任务1.2
光伏发电系统的分类及案例分析

任务目标

1.能力目标

1）能阐述光伏发电系统的分类及具体应用。

2）能说明离网和并网光伏发电系统的各组成部分及作用。

3）能分析离网和并网光伏发电系统的工作过程。

4）能识别离网和并网光伏发电系统中的主要设备（部件）。

2.知识目标

掌握光伏发电系统的分类及应用。

3.素质目标

1）培养学生利用网络查阅资料的能力。

2）培养学生主动学习的能力。

相关知识

1.2.1 光伏发电系统的分类

光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应将太阳辐射直接转换成电能的发电系统。

光伏发电系统根据不同的标准有不同的分类方法，用户可以根据实际需求选择合适类型的光伏发电系统。

1.按光伏发电系统接入公共电网的方式分类

按光伏发电系统接入公共电网的方式不同可分为离网光伏发电系统和并网光伏发电系统。

（1）离网光伏发电系统 离网光伏发电系统也叫独立光伏发电系统，如图1-9所示，它是将入射的太阳辐射能直接转换为电能，不与公共电网连接的发电系统。离网光伏发电系统主要由光伏阵列（组件）、光伏控制器和储能装置组成，若要为交流负载供电，则还需要配置离网逆变器。通常将离网光伏发电系统建设在远离电网的偏远地区或作为野外移动式便携电源，也可作为通信信号电源、太阳能路灯电源使用。

（2）并网光伏发电系统 并网光伏发电系统中的光伏阵列（组件）产生的直流电在经过并网逆变器转换成符合公共电网要求的交流电之后将直接接入公共电网，如图1-10所示。

并网光伏发电系统直接将电能输入电网，免除了储能装置，也省掉了储能装置储能和释放的过程，可以充分利用光伏阵列（组件）所发的电能，从而减小了能量的损耗，降低了系统的成本。但是并网光伏发电系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电能满足公共电网对电压、频率等指标的要求，因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。

2.按是否有储能装置分类

按光伏发电系统是否有储能装置可分为带储能装置系统和不带储能装置系统。

离网光伏发电系统一般带有储能装置，以蓄电池储能为主，如图1-9所示；并网光伏发电系统一般不带储能装置，依靠公共电网进行储能调节。

图1-11所示为不带储能装置的光伏水泵系统，它直接利用光伏阵列（组件）发电，通过最大功率点跟踪以及变换、控制等装置驱动电动机来带动水泵，将水从地下深处抽至地面，供农田灌溉或人畜饮用。

3.按负载形式不同分类

按离网光伏发电系统负载形式不同可分为直流系统、交流系统和交直流混合系统。如果负载为直流负载则为直流系统；负载为交流负载则为交流系统；负载为交直流混合负载则为交直流混合系统。图1-12～图1-15分别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、交流光伏发电系统、交直流混合光伏发电系统。

4.按系统装机容量的大小分类

按系统装机容量的大小分类的情况如下：

1）小型系统，即装机容量小于1MW的光伏发电系统。

2）中型系统，即装机容量在1～30MW之间的光伏发电系统。

3）大型系统，即装机容量大于30MW的光伏发电系统。

5.按并网光伏发电系统向公共电网送电的方式分类

按并网光伏发电系统向公共电网送电的方式分有逆流并网光伏发电系统和无逆流并网光伏发电系统。

有逆流并网光伏发电系统如图1-16所示。当光伏发电系统发出的电能充裕时，可将剩余的电能送入公共电网；当光伏发电系统提供的电能不足时，由公共电网向负载供电。因为向公共电网送电时与由公共电网供电时的电能流转方向相反，所以称为有逆流并网光伏发电系统。

无逆流并网光伏发电系统如图1-17所示。当此类光伏发电系统即使发电充裕时，也不向公共电网供电；但当光伏发电系统供电不足时，则由公共电网供电。

6.按并网光伏发电系统建设是否集中分类

按并网光伏发电系统建设是否集中可分为集中式并网光伏发电系统和分布式并网光伏发电系统，如图1-18和图1-19所示。

集中式并网光伏发电系统就是利用荒漠等非耕地，集中建设的大型光伏发电系统，其发出的电直接并入公共电网，接入高压输电系统供给远距离负载使用。这类光伏发电系统一般见于国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到公共电网，由公共电网统一调配向用户供电。

