第三节独立运行光伏系统的设计

第三节独立运行光伏系统的设计一、独立光伏发电系统的结构及工作原理

1、系统构成

2、系统框图及种类

3、工作原理二、系统设计框图三、容量计算1、失电小时数2、当地地理条件、气象数据及太阳辐射能资源3、确定方阵最佳倾角β

4、当地用电负载模型

5、光伏组件方阵设计6、蓄电池设计7、环境温度模型8、控制器9、逆变器

10、独立光伏发电系统可靠性指数四、计算机仿真结果独立光伏发电系统设计独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，在自己的闭路系统内部形成电路，不和外部电网产生关系，在必要时可以由油机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。独立光伏发电系统将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器后以化学能形式储存在蓄电池中。在日照不足时，蓄电池中的能量经过全桥逆变器后变成SPWM（正弦脉宽调制）波，然后再经滤波和工频变压器升压后变成交流220V、50HZ的正弦电压供给交流负载。从电力系统来说，kW级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统。1、系统构成独立光伏发电系统由太阳能电池方阵、防反充二极管、控制器、逆变器、蓄电池组以及支架和输配电设备等部分构成。其中，太阳能电池方阵在国外文献中常被称为太阳能发电机（SolarGenerator）,而其余部分则被统称为太阳能发电机的“平衡系统”（BalanceofSystem）或“配套系统”简称“BOS”。有时BOS还包括太阳能电池方阵所占用的土地和防雷安全系统。当太阳能电池十分昂贵时，BOS在整个独立光伏发电系统中所占的费用比例较小，但随着太阳能电池的不断降价，BOS所占费用比例在逐渐增加。独立光伏发电系统设计2、系统框图及种类独立系统光伏系统的种类

直流负载蓄电池使用型系统（与太阳电池，蓄电池，控制器以及直流负载等构成。如家庭庭园照明等）。交流负载蓄电池使用型系统（与太阳电池，交流负载，逆变器以及充放电控制器等构成。该系统主要用于家庭电器设备，如电视机，电冰箱等。）直、交流负载蓄电池使用型系统（与太阳电池，直流负载，交流负载，逆变器，蓄电池以及充放电控制器等构成。该系统可同时为直流设备以及交流电器设备提供电能。)交流负载带有后备电源混合系统。3、工作原理太阳能电池方阵吸收太阳光并将其转化成电能后，在防反充二极管的控制下为蓄电池组充电。直流或交流负载通过开关与控制器连接。控制器负责保护蓄电池，防止出现过充或过放电状态，即在蓄电池达到一定的放电深度时，控制器将自动切断负载；当蓄电池达到过充电状态时，控制器将自动切断充电电路。有的控制器能够显示独立光伏发电系统的充放电状态，并能贮存必要的数据，甚至还具有遥测、遥信和遥控的功能。在交流光伏发电系统中，DC-AC逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交流负载需要的交流电。上图中的防反充二极管也称为“阻塞二极管”或“隔离二极管”。其功能是利用二极管的单向导电性，防止无日照时蓄电池组通过太阳能电池方阵放电。防反充二极管的最大输出电流必须大于太阳能电池方阵的最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的最高电压。在太阳能电池方阵工作时，防反充二极管两端的电压降要尽量低（硅二极管一般为0.6V，锗二极管为0.3V，大功率肖特基二极管可以在0.3V以下），以便降低系统的功耗。二、系统设计框图各种独立光伏发电系统的总体设计视其用途不同、功率大小不同、使用环境和条件不同而异。显然，每一种独立光伏发电系统都要有针对性地独立设计。独立光伏发电系统的总体设计包括容量设计、电气设计、机械结构设计、建筑设计、热力设计、防火防雷等安全设计、可靠性设计、包装运输设计、安装调试运行设计以及维修检测设计等等。其总体设计框图如图所示。其中最具特色的是光伏发电系统的容量设计，它根据当地的太阳能辐照资源和使用要求，确定必要的太阳能电池方阵和蓄电池的规模容量。三、容量设计目标：优化太阳能电池方阵容量和蓄电池组容量的相互关系，在保证独立光伏发电系统可靠工作的前提下，达到成本最低。要求：首先对当地的太阳能辐照资源、地理及气象数据有尽量详细的了解，一般要求掌握日平均太阳辐照量、月平均太阳辐照量和连续阴雨天数。方法：依据各部件的数理模型，采用计算机仿真，可以拟合出太阳能电池方阵每小时发电量、蓄电池组充电量和负载工作情况，并预测在不同的供电可靠性要求下所需要的太阳能电池方阵及蓄电池组的容量。通过数值分析法，可以解析太阳能电池方阵容量及蓄电池组容量之间存在的相互关系，然后在特定的供电可靠性要求下，根据成本最低化的原则，确定二者各自的容量。独立光伏发电系统容量设计程序框图1、失电小时数在容量设计中，失电小时数（LossofLoadHours，简称LOLH），直接与光伏发电系统的供电可靠性有关。一年中的失电小时数表示光伏发电系统能量的短缺程度，它并不包括因部件失效或系统维护必须花费的时间。因此，对失电小时数的计算是独立光伏发电系统容量设计的基础。如果独立光伏发电系统的失电小时数是0，即系统全年供电可靠性是100%，就意味着在遇到一年中最长的连续阴雨天时仍然能保证系统正常运行。这就需要有足够的光伏方阵和蓄电池组组成光伏发电系统，这种独立光伏发电系统比较昂贵。若以当地20年来气象资料中最长连续阴雨天的记录为依据来预计20年中该地区最长连续阴雨天数，则系统造价还要增加。此时若考虑遇到最长连续阴雨天的几率，以此来设定系统的可靠性，并且在出现系统失电时用应急的油机发电或风力发电进行补充，以减小失电时间，就可节省数量可观的太阳能电池方阵及蓄电池组的容量，从而大幅度降低独立光伏发电系统的造价。在日照极其丰富的季节，为防止蓄电池组过充电，有时需要配备过充放电器（也称泄流器），将多余的电能释放掉。

