首页_星球娱乐注册_首页围 围2.1太阳能光伏发电系统示意围 第2章 太阳能光伏发电的系统组成及原理 太阳能光伏发电系统具有没有转动部件，不产生噪声；没有空气污染，不排放废水；没有燃烧过程，不需要燃料；维修保养简单，维护费用低；运行可靠性、稳定性好的特点；作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达25年以上，因此，太阳能光伏发电是太阳能最重要利用形式之一，本章重点介绍独立型太阳能光伏发电系统、并网型光伏发电系统的组成及原理。 2.1太阳能光伏发电系统的工作原理 太阳光发电是指直接将太阳光能转变成电能的发电方式。通常人们所说太阳光发电就是指太阳能光伏发电。而光伏发电是利用太阳电池这种半导体电子器件的光生伏打效应，有效地吸收太阳的辐射能，并使之直接转变为电能。 太阳能光伏发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳电池将太阳能直接转换成电能，也叫做太阳电池发电系统。太阳能光伏发电系统由太阳电池组（方阵）、控制器、蓄电池（组）、直流─交流逆变器、测试仪表和计算机监控等电力设备或其他辅助发电设备组成，其系统组成如图2.1所示。 2.2 太阳能光伏发电系统的运行方式 太阳能光伏发电目前工程上广泛使用的光电转换器件多采用晶体硅太阳电池组件，基于晶体硅太阳电池的生产工艺技术成熟，已进入大规模产业化生产，现已广泛应用于工业，农业、科技、国防和人民生活的各个领域，并发挥着越来越大的作用。不久的将来，太阳能光伏发电将成为重要的发电方式，在世界可持续能源结构中占有一定比例。 光伏系统应用非常广泛，对于地面用太阳能光伏发电系统，其应用的基本形式可分为两大类：没有与公用电网相连接的太阳能光伏系统称为离网太阳能光伏发电系统，也称为独立太阳能光伏发电系统。它通常用作便携式设备的电源，向远离现有电网的地区或设备供电，以及用于任何不想与电网发生联系的供电场合。如为公共电网难以覆盖的边远农村、海岛、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵、无电缺电地区户、边防哨所等场合提供电源。另外与公共电网相连接，共同承担供电任务的太阳能光伏发电系统称为并网太阳能光伏发电系统，也称为联网太阳能光伏发电系统。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段，成为电力工业组成部分之一的重要方向，也是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。而并网太阳能光伏发电系统具有许多独特的优越性： （1）可以对电网调峰，提高电网末端的电压稳定性，改善电网的功率因数，有效地消除电网杂波。 （2）所发电能回馈电网，以电网为储能装置，省掉蓄电池。与独立太阳能光伏系统相比可减少建设投资35%─45%，发电成本大大降低。 （3）光伏电池与建筑完美结合，既可发电又可作为建筑材料和装饰材料，使资源充分利用，发挥多种功能。 （4）出入电网灵活，既有利于改善电力系统的负荷平衡，又可降低线路损耗。 随着技术发展和世界经济可持续发展的需要，越来越多的国家开始有计划地推广城市光伏并网发电，其中太阳电池与建筑相结合的并网屋顶太阳能光伏发电系统—光伏建筑一体化(BIPV)是众多发达国家竞相发展的热点，发展迅速，市场广阔，前景诱人。目前并网太阳能光伏发电系统在我国还处于实验示范的起步阶段，远远落后于美国、欧洲、日本等发达国家。我国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统，到2010年以前这种现象不会有很大改变，仍然是以独立发电系统为主。将来不久，中国光伏发电的市场将会由独立发电系统转向并网发电系统，主要是建设户用屋顶光伏发电系统和MW级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。 2.3 太阳能光伏发电系统的组成 2.3.1独立太阳能光伏发电系统的组成 独立运行的光伏发电系统可根据用电负载的特点，分为直流系统、交流系统和交直流混合系统。其主要区别是系统中是否带有逆变器。独立太阳能光伏发电系统如图2.2 所示，它主要由太阳电池方阵、储能装置(蓄电池组）、直流─交流逆变装置、控制设备与连接装置等组成。 ?2.9 ?2.9并网逆变捶结构 1. 