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1主要研究內(nèi)容

1.1基于ARM和DSP雙核架構(gòu)的智能化電源管理模式光伏發(fā)電通常利用所謂的“三高效”來提高其電能采集量，即高效的能量轉(zhuǎn)換、高效的制造方法和高效的材料使用。但是，智能化電源管理系統(tǒng)通過第四種途徑來提高能量采集量，即利用半導(dǎo)體芯片技術(shù)實現(xiàn)對太陽能光伏組件發(fā)電的高效管理。本文中的研究采用ARM嵌入式系統(tǒng)加上DSP信號處理器的控制方式，將DC-DC變換器、逆變器等部件以及最大功率點跟蹤、通訊等功能統(tǒng)一管理，形成一個組件級的智能化電源管理系統(tǒng)，與太陽能光伏電池共同構(gòu)成智能光伏組件，見圖1。其中，ARM嵌入式系統(tǒng)擅長于應(yīng)用處理和外圍控制，而DSP信號處理器擅長于浮點運算、矢量運算，尤其適用于最大功率點跟蹤的實現(xiàn)，兩種各具特長芯片的結(jié)合，能發(fā)揮最佳的功效。目前，美國TI公司已經(jīng)研制出ARM與DSP整合在一起的達(dá)芬奇系列芯片，但器件成本和開發(fā)成本相對較高，應(yīng)用于智能光伏組件性價不夠突出。其實，針對智能組件的設(shè)計方案，最基本的ARM和DSP芯片就能滿足要求，關(guān)鍵在于設(shè)計能力和開發(fā)能力。組件級的電源管理模式可以在單個組件層面而不是在整個組件串層面提高光電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)然安裝場所不同，效果也有差異，比如在有樹葉遮蔽等情況下，組件級電源管理解決方案可以多采集3%～20%的光伏電量。而且，組件級電源管理解決方案能夠配合監(jiān)控系統(tǒng)對每一塊光伏組件實施監(jiān)控，實現(xiàn)對各個組件的智能巡檢，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。

1.2改進(jìn)的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高效逆變電路要把光伏組件輸出的波動直流電壓轉(zhuǎn)變成恒定可靠的正弦波交流市電，實現(xiàn)方式通常分為兩種構(gòu)架：單級變換和兩級變換，也稱為無直流斬波和有直流斬波式。DC-DC斬波器能夠保持逆變器輸入側(cè)電壓的恒定和可調(diào)，從而實現(xiàn)電壓和功率控制之間的解耦，有時也利于電力半導(dǎo)體器件的選取和系統(tǒng)成本優(yōu)化。但是，這一級額外的變換裝置很可能對系統(tǒng)效率帶來負(fù)面影響，所以越來越多的廠商在開發(fā)或評估單級變換的架構(gòu)，即使這樣會面臨更復(fù)雜的逆變器控制和潛在的更高器件耐量要求。本研究中的智能組件的逆變電路因其特殊的應(yīng)用需求，決定不能采用傳統(tǒng)的降壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如簡單的全橋或半橋結(jié)構(gòu)，而應(yīng)選擇能夠同時實現(xiàn)升降壓變換功能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，除此之外，還應(yīng)實現(xiàn)電氣隔離，但是受體積的限制，高效率的逆變電路不應(yīng)該采用工頻變壓器來實現(xiàn)電氣隔離，而應(yīng)采用高頻變壓器。本文中的研究，通過綜合分析智能高效分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的要求，并考慮到成本等因素，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)前的技術(shù)環(huán)境下采用改進(jìn)的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最為合理。如圖2所示，改進(jìn)的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)的單相逆變?nèi)珮蚧A(chǔ)上增加一對二極管串聯(lián)開關(guān)反并聯(lián)作為輸出。新增電路中的開關(guān)器件以工頻周波速度開關(guān)，對于器件速度沒有特殊需求。在應(yīng)用適當(dāng)?shù)南辔豢刂浦螅@種電路能夠更加有效地處理無功功率，從而提高系統(tǒng)效率。