2、当地地理条件、气象数据及太阳辐射能资源任何太阳能光伏发电系统都必须因地制宜，因而需要提前取得当地地理条件、气象数据及太阳辐射能资源的基本数据。①当地的经度、纬度、海拔高度及当地地质状况、地震状况、洪水状况；②近十年月平均最高气温、最低气温、极高和极低气温；③近十年月平均风速、极大风速及发生时间；④近十年最长连续阴雨天及发生几率；⑤雷暴、沙尘暴、冰雹、暴雨等灾害性气象状况；⑥近十年月平均太阳辐射能、日照时数、日照百分率及月变化等。月平均太阳辐射能可通过查阅当地气象资料、测量、计算等方法并修正后得到。从气象站得到的资料一般只有水平面上的太阳总辐射量H、直射辐射量Hb及散射辐射量Hd，需换算到倾斜面上的太阳辐射量。3、确定方阵最佳倾角β太阳能电池方阵通常面向赤道放置，倾角不同造成各个月份方阵面接受的太阳辐射量差别很大。对于全年负载均匀的固定式光伏方阵，如果设计斜面的辐射量小，意味着需要更多的太阳能电池来保证向用户供电；如果倾斜面各月太阳辐射量起伏很大，意味着需要大量的蓄电池来保证太阳辐射量低的月份用电供应。这些都会提高整个系统的造价，因此确定方阵的最佳倾角是光伏发电系统设计中不可缺少的一个重要环节。①连续性一年中太阳辐射总量大体上是连续变化的，多数是单调升降，个别也有少量起伏；②均匀性倾角的选择最好满足使方阵表面上全年接收到的日平均辐射量比较均匀，以免夏天接收辐射量过大，造成浪费；而冬天接收到的辐射量太小，造成蓄电池过放电以至损坏，降低系统使用寿命，影响系统供电稳定性。③极大性选择倾角时，不但要使方阵表面上辐射量最弱的月份获得最大的辐射量，同时还要兼顾全年日平均辐射量不能太小；④特殊性对特定的情况要做具体分析，有时要针对连续阴雨天最长的时段获取最多的太阳辐射能；夏天消耗功率多，方阵倾角的取得应使方阵夏日接收辐射量相对于冬天要多才合适；也有时考虑冬季积雪负重，故意将β增大；还要考虑到建筑整体的协调美观来确定方阵的β值等。对于方阵倾角的选择应结合以下要求进行综合考虑：一般原则：对于全年，取β=Φ；对于夏半年（春分到秋分），取β=Φ-（10°～15°）；对于冬半年（秋分到第二年春分），取β=Φ+（10°～15°）。同时，最佳倾角的概念，在不同的应用中是不一样的在独立光伏发电系统中，由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制，要综合考虑光伏组件方阵平面上太阳辐射量的连续性、均匀性和极大性。并网光伏发电系统等通常总是要求在全年中得到最大的太阳辐射量。独立光伏系统最佳倾角的确定：对于负载负荷均匀或近似均衡的独立光伏系统，太阳辐射均匀性对光伏发电系统的影响很大，对其进行量化处理是很有必要的。为此，可以引入一个量化参数，即辐射累计偏差δ，其数学表达式为：倾斜面上各月平均日太阳辐射量倾斜面上的年平均日太阳辐射量第i月的天数理想情况是选择为最大值、δ为最小值。但实际情况是二者所对应的倾角有一定的间隔，为此需要定义一个新的量来描述倾斜面上太阳辐射的综合特性，称其为斜面辐射系数，以K表示：

