【文章內容簡介】 供電系統(tǒng)在家庭用電中的發(fā)展十分迅速，相 信真正普及推廣很快就會到來。直流供電系統(tǒng)不僅僅是在家庭用電里面發(fā)揮著作用，在數(shù)據(jù)通信中已經(jīng)有數(shù) 據(jù)中心開始使用直流供電系統(tǒng)了，如互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心 IDC 機房耗電量大，一般高 達幾百到幾千千瓦。若仍用 48V 的直流電壓，必然會使電源設備效率低、體積大 等。而且這種微點導線截面加粗，輸電能耗也會更大。為了跟上未來對直流供電 的需求，很多國家都在研究更高電壓的直流供電系統(tǒng)。2006 年，隸屬于美國能源部的勞倫斯伯克利國家實驗室（LBNL）和美國英 特爾、思科、美國 Nextck 電力系統(tǒng)、日本 NTT 公司和 Sun 等公司合作共同進行 了依靠直流方式向數(shù)據(jù)中心服務器提供電能的實驗。該實驗數(shù)據(jù)得出，使用直流 供電系統(tǒng)消除交直轉化過程每臺服務器至少可以降低 %耗電量。減少交直轉 化不僅僅節(jié)約了電量，更可以消減設備費用，和數(shù)據(jù)中心設備的發(fā)熱，這也減少 、太陽 能電池等綠色直流設備，將節(jié)能環(huán)保做的更加完美。 直流微電網(wǎng)供電系統(tǒng)的關鍵問題直流供電系統(tǒng)在全世界發(fā)展迅速，但面臨的難題同樣十分多。第一點，現(xiàn)在 世界上的電網(wǎng)和用電器大多數(shù)都是為交流電設計的，直流用電器的使用范圍還十 分小，也沒有商家敢于冒險去生產(chǎn)這種直流用電器；第二點，直流供電目前還沒 有完善的系統(tǒng)規(guī)范，直流供電系統(tǒng)的電壓、插頭形式等等都沒有統(tǒng)一的標準；第 三點，直流供電系統(tǒng)的安全性，安全規(guī)程也不明確，在實際的生產(chǎn)應用中也存在 問題。如果供電系統(tǒng)采用高電壓，就需要考慮電弧放電等安全問題，如果采用低 電壓則電阻損耗會增加，這就會增大系統(tǒng)的能量損耗。這些問題都對直流供電系 統(tǒng)的應用造成了很大阻力，這些也是直流微電網(wǎng)供電系統(tǒng)推廣所要解決的關鍵問 題。 直流微電網(wǎng)的并網(wǎng)方式及控制方法微電網(wǎng)之中會包含許多不同的微電源，它們的運行特性各不相同，這就要對 不同的電源采用不同的控制方法。而對于不同的微電源還需要考慮各個電源與負 荷的功率平衡，使系統(tǒng)的運行能夠穩(wěn)定與經(jīng)濟兩手抓。微電網(wǎng)內部的分布式控制、 集中協(xié)調的控制運行可以說是實現(xiàn)微電網(wǎng)應用的關鍵技術[7]。MS320F28335 型 DSP 數(shù)字控制功率變換器是由直流微電網(wǎng)研究平臺設計的 AD/AC 雙向功率變換器。該功率變換器可以實現(xiàn)分布式直流供電系統(tǒng)與大電網(wǎng)的 連接，可以控制電網(wǎng)與直流母線之間的能量相互傳遞，提高整個系統(tǒng)的能源利用 率，為以后變換器的研究提供經(jīng)驗。目前，直流微電網(wǎng)的研究多少對某一種結構，如光伏電源、風力發(fā)電機等， 或者是對一些簡單的模型進行分析處理，但對于實際的應用的研究還必將欠缺， 而且實際的系統(tǒng)與簡化模擬存在較大的差別。實際生產(chǎn)中對于存在直流微電網(wǎng)的 系統(tǒng)不僅僅需要考慮各種微電源的不確定性，還需要考慮并網(wǎng)與離網(wǎng)的相互機 制，直流微電網(wǎng)并入大電網(wǎng)將改變系統(tǒng)的幾個，增加潮流的不確定性?？梢哉f在 實際中應用直流微電網(wǎng)技術需要考慮的因素還有很多，需要一一解決。 微電網(wǎng)的使用盡管現(xiàn)在世界上還是以大電網(wǎng)更為常見，但是對于微電網(wǎng)的使用各個國家也 是持支持態(tài)度的。微電網(wǎng)也慢慢的走出實驗室，真正使用到生活中，在歐美、日本等發(fā)達國家，微電網(wǎng)技術已經(jīng)取得了不錯的商業(yè)效果。