袁 元，張海龍，葛玉石，周力民，郭 慶，唐春秀

(常州博瑞電力自動(dòng)化設(shè)備有限公司，江蘇 常州213025)

0 引言

電網(wǎng)覆蓋不到的偏遠(yuǎn)地區(qū)，目前仍采用傳統(tǒng)的柴油發(fā)電機(jī)供電。柴發(fā)供電方式存在油料補(bǔ)給困難、利用效率不高，而且污染環(huán)境、噪聲大、隱蔽性差等問題，既影響了人員休息、有害健康，也浪費(fèi)了自然資源。為了改善這些不利因素，結(jié)合當(dāng)?shù)毓庹肇S富的自然條件，光伏等新能源發(fā)電開始運(yùn)用到這些供電場(chǎng)景中。但現(xiàn)有的光伏發(fā)電設(shè)備往往需要就地施工，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于移動(dòng)和轉(zhuǎn)運(yùn)。即便有少量的移動(dòng)光伏系統(tǒng)，也多與車輛集成、光伏容量小［1］?；蚴呛?jiǎn)單存放于集裝箱內(nèi)，使用耗時(shí)耗力、供電的便捷性不足［2-3］。開發(fā)一種移動(dòng)光伏系統(tǒng)投入到上述場(chǎng)合，將有效緩解野外供電方式單一的局面，提高野外設(shè)備的用電安全［4］。

1 整體概況

本移動(dòng)光伏系統(tǒng)一般有兩種典型的使用方式。一是將整套光伏系統(tǒng)安裝于一個(gè)方艙中，對(duì)外為一路輸出，光伏系統(tǒng)需要與單獨(dú)的儲(chǔ)能方艙配合使用。儲(chǔ)能方艙的PCS 上設(shè)有多路光伏輸入的接口，多個(gè)光伏方艙可以對(duì)接到同一儲(chǔ)能方艙上。光伏方艙與儲(chǔ)能方艙的數(shù)量可以靈活組合，以改變新能源的輸入占比。二是將光伏、儲(chǔ)能均集成在一個(gè)方艙內(nèi)，使用更方便，但不便于擴(kuò)展［5-7］。兩種方式涉及到光伏系統(tǒng)部分的結(jié)構(gòu)類似，本文按第一種方式舉例展開討論。

2 電氣部分

電氣部分是實(shí)現(xiàn)光伏方艙發(fā)電的功能載體，該部分由光伏板、匯流箱以及連接線纜組成。光伏板尺寸受到制造工藝、成本以及安裝等因素限制，單塊光伏板的電流、電壓較小，難以滿足用電負(fù)荷的功率需求。因此需要對(duì)光伏回路進(jìn)行一定的串、并聯(lián)設(shè)計(jì)，以提高光伏系統(tǒng)的輸出功率。

2.1 光伏板參數(shù)

在標(biāo)準(zhǔn)大氣質(zhì)量 AM1.5、溫度 25 ℃、輻照度1 000 W/m2條件下，相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 單塊光伏板參數(shù)

2.2 理想工作電流、電壓

本文中，光伏方艙集成40 塊小光伏板，均布在20 塊組件上，即每個(gè)組件上安裝有2 塊小光伏板，最終一個(gè)光伏方艙對(duì)外只有一路總輸出。

單個(gè)組件上裝2 塊光伏板，采用串聯(lián)方式，電氣參數(shù)：

20 塊組件，采用“4 串 5 并”方式連接。將 20 個(gè)組件分成5 組，組內(nèi)4 個(gè)組件連接方式為串聯(lián)，組與組之間連接方式為并聯(lián)，每串電氣參數(shù)：

因此，光伏方艙對(duì)外總輸出的電氣參數(shù)：

實(shí)際光照下的工作電流會(huì)小于上述理論值，但工作電壓差別不大。

2.3 理想開路電壓

光伏板開路后電壓會(huì)有所升高，經(jīng)過一定的串聯(lián)后電壓升高值會(huì)被進(jìn)一步放大，考慮到移動(dòng)微電網(wǎng)系統(tǒng)的電氣安全要求，須對(duì)光伏方艙的理想開路電壓進(jìn)行計(jì)算，以指導(dǎo)絕緣設(shè)計(jì)。本文中選用的單塊光伏板開路電壓升高倍數(shù)為39.9/32.6 = 1.22，由此可知：

