2.1　太阳能光伏发电系统工程

2.1.1　光伏系统工程研究的宗旨及内容

何谓系统呢？一般认为，“系统”一词源于拉丁语的“systerma”，是“群”与“集合”之意。长期以来，它存在于自然界、人类社会以及人类思维描述的各个领域，频繁出现在学术讨论和社会生活中，早被赋予不同的含义。究竟什么是系统呢？著名科学家钱学森曾给出一个定义：系统是由相互作用和依赖的若干组成部分结合的具有特定功能的有机整体。这个定义指出了作为系统的三个基本特征：

（1）系统是由若干元素组成的；

（2）这些元素相互作用、相互依赖；

（3）由于元素间的相互作用，使系统作为一个整体，具有特定的功能。

太阳能发电技术分为两大类，太阳能光发电和太阳能热发电。

太阳能光发电是指无需通过热过程直接将太阳光能转变成电能的发电方式，它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式，是当今太阳能光发电的主流。时下，人们通常所说的太阳能光发电就是太阳能光伏发电。

有效利用太阳能光伏发电必须构成优化系统，太阳电池仅是系统中的主要“元素”之一，使其具有特定功能还需有直流汇流、直流/交流逆变、储能、监控、功率调节等系统平衡部件。针对不同功能需有不同的系统配置，不同的配置又必须合理。光伏发电系统工程项目的实施，其寿命要求长达25～30年，可说是半永久性的发电设备，还必须做到与常规电站一样进行精心施工安装，加之持久的运行维护保障才能达到设计的预期目标。

太阳能光伏发电系统工程致力于研究发展光伏发电系统集成技术及其应用，运用系统工程学的原理及方法，进行光伏系统建模、系统分析、系统设计、系统仿真、系统构建、系统运行维护管理、系统预测、系统评价和系统决策等，追求更优化的技术方案、更佳的性价比、更可靠的运行维护管理，以达到投资获得最佳经济和环保效益。其主要研究内容有如下四个方面：

（1）系统如何优化设计，包括设计原理和方法、各类系统具体设计、设计软件工具及实用案例；

（2）系统如何合理配置，包括必备的太阳能资源、太阳电池及其应用系统平衡部件，系统各部件性能特点及其之间的关联、制约与选配，以及系统集成技术的一体化装置等知识；

（3）光伏系统工程项目实施如何精心施工，包括规范达标的安装施工及检测调试、部件安装注意事项、屋顶和地面安装防雷、接地、抗风、抗雹、防锈蚀、防火及安全保障等；

（4）光伏系统如何长期运行维护，包括诸如集中监控系统及巡检诊断，太阳能电池板清洁、倾角调整，以及运维管理规则等一系列软、硬件措施等。

2.1.2　系统分类及配置

2.1.2.1　光伏系统的特点与分类

光伏发电系统发电过程无温室气体排放，因而称为“绿色”能源。它具备以下主要优点：

①无需化石燃料，太阳能遍布全球，取用不竭；

②无移动、转动部件，无污染、无噪声，寿命可长达30年以上；

③建设周期短，即便是大型光伏电站，从设计到施工安装可在3～6个月完成；

④运行维护费用很低，仅为常规发电站的1/10左右；

⑤可因地制宜，就近设置，应用十分方便；

⑥模块化结构，规模可调节，大到GW级集中型光伏电站，小到分布式户用屋顶光伏系统，乃至太阳能电子产品等。

光伏发电系统的缺点是波动、不连续，如同风力发电等其他可再生能源。对于这类间断性能源利用有如下三种技术途径加以应对：

①系统配置储能装置；

②并网发电，将所发电能“储存”到电网上进行存用调节；

③多能互补发电，以及构建微电网。

光伏系统（PV系统）分类，通常按照与公共电网的关系分为独立型与并网型两大类。其中独立型又按负载类型分为专用负载和一般负载，或者按系统构成分为混合型、无储能蓄电池型、蓄电池并用型。并网型系统又分为可逆流和不可逆流两种。PV系统分类如图2-1所示。