太阳电池方阵 太阳能光伏发电的最核心的器件是太阳电池。商用的太阳电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、碲化镉电池、铜铟硒电池等几种类型。目前在研究的还有纳米氧化钛敏化电池、多晶硅薄膜以及有机太阳电池等。目前世界上多采用硅太阳电池，即单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池。 太阳电池单体是用于光电转换的最小单元，一般不能单独作为电源使用。尺寸通常为2cm×2cm到目前的15cm×15cm。太阳电池的单体工作电压为400mV~500mV，工作电流为20~25mA/cm2，远低于实际应用所需要的电压值。为了满足实际应用的需要，需要把太阳电池连接成组件。太阳电池组件包含一定数量的太阳电池，把这些太阳电池通过导线连接。一个组件上，太阳电池的标准数量是36个或40个（10×10cm2)，这意味着一个太阳电池组件大约能产生16V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。 太阳电池组件种类繁多，根据太阳电池片的类型可分为：单晶硅组件、多晶硅组件，砷化镓组件、非晶硅薄膜电池组件等，其中晶体硅（包括单晶硅和多晶硅）太阳电池组件约占市场的80%─90%。封装材料与工艺也有所不同，主要分为环氧树脂胶封、层压封装、硅胶封装等。目前用得最多的是层压封装方式，这种封装方式适宜于大面积电池片的工业化封装。同类太阳电池组件根据峰值功率、额定电压又可以分为不同型号。 将太阳电池组件经过串、并联安装在支架上，就构成了太阳电池方阵，它可以满足负载所要求的输出功率，如图2.3所示。 图2.3太阳电池单体、组件和方阵 2. 防反充二极管 防反充二极管又称阻塞二极管，在太阳电池组件中其作用是避免由于太阳电池方阵在阴雨和夜晚不发电或出现短路故障时，蓄电池组通过太阳电池方阵放电。防反充二极管串联在太阳电池方阵电路中，起单向导通作用。因此它必须保证回路中有最大电流，而且要承受最大反向电压的冲击。一般可选用合适的整流二极管作为防反充二极管。 3. 蓄电池组 蓄电池组的作用是贮存太阳电池方阵受光照时所发出的电能并能随时向负载供电。在为太阳能光伏发电系统选择蓄电池时，要考虑电压电流特性等电气性能，还要求蓄电池组的自放电率低，使用寿命长，深放电能力强，充电效率高，可以少维护和免维护，工作温度范围宽，价格低廉等，再在此基础上考虑经济性选择最佳。蓄电池分为铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、镍氢蓄电池、锂蓄电池等。目前我国与太阳能光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镍镉蓄电池。配套200Ah以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封免维护型铅酸蓄电池；配套200Ah以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护型铅酸蓄电池。 4. 控制设备 控制设备是太阳能光伏发电系统中的重要部分之一。系统中的控制设备通常应具有以下功能：①信号检测：检测光伏发电系统各种装置和各个单元的状况和参数，可以对系统进行判断、控制、保护等提供依据。需要检测的物理量有输入电压、充电电流、输出电压、输出电流以及蓄电池温升等。②蓄电池的充放电控制：一般蓄电池组经过过充或过放电后会严重影响其性能和寿命，所以充放电控制设备是不可缺少的。控制设备可根据当前太阳能资源情况和蓄电池荷电状况，确定最佳充电方式，以实现高效、快速充电并对蓄电池放电过程进行管理，如负载控制自动开关机、实现软启动、防止负载接入时蓄电池端电压突降而导致的错误保护等。③其他设备保护：系统所连接的用电设备，在有些情况下需要由控制设备来提供保护，如系统中因逆变电路故障而出现的过电压和负载短路而出现的过电流等，如不及时加以控制，就有可能导致系统或用电设备损坏。④故障诊断定位：当系统发生故障时，可自动检测故障类型，指示故障位置，对系统进行维护提供便利。⑤运行状态指示：通过指示灯、显示器等方式指示光伏系统的运行状态和故障信息。 太阳能光伏发电系统在控制设备的管理下运行。控制设备可以采用多种技术方式实现其控制功能。比较常见的有逻辑和计算机控制两种方式。 