1.3優(yōu)化散熱設(shè)計的電子部件殼體結(jié)構(gòu)太陽能光伏電站的組件等部件全天候工作于戶外，用于安裝智能組件所集成的電子部件的殼體的設(shè)計顯得尤為重要。殼體機構(gòu)既要能滿足功率元器件的散熱，又要具有較高的防水、防塵性能，至少應(yīng)達(dá)到IP65的防護(hù)等級。如果僅僅考慮增加散熱表面積，往往提高了散熱能力，卻不能滿足必要的防護(hù)等級；如果既滿足散熱要求，又有較好的防水、防塵性能，其結(jié)果使殼體的體積和重量大幅度增加，而且增加材料成本。為解決上述問題，必須設(shè)計一種特殊的殼體內(nèi)壁散熱結(jié)構(gòu)。在自然冷卻中，為了提高散熱能力，最有效的方法是增加換熱表面。因此，本研究中設(shè)計殼體結(jié)構(gòu)時，在保證具有可靠的防水、防塵性能，且不增加殼體的體積、重量和制造成本的前提下，將殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計成內(nèi)部用隔板分隔為3個部分，形成3個有效的獨立空間，中間的獨立空間用于放置電子元器件線路板，并用導(dǎo)熱防水型灌封膠體完全填充，左右2個獨立空間外部殼體兩端開一定數(shù)量的小孔，將內(nèi)部空間與外界空氣充分對流，使殼體內(nèi)表面也能被充分利用散熱，見圖3。這樣的殼體結(jié)構(gòu)不但能夠滿足電子部件的散熱需求，又能滿足要求的防護(hù)等級。同時，為了提高智能光伏組件在工作過程中的散熱效果，本文中的研究還利用微熱管陣列超導(dǎo)熱平板對光伏組件的背板進(jìn)行自然對流冷卻或水冷卻，即使在最高氣溫環(huán)境條件下也能將光伏組件的溫度控制在一個合理的工作范圍內(nèi)，防止太陽能電池過熱，延長太陽能電池的使用壽命，且能使光電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)一步得到提高。

1.4光伏電并網(wǎng)的有功無功潮流控制方法因為光伏發(fā)電具有間歇性、隨機性、可調(diào)度性差的缺點，在電網(wǎng)接納能力不足的情況下，光伏發(fā)電并網(wǎng)會給電網(wǎng)帶來某些不利影響。①光伏發(fā)電并網(wǎng)電量隨機波動較大，并網(wǎng)時會產(chǎn)生較大的沖擊電流，從而會引起電網(wǎng)頻率偏差、電壓波動與閃變，引起饋線中的潮流發(fā)生變化，進(jìn)而影響穩(wěn)態(tài)電壓分布和無功特性，使電網(wǎng)的不可控性和調(diào)峰容量余度增大，如果電網(wǎng)中沒有足夠的調(diào)峰容量，就會使電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性受到影響；②由于并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)均配有電力電子裝置，會產(chǎn)生一定的諧波和直流分量，諧波電流注入電力系統(tǒng)會引起電網(wǎng)電壓畸變，影響電能質(zhì)量，還會造成電力系統(tǒng)繼電保護(hù)、自動裝置誤動作，影響電力系統(tǒng)安全運行，因此需用相應(yīng)的技術(shù)和設(shè)備來抑制注入電網(wǎng)的諧波含量；③當(dāng)電網(wǎng)失壓時并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)仍保持對失壓電網(wǎng)中的某一部分供電的狀態(tài)，并與本地負(fù)載連接形成獨立運行狀態(tài)，成為孤島，這時孤島中的電壓和頻率不受電網(wǎng)控制，如果電壓和頻率超出允許的范圍，可能會對用戶設(shè)備造成損壞，如果負(fù)載容量大于孤島中智能光伏組件的逆變器容量，會使逆變器過載而燒毀。為解決光伏發(fā)電并網(wǎng)接入中存在的問題，緩解光伏電與電網(wǎng)之間的矛盾，本文中的研究，在基于電力電子技術(shù)的控制方法基礎(chǔ)上，提出對并網(wǎng)光伏電實施有功無功潮流控制方法。該方法采用不同的控制模塊，分別對有功、無功進(jìn)行控制，在基于頻率下垂特性的基礎(chǔ)上加入頻率恢復(fù)算法，能很好地滿足頻率的質(zhì)量要求。

