择开关、急停按钮、带灯按钮、接线端子组成。控制系统分手动与自动两套系统，手动控制系统通过面板上各按钮点动控制，自动控制系统由光线传感器与逐日系统配合控制来完成。
逐日系统采用光线传感器（4象限）作为信号采集器件，当光照以一定的倾斜角度照射到光伏组件上时，安装在光伏组件中心位置的光线传感器，其4象限分别接收到不同光照强度，对应产生四路电压信号，控制系统通过对接收到的四路电压信号强弱的判定，做出光伏组件转动指令，驱动水平、仰俯直流电机使光伏组件运行到光照接收最大处（即4象限接收光强相同）。
2.2.4光伏供主电路
光伏供电主电路如图2所示，
图2 光伏供电主电路电气原理图
图中继电器KA1、KA2、KA3将AC220V通过接插座CON3分别供给投射灯1、投射灯2、投射灯3,，其工作状态由手动或自动设定。光伏组件的向东偏转或向西偏转是由水平运动直流电动机控制，正、反转由继电器KA4和KA5通过接插座CON4向直流电机提供不同极性的直流24V电源来实现。同理光伏组件的向北偏转或向南偏转由俯仰运动直流电动机控制，其正、反转由继电器KA6和KA7来完成。
直流12V开关电源为光线传感器及控制系统供电。继电器KA1至继电器KA7的线圈使用24V电源。
2.2.5储能控制单元
蓄电池组选用2节阀控密封式铅酸蓄电池，主要参数：容量12V  18Ah
蓄电池的充电过程及充电保护由控制单元及程序完成，放电保护由控制单元、光耦隔离开关及继电器
来完成。当蓄电池放电电压低于设定值时，控制单元输出信号驱动光耦隔离开关及继电器，使继电器断开，切断蓄电池的放电回路。控制单元由DSP控制系统通过采集光伏组件电压/电流信息、蓄电池组电压/电流信息，实现对蓄电池组的充、放电过程及蓄电池欠压控制、蓄电池实际充电波形监测等。同时完成对监控一体机的通讯、触摸屏通讯。
2.2.6逆变与负载系统
逆变与负载系统主要由逆变电源控制单元、逆变输出显示单元、逆变器、变频器、三相交流负载、直流负载、接线排、断路器等组成。
逆变与负载系统主要又逆变器、交流调速系统、逆变器测试模块、灯组模块组成，电气原理图如图3所示。逆变器的输入由光伏发电系统或蓄电池组提供，逆变器输出单相220V 50Hz的交流电。
交流调速系统有变频器和三相交流电动机组成，逆变器输出交流220V电源到变频器输入端，变频器将单相交流220V变换为三相交流220V 驱动三相交流电机。
图3 逆变与负载系统主电路电器原理图
2.2.7监控通讯系统
带灯
监控系统主要由计算机与工控组态软件组成。监控系统与光伏供电系统的PLC、系统电压表和电流表的通讯采用RS485通讯方式，通讯接口分别为COM1、COM2、COM3；监控系统上位机与光伏供电系统的DSP控制系统通信接口为COM4、COM5.
3 结语
本文所设计的带储能光伏微网系统是我公司生产并经过实测的，有良好的控制灵活性、运行可靠性及可视化、人性化操作界面。适合实验教学，有较好推广价值。
参考文献：
[1]王成山，杨占刚，王守相，车延博.微网实验系统结构特征及控制模式分析[J].电力系统自动化，2010，34（1）：99-105
[2]杨占刚，王成山，车延博.可实现运行模式灵活切换的小型微网实验系统[J].电力系统自动化，2009，33（14）：89-92.
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