2.1　太陽能光伏發電系統工程

2.1.1　光伏系統工程研究的宗旨及內容

何謂系統呢？一般認為，“系統”一詞源于拉丁語的“systerma”，是“群”與“集合”之意。長期以來，它存在于自然界、人類社會以及人類思維描述的各個領域，頻繁出現在學術討論和社會生活中，早被賦予不同的含義。究竟什么是系統呢？著名科學家錢學森曾給出一個定義：系統是由相互作用和依賴的若干組成部分結合的具有特定功能的有機整體。這個定義指出了作為系統的三個基本特征：

（1）系統是由若干元素組成的；

（2）這些元素相互作用、相互依賴；

（3）由于元素間的相互作用，使系統作為一個整體，具有特定的功能。

太陽能發電技術分為兩大類，太陽能光發電和太陽能熱發電。

太陽能光發電是指無需通過熱過程直接將太陽光能轉變成電能的發電方式，它包括光伏發電、光化學發電、光感應發電和光生物發電。光伏發電是利用太陽電池這種半導體電子器件有效地吸收太陽光輻射能，并使之轉變成電能的直接發電方式，是當今太陽能光發電的主流。時下，人們通常所說的太陽能光發電就是太陽能光伏發電。

有效利用太陽能光伏發電必須構成優化系統，太陽電池僅是系統中的主要“元素”之一，使其具有特定功能還需有直流匯流、直流/交流逆變、儲能、監控、功率調節等系統平衡部件。針對不同功能需有不同的系統配置，不同的配置又必須合理。光伏發電系統工程項目的實施，其壽命要求長達25～30年，可說是半永久性的發電設備，還必須做到與常規電站一樣進行精心施工安裝，加之持久的運行維護保障才能達到設計的預期目標。

太陽能光伏發電系統工程致力于研究發展光伏發電系統集成技術及其應用，運用系統工程學的原理及方法，進行光伏系統建模、系統分析、系統設計、系統仿真、系統構建、系統運行維護管理、系統預測、系統評價和系統決策等，追求更優化的技術方案、更佳的性價比、更可靠的運行維護管理，以達到投資獲得最佳經濟和環保效益。其主要研究內容有如下四個方面：

（1）系統如何優化設計，包括設計原理和方法、各類系統具體設計、設計軟件工具及實用案例；

（2）系統如何合理配置，包括必備的太陽能資源、太陽電池及其應用系統平衡部件，系統各部件性能特點及其之間的關聯、制約與選配，以及系統集成技術的一體化裝置等知識；

（3）光伏系統工程項目實施如何精心施工，包括規范達標的安裝施工及檢測調試、部件安裝注意事項、屋頂和地面安裝防雷、接地、抗風、抗雹、防銹蝕、防火及安全保障等；

（4）光伏系統如何長期運行維護，包括諸如集中監控系統及巡檢診斷，太陽能電池板清潔、傾角調整，以及運維管理規則等一系列軟、硬件措施等。

2.1.2　系統分類及配置

2.1.2.1　光伏系統的特點與分類

光伏發電系統發電過程無溫室氣體排放，因而稱為“綠色”能源。它具備以下主要優點：

①無需化石燃料，太陽能遍布全球，取用不竭；

②無移動、轉動部件，無污染、無噪聲，壽命可長達30年以上；

③建設周期短，即便是大型光伏電站，從設計到施工安裝可在3～6個月完成；

④運行維護費用很低，僅為常規發電站的1/10左右；

⑤可因地制宜，就近設置，應用十分方便；

⑥模塊化結構，規模可調節，大到GW級集中型光伏電站，小到分布式戶用屋頂光伏系統，乃至太陽能電子產品等。

光伏發電系統的缺點是波動、不連續，如同風力發電等其他可再生能源。對于這類間斷性能源利用有如下三種技術途徑加以應對：

①系統配置儲能裝置；

②并網發電，將所發電能“儲存”到電網上進行存用調節；

③多能互補發電，以及構建微電網。

光伏系統（PV系統）分類，通常按照與公共電網的關系分為獨立型與并網型兩大類。其中獨立型又按負載類型分為專用負載和一般負載，或者按系統構成分為混合型、無儲能蓄電池型、蓄電池并用型。并網型系統又分為可逆流和不可逆流兩種。PV系統分類如圖2-1所示。