5. 逆变器 逆变器是将直流电转变成交流电的一种设备。它是光伏系统中的重要组成部分。 由于太阳电池和蓄电池发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是必不可少的。通常逆变器不仅可以把直流电转换为交流电，也可以如下所述那样，具有使太阳电池最大限度地发挥其性能，以及出现异常和故障时保护系统的功能等。①有效地去除受天气变化影响的太阳电池的输出功率，具有自动运行停止功能及最大功率跟踪控制功能。② 为保护系统，具有单独（孤岛）运行防止功能及自动调压功能。③当系统和逆变器出现异常时，可以安全地分离或使逆变器停止工作。 逆变器按运行方式，可分为独立运行(离网)逆变器和并网逆变器。独立运行逆变器用于独立运行的太阳能光伏发电系统，为独立负载供电。并网逆变器用于并网运行的太阳能光伏发电系统，将发出的电能馈入电网。逆变器按输出波形又分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器，电路简单，造价低，但谐波分量大，一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器，成本高，但可以适用于各种负载。从长远看，正弦波逆变器将成为发展主流。 6. 测量设备 对于小型太阳能光伏发电系统，一般只需要进行简单的测量，如蓄电池电压和充放电操作电流，这时测量所用的电压表和电流表一般就装在控制器上。对于太阳能通信电源系统、管道阴极保护系统等工业电源系统和中大型太阳能光伏电站，往往要求对更多的参数进行测量，如测量太阳辐射能，环境温度，充放电电量等，有时甚至要求具有远程数据传输、数据打印和遥控功能。而为了得到这种较为复杂的测量，就必须为太阳能光伏发电系统配备数据采集系统和微机监控系统。 2.2.3 并网太阳能光伏发电系统的组成 并网光伏系统如图2.4所示，这种光伏发电系统实质上与其他类型的发电站一样，可为整个电力系统提供电力。并网太阳能光伏发电系统分为集中大型并网光伏系统（大型集中并网光伏电站）和分散式小型并网光伏发电系统（屋顶光伏系统或住宅并网光伏系统）两大类型。前者功率容量通常在兆瓦级以上，后者则在千瓦级至百千瓦级之间。 大型集中并网光伏发电站的主要特点是系统所发的电能被直接输送到电网上，由电网统一调配向用户供电。大型并网光伏电站的建设，投资巨大，建设期较长，需要复杂的控制及配电设备，同时需要占用大片土地，同时其发电成本目前要比市电贵，因此其发展受到很多限制。但随着太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段，建设这种大型并网光伏电站就是必然趋势。目前在大型并网光伏电站的发展上，国外较国内发展早且技术较为成熟。世界上最大的10兆瓦以上的大型并网光伏电站都集中在欧美。例如西班牙 Beneixama （Alicante Province）20MW并网光伏电站、西班牙 Salamanca Kyocera 13.8MW 并网光伏电站、西班牙Murcial2.7MW并网光伏电站、美国Nevada Nellis Air Force Basel5MW并网光伏电站及葡萄牙Serpa 11MW并网光伏电站目前都已建成并投入运行。还有德国 Rhineland - Palatinate州的Brandis投资1.3亿欧元正在建设中的40MW并网光伏电站（见组图2.5）。相比国外，国内现建成的最大的并网光伏电站有上海崇明岛前卫村1MW太阳能并网光伏电站和深圳国际园林花卉博览园1MWP并网光伏电站（见组图2.6）。 图2.4 并网光伏发电系统示意图 与大型并网光伏系统相比，住宅并网光伏发电系统，特别是与建筑相结合的住宅屋顶并网光伏系统，由于具有许多优越性，建设容易，投资不大，许多国家又相继出台了一系列激励政策，因而在各发达国家备受青睐，发展迅速，成为主流。住宅并网光伏发电系统的主要特点是所发的电能直接分配到住宅（用户）的用电负载上，多于或不足的电力通过连接电网来调节。根据并网光伏发电系统是否允许通过供电区变压器向主电网馈电，分为逆潮流和非逆潮流并网光伏发电系统两种。逆潮流系统（见图2.7），是在光伏系统中产生剩余电力时将该电能送入电网，由于是同电网的供电方向相反，所以成为逆潮流。在光伏发电系统中产生的剩余电力，逆潮流系统采用由电力公司购买剩余电力的制度。