太阳能光伏发电系统组成和安装.docx
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太阳能光伏发电系统组成和安装
一、系统简介
光伏发电是根据光生伏特效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。
不论是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。
理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。
由于技术和材料原因，单一电池的发电量是十分有限的，实用中的太阳能电池是单一电池经串、并联组成的电池系统，称为电池组件。
单一电池是一只硅晶体二极管，根据半导体材料的电子学特性，当太阳光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P-N结上时，在一定的条件下，太阳能辐射被半导体材料吸收，在导带和价带中产生非平衡载流子即电子和空穴。
同于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而能在光照下形成电流密度J，短路电流Isc，开路电压Uoc。
若在内建电场的两侧面引出电极并接上负载，理论上讲由P-N结、连接电路和负载形成的回路，于是就有“光生电流”流过，太阳能电池组件就实现了对负载的功率P输出。
光伏发电系统按安装容量可分为下列三种系统：
1.小型光伏发电系统：
安装容量小于或等于1MWp；
2.中型光伏发电系统：
安装容量大于1MWp和小于或等于30MWp；
3.大型光伏发电系统：
安装容量大于30MWp。
二、系统分类
太阳能光伏发电系统分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统及分布式并网光伏发电系统。
1.独立光伏发电系统
独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统。
独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要用蓄电池来存储夜晚用电的光伏发电系统能量。
离网型光伏发电系统是由光伏组件发电，经控制器对蓄电池进行充放电管理，并给直流负载提供电能或通过逆变器给交流负载提供电能的一种新型电源。
广泛应用于环境恶劣的高原、海岛、偏远山区及野外作业，也可作为通讯基站、广告灯箱、路灯等供电电源。
光伏发电系统利用取之不尽、用之不竭的自然能源，可有效缓解电力短缺地区的需求矛盾，解决偏远地区的生活及通讯问题。
改善全球生态环境，促进人类可持续发展。
离网发电系统组成部分功能简介：
a.光伏电池板：
为发电部件。
b.光伏控制器：
光伏控制器对所发的电能进行调节和控制，一方面把调整后的能量送往直流负载或交流负载，另一方面把多余的能量通过蓄电池组储存，当所发的电不能满足负载需要时，控制器又把蓄电池的电能送往负载。
蓄电池充满电后，控制器要控制蓄电池不被过充。
当蓄电池所储存的电能放完时，控制器要控制蓄电池不被过放电，保护蓄电池。
控制器的性能不好时，对蓄电池的使用寿命影响很大，并最终影响系统的可靠性。
蓄电池的任务是贮能，以便在夜间或阴雨天保证负载用电。
c.逆变器：
逆变器负责把直流电转换为交流电，供交流负荷使用。
独立光伏发电系统主要组成部分
a.光伏阵列
b.充放电控制器
c.蓄电池组
d.逆变器
e.监控系统
f.负载
白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵，使得方阵电压达到系统输入电压的要求。
再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。
晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。
蓄电池组的放电情况由控制器进行控制，保证蓄电池的正常使用。
光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。
太阳能→电能→化学能→电能→光能。
2.并网光伏发电系统
并网太阳能光伏发电系统是由光伏电池方阵、并网逆变器组成，不经过蓄电池储能，通过并网逆变器直接将电能输入公共电网。
并网太阳能光伏发电系统相比离网太阳能光伏发电系统省掉了蓄电池储能和释放的过程，减少了其中的能量消耗，节约了占地空间，还降低了配置成本。
并网光伏发电系统主要组成部分
