光伏并网发电实训平台设计与应用新能源的开发使用已成当今世界发展主流.太阳能储量巨大,具有环保、洁净与可再生的特点, 且开发利用时无污染，不影响生态平衡，是低碳社会理想的新能源之一，专家预测在2 1世纪 前半期太阳能光伏产业将超过核电成为最重要的基础能源之一.目前我国太阳能光伏板的产 量占世界总产量的6 0%,但我们很少有核心技术,在技术上仍然处于被动局面•为此近年来, 我国高校开始增设光伏类新能源专业,培养市场急需的专业技术人才,将新能源引入到高校实 训教学当中,通过实训使学生了解新能源发电装置的构成和工作原理 ,激发学生的科研兴趣 , 这对加快人才培养步伐,实现技术突破具有重要意义.笔者结合多年的实训设备研制与实训教 学的经验,自主开发创制了光伏并网发电实训装置.1、 实训平台设计要求(1) 避免理论与实际脱节、实训教学与工程应用脱节的问题,让学生在实践中学习,能够融理 论与工程应用于一体的开放式实训教学平台,同时还能适合技能鉴定培训的需要.(2) 结构完备、使用灵活,便于拆卸,易于维护、安全可靠,易于扩展兼容.2、 实训平台技术方案 本实训平台技术方案包含模拟光源、光伏阵列系统、双轴跟踪系统、防雷系统和光伏并网发 电实训台,见图1.光伏阵列系统安装在双轴跟踪系统上,模拟光源与光伏阵列的支架固定相 连,光伏阵列、双轴跟踪系统和公共电网分别通过航空电缆接口与光伏并网发电实训台相连. 光伏并网发电实训台包含汇流箱、逆变器、仪表显示系统、运行监控系统、防雷系统与双向 电表,这些部件首先分别制作控制盒体、进行模块化,然后依据工程控制需要进行组装.輕扶电网*阵例清洗系统图1光伏发电实训平台技术方案3、平台核心模块工作原理光伏电池阵列是光伏并网发电实训平台的核心，它主要由2块单晶硅太阳能电池板(6 0 Wp/17.3V)和2块多晶硅太阳能电池板(6 0Wp/17.3V)组成•光伏阵列由光伏组件 构成,光伏组件主要由硅半导体材料制成.光生伏特效应原理(示意图见图2):当光照射到太阳 能电池上时,电池吸收光能,能量大于禁带宽度的光子穿过减反射膜进入硅中 ,激发出光生电 子G空穴对，并立即被内建电场分离,光生电子进入N区,光生空穴进入P区，在光电池两端出 现异号电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场，使P型层带正电、N层带负而产生光生电压”,这就是“光生伏特效应”.图2 光生伏特效应示意图光伏电池产生的实际电流I为式中:VD为PGN两端的结电压;10为PGN结的反向饱和电 流;Iph为与入射光的强度成正比的光生电流其比例系数是由太阳能电池的结构和材料的特 性决定;n为结构因子，表示PGN结特性的参数，通常n在1~2之间;q为电子电荷,q =1.6x10-19C;KB为波尔兹曼常数,KB = 1.3 8 x 1 0 - 2 3C;T为实际电池板绝对温度.从式(1)可知光伏产生的电流与光照强度和温度相关•光伏电池的IGV特性和PGV特性曲 线见图3和图4(P为功率).1 (MX) W/m-:图3常温不同光照下光伏电池特性曲线图4相同光照不同温度下光伏电池特性曲线 从图3中可知:当环境温度保持不变时,光照度越强,光伏电池输出的电流与功率越大,电流与 电压呈非线性关系,电压较低时与恒流源类似;在 PGV 曲线的拐点处为最大功率点,该点即 为最大功率点，每条曲线仅有1个最大功率点.从图4中可知:当光照强度不变时，温度越高光伏电池输出的电压与功率越低,当电压较高时 可近似为恒压源;当输出电压小于最大功率点电压时 ,输出功率近似呈线性变化;温度越高最 大输出功率越小•由图3与式(1)可知,输出功率和电流的强弱与日光强度、光伏材料和温度 有关•生产厂家通常只为用户提供2 5弋下的短路电流Isc、开路电压Uoc、最大功率点输出 功率Pm、最大功率点处的电压Um和最大功率点处的电流Im,应用时有困难.因此需将二者联系起来建立如下的光伏电池工程数学模型方程式:式中,C1、C2为修正系数;Np与Ns为分别为光伏阵列中串联、并联的数目.4、实训平台结构该实训平台主要由实训平台台体与电气系统两部分构成,4．