离网式光伏发电系统设计的优化分析

离网式光伏发电系统设计的优化分析

王毅

（陕能榆林清洁能源开发有限公司陕西省榆林市719000）

摘要：随着全球经济的迅猛发展，太阳能作为一种清洁的可再生能源引起了广泛关注。光伏发电是太阳能直接应用的一种重要方式，文章以浙江省衢州市离网光伏发电项目为案例，从电池组件容量设计、蓄电池容量分析等角度出发，分析了家用独立光伏发电系统优化设计方案。

关键词：离网光伏发电系统；光伏阵列；蓄电池组

前言太阳能是一种清洁和可再生能源。我国具有较好的太阳能资源，但也是一个能源消耗大国，而且人口分布也极不合理，所以发展太阳能光伏发电系统对于我国的可持续发展、能源供给具有较好的独立性和安全性。随着光伏发电成本的迅速降低，以及我国光伏发电迅速发展的背景下，离网光伏发电系统将走入千家万户。文章以浙江省衢州市离网光伏发电项目为案例，从电池组件容量设计、蓄电池容量分析、控制器选择、逆变器选配等角度出发，分析了家用独立光伏发电系统优化设计方案。

1.离网光伏发电系统工作原理

典型离网光伏发电系统主要由电池阵列、控制器、蓄电池、逆变器、负载等部件组成。太阳能光伏发电的核心部件是太阳能电池阵列，它将太阳能直接转换成电能，并通过控制器把光伏阵列产生的电能存储于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过控制器、逆变器送入各个负载上。

2.离网光伏发电系统的设计方法

对于离网光伏发电系统的设计，在太阳辐射量（平均值）、地理位置（经度\维度）、用电量（平均）、环境地形等条件确定的情况下，我们设计的主要内容为离网光伏发电系统结构、太阳能电池方阵容量和结构、蓄电池容量和结构、控制器选配、逆变器选配等，同时需要综合考虑光伏发电系统的经济性、可靠性和稳定性。离网光伏发电系统设计步骤为：首先分析系统用电需求；确定离网光伏发电系统结构；分析当地太阳能资源和气象地理条件数据的收集、计算；确定系统容量设计，包括系统电压的确定，太阳能电池组件功率、方阵构成的设计，蓄电池（组）的容量、结构的设计与计算；最后进行离网光伏发电系统其他电气设备的配置与设计，其中包括控制器的选型与配置、交流逆变器的选型与配置、组件支架及固定方式设计等。

3.家用离网光伏发电系统的结构设计

家用离网光伏发电系统包括电池组件、光伏控制器、蓄电池、逆变器及负载。

3.1系统负载用电需求分析

由于家用用电设备中存在较多“待机”电气设备，难以用额定功率及用电时间求取耗电量，最为简捷的方法就是通过月平均耗电量，来核算电气设备每天耗电量。但是，对离网光伏发电系统来说，要保证系统全年缺电率为零，只要保证该系统在耗电量最多的月份或时间段内，且光照资源等气象因素最差的情况下能正常可靠运行就可。如果能保证上述最恶劣情况下，系统能正常运行，那么该系统也能满足其他时间段的用电需求。所以从我国浙江省家庭负载运行情况来看，冬季2月份是用电高峰期，同时也是光照资源最差的时间段。

3.2系统结构

由于家用离网光伏发电系统中存在交流用电设备和直流用电设备，所以家用离网系统结构包括电池阵列、控制器、蓄电池、逆变器、负载等部件。

3.3气象资源获取

由于我国当前具有太阳资源测量的气象站较少，在实际工程项目中，我们一般采用RETScreen软件来获取当地太阳资源。

3.4系统设计

（1）太阳电池板

光伏方阵由若干太阳电池板串联和并联构成。光伏方阵输出的直流特性具有很强的非线性，光伏电池的输出随着日射强度和太阳电池本身的工作温度变化。每个太阳电池板又是由若干太阳电池串联和并联构成的，所以设计光伏方阵时，应根据负载所需的耗电量和当地自然条件、气象及地理条件来确定光伏方阵的容量。