a.光伏阵列
b.并网逆变器
c.公共电网
d.监控系统
并网光伏发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。
并网光伏发电系统由集中式大型并网光伏电站组成，一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。
但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，发展难度较大。
一般用于集中设置、大中型地面光伏发电系统。
3.分布式并网光伏发电系统
分布式发电通常是指利用分散式资源，装机规模较小的、布置在用户附近的小型并网光伏发电系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。
它一般接入10~35千伏或千伏电压等级的电网。
实际上是并网光伏发电系统的具体应用。
目前应用最为广泛的分布式并网光伏发电系统，是建在城市建筑物屋顶的光伏发电项目。
该类项目必须接入公共电网，与公共电网一起为附近的用户供电。
如果没有公共电网支撑，布式系统就无法保证用户的用电可靠性和用电质量。
分布式光伏发电有以下特点：
一是输出功率相对较小。
光伏发电的模块化设计，决定了其规模可大可小，可根据场地的要求调整光伏系统的容量。
一般而言，一个分布式光伏发电项目的容量在数兆瓦以内。
与集中式电站动辄几十兆瓦，甚至几百兆瓦不同，分布式光伏电站的大小对发电效率的影响很小，因此对其经济性的影响也很小，小型光伏发电系统的投资收益率并不会比大型的低。
二是污染小，环保效益突出。
分布式光伏发电项目在发电过程中，没有噪声，也不会对
空气和水产生污染。
但是，需要重视分布式光伏与周边城市环境的协调发展，在利用清洁能源的时候，考虑民众对城市环境美感的关切。
三是能够在一定程度上缓解局部地区的用电紧张状况。
分布式光伏发电在白天出力，正好在这个时段人们对电力的需求最大。
但是，分布式光伏发电的能量密度相对较低，每平方米分布式光伏发电系统的功率仅约100瓦左右，再加上适合安装光伏组件的建筑屋顶面积的限制，因此分布式光伏发电不能从根本上解决用电紧张问题。
其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。
分布式光伏发电系统主要组成部分
a.光伏阵列
b.直流汇流箱
c.直流配电柜
d.并网逆变器
e.交流配电柜
f.负载
g.公共电网
h.监控系统
三、系统组成
光伏系统是由太阳能电池方阵、蓄电池组，充放电控制器，交直流汇流箱、逆变器，交直流配电柜、自动太阳能跟踪系统、升压变压器、并网柜等设备组成。
其各部分设备的作用是：
1.光伏组件（又称太阳能光伏电池）
在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生“光生电压”，这就是“光生伏特效应”。
在光生伏特效应的作用下，太阳能电池的两端产生电动势，将光能转换成电能，是能量转换的器件。
太阳能电池一般为硅电池，分为单晶硅太阳能电池，多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
原材料特点（以单晶硅为例）：
电池片：
采用高效率（%以上）的单晶硅太阳能片封装，保证太阳能电池板发电功率充足。
太阳能电池图
玻璃：
采用低铁钢化绒面玻璃（又称为白玻璃），厚度,在太阳电池光谱响应的波长范围内（320-1100nm）透光率达91%以上，对于大于1200nm的红外光有较高的反射率。
此玻璃同时能耐太阳紫外光线的辐射，透光率不下降。
EVA（乙烯-醋酸乙烯共聚物）：
采用加有抗紫外剂、抗氧化剂和固化剂的厚度为的优质EVA膜层作为太阳电池的密封剂和与玻璃、TPT之间的连接剂。
具有较高的透光率和抗老化能力。
TPT（聚氟乙烯复合膜）：
太阳电池的背面覆盖物—层塑料膜为白色，对阳光起反射作用，因此对组件的效率略有提高，并因其具有较高的红外发射率，还可降低组件的工作温度，也有利于提高组件的效率。
当然，此氟塑料膜首先具有太阳电池封装材料所要求的耐老化、耐腐蚀、不透气等基本要求。
边框：
所采用的铝合金边框具有高强度，抗机械冲击能力强。
也是家用太阳能发电中价值最高的部分。
多晶硅
光伏组件的分类
各类电池主要性能表
种类
电池类型
商用效率
实验室效率
优点
缺点
晶硅电池
单晶硅
14%-17%
23%
效率高，技术成熟
原料成本高
多晶硅
13%-15%
%
效率高，技术成熟
原料成本较高
薄膜电池
非晶硅
5%-8%
13%