1.5基于物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)電系統(tǒng)智能運行管理方案目前，一般的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)配置的設(shè)備及輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，大多是各自獨立，且不具備智能對話功能，在運行過程中形成多個信息孤島，需要更多的人工來關(guān)注、了解和處理這些設(shè)備的信息，遠(yuǎn)沒有達(dá)到光伏發(fā)電系統(tǒng)智能運行管理的程度。設(shè)備的巡視還依靠人工巡視為主，巡視的質(zhì)量受人為因素影響較大，由于人員的素質(zhì)高低造成巡視質(zhì)量的參差不齊；人員對巡視的數(shù)據(jù)要進(jìn)行分析才能確定正確的處理辦法，而現(xiàn)場運行人員往往不具備這樣的能力；現(xiàn)場檢修、維護(hù)工作中的停電、供電操作還是需要依靠人為判斷所要操作的間隔是否正確，因為設(shè)備基本都是相同，容易造成誤操作現(xiàn)象的發(fā)生，且缺乏有效手段加以防范。本文中的研究，利用物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效率的智能運行管理。物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合傳感器、低功耗、通訊以及微機電等技術(shù)，由許多集傳感與驅(qū)動控制能力、計算能力、通信能力于一身的嵌入式節(jié)點互連網(wǎng)絡(luò)。每一個節(jié)點由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理和控制模塊、通信模塊和供電模塊等組成。通過對每塊光伏組件性能參數(shù)的感知，構(gòu)建傳感網(wǎng)測控網(wǎng)絡(luò)，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)測控平臺基礎(chǔ)上建立智能監(jiān)測與輔助控制系統(tǒng)，全面實現(xiàn)對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的智能運行管理，使之具備智能監(jiān)測、智能判斷、智能管理、智能驗證等功能。圖4所示的是系統(tǒng)運行架構(gòu)。

2實驗結(jié)果

利用上述研究成果，在浙江中硅電子科技有限公司已經(jīng)建成的1.5MW并網(wǎng)型光伏發(fā)電站的基礎(chǔ)上，進(jìn)行部分改造，建立了50KW獨立式試驗光伏發(fā)電系統(tǒng)以及0.5MW并網(wǎng)型試驗光伏發(fā)電系統(tǒng)。實驗結(jié)果的主要測試數(shù)據(jù)如下：①有效工作溫度范圍：-45℃～85℃；②可并網(wǎng)頻率：48.5Hz～50.5Hz；③最大逆變轉(zhuǎn)換效率：97%；④并網(wǎng)電網(wǎng)容差率：15%；⑤功率因數(shù)：≥0.99；⑥并網(wǎng)電流總諧波：≤2.5%；⑦最大功率點跟蹤精度：≥95%。

3結(jié)語

（1）基于ARM和DSP雙核架構(gòu)的智能化電源管理模式可以實現(xiàn)組件級的智能化管理，能夠在單個組件層面提高光電轉(zhuǎn)換效率。而且能夠配合監(jiān)控系統(tǒng)對每一塊光伏組件實施監(jiān)控，實現(xiàn)對各個組件的智能巡檢，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)運行的可靠性和安全性。（2）采用改進(jìn)的全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)高效逆變電路，該電路中的開關(guān)器件以工頻周波速度開關(guān)，對于器件速度沒有特殊需求，能夠滿足智能高效分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的要求，也能有效地處理無功功率，從而提高系統(tǒng)效率，并充分考慮成本等因素，具有較高的性價比。（3）在自然冷卻條件下，設(shè)計具有3個獨立空間的電子部件殼體內(nèi)壁散熱結(jié)構(gòu)，能夠使內(nèi)部空間與外界空氣充分對流，不但滿足電子部件的散熱需求，也符合防護(hù)等級要求。微熱管陣列超導(dǎo)熱平板對光伏組件的背板進(jìn)行冷卻，能夠延長太陽能電池使用壽命，進(jìn)一步提高光電轉(zhuǎn)換效率。（4）對并網(wǎng)光伏電實施有功無功潮流控制方法，可以有效解決光伏發(fā)電并網(wǎng)電量隨機波動所帶來的對電網(wǎng)的沖擊電流、電網(wǎng)頻率偏差、電壓波動與閃變等問題，降低注入電網(wǎng)的諧波含量，消除孤島中用戶設(shè)備的安全隱患。（5）利用物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過對每塊光伏組件性能參數(shù)的感知，構(gòu)建傳感網(wǎng)測控網(wǎng)絡(luò)，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)測控平臺基礎(chǔ)上建立智能監(jiān)測與輔助控制系統(tǒng)，可以全面實現(xiàn)對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的高效率的智能運行管理，使之具備智能監(jiān)測、智能判斷、智能管理、智能驗證等功能。

作者：林期遠(yuǎn)田石強江海燕單位：中國光電技術(shù)發(fā)展中心農(nóng)夫山泉股份有限公司浙江中硅電子科技有限公司