水平面上的年平均日太阳辐射量由于和δ都与太阳电池组件的倾角有关，所以当K取极大值时，应当有

求解上式，即可求得最佳倾角。下表为利用上述方法采用计算机进行计算，取步长为1°，计算出我国部分主要城市对于负载负荷均匀或近似均衡的独立光伏系统的最佳辐射倾角。4、当地用电负载模型当地用户的用电负载模型是设计光伏电站的必要条件，应当尽量准确地把预计的日负载变化曲线和月负载变化曲线设定下来。若作为一个无电地区的集中供电系统，则要求提供供电方式（交、直流）、供电半径、电压等级、用电负荷的同时率及允许失电小时数等。每min曲线涵盖的面积即为该时段负载的耗电量QL

若以类似的方法画出各月及全年的用电负载曲线，并将时段取为一个月或全年，则很容易获得各月负载耗电量或全年负载耗电量。5、光伏组件方阵设计光伏组件方阵设计需要考虑的问题：设计太阳电池组件要满足光照最差季节的需要。在进行太阳电池组件设计的时候，首先要考虑的问题就是设计的太阳电池组件输出要等于全年负载需求的平均值。在这种情况下，太阳电池组件将提供负载所需的所有能量。但这也意味着每年将有近一半的时间蓄电池处于亏电状态。蓄电池长时间处于亏电状态将使得蓄电池的极板硫酸盐化。而在独立光伏系统中没有备用电源在天气较差的情况下给蓄电池进行再充电，这样蓄电池的使用寿命和性能将会受到很大的影响，整个系统的运行费用也将大幅度增加。

一般设计方法：太阳电池组件设计的基本思想就是满足年平均日负载的用电需求。计算太阳电池组件的基本方法是用负载平均每天所需要的能量（安时数）除以一块太阳电池组件在一天中可以产生的能量（安时数），这样就可以算出系统需要并联的太阳电池组件数，使用这些组件并联就可以产生系统负载所需要的电流。将系统的标称电压除以太阳电池组件的标称电压，就可以得到太阳电池组件需要串联的太阳电池组件数，使用这些太阳电池组件串联就可以产生系统负载所需要的电压。

一般设计方法

基本公式：太阳电池组件的输出，会受到一些外在因素的影响而降低，根据上述基本公式计算出的太阳电池组件，在实际情况下通常不能满足光伏系统的用电需求，为了得到更加正确的结果，有必要对上述基本公式进行修正。光伏组件设计①将太阳电池组件输出降低10%

在实际情况下，太阳电池组件的输出会受到外在环境的影响而降低。泥土、灰尘的覆盖和组件性能的慢慢衰变都会降低太阳电池组件的输出。通常的做法就是在计算的时候减少太阳电池组件的输出10%来解决上述的不可预知和不可量化的因素。可以看成是光伏系统设计时需要考虑的工程上的安全系数。又因为光伏供电系统的运行还依赖于天气状况，所以有必要对这些因素进行评估和技术估计，因此设计上留有一定的余量将使得系统可以年复一年地长期正常使用。②将负载增加10%以应付蓄电池的库仑效率

在蓄电池的充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体逸出，这也就是说太阳电池组件产生的电流中将有一部分不能转化储存起来而是耗散掉。所以可以认为必须有一小部分电流用来补偿损失，我们用蓄电池的库仑效率来评估这种电流损失。不同的蓄电池其库仑效率不同，通常可以认为有5%～10%的损失，所以保守设计中有必要将太阳能电池组件的功率增加10%，以抵消蓄电池的耗散损失。③完整的太阳电池组件设计计算