弱光效应好，成本相对较低
转化率较低
碲化镉
5%-8%
%
弱光效应好，成本相对较低
有毒污染环境
铜铟硒
5%-8%
%
弱光效应好，成本相对较低
稀有金属
单晶硅光伏组件
多晶硅光伏组件
非晶硅光伏组件
太阳能电池分类图
多晶硅电池组件的技术参数及性能
测试条件
大气质量，辐照度1000W/m²，电池温度25°C
峰值功率
Wp
255
开路电压（Voc）
V
短路电流（Isc）
A
工作电压（Vmp）
V
工作电流（Imp）
A
峰值功率温度系数
%/K
开路电压温度系数
%/K
短路电流温度系数
%/K
+
安装尺寸
mm
1650×992×40
重量
kg
单块光伏组件输出电压、电流都很小，必须相互串联、并联后才能使用；为保证光伏发电的稳定性，光伏方阵中不同倾角、不同方位角的光伏组件不能相互串并联、也不能接入同一台逆变器。
2.充放电控制器
它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。
由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素，因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。
3.蓄电池组
将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。
目前太阳能光伏发电系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。
4.逆变器
在太阳能光伏发电系统中，如果含有交流负载，那么就要使用逆变器设备，将太阳电池组件产生的直流电或者蓄电池释放的直流电转化为负载需要的交流电，它是将直流电转换成交流电的设备。
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电池发电系统，为独立负载供电，见下图。
并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。
逆变器按输出波型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，但可以适用于各种负载。
并网逆变器保护功能:
a、过载保护;b、短路保护;c、接反保护;d、欠压保护;e、过压保护;f、过热保护。
除边远不通电地区采用独立运行逆变器外，一般均采用并网逆变器。
1）.集中型并网逆变器
集中型逆变器一般功率在数百千瓦及上千千瓦，用于地势平坦、光伏组件布局环境好能集中布置的场合。
集中型逆变器最大特点是系统的功率高，成本低；缺点是不同光伏组串的输出电压、电流往往不完全匹配（特别是光伏组串因多云、树荫、污渍等原因被部分遮挡时），采用集中逆变的方式会导致逆变过程的效率降低。
集中并网逆变器一般自带8路直流输入、不需另配直流配电柜，用于直流汇流箱和逆变器之间的连接，内设直流断路器、II级电涌保护器及断路器状态检测等装置。
集中式逆变器参数
序号
名称
500kW逆变器
1
额定输出功率
500kW
2
输出电压范围
315±10%V
3
最大直流输入电压
1000V
4
最大直流输入功率
560kW
5
额定输出电流
1007A
6
低电压穿越功能
有
7
断电后最短重启时间
180s
8
欧洲效率
%
9
最大效率
%
10
MPPT调节范围
420V-850V
11
功率因数调节范围
≥，±可调
12
总谐波电流
<3%（额定功率）
13
最大运行自耗电
<1500W
14
最大待机自耗电
<100W
15
工作环境温度范围
额定功率运行
16
运行噪音
65dB
17
冷却方式
强制风冷
18
外观尺寸（宽*高*深）
2700*2185*800
19
重量
2180kg
20
输出频率范围
21
外壳材料及防护等级
IP20
22
直流分量百分值
<%
23
绝缘类别
I类
24
直流输入路数
8路
25
通信接口
RS485
2）.组串式逆变器
组串式逆变器功率较小，一般在几十千瓦，多用于地形较复杂、容易被阴影遮挡、光伏组件布置较分散或朝向不一致的场所。
组串式逆变器允许多路输入，每路具有单独的MPPT，能够很好的避免并联阵列因模块差异和遮影等因素给系统带来的影响，减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配情况。
优点：
（1）.多路MPPT能够减少云层摭档、组件朝向不一致、组件衰减不一致情况下对发电量的影响、发电量提升约2%。