單個(gè)組件的開路電壓：

光伏方艙對(duì)外輸出母線的開路電壓：

實(shí)際光照下的開路電壓與上述理論值差別不大。

2.4 匯流箱

為減少光伏電池陣列與PCS 之間的連接線路，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高可靠性和可維護(hù)性，需在光伏電池陣列與PCS 之間增加匯流箱。本系統(tǒng)的匯流箱為5路輸入、1 路輸出，通過防雷器和斷路器后輸出，方便后級(jí)PCS 的接入。匯流箱由熔斷器、接地端子、直流防雷器、直流微型斷路器、面板插座、透氣閥等部分組成。

2.5 系統(tǒng)接地

根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，電氣設(shè)備外殼需有效接地。本文中在光伏方艙外殼上焊接螺柱作為接地點(diǎn)，光伏方艙外殼接地點(diǎn)、匯流箱接地點(diǎn)均使用接地線連接。匯流箱接地點(diǎn)需先接入?yún)R流箱中的接地端子，然后將匯流箱的接地端子與光伏方艙外殼接地點(diǎn)等電位連接。最后將光伏方艙外殼接地點(diǎn)與地釘(大地或地網(wǎng))連接，接地完畢后需測(cè)量接地電阻。

3 結(jié)構(gòu)部分

移動(dòng)微電網(wǎng)系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)的光伏發(fā)電設(shè)備，考慮到設(shè)備工作地點(diǎn)經(jīng)常變更，故對(duì)設(shè)備安裝與部署的便捷性有較高要求。為減輕設(shè)備的重量，便于操作維護(hù)，光伏方艙采用了大量的桁架結(jié)構(gòu)［8］。由于系統(tǒng)工作在偏遠(yuǎn)地區(qū)，常有大風(fēng)等惡劣氣候條件，因此需要對(duì)關(guān)鍵支撐桿等部件進(jìn)行校核計(jì)算，以確定方艙的安全性。要求的抗風(fēng)壓能力為：風(fēng)速9.4 m/s(相當(dāng)于5 級(jí)風(fēng)力)條件下展開、收攏，風(fēng)速20.7 m/s(相當(dāng)于8 級(jí)風(fēng)力)條件下穩(wěn)定運(yùn)行。

3.1 基本參數(shù)

單個(gè)組件質(zhì)量：MZJ= 33 kg；光伏板與水平方向夾角：20°。工作風(fēng)壓：8 級(jí)，ω0= 0.276 kN/m2。安裝條件：地面粗糙度為B 類。

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值［9］：

上式中：βz為風(fēng)振系數(shù)，取 1.0；μs為體型系數(shù)，逆風(fēng)取-1.35，順風(fēng)取 1.35；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.0。

3.2 受力分析

由于野外條件下風(fēng)向變化較多，不同條件下支撐桿的受力各不相同，但是其最大受力不會(huì)超過幾種典型的風(fēng)向條件下的值，故本文僅對(duì)幾個(gè)典型的條件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。

(1)風(fēng)垂直于光伏板向下吹時(shí)，支撐桿受力情況，受力情況如圖1 所示。結(jié)合實(shí)際工作狀態(tài)簡(jiǎn)化分析，且認(rèn)為左桿、右桿受力方向?yàn)闂U的軸向，風(fēng)力方向垂直于光伏板，單側(cè)光伏板有兩組支撐。

圖1 光伏板展開后受力圖(風(fēng)力向下)

單塊組件的外形尺寸為1.6 m × 2.1 m。

此種工況下，支撐桿件受力壓縮。根據(jù)GB50009-2012 選取使被分析對(duì)象受力較大的安全系數(shù)，風(fēng)力的安全系數(shù)取1.4，重力安全系數(shù)取1.2，故：

以光伏板中間鉸鏈為節(jié)點(diǎn)：

右側(cè)：

左側(cè)：

即 F左桿= 1.33 kN

從而，F(xiàn)桿max= F左桿= 1.33 kN

(2)風(fēng)垂直于光伏板向上吹時(shí)，支撐桿及繩子受力情況，受力情況如圖2 所示(簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)繩子與地面夾角為45°，單側(cè)光伏板有兩根繩子，右桿不受力)。

圖2 光伏板展開受力圖(風(fēng)力向上)

此種工況下，左支撐桿件受力壓縮，繩子受力伸長(zhǎng)。根據(jù)GB50009-2012 選取使被分析對(duì)象受力較大的安全系數(shù)，風(fēng)力的安全系數(shù)取1.4，重力安全系數(shù)取 1.0，故：

右側(cè)：

左側(cè)：

從而，F(xiàn)繩子= 0.86 kN，F(xiàn)左桿= 0.91 kN

(3)當(dāng)一側(cè)光伏板展開，另一側(cè)光伏板未展開，風(fēng)垂直于未展開側(cè)光伏板吹時(shí)，該側(cè)繩子受力情況，見圖3、圖4：(簡(jiǎn)化計(jì)算，設(shè)繩子與地面夾角為45°，單側(cè)光伏板有一根繩子)