因为光伏系统由天气决定其输出功率，为了使住宅等使用稳定的电，有必要和电力公司的电力系统并网运行。当太阳电池的输出功率不能满足某一区域需求的情况下，不足部分是由电力公司的电网补充；相反，太阳电池的输出电力的剩余部分，则向电力公司的电网逆潮流送入，由电力公司买进。现在，住宅用光伏系统几乎都采用逆潮流系统。非逆潮流系统（见图2.8），在区域内的电力需求通常比光伏系统的输出电力大，因此在不可能产生逆潮流电力的情况下被采用，即光伏系统与电网形成并联向负载供电。因为在非逆潮流系统中无法确认光伏系统产生的剩余电力是否逆潮流送入电力公司电网，所以该系统应具有及时产生很小的逆潮流电流的场合，降低光伏系统的输出电力或者停止光伏系统运行的功能。 住宅并网光伏系统又有户用系统和区域系统之分。户用系统，装机容量较小，一般为1kWp~5kWP，为自己单独供电并自行管理，独立计量电量。区域系统，装机容量较大一些，一般为50kWP~300kWP，为一个小区或一栋建筑物供电，统一管理，集中分电量。还可根据并网光伏系统是否配有储能装置，分为有储能装置无储能装置并网光伏发电系统。配有少量蓄电池的系统，称为有储能系统。不配置蓄电池的系统，称为无储能系统。相比不需储能系统的有储能系统的主动性较强，当出现电网限电、停电、掉电等情况时仍可正常供电。住宅并网光伏发电系统通常是白天光伏系统发电量大而负载耗电量小，晚上光伏系统不发电而负载用电量大。光伏系统与电网相连，就可将光伏系统白天所发的多于电力“储存”到电网中，待用电时随时取出，省掉了储能蓄电池。 并网光伏发电系统主要由太阳电池方阵、并网逆变器和控制监测系统设备等三个重要部分构成。 1. 太阳电池方阵 太阳电池方阵由大量的光伏组件串并联构成。光伏组件包括晶体硅光伏组件、薄膜组件、跟踪组件和聚光光伏组件等。它是光伏系统的核心，在系统中太阳电池所占投资比重最大，因此选择合乎系统需要的光伏组件，对整个系统都有重要影响。在选择组件时首先要求具有非常好的耐气候性，能在室外严酷的条件下长期稳定可靠地运行，同时具有高转换率和廉价 性。另外选择光伏组件时任何生产厂家生产的光伏组件都必须经过中国国内的常规检测或国际著名机构的认证，如通过GB/T9535或IEC 61215的测试及GB/T 18911 - 2002/IEC 61646： 1996的测试。目前光伏系统中的太阳电池方阵还主要采用以晶体硅为主要材料的太阳电池组件，同时也可辅助采用部分成熟的薄膜太阳电池组件及跟踪和聚光组件等。考虑了光伏组件的选型后，要将平板式的地面型太阳电池方阵安装在方阵支架上，用于支撑太阳电池组件。支架可分为固定式和跟踪式两种。 2. 并网逆变器 并网逆变器(功率变换器)如图2.9所示，由将直流电转变为交流电的逆变器和当系统发生故障时保护系统的并网保护装置构成。因为功率变换器的主要部分是逆变器，所以它也可称为逆变器。所谓逆变器就是把直流电能转变为交流电能供给负载的一种电能转变装置，它正好是整流装置的逆向变换功能器件，因而被称之为逆变器。逆变器的重要的性能参数有：额定输出、容量输出、电压稳定度、整机效率、保护功能、启动性能。 在优化设计中，主要考虑逆变器的实际效率，应达到90%以上。作为大型并网光伏系统中应用的逆变器，除了具有直流─交流转换功能外，还必须具有光伏阵列的最大功率踉踪功能和各种保护功能，为了不对公用电网造成不利影响，要求输出抑制谐波电流的电流。因此在设计时有很多特殊的设计与使用上的要求，如考虑输出功率和瞬时峰值功率，逆变器输出效率、输出波形及逆变器输入直流电压的问题，这些是检验逆变器技术性能的重要指标。另外当系统并网运行时，为避免对公共电网的电力污染，要求逆变器电源输出正弦波电源，并且“孤岛”检测保护响应快、可靠性好。 一般情况下，单台逆变器容量越大，单位造价相对越低，但是考虑到单台逆变器容量过大，在故障情况下对整个系统影响较大，所以需要结合光伏组件安装场地的实际情况，选择额定容量适当的并网逆变器。并网逆变器单台容量目前国产最大可达到500kW，国外产品现已达到l000kW，如德国SMA公司SC1000MV，额定容量l000kW，重量35t。但是考虑大功率光伏电站的安全及经济运行，并网逆变器可以考虑分散组成相对独立并网的方式，这有利于整个光伏发电系统的稳定运行。对于兆瓦级的并网光伏电站可选用寿命长，可靠性高，效率高，噪声和谐波少，启动、停止平稳并可进行多机并联的产品。另外根据相关国际标准光伏并网逆变器输出的并网电流波形总谐波畸变率（THD）应小于5%，各次谐波畸变率小于3％。