所谓独立型光伏发电系统，是指与电力系统不发生任何关系的闭合系统。它通常用于便携式设备的电源，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。

（1）带专用负载的光伏发电系统

带专用负载的光伏发电系统可能是仅仅按照其负载的要求来构成和设计的。因此，输出功率为直流或者为任意频率的交流，是较为适用的。这种系统，使用变频调速运行在技术上可行。如在光伏水泵系统中电机负载的情况下，由变频启动可以抑制冲击电流，同时可使变频器小型化。

（2）带一般负载的光伏发电系统

带一般负载的光伏发电系统是以某个范围内不特定的负载作为对象的供电系统。作为负载，通常是电器产品，以工频运行比较方便。如是直流负载，可以省掉逆变器。当然，实际情况可能是交流、直流负载都有。一般要配有蓄电池储能装置，以便把太阳电池板白天产生的电储存在蓄电池里，供夜间或阴雨天时使用。如果负载仅为农用机械也可以不设置蓄电池。一般负载用光伏发电系统，还可以分为就地负载系统和分散负载系统。前者作为边远地区的家庭或某些设备的电源，是一种在使用场地就地发电和用电的系统。而后者则需要设置小规模的配电线路，以便对于光伏电站所在地以外较远的负载也能供电。

并网型分为可逆流系统和不可逆流系统两种（见图2-2）。在PV系统中，若产生剩余电力，可逆流系统采用由电力公司购买剩余电力的制度。现在，住宅用的PV系统几乎都采用可逆流系统。

不可逆流系统，在区域内的电力需求通常比PV系统的输出电力大，因此在不会产生逆流电力的情况下被采用。在这类光伏系统中，无法确认其剩余电力不逆向流入电网，因此即使产生很小的电流，系统也应具备自动降低PV系统的输出电力或暂停PV系统运行的功能，即要安装防逆流装置。

2.1.2.2　光伏系统的配置

（1）光伏系统的组成

对于独立型光伏系统，其组成如图2-3所示。并网型光伏系统组成如图2-4所示。

①太阳电池方阵　太阳电池方阵是光伏系统的主要部件，由其将接收到的太阳光能直接转换成直流电。为满足高电压、大功率的发电要求，方阵由若干太阳电池组件（光伏组件），防反和旁路二极管，防雷直流汇流箱及缆线等串、并联连接后，通过一定的机械方式固定组合而成。方阵的支架要有足够的刚度、强度以抗风、抗雪等，并能牢固地安装在适当的基础之上。

在地面安装更大功率的光伏电站，往往需要许多方阵，按照恰当的间距进一步串、并联连接汇流至逆变器的输入端。光伏方阵有序排布的总体称为光伏阵列。

在建筑物并网光伏系统中，如果在住宅或建筑物设计时就考虑方阵的安装朝向和倾斜角等要求，并预先埋好地脚螺栓等固定元件，则在太阳电池方阵安装时就便捷得多，且可减少电力损失。

建筑物并网光伏系统的突出特点和优点是与建筑相结合，目前主要有如下两种形式。

建筑与光伏系统相结合是两者结合的初步，即将现成的平板式太阳电池组件安装在建筑物的屋顶等处，引出端经由逆变和控制装置与电网联接，光伏系统和电网并联向住宅（用户）供电，多余电力向电网反馈，不足电力由电网取用。

建筑与光伏组件相结合是两者结合的进一步发展，即将光伏器件与建筑材料集成化。建筑物的外墙一般采用涂料、马赛克等材料，为了美观，有的甚至采用价格昂贵的玻璃幕墙等，其功能是起保护内部及装饰的作用。如果把屋顶、向阳外墙、遮阳板，甚至窗户等的材料采用光伏器件来代替，则可一举两得，既可作为建筑材料与装饰材料，又能发电。