其他应考虑的问题：①考虑季节变化对光伏系统输出的影响，逐月进行设计计算对于全年负载不变的情况，太阳电池组件的设计计算是基于辐照最低的月份。如果负载的工作情况是变化的，即每个月份的负载对电力的需求是不一样的，那么在设计时采取的最好办法就是按照不同的季节或每个月份分别来进行计算，计算出的最大太阳电池组件数目就是所求的值。②根据太阳电池组件电池片的串联数量选择合适的太阳电池组件

太阳电池组件的日输出与太阳电池组件中电池片的串联数量有关。太阳电池在光照下的电压会随着温度的升高而降低，从而导致太阳电池组件的电压会随温度的升高而降低。根据这一物理现象，太阳电池组件生产商根据太阳电池组件工作的不同气候条件，设计了不同的组件：36片串联组件与33片串联组件。采用36片串联的太阳电池组件最好应用在炎热地区，也可以使用在安装了峰值功率跟踪设备的系统中，这样可以最大限度地发挥太阳电池组件的潜力。33片串联的太阳电池组件最好用在温和气候条件下。③使用峰值小时数的方法估算太阳电池组件的输出

因为太阳电池组件的输出是在标准状态下标定的，但在实际使用中，日照条件以及太阳电池组件的环境条件是不可能与标准状态完全相同，因此有必要找出一种可以利用太阳电池组件额定输出和气象数据来估算实际情况下太阳电池组件输出的办法，我们可以使用峰值小时数的方法估算太阳电池组件的日输出。该方法是将斜面上的太阳辐射转换成等同的利用标准太阳辐射1000W/m2照射的小时数。将该小时数乘以太阳电池组件的峰值输出就可以估算出太阳电池组件每天输出的安时数。太阳电池组件的输出为峰值小时数×峰值功率

例如：如果一个月的平均日辐射为5.0kW·h/m2,可以将其写成5.0h×1000W/m2,而1000W/m2正好也就是用来标定太阳电池组件功率的标准辐射量，那么平均辐射为5.0kW·h/m2就基本等同于太阳电池组件在标准辐射下照射5.0h。这当然不是实际情况，但是可以用来简化计算。因为1000W/m2是生产商用来标定太阳电池组件功率的辐射量，所以在该辐射情况下的组件输出数值很容易从生产商处得到。

例1：一个偏远地区建设的光伏供电系统，使用直流负载为24V，400A·h/天。该地区最低的光照辐射是一月份，如果采用30°的倾角，斜面上的平均日太阳辐射为3.0kW·h/m2，也就是相当于3个标准峰值小时。对于一个典型的75W太阳电池组件，每天的输出为：4.4A是75W组件峰值电流（75W/17V=4.4A）假设蓄电池的库仑效率为90%，太阳电池组件的输出衰减为10%。根据以上计算数据，可以选择并联组件数量为38，串联组件数量为2，所需的太阳电池组件数为：6、蓄电池设计蓄电池的设计思想是保证在太阳光照连续低于平均值的情况下负载仍可以正常工作。自给天数：系统在没有任何外来能源的情况下负载仍能正常工作的天数。系统设计者选择所需使用蓄电池容量大小的依据。

自给天数的确定：与两个因素有关：负载对电源的要求程度；光伏系统安装地点的气象条件，及最大连续阴雨天数。

通常可以把光伏系统安装地点的最大连续阴雨天数作为系统设计中使用的自给天数，但还要综合考虑负载对电源的要求。对于负载对电源要求不是很严格的光伏应用，我们在设计中通常取自给天数为3～5天。对于负载要求很严格的光伏应用系统，我们在设计中通常取自给天数为7～14天。所谓负载要求不严格的系统通常是指用户可以稍微调节一下负载需求从而适应恶劣天气带来的不便，而严格系统指的是用电负载比较重要，例如常用通信、导航或者重要的健康设施，如医院、诊所等。此外还要考虑光伏系统的安装地点，如果在很偏远的地区，必须设计较大的蓄电池容量，因为维护人员要到达现场需要花费很长时间。

基本公式：

最大放电深度的选择需要参考光伏系统中选择使用的蓄电池的性能参数，可以从蓄电池供应商得到详细的有关该蓄电池最大放电深度的资料。通常情况下，如果使用的是深循环型蓄电池，推荐使用80%放电深度；如果使用的是浅循环蓄电池，推荐使用50%放电深度。蓄电池的容量会随着蓄电池温度的变化而变化，当蓄电池温度下降时，蓄电池的容量会下降。通常，铅酸蓄电池的容量是在25℃时标定的。随着温度的降低，0℃时的容量大约下降到额定容量的90%，而在-20℃的时候大约下降到额定容量的80%，所以必须考虑蓄电池的环境温度对其容量的影响。完整的蓄电池容量计算公式为：

