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3kW离网系统设计选型

3kw离网系统发电设计

学习目的：

通过本章学习，能设计满足客户用电量需求的光伏方阵容量和蓄电池容量。

1离网光伏发电系统简介

离网光伏发电系统是指未与公共电网相连接的独立太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载（交流负载或直流负载）的发电系统。

其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处所提供电源。

离网光伏发电系统通常由光伏电池阵列、蓄电池组、控制器、逆变器、低压输电线路和用户负载组成。

图3-1

表3-主要设备一览表

序号

名称

作用

光伏阵列

太阳能电池透过光生伏特效应可以将太能转化成直流电能。

组件支架

连接各个光伏组件

光伏控制器

1.功率调节功能；

2.通信功能，简单指示功能、协议通讯功能；

3.完善的保护功能，电气保护，反接，短路，过流。

防止蓄电池被太阳电池方阵过充电和被负载过放电。

光伏离网逆变器

一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置

电线电缆

交直流负载

蓄电池

储存和提供电能

2离网光伏发电系统的设计原则与方法

2.1系统的设计原则、步骤和容

2.1.1系统设计原则

系统设计原则：

（1）光伏发电系统的设计要本着合理性、实用性、高可靠性和高性价比（低成本）的原则；

（2）既能保证光伏系统的长期可靠运行，充分满足负载的用电需要，同时又能使系统的配置最合理、最经济，特别是确定使用最少的太阳能电池组件功率和蓄电池的容量；

（3）充分注意当地的气象及地理条件的影响，达到可靠性和经济性的最佳结合；

（4）协调整个系统工作的最大可靠性和系统成本之间的关系，在满足需要保证质量的前提下节省投资，达到最好的经济效益。

2.1.2设计步骤和容

图3-2

2.2设计相关的因素和技术条件

在设计光伏发电系统时，应当根据负载的要求和当地太阳能资源及气象地理条件，依照能量守恒的原则，综合考虑下列各种因素和技术条件：

（1）系统用电负载的特性

在设计太阳能光伏发电系统和进行系统设备的配置、选型前，要充分了解用电负载的特性。

按负载不同特性，可分类为：

a）直流负载或交流负载

直流负载:

是指用电设备中使用直流的负载.,

交流负载包括如下类型：

i）电阻性负载：

如白炽灯泡、电子节能灯、电熨斗、电热水器等在使用无冲击电流.

ii）电感性负载：

电动机、电冰箱、水泵等，启动时有冲击电流，往往是其额定工作电流的5～8倍。

iii）电力电子类负载：

日光灯、电视机、计算机等。

有冲击电流，往往是其额定工作电流的5～10倍。

b）冲击性负载或无冲击性负载

i）冲击性负载：

大功率电动机，在直接启动的瞬间，其电流最高可达额定电流的二十多倍；因此，在容量设计和设备选型时，往往都要留下合理余量；

ii）无冲击性负载:

直接启动的瞬间，其电流不会最高可达额定电流的二十多倍。

c）重要性负载或一般性负载

d）昼间负载或夜间负载

从全天使用时间上分可分为仅白天使用的负载（昼间负载），仅晚上使用的负载（夜间负载）及白天晚上连续使用的负载。

对于昼间负载，多数可以由光伏电池板直接供电，不需要考虑蓄电池的配备。

另外系统每天需要供电的时间有多长，要求系统能正常供电几个阴雨天等，都是需要在设计前了解的问题和数据。

例:

独立运行的光伏发电系统根据负载的特点，分为（）。

ABC

A.直流系统

C.交流系统

C.交直流混合系统

D.隔离系统

E.以上都是

（2）当地的太阳能辐射资源及气象地理条件

由于太阳能光伏发电系统的发电量与太的辐射强度、大气层厚度（即大气质量）、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等因素和条件有着直接的关系和影响，因此在设计太阳能光伏发电系统时，应考虑的太阳能辐射资源及气象地理条件有太阳辐射的方位角和倾斜角、峰值日照时数、全年辐射总量、连续阴雨天数及最低气温等。

a）太阳能电池组件（方阵）的方位角与倾斜角

太阳能电池组件（方阵）的方位角与倾斜角的选定是太阳能光伏系统设计时最重要的因素之一。

所谓方位角一般是指东西南北方向的角度。

对于太阳能光伏系统来说，方位角以正南为0°，由南向东向北为负角度，由南向西向北为正角度，如太阳在正时，方位角为-90°，在正西方时方位角为90°。

方位角决定了的入射方向，决定了各个方向的山坡或不同朝向建筑物的采光状况。

在我国，太阳能电池方阵的方位角一般都选择正南方向，以使太阳能电池单位容量的发电量最大。

倾斜角是地平面（水平面）与太阳能电池组件之间的夹角。

倾斜角为0°时表示太阳能电池组件为水平设置，倾斜角为90°时表示太阳能电池组件为垂直设置。

如果没有条件对倾斜角进行计算机优化设计，也可根据当地纬度粗略确定光伏方阵的倾斜角：

b）峰值日照时数

峰值日照时数是将当地的太阳辐射量，折算成标准测试条件（幅照度1000W／m2）下的时数。

例如，某地某天的日照时间是8.5h，但不可能在这8.5h中太阳的幅照度都是1000W/m2，而是从弱到强再从强到弱变化的，若测得这天累计的太阳辐射量是3600W/m2，则这天的峰值日照时数就是3.6h。