光伏建筑一体化系统，要设计良好的冷却通风，因为太阳电池组件的发电效率随其表面工作温度的上升而下降。良好的通风冷却，可使组件的表温降低15℃左右，电力输出提高8％以上。

②逆变器　逆变器作为光伏系统的关键部件，是向负载或电网提供优质电力的根本保障。为了实现光伏系统可靠运行、高效输出，逆变器必须达到如下要求。

a.能输出电压稳定的交流电。无论是输入电压出现波动，还是负载发生变化，它都要达到一定的电压稳定精度，静态时一般为±2％。

b.能输出频率稳定的交流电。要求该交流电能达到一定的频率稳定精度，静态时一般为±0.5％。

c.输出的电压及其频率在一定范围内可以调节。一般输出电压可调范围为±5％，输出频率可调范围为±2Hz。

d.具有一定的过载能力，一般能过载125％～150％。当过载150％时，应能持续30s；当过载125％时，应能持续1min及以上。

e.输出电压波形含谐波成分应尽量小。一般输出波形的失真率应控制在7％以内，以利于缩小滤波器的体积。

f.具有短路、过载、过热、过电压、欠电压等保护功能和报警功能。

g.启动平稳，启动电流小，运行稳定可靠。

h.换流损失小，逆变效率高，一般在85％～95％。

i.具有快速的动态响应。

逆变器按运行方式，可分为独立运行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可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，成本高一些，但可以适用于各种负载。事实上，正弦波逆变器早已成为主流。

并网逆变器主要由逆变器和并网保护器两大部分构成，如图2-5所示。

逆变器包括3个部分：a.逆变部分，其功能是采用大功率晶体管将直流高速切割，并转换为交流；b.控制部分，由电子回路构成，其功能是控制逆变部分；c.保护部分，也由电子回路构成，其功能是在逆变器内部发生故障时起安全保护作用。

并网保护器是一种安全装置，主要用于频率上下波动、过欠电压和电网停电等情况的监测。通过监测如发现问题，应及时停止逆变器运转，把光伏系统与电网断开，以确保安全。它一般装在逆变器中，但也有单独设置的。

在中国，并网光伏逆变器往往还包含有最大功率点跟踪（MPPT）功能。太阳电池方阵的输出随太阳辐照度和太阳电池方阵表面温度而变动，因此需要跟踪太阳电池方阵的工作点并进行控制，使方阵始终处于最大输出，以获得最大的功率输出。这就要采用MPPT技术。每隔一定时间让并网逆变器的直流工作电压变动一次，测定此时太阳电池输出功率，并同上次进行比较，使并网逆变器的直流电压始终沿功率变大的方向变化。

关于并网逆变器回路方式已进入应用的主要有电网频率变压器绝缘方式、高频变压器绝缘方式和无变压器方式3种。

a.电网频率变压器绝缘方式，采用脉宽调制（PWM）逆变器产生电网频率的交流，并采用电网频率变压器进行绝缘和变压。它具有良好的抗雷击和消除尖波的性能。但由于采用电网频率变压器，因而较为笨重。

b.高频变压器绝缘方式，体积小，重量轻，但回路较为复杂。

c.无变压器方式，体积小，重量轻，成本低，可靠性能高，但与电网之间没有绝缘。

除第一种方式外，后两种方式均具有检测直流电流输出的功能，进一步提高了安全性。无变压器方式，由于在成本、尺寸、重量及效率等方面具有优势，因而目前应用广泛。该回路由升压器把太阳电池方阵的直流电压提升到无变压器逆变器所需要的电压。逆变器把直流换为交流。控制器具有联网保护继电器的功能，并设有联网所需手动开关，以便在发生异常时将逆变器同电网隔离（见图2-6）。