1实训平台台体实训平台台体采用金属框架结构 ,表面静电喷涂处理,分2层,底层为光伏发电与逆变部分的 积木模块,通过航空电缆转接口与光伏阵列和外部电网相连;顶层为测量指示部分的积木盒体, 通过插接线与底层模块相连.支架中间横梁高强度设计,耐用美观,积木盒体在中间靠上下间 隙卡住,安装简便.这样非常方便师生在实训装置上进行教学与科研.4．2 电气系统构成电气系统主要由光伏阵列、模拟光源、光源双轴跟踪装置、能量转换测量显示系统、运行监 测系统、防雷系统与负载系统构成.(1) 模拟光源系统•在光伏组件上方5 0 cm处分别装有3盏卤钨灯,一支为2 2 0 V/50 HZ/3 0 0W卤钨灯，仿早晨阳光;中间为2 2 0V/50Hz,1kW卤钨灯，仿中午阳光;另外 一盏为2 2 0V/5 0HZ/5 0 0 W卤钨灯，仿下午阳光，三盏灯呈弧形分布.(2) 光源双轴跟踪装置.由太阳运行传感器、运动机构、控制变压器、步进电机、步进驱动器、 控制器和支架组成.太阳运行传感器采集模拟太阳光照度及位置信息 ,控制运动机构工作,使 模拟太阳光源光线与光伏阵列始终垂直,光电的转换效率最高,阵列输出功率最大.(3) 能量转换测量显示系统.该系统是光伏并网发电装置的控制核心,主要有汇流箱、逆变器 双向电度表与断路器组成•汇流箱采用江苏安科瑞的APVGM4;逆变器采用GTIG3 0 0W;双向电度表采用浙江立新仪表的DDS2 3 8 G2ZN/S,具有RS4 8 5通信功能•此外测 量显示部分由电压表、电流表、功率表、温湿度表、照度表,接在输出级的回路中,主要是直 观地显示电流、电压、功率、温湿度与照度的大小及变化的情况,以便学生观察.(4) 运行监测系统•由环境监测仪、光伏系统监控软件、PC机与汇流箱中的数据测量和采集 部分组成.主要功能:显示充电电压、充电电流、功率、运行状态;显示负载电压、负载电流、 负载功率、负载状态;显示当前风向、照度、温度等环境信息;各种参数保护、实时数据显示 与处理、详细的事故记录、报警参数设定、对用户提供权限管理、密码登录等.不仅能够准 确及时地对整体系统的各项参数进行记录和数据分析 ,还能够轻松实现从全球任何一台 PC 或智能监控光伏电站运行状态.(5) 防雷系统.对电气设备进行雷电防护,对每串光伏电池的出线端及支架、光伏阵列汇流箱 并网逆变器等相关电气设备进行等电位连接并安装防雷保护装置,汇流箱和逆变器与防雷模 块之间采用防浪涌保护•防雷模块与接地线之间阻值小于4Q(6 )负载系统•分交流负载与直流负载，交流负载主要由5 0W的白炽灯和交流电风扇(约2 0W)构成，由逆变器供电;直流负载主要由滑动电阻器1 (10Q/2 0 0W)、滑动电阻器2 (10 0Q/10 0W). 2 5W LED节能灯等组成，由太阳能电池直接供电•这样分类使用可提 高系统效率、节约能源和延长逆变器的寿命同时也提高了系统的可靠性.5、主要实训项目实训平台的各个部分是完全独立的“元器件积木模块”,学生在实训过程中可根据自己对光 伏发电应用的理解，自己动手选择相关模块进行组合实训•能够完成以下实训项目:太阳能光 伏板能量转换原理实训;太阳能电池板最大输出功率连接和转换效率测试;太阳能电池板方位 角、倾斜角的选择及太阳能组件支架的安装;太阳能电池自动追光系统;阵列汇流测试；DC G AC逆变转换;防雷系统测试;运行监测系统实训;最大功率追踪与并网发电测试;光伏发电并网6、光伏并网发电实训平台调试(1) 接线检查•检查该平台的各个积木模块的线缆、连线、接插件与器件无松动、损坏;检查 确认 DC 连接线缆极性正确、端子连接牢固度;电缆连接、接线端有无绝缘损坏、断线等现 象(2) 器件检查•检查积木模块上的器件(模拟光源、汇流器、逆变器，交流断路器、直流断路器 与熔断器)等是否完好无损坏及动作是否灵活可靠 ,所有器件的金属支架或螺钉是否固定牢 靠.