因此，在计算太阳能光伏发电系统的发电量时一般都采用平均峰值日照时数作为参考值。

c）最长连续阴雨天数

需要蓄电池向负载维持供电的天数，从发电系统本身的角度说，也叫“系统自给天数”。

连续阴雨天数可参考当地年平均连续阴雨天数的数据。

对于不太重要的负载如太阳能路灯等也可根据经验或需要在3～7天选取。

也就是说如果有几天连续阴雨天，太阳能电池方阵就几乎不能发电，只能靠蓄电池来供电，而蓄电池深度放电后又需尽快地将其补充好。

连续阴雨天数可参考当地年平均连续阴雨天数的数据。

对于不太重要的负载如太阳能路灯等也可根据经验或需要在3～7天选取。

在考虑连续阴雨天因素时，还要考虑两段连续阴雨天之间的间隔天数，以防止第一个连续阴雨天到来使蓄电池放电后，还没有来得及补充，就又来了第二个连续阴雨天，使系统在第二个连续阴雨天根本无常供电。

因此，在连续阴雨天比较多的南方地区，设计时要把太阳能电池和蓄电池的容量都考虑得稍微大一些。

（3）发电系统的类型：

i）独立发电系统；

又称离网发电系统,是指不并入国家电网发电系统;

ii）并网发电系统；

是指并入国家电网的发电系统;