③其他系统平衡相关部件　包括储能装置、控制器、交流配电柜、监控设备、变压器等，本书相关章节有详细阐述，因而不一一赘述。

（2）光伏系统的配置

配置是指光伏系统各个部件的容量设计及其性能参数适配的考量，以达到最佳的匹配。此为光伏发电系统工程项目实施中一项不可忽视的重要事项。系统各部件适配的考量，不仅为追求系统效率最大，发电量最多，还要考虑最佳性价比，并且应从光伏系统长达20～25年的全寿命周期来考量系统工程的技术经济性。

例如，在并网光伏系统中，逆变器的功率容量选定，除了考虑许多性能参数适配，还要注意到逆变器在低功率下运行效率降低这一现象。理想逆变器容量的选择应根据太阳电池板输出功率来考量，这又和安装地点的纬度相关。我们知道，逆变器额定功率（PI）与太阳电池板标称功率（P0）之比（PI/P0），通常小于1。在欧洲，专业人士推荐比值，对北欧国家是0.65～0.8；对中欧纬度国家为0.75～0.9；而对在南欧的国家，则宜选0.85～1.0。在中国，该比值多选为0.9～1.0之间，具体比值因应安装地点等酌情确定。

但是，在独立光伏发电系统中，首要应考虑电能生产满足负载需求，同时供电可靠性和经济性也很重要。因而逆变器容量的考量，主要是从逆变器输出满足负载要求出发的。作为一个典型的独立光伏电站示范工程，现将正常运行供电已近20年的中国西藏双湖25kW光伏电站的配置介绍如下。

双湖光伏电站的地理坐标为东经89°，北纬33.5°，海拔高度5100m。当地气候具有明显的高原特性，年日照时数高达3000h，太阳能年总辐射在7000MJ/m2以上，且全年分布较均衡，季节差值小。建设光伏电站主要用于解决照明、看电视等居民生活用电，同时兼顾公共事业（学校、医院、车站、银行、政府办公等）用电，负荷总功率29.2kW。

根据双湖的特殊情况以及当地用电负荷预测，双湖光伏电站宜建成独立运行的光伏发电系统，配以适当容量的柴油发电机组作为后备电源，以在应急情况下启用。电站由太阳电池阵列、储能蓄电池组、直流控制系统、逆变器、整流充电系统、柴油发电机组、供电用电线路及相关的房屋土建设施组成。按照给定的要求及条件，根据电站设计的基本原则和指导思想，经优化设计和计算，电站各部分的主要性能参数如下。

太阳能电池标称功率　　25kWp

储能蓄电池组　　　　　300V/1600A·h

逆变器　　　　　　　　30kV·A，380V，50Hz三相正弦波输出

直流控制系统　　　　　容量60kW，300V分路输入控制

交流配电系统　　　　　180kV·A，220V/380V三相四线两路输出

整流充电系统　　　　　75kW，直流300～500V可调

柴油发电机组　　　　　50kW（或120kW）

光伏发电系统的总体配置见图2-7。

光伏电站在晴好天气条件下，太阳光照射到太阳电池阵列上，由太阳电池把太阳光的能量转变为电能，通过直流控制系统给蓄电池组充电。需要用电时，蓄电池组通过直流控制系统向逆变器送电。逆变器将直流电转换成通常频率和电压的交流电，再经交流配电系统和输电线路，将交流电送到用户家中给负载供电。当蓄电池组放电过度或因其他原因而导致电压过低时，可启动后备柴油发电机组，经整流充电设备给蓄电池组充电，保证系统经由逆变器正常供电。在系统无法用逆变器供电的情况下，如出现逆变器损坏、线路及设备的故障和进行检修等，柴油发电机组作为应急电源可以通过交流配电系统和输送电线路直接给用户供电。

在总体技术方案设计中，充分考虑到将来扩容的需要和供电可靠性的要求，各部分的性能参数都留有余量。直流控制系统、交流配电系统及配电线路都是两路工作设计，留有输出/输入接口，以便接入第2台逆变器。显然，这里系统配置，PI/P0值选定为1.2，与并网光伏系统考量是完全不同的。