(3) 绝缘度检测•用1 0 0 0V兆欧表，对每个模块的外壳、面板、插接件、电缆与装置的外 壳等做绝缘耐压测试或测量绝缘电阻，确保绝缘良好;检测地线连接，确保接地电阻小于4Q • 注意对泄漏电流测量时,测试电压可分4〜5阶段进行均匀升压，每阶段停留1 min,并读取泄漏电流值;当测试电压升至规定值后维持15mi n,其间读取1mi n和15mi n时的泄漏电流, 测量时应消除杂散电流的影响,测量后的泄漏电流作为判断绝缘状况的参考,不作为是否能投 入运行的依据•但有下列情况之一并予以处理：(1)泄漏电流很不稳定;(2)泄漏电流随测试电 压升高急剧上升;(3 )泄漏电流随测试时间延长有上升现象•检查时，应确保该平台的所有断路 器均处于OFF位置.(4) 首次开机•首先打开模拟光源的电源开关,等灯亮10min后再打开汇流箱的直流断路器 开关与跟踪控制器开关,进行光线跟踪控制;然后再打开直流负载开关,直至负载工作正常;最 后闭合逆变器直流输入开关,确认无误后再闭合空载下逆变器交流输出开关,检测并确认交流 输出电压值正确后,接入交流负载,直至全部负载工作正常;启动运行监测系统,进行检测控制. 此后逆变电源会自动追踪光伏电池最大功率点,实现最大功率并网,至此首次开机工作完成.(5) 系统运行测试•用电能质量分析仪来检测光伏发电质量•检测项目主要有:有功输出特性、 有功和无功控制特性;电能质量检测包含谐波、电压偏差、电压不平衡度、电压波动和闪变、 电磁兼容等;电压电流与频率响应特性;安全与保护功能;电源起停对电网的影响及其他规定 的内容,是否满足并网要求,并观察监控显示与测量值是否一致(如不一致,且误差较大,则需核 对参数设置是否与所要求的参数一致,如两者不一致,则修改参数设置.(6) 平台系统"老化” •需对系统的每个积木模块进行连续供电2 4h,并以间隔为2 0min时 间进行4 h高频开关机，然后再测量电能参数,这样循环测试1周，达到老化目标后，则可放心 使用."老化"时注意事项①逆变器要空载启动;②人为控制开关机的频率不要太高一般要间 隔2 0min、开机15min后再打开逆变电源;③交流最大负载要低于3 0 0W;为了人身和 设备的安全,交流负载端子不能短路.7、实训平台运用以光伏并网发电为例介绍其运用.(1)查阅资料.学生到图书馆或电子阅览室查阅所需资料,资料内容包括项目所在地区的地理 方位(经度、纬度)以及该区的阳光资源、环境状况、气象资料、风力状况与气候条件等,特别 是安装地区的太阳的辐照强度与方位角、高度角的变化规律.具体实施过程由该组组长负责, 相应的组员严格按照分工执行.(2)设计•依据掌握的资料信息对光伏并网发电系统进行容量与硬件设计•光伏并网发电系统 容量设计主要依据安装面积、负载容量与特性进行计算.主要依据工程的耐候性来选择最佳 的硬件设备,主要包含光伏组件的类型、支撑架材料结构、防雷与接地系统设计、逆变器的 选择、运行监控与控制系统设计和负载系统设计等环节.并网型太阳能光伏系统接线图见图5•在工程设计时,首先要从工程系统的软件和硬件方面进行斟酌,要本着系统设计的合理性、 实用性、经济性、可靠性与高性价比的原则进行设计..图5并网型太阳能光伏系统接线图序号ff IS数去ff9鬲件模坎14块中22D V/5b Wl^ftJtTL牛V1个LQSKV/iPW妇f国・1.牛g2iM W Li^i1 +-192P3牛4mA 12 V/24 V pV】牛1.2直间电哩*L牛51台13；4牛GSB和悼护#4SS1；啟卡电隕囁J牛gftflw勺暫井构崔亚梓1个LS1孑G12 V/K. 灯］牛1.6若十表1光伏并网发电系统所用模块(3) 实施•步骤如下：① 依据设计内容选取实训器件模块,见表② 将选取的模块在实训装置上安插好,然后依据设计图用插接线进行连接;③ 启动模拟光源，将光照射到太阳能电池板上10ms后打开汇流箱开关④ 此时观察直流单元,观测光伏输入电压,并作出记录;然后打开逆变器开关,3 ms后打开并 网开关;⑤ 打开负载开关调节电阻器,观察光伏输入电流、电压、频率等,并记录数据;⑥ 实验并观察 MPPT 最大功率跟踪以及孤岛效应检测,用示波器读取电压和电流波形,计算 并网型电站的太阳能利用效率;⑦ 撰写实训报告.光伏并网实训平台结合工程实际,采取积木式模块设计,结构灵活、便于组合和扩展,学生能够 依据自己的水平选择合适的实训项目,有利于加快学生由知识向灵活应用、独立解决实际工 程问题的转化,突出学生工程创新应用能力、团队合作能力和创新精神的培养,为学生今后工 作打下了较坚实的基础.。