（1）主要优点

1）选址更加灵活，光伏阵列出力稳定性有所增加，削峰作用明显。

2）运行方式较为灵活，相对于分布式并网光伏发电系统可以更方便地进行无功和电压控制，易实现公共电网频率调节。

3）建设周期短，环境适应能力强，不需要水源供给、燃煤运输等原料保障，运行成本低，便于集中管理，受到的空间限制小，很容易实现扩容。

（2）主要缺点

1）需要依赖长距离输电线路送电入公共电网，因此输电线路的损耗、电压跌落和无功补偿等问题将会凸显。

2）大容量的集中式并网光伏发电系统由多台变换装置组合实现，这些装置的协同工作需要进行统一管理，因此在技术上提出了更高要求。

3）为保证公共电网安全，大容量的集中式光伏接入需要有LVRT（低电压穿越）等技术支持，这些技术往往与电力孤岛存在冲突。

4）电站投资大、占地面积大。

分布式并网光伏发电是区别于集中式并网光伏发电的建设方法，此类系统一般建在用户侧，所生产的电力主要自用。它具有容量小、电压等级低、接近负载、对公共电网影响小等特点，可以应用在工业厂房、公共建筑以及居民住房屋顶上。分布式并网光伏发电系统充分利用了太阳能广泛存在的特点，避免了集中建设的场地限制因素，具有建设灵活的特点。在分布式并网光伏发电系统中，白天不用的电力可以通过逆变器出售给当地的公共电网，夜晚需要用电时，再从公共电网中购回。

7.按是否与建筑结合分类

光伏发电系统按是否与建筑结合可分为地面光伏发电系统和与建筑结合的光伏发电系统。

建设在地面上的光伏发电系统称为地面光伏发电系统，如图1-20所示。

与建筑结合的光伏发电系统又分为光伏建筑一体化（Building Integrated Photo Voltaic,BIPV）和附着在建筑物上的光伏发电系统（Building Attached Photo Voltaic,BAPV）两种，如图1-21所示。BIPV是与建筑物同时设计、同时施工和安装并与建筑物形成完美结合的光伏发电系统，也称为“构建型”和“建材型”光伏建筑。它作为建筑物外部结构的一部分，既具有发电功能，又具有建筑构件和建筑材料的功能，甚至还可以提升建筑物的美感，与建筑物形成完美的统一体。BAPV是指附着在建筑物上的光伏发电系统，也称为“安装型”光伏建筑。它的主要功能是发电，与建筑物功能不发生冲突，也不破坏或削弱原有建筑物的功能。

1.2.2 离网光伏发电系统的组成及案例分析

1.离网光伏发电系统的组成

离网光伏发电系统通常由光伏阵列或组件（太阳能电池板或太阳能电池组件）、光伏控制器、储能装置组成，若要为交流负载供电，还需要配置离网逆变器，如图1-22所示。

（1）光伏阵列（组件）光伏组件是由太阳能电池片串联后封装而成的，是光伏发电系统的核心部分，其作用是将光能转换成电能，是能量转换的器件。由于一块光伏组件提供的电压和功率是一定的，当发电电压及容量较大时就需要将多块光伏组件串、并联后构成光伏阵列。光伏组件一般分为晶硅光伏组件和薄膜光伏组件两种，晶硅光伏组件又分单晶硅、多晶硅两种，市场常用的是晶硅光伏组件。常用光伏组件如图1-23所示。

（2）储能装置 储能装置的作用是储存光伏阵列（组件）受光照时发出的电能，并可随时向负载供电。光伏发电系统对所用储能装置的基本要求是：使用寿命长、深放电能力强、充电效率高、维护少或免维护、工作范围宽、价格低廉。光伏发电系统一般选用铅酸蓄电池、胶体蓄电池作为储能装置，也可以选用三元锂电池、磷酸铁锂电池，但造价会略高一些。常用储能装置如图1-24所示。

（3）光伏控制器 光伏控制器（见图1-25）的作用是使光伏阵列（组件）和储能装置高效、安全、可靠地工作，以获得最大效率并延长作为储能装置的蓄电池的使用寿命，光伏控制器能自动防止蓄电池过充电和过放电。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，因此能防止蓄电池过充电和过放电的光伏控制器是必不可少的设备。

（4）离网逆变器 离网逆变器（见图1-26）的作用是将直流电转换成交流电。由于光伏阵列（组件）和储能装置是直流电源，当负载是交流负载时，离网逆变器是必不可少的。

（5）光伏控制逆变一体机 在中小型离网光伏发电系统中有时还会选择光伏控制逆变一体机，如图1-27所示。光伏控制逆变一体机集成了充放电控制和逆变转换功能，可实现光伏控制器和离网逆变器的功能。