所謂獨立型光伏發電系統，是指與電力系統不發生任何關系的閉合系統。它通常用于便攜式設備的電源，向遠離現有電網的地區或設備供電，以及用于任何不想與電網發生聯系的供電場合。

（1）帶專用負載的光伏發電系統

帶專用負載的光伏發電系統可能是僅僅按照其負載的要求來構成和設計的。因此，輸出功率為直流或者為任意頻率的交流，是較為適用的。這種系統，使用變頻調速運行在技術上可行。如在光伏水泵系統中電機負載的情況下，由變頻啟動可以抑制沖擊電流，同時可使變頻器小型化。

（2）帶一般負載的光伏發電系統

帶一般負載的光伏發電系統是以某個范圍內不特定的負載作為對象的供電系統。作為負載，通常是電器產品，以工頻運行比較方便。如是直流負載，可以省掉逆變器。當然，實際情況可能是交流、直流負載都有。一般要配有蓄電池儲能裝置，以便把太陽電池板白天產生的電儲存在蓄電池里，供夜間或陰雨天時使用。如果負載僅為農用機械也可以不設置蓄電池。一般負載用光伏發電系統，還可以分為就地負載系統和分散負載系統。前者作為邊遠地區的家庭或某些設備的電源，是一種在使用場地就地發電和用電的系統。而后者則需要設置小規模的配電線路，以便對于光伏電站所在地以外較遠的負載也能供電。

并網型分為可逆流系統和不可逆流系統兩種（見圖2-2）。在PV系統中，若產生剩余電力，可逆流系統采用由電力公司購買剩余電力的制度。現在，住宅用的PV系統幾乎都采用可逆流系統。

不可逆流系統，在區域內的電力需求通常比PV系統的輸出電力大，因此在不會產生逆流電力的情況下被采用。在這類光伏系統中，無法確認其剩余電力不逆向流入電網，因此即使產生很小的電流，系統也應具備自動降低PV系統的輸出電力或暫停PV系統運行的功能，即要安裝防逆流裝置。

2.1.2.2　光伏系統的配置

（1）光伏系統的組成

對于獨立型光伏系統，其組成如圖2-3所示。并網型光伏系統組成如圖2-4所示。

①太陽電池方陣　太陽電池方陣是光伏系統的主要部件，由其將接收到的太陽光能直接轉換成直流電。為滿足高電壓、大功率的發電要求，方陣由若干太陽電池組件（光伏組件），防反和旁路二極管，防雷直流匯流箱及纜線等串、并聯連接后，通過一定的機械方式固定組合而成。方陣的支架要有足夠的剛度、強度以抗風、抗雪等，并能牢固地安裝在適當的基礎之上。

在地面安裝更大功率的光伏電站，往往需要許多方陣，按照恰當的間距進一步串、并聯連接匯流至逆變器的輸入端。光伏方陣有序排布的總體稱為光伏陣列。

在建筑物并網光伏系統中，如果在住宅或建筑物設計時就考慮方陣的安裝朝向和傾斜角等要求，并預先埋好地腳螺栓等固定元件，則在太陽電池方陣安裝時就便捷得多，且可減少電力損失。

建筑物并網光伏系統的突出特點和優點是與建筑相結合，目前主要有如下兩種形式。

建筑與光伏系統相結合是兩者結合的初步，即將現成的平板式太陽電池組件安裝在建筑物的屋頂等處，引出端經由逆變和控制裝置與電網聯接，光伏系統和電網并聯向住宅（用戶）供電，多余電力向電網反饋，不足電力由電網取用。

建筑與光伏組件相結合是兩者結合的進一步發展，即將光伏器件與建筑材料集成化。建筑物的外墻一般采用涂料、馬賽克等材料，為了美觀，有的甚至采用價格昂貴的玻璃幕墻等，其功能是起保護內部及裝飾的作用。如果把屋頂、向陽外墻、遮陽板，甚至窗戶等的材料采用光伏器件來代替，則可一舉兩得，既可作為建筑材料與裝飾材料，又能發電。

光伏建筑一體化系統，要設計良好的冷卻通風，因為太陽電池組件的發電效率隨其表面工作溫度的上升而下降。良好的通風冷卻，可使組件的表溫降低15℃左右，電力輸出提高8％以上。

