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第2章 太阳能光伏发电系统
第2章 太阳能光伏发电系统
2.1光伏发电系统 2.1.1光伏发电系统的构成
通过太阳电池将太阳辐射能直接转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统，简称光伏发电系统。尽管光伏发电系统应用形式多种多样，应用规模跨度很大，从不足1Wp的太阳能草坪灯到上百MWp的特大型并网光伏电站，但光伏发电系统的组成和工作原理却基本相同。
光伏发电系统主要由光伏组件或光伏方阵、蓄电池、控制器、逆变器、汇流箱、配电柜及一些监控、测试、防护设备等构成。
1.光伏组件
光伏组件是光伏发电系统中可独立应用的最小发电单元。它在光照下发出直流电，送往蓄电池存储起来，也可以直接用于负载。当发电容量较大时，就需要用多块光伏组件串、并联构成光伏方阵。目前应用得最多的是晶体硅光伏组件，分单晶硅和多晶硅两种，还有薄膜光伏组件等。
2.蓄电池
蓄电池的作用主要是存储光伏组件发出的电能，并向负载供电。当需要存储大容量电能时，就需要将多只蓄电池串、并联起来构成蓄电池组。目前光伏发电系统使用的主要是免维护铅酸蓄电池，在微、小型系统中也有用镍氢电池、镍镉电池、锂电池或超级电容器等。
3.控制器
控制器的作用是控制整个系统的工作状态，具有防止蓄电池过充电或过放电、系统短路或反接保护、夜间防反充保护、温度补偿、光控或时控开关、充电状态及蓄电池电量的显示功能等。 4.逆变器
逆变器的作用是把光伏组件或者蓄电池输出的直流电变换成交流电，供给电网或者交流负载，并具备多种控制功能和保护功能。
5.其它设备
光伏发电系统还包括直流汇流箱、直流配电柜、交流配电柜、升压变压器、运行监控和检测设备、防雷和接地设备等其它设备。
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2.1.2光伏发电系统的分类
光伏发电系统按是否接入公共电网可分为并网光伏发电系统和独立光伏发电系统两大类。
1.独立光伏发电系统
独立光伏发电系统，又称离网光伏发电系统，是不与公共电网相连而独立运行的光伏发电系统，其工作原理如图2-1所示。光伏组件或方阵发出的直流电通过控制器向蓄电池充电，把电能存储在蓄电池中。当直流负载用电时，蓄电池放电并通过控制器直接向负载输电；当交流负载用电时，还需要用逆变器将直流电变换为交流电。
控制器 逆变器 交流负载 充电 放电 蓄电池 直流负载 光伏方阵
图2-1 独立光伏发电系统框图
独立光伏发电系统根据用电负载的特点，可分为无蓄电池的直流光伏发电系统、有蓄电池的直流光伏发电系统、交流及交、直流混合光伏发电系统、市电互补和风光互补光伏发电系统等。
无蓄电池的直流光伏发电系统的特点，是用电负载为直流负载，在白天使用，光伏组件或方阵与负载直接连接，有阳光时就工作，无阳光时就停止，系统不需要控制器和蓄电池。这种系统最典型的应用是光伏水泵，除了有太阳时直接抽水灌溉外，还可以把水存储在蓄水池内，以供夜晚和阴雨天使用。
有蓄电池的直流光伏发电系统，是要有充放电控制器和蓄电池，有阳光时光伏组件或方阵通过控制器向蓄电池充电，并同时可通过控制器供负载使用，夜晚或阴雨天时，蓄电池通过控制器向负载供电。这种系统应用广泛，如太阳能路灯、交通指示灯、装饰灯、远离电网的移动通信基站、微波中继站、边远农林牧区的供电、需要移动携带的设备电源等。
有交流负载的光伏发电系统与只有直流负载时的相比，它多了一个逆变器，用以把直流电变换为交流电，为交流负载供电。交、直流混合光伏发电系统则既
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能为直流负载供电，也能为交流负载供电。
市电互补光伏发电系统则是将通常的独立光伏发电系统，在遇到连续雨天时与市电连接，经充电切换电路向蓄电池充电，作为电力的补充。风光互补光伏发电系统，就是在通常的独立光伏发电系统中，加入了风力发电系统，同时利用太阳能和风能，可实现昼夜发电。 2.并网光伏发电系统
并网光伏发电系统是与公共电网连接在一起的光伏发电系统，其工作原理如图2-2所示。并网光伏发电系统由光伏方阵、配电柜和逆变器等组成，光伏方阵发出的直流电，经逆变器变换成与电网相同电压和频率的交流电，并入电网。系统还配备有监控、测试及显示设备，以监控整个系统的工作状态。并网光伏发电系统一般不需要蓄电池，有些还配置了蓄电池是当电网停电或故障时可应急向负载和重要设备供电。有些经逆变器输出的交流电直接供负载使用，而将多余的电能通过变压器等设备接入公共电网，当系统电力不足时再切换由电网向负载供电。 光伏方阵 汇流箱 直流配电柜 监测显示设备 交流负载 交流电网 并 网 逆变器 蓄电池组 交流配电柜 电度表出 电度表入 图2-2 并网光伏发电系统框图
并网光伏发电系统分集中式和分布式两种。集中式并网光伏发电系统一般容量较大，通常在MWp级以上，而分布式并网光伏发电系统一般容量较小，通常在MWp级及以下。并网光伏发电系统按容量大小还可分小型系统（＜1MWp）、中型系统（1～30MWp）、大型系统（30～100MWp）和特大型系统(＞100MWp）数种。
集中式光伏发电系统的主要特点是,系统所发的电被直接输送到主干电网上，由电网统一调配向用户输电。大型并网光伏发电系统框图如图2-3所示，由若干光伏发电单元组合构成。每个光伏发电单元将光伏方阵发出的直流电经并网逆变器转换成380V交流电，经升压变压系统变成10kV的交流高压电，再经35kV
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升压变压系统，接入35kV的交流高压电网。这种大型光伏电站投资大，建设周期长，占地面积大，需要复杂的控制和配电设备。
光伏发电单元1 光伏发电单元N#
... ... 光伏方阵 光伏方阵 #
汇流箱 ... ... ... ... 交流配电柜 交流配电柜 环境检测系统 并网逆变器 并网逆变器 直流配电柜 直流配电柜 汇流箱 ... ... 发电站备用电源 35kV/0.4kV降压变压器 0.38kV/10kV 升压变压器 0.38kV/10kV 升压变压器 10kV/35kV升压变压器 监控设备 35kV高压电网 图2-3 大型并网光伏发电系统框图
分布式并网光伏发电系统，特别是与建筑物相结合的光伏建筑一体化（BIPV）的光伏发电系统，主要特点是所发的电直接分配到就近住宅或厂房的用电负载上，多余或不足的电力通过公共电网调节。分布式并网光伏发电系统由于投资小，建设快，就地消纳电力，许多国家出台了激励政策，所以发展很快。
分布式并网光伏发电系统根据系统所产生的电能是否反送到电力系统，可以分为有逆流型、无逆流型、切换型和有蓄电池型数种。
有逆流并网光伏发电系统是，当系统产生的电多余时可向公共电网送电，当系统提供的电力不足时再由电网向负载供电。由于该系统向电网送电与由电网供电的方向相反，所以称有逆流系统。现在，住宅和厂房用并网光伏发电系统几乎
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