2.离网光伏发电系统的工作过程

离网光伏发电系统原理框图如图1-28所示，其工作原理如下：白天在太阳光的照射下，光伏阵列（组件）产生的直流电流通过光伏控制器，一部分传送到离网逆变器转化为交流电，一部分对储能装置进行充电；当阳光不足时，储能装置通过光伏控制器向离网逆变器送电，经离网逆变器转化为交流电供交流负载使用。

3.离网光伏发电系统的应用案例

离网光伏发电系统广泛应用于偏僻山区、无电区、海岛、通信基站和路灯等场所，常见的应用有太阳能交通灯、太阳能路灯、太阳能草坪灯等；下面以太阳能路灯为例说明离网光伏发电系统的具体应用。

太阳能路灯系统主要由含驱动的LED光源、光伏组件、蓄电池（包括蓄电池保温箱）、路灯控制器、路灯灯杆（含基础）及辅料线材等几部分构成，如图1-29所示。太阳能路灯可全自动工作，不用铺设线缆，不用交流供电，不产生电费，采用直流供电和控制。太阳能路灯系统具有稳定性高、寿命长、发光效率高、安装维护简便、安全性高、节能环保及经济实用等优点。可广泛应用于城市主/次干道、小区、工厂、旅游景点及停车场等场所。

太阳能路灯系统一般选用晶硅光伏组件，LED光源一般选用大功率LED构成，路灯控制器一般放置在路灯灯杆内，具有光控、时控、过充过放保护及反接保护功能，更高级的路灯控制器还具备四季调整亮灯时间、半功率、智能充放电等功能，蓄电池可采用阀控式铅酸蓄电池、胶体蓄电池或者锂电池等储存电能，一般放置于地下或专门的蓄电池保温箱中。

太阳能路灯系统工作原理如下：白天太阳能路灯系统在路灯控制器的控制下，光伏组件经过太阳光的照射，吸收光能并转换成电能，白天光伏组件向蓄电池充电，晚上蓄电池提供电力给LED光源，实现照明功能。

1.2.3 并网光伏发电系统的组成及案例分析

与公共电网相连接且共同承担供电任务的光伏发电系统称为并网光伏发电系统，也称为并网光伏电站。它是光伏发电进入大规模商业化发电阶段并成为电力工业组成部分的重要发展方向，也是当今世界上光伏发电技术发展的主流趋势。下面以集中式并网光伏发电系统为例说明其组成、工作过程及案例分析。

1.并网光伏发电系统的组成

并网光伏发电系统主要由光伏阵列、直流防雷汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜、变压器和计算机监控系统等组成，如图1-30所示。

（1）光伏阵列 在实际使用中，一块光伏组件往往并不能满足使用现场的要求，因此常将若干个光伏组件按一定方式（串、并联）组装在光伏支架上，形成太阳能电池方阵（也称为光伏阵列）。光伏阵列的安装方式可分为固定式和跟踪式。

固定式指的是阵列朝向固定不变，不随太阳位置变化而变化。混凝土柱基础固定式光伏阵列的实物图如图1-31所示。这种安装方式简单快捷，光伏支架部分的成本较低，但由于光伏阵列固定不动，不能随太阳的移动而转动，无法保证获取到最大的太阳光辐射，所以发电量相对偏低。其优点是抗风能力强，安装容易，工作可靠，造价低。

跟踪式光伏阵列的机电或液压装置可使光伏阵列随着太阳的高度和方位角的变化而移动，在接近全日照过程中让太阳光线与光伏阵列垂直，由此提高光伏阵列的发电能力。与固定式相比，在相同日照条件下，跟踪式光伏阵列的效率提高可达20%～30%。跟踪式光伏阵列按照旋转轴的个数可分为单轴跟踪系统（见图1-32）和双轴跟踪系统（见图1-33）。单轴跟踪系统只能围绕一个旋转轴旋转，光伏阵列只能跟随太阳运行的方位角或者高度角两者之一变化。双轴跟踪系统可沿两个旋转轴旋转，能同时跟随太阳运行的方位角与高度角变化。但也存在结构复杂、造价相对较高、维护成本高等问题。

（2）直流防雷汇流箱 在光伏发电系统中，为了减少光伏阵列与逆变器之间的连线，方便维护，提高可靠性，一般在光伏阵列与逆变器之间增加直流防雷汇流箱，其实物图和电路图如图1-34所示。用户可以将一定数量、规格相同的光伏组件串联起来，组成一个个光伏阵列，然后再将若干个光伏阵列并联接入直流防雷汇流箱，在直流防雷汇流箱内汇流后，通过直流断路器与逆变器配套使用，构成完整的光伏发电系统，实现与公共电网并网。为了提高系统的可靠性和实用性，在直流防雷汇流箱里配置了光伏发电专用的直流避雷器、直流熔断器和断路器等。

