基本信息
- 项目名称：
- 家用多功能光伏并网发电系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 该作品是基于家庭用电而设计的太阳能发电设备，是一款集光伏并网发电、远程通信、不间断供电技术、家庭用电管理及智能控制五位一体的家用并网发电装置。系统采用高性能的不间断供电方案、可实现并、离网的自动切换；通过对电能的存蓄和转换，实现能量的最优利用；系统接受远程调度指令，可组成大容量分布式发电系统。 本作品是教育部“大学生创新性实验计划”资助项目（项目编号091053620）研究成果。
- 详细介绍：
- 工作原理： 本作品是针对家庭用电情况设计的实用家庭用电的一套新型并网发电设备。系统应用电力电子技术，采用FPGA为核心控制器，由光伏电池板、功率变换主电路、控制电路、蓄电池充放电电路和无线通信模块组合而成，以并网逆变器为基础，嵌入微处理器软核，实现对光伏并网发电的多方案、全自动及智能化控制。 系统特点： 1. 研究逆变及并网算法，降低并网谐波，减小开关损耗，使系统具有92%以上较高转换效率； 2. 设计自寻优MPPT功率跟踪算法，实现光伏电池最大功率跟踪； 3. 新型并网方案，通过对频率与相位的准确跟踪，实现无冲击并网； 4.具有孤岛检测、自动并网控制功能，应用故障检测与故障排除后系统自主恢复程序，实现系统的智能控制与保护； 5.良好的人机交互界面，系统可以实时监测系统的输入输出功率，电池容量，统计输送电量，也可方便地设定系统工作模式以及系统参数； 6.设计通信电路，应用电力线载波通信方式，系统运行时可通过电力线对其远程控制，只需要一台控制设备便可对所有连接在同一输电线网络的设备进行统一调度，组成大容量的分布式发电系统； 7.采用不间断供电技术，当电网意外断电时，仍然可以向家庭用电网络供电，同时断开与电网的并网，消除孤岛效应；在电网恢复电力供应时，系统能够在带负载条件下快速跟踪电网相位，并入点恢复系统与电网的并网连接，实现两次过度保护； 8.通过蓄电池对电能的储蓄和转换，设计最优算法，实现对家庭用电的统一管理及合理分配，同时能够在一定程度上减小用电高峰期的电网压力。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的与意义： 随着新生能源开发利用，光伏并网的市场前景将更加广阔，光伏发电也将朝着普及化的方向发展，分布式并网发电即将成为光伏发电的主流，因此一种真正适用家庭用电的太阳能发电设备也将成为更多用户的选择。 基本思路： 该作品为一款适合家庭用电的发电设备，系统可集成家庭用电网络的智能管理及控制，高性能不间断供电方案，也可以利用多个的发电设备组建分布式发电网络。同时系统应具备智能化自动运行能力，无需专业操作技能，管理方便，性能稳定。 创新点： 1）系统能够全自动智能化运行，根据用电情况自动分配电能，并调节蓄电池的电量储备，无需人工控制与调度； 2）孤岛保护与不间断供电方案：系统在检测孤岛效应时控制并网继电器动作断开与电网的连接，系统自动过度到逆变工作方式，持续向负载供电，实现对家庭用电网络的不间断供电。 3）具有二次并网能力。 4）具有远程通信功能，系统应用电力线载波通信方式，无需额外的通信线即可接收控制命令。 技术关键： 1）应用扰动爬升法的最大功率跟踪算法。 2）基于FPGA的并网逆变及锁相环技术。 3）二次并网过程移相控制对负载端供电性能研究。 4）半双工电力线载波通信研究。 技术指标： 1）孤岛检测相应时间<0.5s 2）并网逆变器工作效率，500w条件>91.5% 3）最大功率跟踪理论精度：5w 4）采用半双工电力线载波通信，通信距离>400m 5)具有电池电量检测，过流过压过热保护功能。
科学性、先进性