iii）太阳能发电与市电互补系统。

（4）安装场所和方式

发电系统的安装主要是指太阳能电池组件或太阳能电池方阵的安装，其安装场所和方式可分为杆柱安装、地面安装、屋顶安装、山坡安装、建筑物墙壁安装及建材一体化安装等。

3太阳能光伏发电系统容量的设计与计算

3.1设计的基本思路

太阳能电池组件的设计原则是要满足平均天气条件（太阳辐射量）下负载每日用电量的需求，也就是说太阳能电池组件的全年发电量要等于负载全年用电量。

因为天气条件有低于和高于平均值的情况，因此，设计太阳能电池组件要满足光照最差、太阳能辐射量最小季节的需要。

3.2太阳能电池组件及方阵的设计方法

太阳能电池组件的设计就是满足负载年平均每日用电量的需求。

设计和计算太阳能电池组件大小的基本方法：

（1）用负载平均每天所需要的用电量（单位：

安时或瓦时）为基本数据

（2）以当地太阳能辐射资源参数如峰值日照时数、年辐射总量等数据为参照

（3）结合一些相关因素数据或系数综合计算。

3.3太阳能光伏发电系统容量的设计与计算的主要容

3.3.1太阳能电池组件功率和方阵构成的设计与计算

3.3.1.1光伏组件的选择

在我国，太阳能电池方阵的方位角一般都选择正南方向，以使太阳能电池单位容量的发电量最大。

太阳能光伏方阵的倾斜度根据当地纬度粗略确定光伏方阵的倾斜角：

表2

PV（光伏英文的Photovoltaic的缩写）方阵充电能力希望在C/10~C/50之间。

如果PV方阵过大（高于C/10），则蓄电池充电过快，因为不能接收所有来自PV方阵的电流，蓄电池充电效率不高。

如果PV方阵容量太小，充电速度过低，PV方阵不能给蓄电池充满电。

设计的PV方阵充电电流（充电控制器的电流）应在这两个值之间。

例：

如果蓄电池组容量为600Ah，希望从PV方阵得到的充电电流为多少？

如果蓄电池组标称电压为48V，则PV方阵容量多大？

希望从PV方阵得到的充电电流为12～60A。

（600Ah/10h=60A，600Ah/50h=12A）如果蓄电池组标称电压为48V，则PV方阵容量应在576W~2880W之间。

48V×12A=576W，48V×60A=2880W

光伏组件串并联数计算

根据电压电流算出光伏组件串并联数

图3

系统总功率=负载总功率/系数（取77%）

光伏阵列总电流=系统部功率/（系统工作电压乘串联光伏数量）

计算每个负载的用电量（W.h）Q1、Q2、Q3

Q1=P1×t1

Q1是负载1的用电量（w.h）；P1是负载1的功率（w）；

t1是负载1的日平均工作时数（h）。

计算所有负载日平均用电量（w.h）

Q=Q1+Q2+Q3+…

日用电量：

根据家用电器功耗表统计，例：

用户全额总功率为3KW，日均用电量为24000Wh（8x3）。

每天用电小时8h

负载日平均用电量（A.h）

日平均负载=负载日平均用电量/系统直流电压

组件日平均发电量

组件日平均发电量=组件峰值工作电流（A）×峰值日照时数（h）单位（A.h）

峰值日照表

太阳电池组件的并联数

图4

光伏组件最大修正峰值电压

组件电压X温度系数X（室温-最冷温度）+组件电压=开路电压Voc

光伏组件最小修正峰值电压

组件电压X温度系数X（最高温度-室温）+组件电压=开路电压Voc

3.3.1.2蓄电池的容量与蓄电池组合的设计与计算

在蓄电池的充放电过程中，太阳能电池产生的电流在转化储存的过程中会因为发热、电解水蒸发等产生一定的损耗，可用蓄电池的充电效率（或称库仑效率）来表示这种电流损失。

因此在设计时，要根据蓄电池的不同将电池组件的功率增加5%～10%，以抵消蓄电池充放电过程中的耗散损失。

光伏控制器防止蓄电池过放电的措施有；

A.在达到预置的待充电电平时，断开负载；

B.信号灯或蜂鸣器动作报警，显示蓄电池电压过低；

C.自动接通一个后备电源。

图5

充电效率系数（或称蓄电池的库仑效率），取0.8-0.9;

逆变器的转换效率，取0.8-0.9；

组件功率损失系数，取0.8-0.9；

例：

某地建设一个移动通信基站的太阳能光伏供电系统，该系统采用直流负载，负载工作电压48V，用电量为每天150Ah．该地区最低的光照辐射是1月份，其倾斜面峰值日照时数是3.5h，选定125W太阳能电池组件，其主要参数：

峰值功率125W、峰值工作电压34.2V、峰值工作电流3.65A，计算太阳能电池组件使用数量及太阳能电池方阵的组合设计、电池方阵总功率。

组件损耗系数为0.9，充电效率系数也为0.9。

因该系统是直流系统，所以不考虑逆变器的转换效率系数

图6

采用每2块电池组件串联连接，15串电池组件再并联连接，共需要125W电池组件30块构成电池方阵。

该电池方阵总功率=15×2×125W=3750W

图7

不必使设计系统DOD太低。

降低DOD会增加总循环次数，但可能使蓄电池只能释放低水平能量。

DOD（最大放电深度）一般设计在50%-75%。

4光伏发电系统的系统配置与设计

4.2.1光伏控制器选型

控制器是光伏电站中的重要组成部分，再对控制器设计选型时，必须考虑到控制器是否能够对光伏电站的电能变换和对蓄电池充电进行优化控制和管理。

控制器要求电压的输入和输出相等。

1）使用光伏控制器给带来的好处有4种：

A.蓄电池使用寿命的最大化;

B.防止蓄电池引起的火灾及爆炸;

C.使太阳能板充电效率最大化;

D.防止太阳能板击穿永久损坏。

2）离网型光伏系统的光伏控制器的两大主要作用有

A.对光伏电池组件发出的直流电进行调节和控制

B.对蓄电池的充/放电进行管理

3）光伏控制器基本上可分为4种类型。

A.并联型；

B.串联型；

C.脉宽调制型；

D.最大功率跟踪型。

为确定所采用的标准控制器型号，需要了解以下因素：

DC（直流）系统电压：

所有组件必须有相同的DC电压。

光伏方阵电流（Isc）

控制器必须有控制光伏方阵电流（Isc）的能力。

必须将光伏组件的短路电流与并联的数量及1.25的安全系数相乘（因为有时光伏方阵会产生高于STC短路电流等级的电流），以此得到满足条件的最小容量的充电控制器需要通过方阵电流大小。

最大DC负载电流-如果系统中包含DC负载，控制器必须有足够的容量以使最大DC负载电流能够通过控制器。

表3控制器选型表

组件短路电流×并联数×1.25=方阵短路电流控制器方阵电流

3.28×3×1.25=12.312.3

所连接的总DC功率÷DC系统电压=最大DC负载电流控制器负载电流

104÷12=8.67

控制器的相关说明制造商：

型号：

4.3逆变器的设计选型

4.3.1根据光伏发电系统设计确定的直流电压来选择逆变器的直流输入电压。

（两者之间相等）

4.3.2根据负载的类型确定逆变器的功率和相数（公式）

4.3.3根据负载的冲击性决定逆变器的功率余量。

（公式）

4.3.4逆变器的持续功率应该大于使用负载的功率，负载的启动功率要小于逆变器的最大冲击功率。

4.3.5在选型时还要考虑为光伏发电系统将来的扩容留有一定的余量。

4.3.6参考公式：

逆变器功率=阻性负载功率×（1.2~1.5）+感性负载功率×（5~7）

53kW离网系统设计选型实例

项目目的：

离网型光伏发电系统广泛应用于偏僻山区.无电区.海岛.通讯基站和路灯等应用场所。

熟悉掌握小型光伏离网发电系统的设备，了解太阳能电池组件的串并联计算方法，掌握光伏控制器、逆变器以及各种设备的选型，掌握太阳能电池板排列间距的计算以及发电量的计算。