（2）.电站系统更简单，省掉了直流汇流箱和防雷配电柜，无需建箱式逆变器房，减少土建工程量；
（3）.成套简单，不用建设逆变器基础，降低现场施工组织难度，缩短工期；
（4）.可不设风扇，防风沙盐雾效果好，逆变器免维护，无需定期清理灰尘和做防尘网维护；
（5）.能够快速更换逆变器，单一逆变器故障对发电系统影响较小；
（6）.支持不同型号的组件混用，方便更换和淘汰劣质组件，减少电站运维成本。
缺点：
（1）.组串型逆变器在低电压穿越（LVRT）过程中，对于可靠保证所有设备不脱网方面，存在一定风险。
（2）.由于组串型逆变器功率较小，数量多，调度不方便，且控制复杂，响应速度慢。
（3）.组串型逆变器在电位诱发衰减效应（PID）的解决方案均不成熟，且成本较高。
（4）.由于系统设备数量多，整体故障率高。
（5）.整机的效率较集中型逆变器方案略低，线缆损耗主要表现为交流线缆损耗。
（6）.多组逆变器的交流输出并联时，容易产生多机并联谐波，较难抑制。
组串型逆变器
最大直流功率
最大直流电压
1000Vdc
MPPT输入电压范围
480~800
欧洲效率
>%
最大输入电流
18A
额定交流输出功率
kW
最大交流输出电流
额定交流输出电压
3x277/480V+PE
额定交流频率
50Hz/60Hz
功率因数（cosφ）
～+
电流波形畸变率
<3%（额定功率时）
5.交、直流汇流箱
1）.交流汇流箱
当采用组串式逆变器时，通常8台及以下组串式逆变器组成一组送入交流汇流箱，再由交流汇流箱直接低压并网或经过升压变压器并网。
交流汇流箱具有短路、过流保护、电涌保护及开关工作状态、电涌保护器运行状态、电流、电压等参数检测功能，并配备RS485接口和网络MODBUS（TCP/IP）规约。
2）.直流汇流箱
光伏直流汇流箱用于光伏阵列与集中型逆变器间的连接，提供防雷及过流保护，并监测光伏阵列的单串电流状态。
根据逆变器输入的直流电压范围，把一定数量、规格相同的光伏组件串联组成1个光伏组件串列，再将若干个串列接入光伏直流智能汇流箱，通过防雷器与断路器后输出，方便了后级逆变器的接入。
在提供汇流防雷功能的同时，还可以监测光伏电池板运行状态，并标配有RS485接口，可以把测量和采集到的数据上传到监控系统。
直流汇流箱参数
直流耐压
≤DC1000V
防雷保护
电涌防雷器、最大额定电压1000V
输入回路
16路
回路电流
≤10A
输出回路
1路
箱体尺寸（宽*高*深）
600*500*192
重量
≤25kg
正常工作温度
-25ºC~+55ºC
防护等级
IP65
6.交直流配电柜
交直流配电柜作为二次设备确保仅单回路至低压电网或升压变压器输入端。
7.升压变压器
当光伏发电系统发出的电力需要高压输送时就需要采用升压变压器。
集中型逆变器产生的315V交流电、组串式逆变器产生的480V交流电通过升压变压器升压至10kV或35kV供电给负荷或并入公用电网。
光伏发电系统的发电量决定了升压变压器电压比和额定容量，一般选择户外箱式变电站。
变压器选用自冷式、低损耗、干式或油浸变压器（集中型逆变器选择双分裂绕组变压器、组串式逆变器选择双绕组变压器），变压器常用容量1000kVA、1250kVA、1600kVA，双分裂绕组变压器输入端为二台500kW、630kW逆变器。
户外箱式变电站主要由低压配电柜、升压变压器、高压开关柜及相应保护设备组成，其中，高压侧采用真空断路器和综合继保、带多功能数字计量仪表。
集中型逆变器、双分裂变压器并网接线图
组串式逆变器、双绕组变压器并网接线图
8.并网柜
并网柜是指与公用电网并接的开关柜，光伏发电系统发出的电力通过并网柜向公用电网输送。
当与低压并网时，并网柜为低压柜、其内安装有计量关口和独立式防孤岛保护装置；与中高压电网并网时其内安装有电能质量检测仪和独立式防孤岛保护装置，计量关口安装在开关站或升压变电站内。
9.开关站、升压变电站
在大中型光伏电站中，因发电量大，并不能通过升压变压器直接并网，需通过开关站汇流后或经过升压变电站主变升压后才能与公用电网并网。
中型光伏电站可根据当地供电部门电网情况采用10kV或35kV电压直接并网，此时升压变压器高压端选择对应电压通过开关站汇流后即可并网。
对于大型光伏电站，则需建设升压变电站通过主变把电压二次升压至110kV或220kV再与公用电网并网。
根据供电部门要求需设SVG无功补偿装置和小电流接地系统。
10.监控系统
光伏电站配置一套计算机监控管理系统，具有保护、控制、通信、测量等功能，通过此监控系统可实现光伏电站的全功能自动化管理，电站与调度端的遥测、遥信功能等并具有后期扩展功能。
具体功能有:
（1）数据采集与处理功能