- 技术科学性和进步性： 目前我国光伏并网一般应用在较大型的系统上，在小功率并网逆变器的研究上投入较少，技术并不完善，缺少较好的行业标准，很多并网逆变器都需要专业技能才能操作和管理，因此很难使光伏发电得到普及化的推广使用。在光伏发电领域，并网逆变算法、孤岛检测及保护、最大功率跟踪等技术研究较早，也比较成熟。但是对带蓄电池并网系统能量优化管理，系统智能化运行控制，以及光伏发电与新型不间断供电的结合等方面研究较少，而做为一款家用光伏发电系统，这些技术非常重要。 本项目设计的家用多功能光伏并网发电系统是基于家庭用电而设计的多功能太阳能发电设备，是一款集光伏并网发电、远程通信控制、家庭用电管理、不间断电技术及智能控制为一体的家用并网发电装置。系统拥有并网、离网及不间断供电多种工作方式，改变了以往光伏并网发电的单一工作模式。同时系统能够自动管理运行和人性化管理界面，无需专业操作人员，这极大提高了该系统的应用人群，促进光伏发电事业的普及化。
获奖情况及鉴定结果
- 2009年，通过校级、省级审核申请为国家创新实验项目； 2010年参加校级电子设计比赛获得特等奖； 2011年参加校级电子设计比赛获得特等奖； 2011参加省挑战杯科技比赛获得省二等奖。
作品所处阶段
- 该项目已经完成开发，准备投入生产
技术转让方式
- 委托开发 技术转让
作品可展示的形式
- 实物、产品 现场演示 图片 录像 样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 本套装置以太阳能电池板的直流作为输入（额定输入电压50v、20A），负载输出接家用用电网络，并网输出接交流220v市电网络即可工作。该系统工作频率50hz电压AC220v，额定功率1kw。 技术特点和优势： 1. 采用逆变及并网算法，使系统转换效率高达91%。 2. 应用高性能不间断供电方案，避免意外断电造成的损失。 3. 设计通信电路，可组成大容量的分布式发电系统，实现电力资源远程调度； 4. 良好的人机交互界面，操作便捷简单，管理方便。 适应范围及应用前景： 适应于广大的家庭用户，特别是边远城市和偏僻的无电人群，也可作为手机通信基站、网络服务器和计算机设备UPS。 推广前景的技术性说明： 本作品重点研究光伏并网发电、带蓄电池并网系统能量优化管理及系统智能化运行控制，符合智能家居和国内智能电网的发展趋势，拥有广阔的应用前景，可产生很好的经济效益。
同类课题研究水平概述
- 光伏并网发电起始于80年代初，欧美、日本等发达国家并网发电系统已经得到广泛应用。它有效消除了传统电能生产方式对环境的污染，同时也成为电网电能的一个重要来源。1979年，美国太阳联合设计公司在能源部的支持下，研制出了面积为0.9*1。8M的大型光伏组件，建造了户用屋顶光伏试验系统，印度、马来西亚、泰国、越南等发展中国家也都有国家的家用光伏发展计划。 随着光伏期间价格不断下降及国家相关政策的支持，国内光伏发电系统迎来了一个快速发展的时期，它急需一种性能优良、质量可靠的光伏发电并网系统。根据调研的情况，现阶段，我国已经研制出一系列的光伏发电并网系统，性能优良，适应环境能力强。但目前我国建设和投入的光伏并网系统大多是在西部的边远地区建立的独立型光伏发电系统，例如西藏措勤县20KW光伏电站、西藏阿扎县50Kw光伏电站，但小功率光伏并网系统的应用并未普及。 家用多功能光伏并网发电系统灵活性和经济性都大大优于大型的并网发电系统，有利于普及。家用多功能光伏并网发电系统采用国外开发可调度性并网系统，在控制上网时间的基础上提高了电网调峰效率，克服了不可调度式并网系统不能够控制上网时间，调峰使用效果较差的缺陷。且调度式并网系统要求逆变器同时具有独立工作和并网工作两种模式，具有更大的灵活性， 提高光伏发电系统的效率是光伏发电系统的发展趋势。家用多功能光伏并网发电系统采用FPGA配合D/A转换和MOSFET功率管实现SPWM正弦脉宽调制，电流同步跟踪，并网逆变/独立逆变的切换控制等功能，提高了整套装置的效率。系统中DC—DC、DC—AC功率电路的设计，保证并网电路90%以上的工作效率，克服了光伏发电系统的效率低的缺陷。 目前，市场上光伏并网发电系统主要集中于孤岛技术、最大功率跟踪及并网电流的检测技术的研发。家用多功能光伏并网发电系统采用最基本的独立运行或并网发电两种模式及最大功率跟踪电路等常规技术外，集光伏并网发电、远程通信控制、家庭用电管理、不间断光电技术多种功能于一体。系统一方面可向安装用户供电，另一方面能够检测用户的用电及发电情况，通过系统对电能的存蓄和输出，设计最优算法，实现对家庭用电的统一管理及合理分配，同时能够在一定程度上减小用电高峰期的电网压力，是一种实用的家用并网发电装置。