确定了蓄电池容量后，就要选择用多少个单体蓄电池通过串并联得到所需蓄电池容量。串联蓄电池的个数由负载电压确定，因为单体蓄电池电压为2V。

并联蓄电池的个数理论上可以选择任何标称容量的单体蓄电池并联而成，但是在实际应用当中，要尽量减少并联数目。也就是说最好是选择大容量的蓄电池以减少所需的并联数目。这样做的目的就是为了尽量减少蓄电池之间的不平衡所造成的影响。一般来讲，建议并联的数目不要超过4组。目前很多光伏系统采用的是两组并联模式。这样，如果有一组蓄电池出现故障，不能正常工作，就可以将该组蓄电池断开进行维修，而使用另外一组正常的蓄电池，虽然电流有所下降，但系统还能保持在标称电压正常工作。总之，蓄电池的并联设计需要考虑不同的实际情况，根据不同的需要做出不同的选择。例2：一小型光伏应用系统，负载的耗电量为10kW·h/天，如果在该光伏系统中，我们选择使用的逆变器的效率为90%，输入电压为48V，那么可得所需的直流负载需求为231.486A·h/天（10000W·h÷0.9÷48V=231.48A·h）。我们假设这是一个负载对电源要求并不是很严格的系统，使用者可以比较灵活地根据天气情况调整用电。我们选择5天的自给天数，并使用深循环电池，放电深度为80%，考虑工作温度0℃电池容量下降到90%，那么如果选用2V/（400A·h）的单体蓄电池，那么需要串联的电池数需要并联的蓄电池数所以该系统需要使用2V/400A·h的蓄电池个数为：

24串联×4并联=96（个）例3：乡村小屋的光伏供电系统（纯直流系统），只在周末使用，可以使用低成本的浅循环蓄电池以降低系统成本。该乡村小屋的负载为90A·h/天。系统电压为24V。我们选择自给天数为2天，蓄电池允许的最大放电深度为50%，

如果选用12V/400A·h的蓄电池，那么只需要两只串联就可以了。7、环境温度模型假设每天环境温度从极大到极小符合正弦曲线，于是有：Ta(t)—t时刻环境温度；

Tamax—当天最高环境温度，也可近似取当月平均最高气温；

Tamin--当天最低环境温度，也可近似取当月平均最低气温；

Tp—当地最高温度出现的时间。因为太阳能电池和蓄电池都对环境温度比较敏感，因而需要认真对待。8、控制器控制器自身功耗由静态功耗和动态功耗两部分组成，与控制器的设计原理、结构及所采用元件密切相关。采用新型半导体器件的优质控制器，功耗小于整个光伏系统功耗的1%。9、逆变器DC/AC逆变器的逆变效率随负载多少而变，优质逆变器在满负荷的20%～80%之间都有较高的逆变效率，平均逆变效率可以高达90%～96%。随着电力电子学的发展，各种不同功率逆变器的效率都会不断提高。逆变器容量设计原则①逆变器的额定功率应略大于系统中计算出的功率，即应加一个安全系数，通常取1.2～1.5。②根据不同类型的负载确定逆变器容量，对于纯电阻型负载，逆变器的功率即为系统中负载之和，而对于有感性负载的系统，则要根据感性负载启动时的浪涌电流加大逆变器容量。根据以上原则，则可得出一个简单的逆变器计算表达式：CN—逆变器容量；

K—安全系数，一般取1.2～1.5；

n—感性负载启动时的浪涌电流为额定电流的倍数；

PG—系统中感性负载的功率；

PC—系统中纯电阻性负载的功率。10、独立光伏发电系统可靠性指数独立光伏发电系统全年失电小时数（LOLH，LossofLoadHours）和全年失电次数（LOLE，LossofLoadEvents）都会直接影响光伏发电系统的容量设计和系统的成本，也直接影响到辅助能源容量配备及控制程序的设计。图示为某独立光伏发电系统一年中的失电小时数和失电次数的对应关系。图（a）中Z（t）1表示一年中光伏发电系统不能满足负荷的供电时间；而Z（t）0表示系统能向负荷供电的时间即失电时间。图（b）表示全年失电小时数累加的情况。

在某时刻t，光伏发电系统对负荷的供电状态Z（t）为：