为了使光伏并网逆变器输出的并网电流满足例如IEEE 929.IEC61727还有IEC61000-3-2等相关国际或欧洲标准，对并网光伏发电系统的电路拓扑结构以及控制策略都提出了更高 3. 控制监测系统 对于并网光伏系统中的控制监测设备通常是与逆变器设置在一起，通过电子装置与外部计算机连接可以对整个电站的运行状况进行实时测量和监控。因为控制装置的存在可以对系统起到控制及并网保护的作用，因此在设计监控系统时应保证为有效取出受天气变化影响太阳电池的输出效率，使其具有最大功率跟踪控制功能，并具有自动运行、停止等功能。另外通过太阳能光伏发电系统的测量设备和显示装置，可以监视整个系统运行状态，掌握发电量，收集评价系统性能的数据。 4. 其他 并网光伏系统除了以上的主要硬件设施，还包括配电系统设计，以及系统的基础建设等。上述各种设备在设计和选取过程中要综合考虑系统所在地的实际情况、系统的规模、客户的要求等因素，并参考国家标准正确合理的做出判断。 2.3.3安全保护及“孤岛效应”防护手段 因为太阳能电池方阵的面积宽，而且安装在没有遮盖物的室外，因此容易受到雷电引起的过高电压影响。为保证电力系统的安全运行和光伏发电及附属设施的安全，大型并网光伏电站必须有良好的避雷、防雷及接地保护装置。避雷和防雷的设计可参考GB50057-94《建筑防雷设计规范》，接地则参考GB50169-92《电气装置安装工程接地装置施工及验收规范》的要求。 根据规范要求在考虑避雷、防雷的措施时要将整个场地划入保护范围内，对于直接落到太阳电池方阵、低压配电线路、电气设备及其配线等处以及其近旁的直击雷，可以通过在高处安装避雷针防止雷击，但应尽量避免避雷针的投影落在太阳电池组件上。对于由感应雷引起的雷电浪涌，应保证全部不带电的金属物都要可靠接地，每件金属物品都要单独接到接地干线，不允许串联后再接到接地干线上。对于雷雨多发的地域，在交流电源侧安装耐雷变压器会更加安全。线路的防雷，通常可以安装避雷器(一般选择放电电流额定值大的避雷器）， 连接在导线与地之间，保护电站和电力设备不受线路侵入的雷电流的危害。 系统接地保护的设计，要求接地都要连接在一个接地体上，接地电阻满足其中的最小值，不允许设备串联后再接到接地干线上。大型并网光伏电站对接地电阻值的要求较严格，所有电气设备的接地电阻＜4Ω，并满足电子设备的金属屏蔽接地和逆变器、变压器等工作接地的要求；防雷接地应该独立设置，要求R≤30Ω，且和主接地装置在地下的距离保持在3m以上；在中性点直接接地的系统中，要求重复接地，R≤10Ω。 “孤岛效应”指在电网失电情况下，发电设备仍作为孤立电源对负载供电这一现象。 “孤岛效应”对设备和人员的安全存在重大隐患，体现在以下两方面：一方面是当检修人员停止电网的供电，并对电力线路和电力设备进行检修时，若并网光伏电站的逆变器仍继续供电，会造成检修人员伤亡事故；另一方面，当因电网故障造成停电时，若并网逆变器仍继续供电，一旦电网恢复供电，电网电压和并网逆变器的输出电压在相位上可能存在较大差异，会在这一瞬间产生很大的冲击电流，导致设备损坏。 对于“孤岛效应”的检测防护，可以在逆变器内设置防护功能。这里有两种方式对“孤岛效应”进行检测。作为被动方式，捕捉从并网到孤岛运行过渡时的电压波形和相位变化等来判断电网是否失电；主动方式是经常给逆变器带来变动因素，这种要素在并网运行时没有体现在输出上，而在孤岛运行时则体现出来的检测异常的方式。表2.1所示为各方式的概要。其中一种方法就是通过测量逆变器输出的谐波电流在并网点所产生的谐波电压值，通过计算电网阻抗来进行判断，当电网失电时，会在电网阻抗参数上发生较大变化，从而判断是否出现了电网失电情况。当逆变器检测到电网失电后，会立即停止光伏电站的运行。当电网恢复供电后，并网逆变器不能立即开始工作，需要对电网的电信号进行检测等其恢复正常，再投入运行。需要指出，任何一种“孤岛效应”的检测方法均具有其局限性，需要同时从电站管理上来杜绝检修人员伤亡事故的发生，当停电对设备和线路进行检修时，需要先断开并网逆变器。 【思考题】 2-1太阳能光伏发电系统的工作原理是什么？ 2-2太阳能光伏发电系统的应用方式有哪些？各自的主要特点是什么？ 2-3旁路二极管有什么作用？ 2-4简述太阳能并网光伏发电系统的组成及安全保护？

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