（3）直流配电柜 直流配电柜主要将直流防雷汇流箱输出的直流电流进行再次汇流，然后接到逆变器上。直流配电柜主要包括直流输入断路器、避雷器、防反二极管和电压表等，其实物图、接线图和原理图如图1-35所示。

（4）并网逆变器 并网逆变器的作用是将直流电流转化为与电网同频、同相的正弦波电流，并送入公共电网。并网逆变器的实物图如图1-36所示。

对并网逆变器的要求如下。

1）具有较高的效率。为了最大限度地利用太阳能电池，提高系统效率，必须设法提高逆变器的效率。

2）具有较高的可靠性。目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求并网逆变器具有合理的电路结构和严格的元器件筛选，并要求并网逆变器具备各种保护功能，如输入直流极性反接保护、交流输出短路保护以及过热和过负载保护等。

3）直流输入电压有较宽的适应范围。太阳能电池的端电压随负载和日照强度的变化而变化，这就要求并网逆变器必须在较大的直流输入电压范围内保证正常工作，并保证交流输出电压的稳定。

4）在中、大容量的光伏发电系统中，并网逆变器的输出应为失真度较小的正弦波。当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免对公共电网的电力污染，也要求并网逆变器输出正弦波。

（5）交流配电柜 交流配电柜（实物图和原理接线图见图1-37）的作用是将并网逆变器输出的交流电接入后，经过断路器接入公共电网，以保证光伏发电系统的正常供电，同时还能对线路电能进行计量。交流配电单元含并网侧断路器、避雷器，三相电能表、逆变器并网接口及交流电压/电流表等装置。

（6）计算机监控系统 计算机监控系统的主要作用是监控整个光伏发电系统的运行状况（包括光伏阵列的运行状态、并网逆变器的工作状态、光伏发电系统的工作电压和电流等数据），还可以根据需要将相关数据直接发送至互联网，以便远程监控光伏发电系统的运行情况。

2.并网光伏发电系统的工作过程

由图1-30所示的光伏发电系统的组成可知，光伏阵列将太阳能转换成直流电能，通过直流防雷汇流箱的一次汇流和直流配电柜的二次汇流，再经并网逆变器将直流电转换成交流电，根据并网光伏发电系统接入电网的相关技术规定的系统容量，确定系统接入公共电网的电压等级，最终由变压器升压后，接入公共电网。

3.500kW并网光伏发电系统案例分析

500kW并网光伏发电系统示意图如图1-38所示。系统由若干个光伏组件构成组件串，再由组件串构成子阵列，最后由子阵列构成500kW的光伏阵列，先通过直流防雷汇流箱汇流，然后通过直流配电柜把各汇流箱输入的直流电再次进行汇流并送入并网逆变器，并网逆变器把700V左右的直流电转换为400V左右的正弦交流电，再通过交流配电柜送到升压变压器，变换成10kV交流电送入公共电网。

任务实施

1.认识离网光伏发电系统

结合一个实际的离网光伏发电系统（或以全国职业技能大赛光伏电子工程的设计与实施赛项竞赛平台为例），识别光伏阵列（组件）、光伏控制器、储能装置和离网逆变器等设备，记下这些设备的型号，说明其作用，填入表1-1中。分析离网光伏发电系统的工作原理。

2.认识并网光伏发电系统

结合一个实际的并网光伏发电系统（或以全国职业技能大赛光伏电子工程的设计与实施赛项竞赛平台为例），识别光伏阵列（组件）、并网逆变器和双向电能表等设备，记下该设备的型号，说明其作用，填入表1-2中。分析并网光伏发电系统的工作原理。

3.到光伏发电站参观学习

到光伏发电站参观学习，做好以下工作。

1）通过多种媒介搜集要参观的光伏发电站的相关资料。

2）听取光伏发电站工程技术人员介绍的发电站基本情况和并网发电的基础知识。

3）在光伏发电站识别以下设备（或部件）：光伏阵列（固定式、跟踪式）、直流防雷汇流箱、并网逆变器、交/直流配电柜和计算机监控系统等，说明其作用，记下其型号和主要技术参数，并拍下相关照片。

4）撰写学习报告，重点写参观光伏发电站的收获和体会。 17UPCJZoWLYsFbfGeSwrEBhLGnVTxanyygY6FDtBPZ9ZbgnbEzUWogt0rAu4l7u6