②逆變器　逆變器作為光伏系統的關鍵部件，是向負載或電網提供優質電力的根本保障。為了實現光伏系統可靠運行、高效輸出，逆變器必須達到如下要求。

a.能輸出電壓穩定的交流電。無論是輸入電壓出現波動，還是負載發生變化，它都要達到一定的電壓穩定精度，靜態時一般為±2％。

b.能輸出頻率穩定的交流電。要求該交流電能達到一定的頻率穩定精度，靜態時一般為±0.5％。

c.輸出的電壓及其頻率在一定范圍內可以調節。一般輸出電壓可調范圍為±5％，輸出頻率可調范圍為±2Hz。

d.具有一定的過載能力，一般能過載125％～150％。當過載150％時，應能持續30s；當過載125％時，應能持續1min及以上。

e.輸出電壓波形含諧波成分應盡量小。一般輸出波形的失真率應控制在7％以內，以利于縮小濾波器的體積。

f.具有短路、過載、過熱、過電壓、欠電壓等保護功能和報警功能。

g.啟動平穩，啟動電流小，運行穩定可靠。

h.換流損失小，逆變效率高，一般在85％～95％。

i.具有快速的動態響應。

逆變器按運行方式，可分為獨立運行逆變器和并網逆變器。獨立運行逆變器用于獨立運行的太陽能光伏發電系統，為獨立負載供電。并網逆變器用于并網運行的太陽能光伏發電系統，將發出的電能饋入電網。逆變器按輸出波形又可分為方波逆變器和正弦波逆變器。方波逆變器，電路簡單，造價低，但諧波分量大，一般用于幾百瓦以下和對諧波要求不高的系統。正弦波逆變器，成本高一些，但可以適用于各種負載。事實上，正弦波逆變器早已成為主流。

并網逆變器主要由逆變器和并網保護器兩大部分構成，如圖2-5所示。

逆變器包括3個部分：a.逆變部分，其功能是采用大功率晶體管將直流高速切割，并轉換為交流；b.控制部分，由電子回路構成，其功能是控制逆變部分；c.保護部分，也由電子回路構成，其功能是在逆變器內部發生故障時起安全保護作用。

并網保護器是一種安全裝置，主要用于頻率上下波動、過欠電壓和電網停電等情況的監測。通過監測如發現問題，應及時停止逆變器運轉，把光伏系統與電網斷開，以確保安全。它一般裝在逆變器中，但也有單獨設置的。

在中國，并網光伏逆變器往往還包含有最大功率點跟蹤（MPPT）功能。太陽電池方陣的輸出隨太陽輻照度和太陽電池方陣表面溫度而變動，因此需要跟蹤太陽電池方陣的工作點并進行控制，使方陣始終處于最大輸出，以獲得最大的功率輸出。這就要采用MPPT技術。每隔一定時間讓并網逆變器的直流工作電壓變動一次，測定此時太陽電池輸出功率，并同上次進行比較，使并網逆變器的直流電壓始終沿功率變大的方向變化。

關于并網逆變器回路方式已進入應用的主要有電網頻率變壓器絕緣方式、高頻變壓器絕緣方式和無變壓器方式3種。

a.電網頻率變壓器絕緣方式，采用脈寬調制（PWM）逆變器產生電網頻率的交流，并采用電網頻率變壓器進行絕緣和變壓。它具有良好的抗雷擊和消除尖波的性能。但由于采用電網頻率變壓器，因而較為笨重。

b.高頻變壓器絕緣方式，體積小，重量輕，但回路較為復雜。

c.無變壓器方式，體積小，重量輕，成本低，可靠性能高，但與電網之間沒有絕緣。

除第一種方式外，后兩種方式均具有檢測直流電流輸出的功能，進一步提高了安全性。無變壓器方式，由于在成本、尺寸、重量及效率等方面具有優勢，因而目前應用廣泛。該回路由升壓器把太陽電池方陣的直流電壓提升到無變壓器逆變器所需要的電壓。逆變器把直流換為交流。控制器具有聯網保護繼電器的功能，并設有聯網所需手動開關，以便在發生異常時將逆變器同電網隔離（見圖2-6）。