如下表 21 就是歐美國 家一些商用微電網(wǎng)技術。表 歐美國家商用微電網(wǎng)微電網(wǎng)的分類典型特征和供電模式城 市 微 電美國加州分布式電源綜合美國首個微電網(wǎng)商用項目，包含各類光伏電池、蓄網(wǎng)測試項目電池等微電源意 大 利 米 蘭 CESIRICERCA采用生物質能發(fā)電和斯特林發(fā)電機等分布式發(fā)電交替結構微電網(wǎng)系統(tǒng)利用一條低壓直流微電網(wǎng)為直流負荷供電，系統(tǒng)主要使用 Zebra 電池等蓄電池作為儲能裝置葡萄牙 EDP 燃氣輪機微電用一臺 80KW 微型燃氣輪機作為分布式電源，作孤網(wǎng)島運行和聯(lián)網(wǎng)兩種方式運行農(nóng)村微電美 國 MADriver 鄉(xiāng) 村 微 電系統(tǒng)主要以一臺 30KW 燃氣輪機、兩臺 90KW 丙烷柴網(wǎng)網(wǎng)油機、兩臺 100KW 生物柴油機做分布式電源，后續(xù)加入各種風機、燃料電池等儲能裝置美國帕姆代爾市低壓微電以超級電容器作為儲能裝置，使用汽輪機、風機、網(wǎng)柴油機、水輪機來利用農(nóng)村風水資源建立微電網(wǎng)荷蘭 Zutphen 度假村微電網(wǎng)示范工程使用光伏發(fā)電給 200 戶別墅供電海 島 微 電美國夏威夷島微電網(wǎng)以海洋豐富的天然氣作為能量來源采用燃汽輪機網(wǎng)CHP 單元建立城市中的冷熱電聯(lián)系統(tǒng)丹麥 Bornholm 微電網(wǎng)以 39KW 的汽輪機、柴油機，37KW 的熱電聯(lián)產(chǎn)，30KW 的風力發(fā)電機為電源，采用中高壓微電網(wǎng)為島上28000 戶居民供電希臘基吉昆島光儲微電網(wǎng)以 10KW 的光伏發(fā)電、5KW 的柴油發(fā)電機為微源，給島上通訊設備供電在日本已經(jīng)有數(shù)個城市微電網(wǎng)投入到實際使用，而因為其資源匱乏，日本微 電網(wǎng)偏向于對可再生能源的利用，注重孤立型微電網(wǎng)，將微電網(wǎng)發(fā)展目標定為能 源供給多樣化、環(huán)?；瑵M足各類型用戶的用電需求。下表 22 是日本微電網(wǎng)的 一些結構和供電模式。表 22 日本微電網(wǎng)特征和供電模式微電網(wǎng)供電模式青森微電網(wǎng)以垃圾發(fā)電廠的 3 臺燃氣輪機、一個 50KW 的光伏陣列、100KW 的蓄電池作為主要裝置，通過一條配電線向市中心輸送電力八戶微電網(wǎng)以 510KW 生物質發(fā)電、130KW 光伏發(fā)電、20KW 風力發(fā)電給 7 棟樓房和污水處理廠供電，分布式電源以沼氣作為燃料的內燃機為主京都微電網(wǎng)在偏遠地區(qū)安裝兩組光伏電站和 50KW 的小型風機，四臺 100KW 內燃機、250KW 燃料電池、100KW 鉛酸蓄電池組成微電網(wǎng)為京都供電愛知微電網(wǎng)以燃料電池、光伏發(fā)電、燃氣輪機等為分布式電源，所有分布式電源都接入母線，通過母線輸送到用戶，仙臺微電網(wǎng)分布式電源包括燃料電池、內燃機、光伏發(fā)電等，將產(chǎn)生的電能按 電能質量分為 ABBB3 四個等級，通過調度供給到不同用 電需求的用戶微電網(wǎng)在世界發(fā)達國家里面發(fā)展迅速，已經(jīng)不僅僅在是理論的存在，慢慢的 也融入到現(xiàn)在的大電網(wǎng)中，發(fā)揮著無可替代的作用，從節(jié)能環(huán)保方面為人類提供 優(yōu)質可靠的電能。193 光伏模擬器 光伏電池光伏電池是一種能量轉換的光電組件，在太陽光照射光伏電池后，通過光電 效應，將光的能量轉換為電能。太陽能電池種類繁多，按照其制造所用材料來分 一般可以分為單晶硅、多晶硅、非晶硅等。分類如下圖 31：單晶硅結晶硅硅 基 材料非晶硅主體型薄膜型多晶硅 單晶硅多晶硅光 伏電 池多化合 物二六族三五族：碲化鎘、硒化銦銅：砷化鎵、磷化銦、磷化鎵銦其它材料圖 31 太陽能電池的分類 太陽能電池光伏陣列輸出的主要參數(shù)確定太陽能電池光伏陣列輸出的主要參數(shù)有：開路電壓 Voc、短路電流 Isc、 峰值功率 Pmax 其輸出曲線如下圖 32：圖 32 太陽能電池光伏陣列輸出曲線從圖中可以看出，當太陽能電池光伏陣列的輸出電壓很小時，隨著電壓的增 大，輸出電流變化很小，但當輸出電壓超過臨界值 Vmp 時，隨著電壓的增大，電 流下降很快。