圖3 光伏機(jī)構(gòu)抽出圖

圖4 光伏機(jī)構(gòu)抽出受力圖

同上，風(fēng)力安全系數(shù)取1.4，故：

第一級(jí)：

第二級(jí)：

(4)當(dāng)一側(cè)光伏板展開，另一側(cè)光伏板未展開，風(fēng)垂直于集裝箱側(cè)壁吹時(shí)，為校核集裝箱的抗風(fēng)能力，分析光伏艙箱壁受力情況(簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮繩子拉力)：

同上，風(fēng)力安全系數(shù)取1.4，重力安全系數(shù)取1.0，集裝箱和第一、二級(jí)光伏板的相關(guān)尺寸如圖3、圖5 所示，故：

重力力臂L1= 0.75 m(質(zhì)心到側(cè)壁距離)；風(fēng)力力臂L2= 1.05 m(箱高一半)

則風(fēng)力對(duì)網(wǎng)絡(luò)光伏艙傾覆力矩T1為：

T1= F風(fēng)力× L1= 10.56 × 1.05 = 11.08 kN·m

網(wǎng)絡(luò)光伏艙自重抗傾覆力矩：

T2= W總× L2= 16.66 × 0.75 = 12.5 kN·m

得T1＜T2，所以光伏艙能滿足抗風(fēng)要求。

(5)艙門所受風(fēng)力大小計(jì)算

風(fēng)力是面力，在單位面積上均勻分布，所以它合力的作用點(diǎn)在門的幾何中心，艙門受風(fēng)力示意圖如圖6 所示。

圖5 光伏艙傾覆受力圖

圖6 艙門受力圖

最大艙門面積：A = 1.126 × 1.814 = 2.04 m2

同上，風(fēng)力安全系數(shù)取1.4，故：

則，F(xiàn)開門力= F風(fēng)力/2 = 0.53 kN

一般成年人的臂力是300 ～600 N，因此，在5級(jí)風(fēng)力下開合電站各門所需的力在一般人的臂力范圍之內(nèi)。

由上計(jì)算得知，方艙能在5 級(jí)風(fēng)力下展開收攏。

4 野外調(diào)試

某次野外調(diào)試，系統(tǒng)由儲(chǔ)能方艙、光伏方艙兩部分組成，數(shù)量各為1 套。環(huán)境為離網(wǎng)無市電、 儲(chǔ)能SOC 儲(chǔ)備較高、有光伏輸入，記錄風(fēng)速為7-8 級(jí)風(fēng)。

早上，儲(chǔ)能方艙上電開機(jī)，按相應(yīng)控制策略成為主機(jī)，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)編號(hào)為5。網(wǎng)絡(luò)中無油機(jī)方艙或其它儲(chǔ)能方艙接入，在線設(shè)備數(shù)量為1。由于有光伏輸入，無負(fù)載(顯示運(yùn)行設(shè)備為0)，儲(chǔ)能運(yùn)行于逆變帶載、待供狀態(tài)，系統(tǒng)按“充電模式”運(yùn)行。此時(shí)光伏輸入功率為6.9 kW，對(duì)儲(chǔ)能電池充電，由于顯示精度、零漂、損耗、SOC 容量較高充電功率限制等原因，顯示電池充電功率為-4.5 kW，儲(chǔ)能電池SOC 為89%?！?”為電流的方向，含義為電池處于充電狀態(tài)；如果不帶符號(hào)，則含義為電池處于輸出狀態(tài)。由于早上光照較弱，光伏發(fā)出了額定功率的58%。

圖7 光伏對(duì)儲(chǔ)能充電界面

5 結(jié)語

光伏板經(jīng)“4 串5 并”方式連接后，方艙對(duì)外輸出母線的電壓為260.8 V，電流為45.95 A，理想工作條件下的輸出功率達(dá)到12 kW。經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算，本文中的光伏方艙在8 級(jí)風(fēng)力下正常工作時(shí)，支持桿的最大受力為1.33 kN，防風(fēng)繩的最大受力為2.9 kN。方艙可以在5 級(jí)風(fēng)力下完成部署，方艙自重可以滿足在8級(jí)風(fēng)力下的正常工作而不發(fā)生傾覆。最終經(jīng)野外調(diào)試運(yùn)行，本光伏方艙具有可行性，運(yùn)用到移動(dòng)微電網(wǎng)系統(tǒng)可以有效提高新能源發(fā)電的比例，改善離網(wǎng)地區(qū)的供電結(jié)構(gòu)。