（2）电源控制器

此电源控制系统包括逆变器和控制器。该控制系统能实现太阳电池板与太阳电池的电压自动识别和自动匹配、充电过程的自动调节及放电过程的自动控制和保护。电源控制器的主电路采用PWM整流器拓扑结构，它的动态响应速度非常快，具有功率因素可控、网侧电流正弦化、能量双向流动和控制功能优良等特点，可将光伏方阵产生的直流电转换成交流电，并使光伏方阵能达到最大限度地功率输出。

（3）蓄电池

由于昼夜的交替、四季的更换和气候的变化等影响，仅靠光伏发电不能全天连续地供电，所以需要采用较大容量的蓄电池储能系统来平衡供电。与太阳电池方阵配用的蓄电池在浮充状态下工作，其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化，它的蓄电量比负载所需电量大得多。蓄电池的充放电还受环境温度的影响，因此太阳电池方阵和蓄电池系统之间优化设计应考虑气候和环境的条件。

（4）监控器

监控器既能对近距离光伏电站进行监控，还能进行远程监控；既能积累历史数据，还能进行实时性测量；监控器还可以检测该电站所处位置的气候状况和辐照度，收集各反馈数据（如发电量和负载状况），检测光伏电站的运转情况。有线远程监控可以电信公话网为媒介，以期和不定期的方式传输系统运行的数据，具有远程监控的功能。系统的监控器还可利用宽带网运算和其传输快捷的特点进行监控。有条件的情况下，建立一条专线，将分散的能源系统集中调度管理，实现电网的调峰、分配、计量和有效使用。对光伏系统进行状态监控、故障检测、能源调度与分配、计量等，既减少了人为干扰，也减少了开支，为系统的改造、优化设计以及科学研究提供了有用的数据。

（5）系统的安全性能

在光伏列阵附近设立独立的避雷塔，能有效地保障电源设备系统和人身安全，保证电源系统的正常运行。本设计还考虑了电源自身的干扰（如交流导线和直流导线之间的互感干扰）和光伏电源外部的干扰（如环境改变导致元件参数变化所带来的干扰），在一定程度上有效地抑制了太阳能光伏电源的电磁干扰，提高了光伏电源产品的质量，增强了系统的电磁兼容性。

3.5光伏控制器选择

光伏控制器主要实现蓄电池的充放电保护，其系统功率、系统电压等级、光伏组件路数、电流等级等内容来确定。例如可选择系统电压为96V，系统电流为60A，容量为6kW的光伏控制器。

3.6光伏逆变器选择

光伏逆变器的选择主要由系统电压、输出电压、输出波形等因素确定。但是对于一般电感性负载，如电机、冰箱、空调、洗衣机，在起动时，功率可能是额定功率的5～6倍。因此，通常电感负载起动时，逆变器将承受大的瞬时浪涌功率。所以在逆变器选择时要放足够的容量空间，本案例选择输入电压为96V，输出220V，容量为10kW的工频纯正波逆变器离网逆变器。

4.结束语

为满足上述案例用电需求，光伏阵列共采用转换效率为15%的24块240W的单体组件，共5760W，有效组件面积约为40m2；蓄电池采用标称电压为48V100AH的28只蓄电池进行2串14并连接；控制器采用电压等级96V，容量为10kW工频纯正波逆变器，系统成本约8.4万左右。其中主要成本为铅酸蓄电池，约占系统的62%，原因为本案例考虑的是缺电率为零离网光伏发电系统设计，而且在恶劣条件下蓄电池放电量为0.5，连续阴雨天数为5天，故蓄电池的配置成本相对较高。为了减少蓄电池配置容量，降低系统成本，在实际工程中可以采用市电互补离网光伏发电系统模式进行离网光伏发电系统配置。

参考文献：

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