光伏陣列的輸出功率則有一個最大功率點。在不同的環(huán)境里調節(jié)光 伏陣列的工作點，使得太陽能電池光伏陣列的輸出最大化，這樣就能使得太陽能電能的轉換最大化。 太陽能電池光伏陣列最大功率點跟蹤現(xiàn)今太陽能電池光伏陣列在光伏發(fā)電系統(tǒng)中所占比例很大，但是現(xiàn)在太陽能 電池的電能轉換率并不高，因此必須找到太陽能電池光伏陣列的最大功率點，以 此提高效率降低發(fā)電成本。太陽能電池光伏陣列最大功率點的跟蹤原理：太陽能電池的輸出功率受到日 照、溫度等影響，在不同日照與溫度的情況下，太陽能電池光伏陣列的短路電流 與開路電壓完全不同，但是在每種情況下太陽能電池光伏陣列有且僅有唯一的最 大輸出功率點，只有工作在這一點才能使其輸出功率最大[8]。目前太陽能電池光 伏陣列最大功率點主要有以下幾個跟蹤方法：(1)恒電壓法：恒電壓法簡稱 CVT。 當溫度一定時，太陽能電池光伏陣列輸出最大功率點分步驟一點垂直線上，因而 只需保持太陽能電池光伏陣列的輸出電壓為某一日照強度下太陽能電池光伏陣 列的最大功率點的電壓，就能大概保證在此溫度下太陽能電池光伏陣列輸出功率 最大。(2)擾動觀察法：在太陽能電池陣列的控制周期用較小的步長來改變，改 變的步長一定但是方向可以減少也可以增加，控制對象為太陽能電池陣列的電壓 或者電流，這個過程可以稱之為“擾動”，只需比較干擾周期前后的太陽能電池陣列的輸出功率就可知道最大功率點應該如何調，如果輸出功率增大則繼續(xù)上周 期的“干擾”方向；如果輸出功率減小則改變“干擾”方向。(3)增量導電法： 這種方法的提出是為了解決擾動觀察法里面功率損失的問題。從圖 4 的曲線中不 難得出，太陽能電池陣列的輸出功率電壓（PV）曲線為單峰曲線，當輸出功率 最大時，輸出功率對電壓的導數(shù)為 能電池光伏陣列的輸出電壓能以平穩(wěn)的方式跟蹤變換，使整個太陽能光伏電池光 伏陣列工作在最大功率下，提高效率。利用上述三種方法跟蹤最大功率點有利于使太陽能電池光伏陣列工作效率 提高，可以說是太陽能光伏發(fā)電里面不可缺少的技術部分。 光伏電池的仿真光伏電池將太陽能轉化為電能的半導體器件，是太陽能發(fā)電的最基本的單 元。目前光伏電池普遍使用的是硅材料，而光伏電池發(fā)電的原理是光生伏打效應： 當光伏電池吸收太陽能時，產(chǎn)生光生電子空穴對，光生電子和空穴在電池內部 電場的作用下分離，這樣就形成了光生電壓，這種現(xiàn)象稱為“光生伏特效應”。 如果在兩側接上負載，負載上就會流過一定的電流，獲得一定的功率[9]。這就是 光伏電池最基本的原理。如下圖 33 就是光伏電池的等效模型。其中 Iph 就是光 生電流，IDID2 表示流過二極管 D1 與 D2 的電流，Ir 表示反向擊穿電流，VD 表示 Rsh 的兩端電壓，RS、Rsh 表示等效的串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，電池的輸出電流為 I，輸出端口電壓為 V[10]。 IIph ID ID1 2RSIsh VDIr RshV圖 33 光伏電池等效模型根據(jù)這個數(shù)學模型利用 MATLAB 構建仿真，通過仿真得到電池的輸出特性曲 線從而來驗證模型搭建的是否正確。下圖就是 MATLAB/Simulink 搭建的模型，如 下圖 34 所示：圖 34 光伏電池 MATLAB 仿真圖通過仿真可以得出光伏電池的輸出特性曲線，如下圖 3圖 3所示：圖 35 光伏電池 IV 特性曲線圖 36 光伏電池 PV 特性曲線仿真得到的光伏電池的特性曲線可以驗證光伏模型的正確性，通過改變模塊 中輸入的大小這樣就可得出不同環(huán)境下的光伏電池的特性曲線。 太陽能電池光伏陣列模擬器的組成模擬器是利用模擬的方法來模擬實際生產(chǎn)中的各種情況、由于光伏陣列一搬 占地面積大、轉化效率低、成本過高。這給光伏陣列的研究帶來很大的困難，為 了解