（2）安全检测与人机接口功能
（3）运行设备控制、断路器及负荷开关的分合闸操作、站用系统的控制功能
（4）数据通讯功能
（5）系统自诊断功能
（6）系统软件具有良好的可修改性，可增减或改变软件功能及升级
（7）自动报表及打印功能
（8）时钟系统。
该系统应包含计算机监控、远动、通讯、直流、不间断电源、电能量计费、火灾报警、安防监控、电能质量在线监测、故障录波装置、调度数据网络设备、环境监测、光功率预测、有功无功控制（AGC/AVC）、集控运维管理等部分。
全站将保护、测量、控制、远动、通讯等综合考虑，设置一套微机综合自动化系统。
站内设有通讯间，其中布置有公用测控屏，母线保护、综合保护屏，电能质量检测屏，直流屏、配电屏，通信、调度数据网络屏，故障录波器、光端机装置，UPS电源箱等。
以上相关保护、通讯、传输、计量等设备必须遵守当地电力公司要求，并且电站后台监控系统、保护系统和通讯系统选用应适宜，并由当地电力部门或业主确认。
11.视频安防系统
为保证光伏电站的设备运行安全，在光伏电站全区域需设置安防监视系统。
一般一个光伏发电单元为一个监视区域，视频信息通过光纤网络交换机传输至监控室内。
目前，主要采用网络型安防监视系统，它由全视角高清晰网络数字摄像机、网络传输设备与线路（与电力监控系统共用）、监控中心服务器、集中监控管理软件组成。
网络摄像机采用6米高杆安装在各光伏发电单元中心处，监视半径可达150米。
网络摄像机把监视到的现场模拟图像信号转换为数字图像信号送入环网交换机，再通过以太网传输网络送入监视计算机进行同步录像和转换为模拟图像信号在监视屏上显示；在监控室可近距离地观察任一区域被监视对象的画面，起到安全防范的作用。
12.气象监测、光功率预测
光伏电站应配置至少1套气象监测仪，实时监测日照强度、风速、风向、温度等参数。
该装置由风速传感器、风向传感器、日照辐射强度仪表（包括水平辐射传感器及斜面辐射传感器）、测温探头（包括电池组件温度传感器）、控制盒及支架组成，可测量环境（室内、室外）温度、电池组件温度、风速、风向和辐射强度（包括水平辐射及斜面辐射强度）等参量，其通讯接口可通过以太网接入监控装置的监测系统，实时记录环境数据。
光伏发电具有间歇性、随机性和波动性，大规模光伏电站并网运行可能对电力系统的安全稳定经济运行造成影响。
对光伏电站的输出功率进行预测有助于电力系统调度部门统筹安排常规能源和光伏发电的协调配合、及时调整调度计划、合理安排电网运行方式，一方面有效地降低光伏接入对电网的影响，提供电网运行的安全性和稳定性，另一方面减少电力系统的备用和运行成本，以充分利用太阳能资源，获得更大的经济效益和社会效益。
通过建立数据库及当日、未来几日的发电量预测曲线，调度部门可以据此合理安排发电计划,使光伏发电和常规发电方式一样,具有可预测性,提高电网运行经济性和电网接纳光伏发电的能力,促进电网对不稳定可再生能源的接纳和消化。
13.消防和清洗系统
1）.消防系统
在光伏电站配电室、SVG无功补偿室、通讯室、控制室、箱式逆变器房、箱式变电站设置火灾报警（感烟）探测器，在每个交直流汇流箱、箱式逆变器房、箱式变电站处设置手提式磷酸铵盐干粉灭火器，灭火器放置于室外专用灭火器箱内，并放置于设备背光侧；在配电室、通讯室、控制室及SVG无功补偿、小电流接地等装置处配置手提式磷酸铵盐干粉灭火器。
火灾报警控制器通过RS485接口、并网环联交换机与计算机监控系统连接。
2）.清洗系统
光伏组件长期露天放置会累积灰尘，需定期清洗。
清洗方式有二种：
一是有水清洗，铺设清洗管道；二是干洗。
有水清洗：
干洗：
四、系统施工
1.熟悉设计
a、系统的容量；
b、电池板（类别、参数、数量等）；
c、组串设计（初步估算箱体的尺寸）；
d、汇流箱的数量、尺寸；
e、电缆型号、数量、大小；
f、逆变器型号、数量、尺寸；
g、并网柜数量、尺寸；
h、监控系统（有无大的液晶显示屏，考虑电源）；
i、组件固定安装形式；
j、初步拟定的设备安装位置及设备安装数量
2.现场确认
a、确认安装场地尺寸（实际尺寸与图纸误差）；
b、安装场地有无后增的设备影响施工。
c、确定集线箱的安装位置（综合考虑布线、固定、阴影、操作）；
d、根据设备（有时包含监控电脑）数量、尺寸、摆放方式、间距要求选定配电房。
e、确定配电房的门是否够设备进入。
f、电缆走线，确认是否有现成管道或桥架能满足电缆布线
g、并网点具体位置确认（条件允许的话提供就近并网点）
h、大显示屏的安装位置确认；
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