5.1用户需求

a）客户需要3KW的（负载）太阳能光伏离网发电系统，满足以下3KW的家用负载。

表4

b）要求连续使用阴雨天数4天（减少光伏组件的使用，降低成本，同时可以使利益最大化。

），每天用电小时8h。

c）日用电量：

根据家用电器功耗表统计，用户全额总功率为3KW，日均用电量为24000Wh。

5.2总体方案

系统原理：

光伏电池产生的直流电通过光伏逆变器转换为优质电流为负载供电，多余电能自动储存在蓄电池里；当光照不足时，由蓄电池和光伏一起向负载供电；没有光伏时，由蓄电池或市电向负载供电。

光伏离网型逆变器与光伏并网型逆变器在主电路结构上没有较大区别，但是光伏离网型逆变器不需要考虑抗孤岛能力。

图8光伏离网发电系统示意图

图9光伏离网发电系统电气图

该光伏离网发电系统由逆变器、矩形PLC、负载、电量表、电流表、电压表、避雷器、开关电源、断路器、继电器等器件组成

为减少线路损失，发电系统电压选48V，假设组件安装在离屋顶的距离有13cm。

5.2.1光伏组件的选型

本系统中选取天威英利YL280C-30b的太阳能组件，其峰值功率为280W、峰值电压为31.3V、峰值电流为8.96A，相关参数如图2，具体参数参照网址：

图2

组件中相关系数的校正：

由图2知在STC下（组件温度25℃）;

1）组件的峰值电流Imp=8.96A;

2）组件的短路电流

=9.50A;

3）组件的

温度系数为0.04%/℃；

4）组件的峰值电压Vmp=31.3V;

5）组件的开路电压Voc=39.1V；

6）组件的Voc温度系数为-0.31%/℃。

由图1可知最高温度为29.0℃，最低温度为15.5℃。

组件开路电压的Voc校正：

将组件电压变化值与STC下的组件开路电压Voc相加，即得根据区域低温记录的调整后的组件开路电压，

即（15.5-25）℃×（-0.31%×39.1）V/℃+39.1V=40.25V。

组件峰值电压Vmp的校正：

由经验：

当组件表面与安装表面距离小于15cm时，组件温度增加35℃；

1）当距离大于15cm时，组件温度增加30℃；

2）当组件安装在杆顶，组件温度增加25℃；

3）将温度差值乘以组件温度系数，得组件的电压变化值；

4）将组件电压变化值与STC下的Vmp相加，即得调整后的Vmp；

5）由系统前的假设可知组件温度要增加35℃；

6）则组件安装后的环境温度变为：

29℃+35℃=64℃；

7）组件峰值电压校正值为31.3V+（64℃-25℃）×31.3V×-0.31%/℃=27.5V。

组件的峰值电流Imp校正：

1）校正方法和峰值电压校正方法一样，

2）校正后的峰值电流Imp8.96A+（64℃-25℃）×8.96×0.04%/℃=9.1A。

3）则校正后组件日平均发电量为9.1*4.3=39.13A*h，

4）单块光伏组件校正后输出的峰值功率Pm=9.1*27.5W=250.25W。

串并联数的计算：

考虑到其它因素的影响，电池组件的串并联数和方阵总功率由下面公式算出

光伏组件总功率P（W）=光伏组件串联数Ns*光伏组件并联数Np*单块光伏组件的峰值输出功率Pm（W）

蓄电池充电效率系数，0.8-0.9之间，取0.9;

逆变器的转换效率，0.8-0.9之间，取0.9；

组件功率损失系数，0.8-0.9之间，取0.9；

系数1.43为太阳能电池组件峰值工作电压与系统工作电压的比值。

由上面的公式可以得出串联数

块；并联数

光伏组件总功率P=3*5*250.25=3753.75W。

则可以采用3块串联、并联5组的形式组成太阳能电池方阵，总功率为3753.75W。

5.2.2蓄电池的选择

本系统选择风帆6-GFM-200蓄电池，下图2为该电池的部分参数，具体详细参数见网址：

.sail-vrla./pictures/chproduct/files/6-GFM-200.pdf

图3