③其他系統平衡相關部件　包括儲能裝置、控制器、交流配電柜、監控設備、變壓器等，本書相關章節有詳細闡述，因而不一一贅述。

（2）光伏系統的配置

配置是指光伏系統各個部件的容量設計及其性能參數適配的考量，以達到最佳的匹配。此為光伏發電系統工程項目實施中一項不可忽視的重要事項。系統各部件適配的考量，不僅為追求系統效率最大，發電量最多，還要考慮最佳性價比，并且應從光伏系統長達20～25年的全壽命周期來考量系統工程的技術經濟性。

例如，在并網光伏系統中，逆變器的功率容量選定，除了考慮許多性能參數適配，還要注意到逆變器在低功率下運行效率降低這一現象。理想逆變器容量的選擇應根據太陽電池板輸出功率來考量，這又和安裝地點的緯度相關。我們知道，逆變器額定功率（PI）與太陽電池板標稱功率（P0）之比（PI/P0），通常小于1。在歐洲，專業人士推薦比值，對北歐國家是0.65～0.8；對中歐緯度國家為0.75～0.9；而對在南歐的國家，則宜選0.85～1.0。在中國，該比值多選為0.9～1.0之間，具體比值因應安裝地點等酌情確定。

但是，在獨立光伏發電系統中，首要應考慮電能生產滿足負載需求，同時供電可靠性和經濟性也很重要。因而逆變器容量的考量，主要是從逆變器輸出滿足負載要求出發的。作為一個典型的獨立光伏電站示范工程，現將正常運行供電已近20年的中國西藏雙湖25kW光伏電站的配置介紹如下。

雙湖光伏電站的地理坐標為東經89°，北緯33.5°，海拔高度5100m。當地氣候具有明顯的高原特性，年日照時數高達3000h，太陽能年總輻射在7000MJ/m2以上，且全年分布較均衡，季節差值小。建設光伏電站主要用于解決照明、看電視等居民生活用電，同時兼顧公共事業（學校、醫院、車站、銀行、政府辦公等）用電，負荷總功率29.2kW。

根據雙湖的特殊情況以及當地用電負荷預測，雙湖光伏電站宜建成獨立運行的光伏發電系統，配以適當容量的柴油發電機組作為后備電源，以在應急情況下啟用。電站由太陽電池陣列、儲能蓄電池組、直流控制系統、逆變器、整流充電系統、柴油發電機組、供電用電線路及相關的房屋土建設施組成。按照給定的要求及條件，根據電站設計的基本原則和指導思想，經優化設計和計算，電站各部分的主要性能參數如下。

太陽能電池標稱功率　　25kWp

儲能蓄電池組　　　　　300V/1600A·h

逆變器　　　　　　　　30kV·A，380V，50Hz三相正弦波輸出

直流控制系統　　　　　容量60kW，300V分路輸入控制

交流配電系統　　　　　180kV·A，220V/380V三相四線兩路輸出

整流充電系統　　　　　75kW，直流300～500V可調

柴油發電機組　　　　　50kW（或120kW）

光伏發電系統的總體配置見圖2-7。

光伏電站在晴好天氣條件下，太陽光照射到太陽電池陣列上，由太陽電池把太陽光的能量轉變為電能，通過直流控制系統給蓄電池組充電。需要用電時，蓄電池組通過直流控制系統向逆變器送電。逆變器將直流電轉換成通常頻率和電壓的交流電，再經交流配電系統和輸電線路，將交流電送到用戶家中給負載供電。當蓄電池組放電過度或因其他原因而導致電壓過低時，可啟動后備柴油發電機組，經整流充電設備給蓄電池組充電，保證系統經由逆變器正常供電。在系統無法用逆變器供電的情況下，如出現逆變器損壞、線路及設備的故障和進行檢修等，柴油發電機組作為應急電源可以通過交流配電系統和輸送電線路直接給用戶供電。

在總體技術方案設計中，充分考慮到將來擴容的需要和供電可靠性的要求，各部分的性能參數都留有余量。直流控制系統、交流配電系統及配電線路都是兩路工作設計，留有輸出/輸入接口，以便接入第2臺逆變器。顯然，這里系統配置，PI/P0值選定為1.2，與并網光伏系統考量是完全不同的。