光伏離網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用實踐與發(fā)展趨勢

黃 毅

（漳州科華技術(shù)有限責(zé)任公司,福建 漳州 363000）

太陽能作為可再生能源，在全球得到了廣泛的推廣。我國居民熟悉的太陽能并網(wǎng)逆變器是通過DC/AC逆變成交流電，并回饋電網(wǎng)能量來對設(shè)備進行供電。但在偏遠的山區(qū)、荒漠、海島，以及非洲等不發(fā)達地區(qū)的村落里，常規(guī)的供電電網(wǎng)仍未覆蓋，能用上電就是當(dāng)?shù)鼐用竦钠惹行枨?。并網(wǎng)逆變器顯然在這里不適用，這需要另一種太陽能的應(yīng)用——光伏離網(wǎng)系統(tǒng)。

1 光伏離網(wǎng)系統(tǒng)的原理與組成

光伏離網(wǎng)型系統(tǒng)主要由太陽能電池陣列、光伏控制器、蓄電池組、離網(wǎng)逆變器等組成。當(dāng)太陽能充足時，光伏極板產(chǎn)生高壓直流電，通過光伏控制器對電池組進行充電，同時直流電經(jīng)過逆變器DC/AC逆變形成交流電；當(dāng)夜晚降臨或遇到陰雨天氣時，系統(tǒng)直接由電池組逆變產(chǎn)生交流電。目前，市面上此類產(chǎn)品有科華數(shù)據(jù)針對200 kW以下功率段設(shè)計的光伏SPC+SPO組合系列，針對200 kW以上功率段開發(fā)的儲能BCS系列，等等。其負載可以是公共設(shè)施，如通信基站和路燈等；也可以供電給每家每戶的用電設(shè)備，如電視、計算機等[1]。

圖1 光伏離網(wǎng)系統(tǒng)組成圖

（1）太陽能電池陣列：由光伏極板組成，利用半導(dǎo)體材料的電子學(xué)特性實現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置。晶體硅在太陽光照射時，“光生效應(yīng)”讓PN結(jié)兩側(cè)形成了正、負電荷的積累，產(chǎn)生了光生電壓，形成了內(nèi)建電場。

（2）光伏控制器SPC：采用帶MPPT控制的BUCK電路，通過最大功率跟蹤將光伏極板產(chǎn)生的電場能量，高效地轉(zhuǎn)化給蓄電池組，一般采用三段式充電模式，如圖2。

圖2 三階段充電電池電壓、電流示意圖

（3）離網(wǎng)逆變器SPO：由于離網(wǎng)系統(tǒng)的特殊應(yīng)用環(huán)境，這里建議采用傳統(tǒng)的工頻機，可以是三相全橋逆變，技術(shù)成熟穩(wěn)定，更關(guān)鍵的是通過輸出隔離變壓器，能有效提高可靠性。

（4）蓄電池組：作為整個系統(tǒng)的儲能用。

2 光伏離網(wǎng)系統(tǒng)的設(shè)計

雖然光伏離網(wǎng)系統(tǒng)的原理不復(fù)雜，但單純的設(shè)計組合是遠遠不夠的，我們還要面對的是各地復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。

2.1 基本設(shè)計

要供電給居民就要先組網(wǎng)，其實就要把整個離網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)成一個小型發(fā)電站。建站的地區(qū)往往條件惡劣，在沙漠地區(qū)的一個簡易板房實例，設(shè)計需要做到方方面面的關(guān)注。

2.2.1 防護

板房的防護措施包括防風(fēng)沙、防蟲蟻；特殊的海島則要進行防鹽霧處理；高原地區(qū)則有高海拔安規(guī)的設(shè)計因數(shù)的考量。另外，在沙漠地區(qū)早晚溫差大，容易造成設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)冷凝水珠，造成安規(guī)絕緣層的破壞。

圖3為光伏控制器在運行一年后，內(nèi)部功率開關(guān)管的照片?？梢钥吹交覊m進入功放器件周圍形成濕塵，最終使開關(guān)管短路損壞。因此除提高柜體IP防護等級設(shè)計之外，還要對內(nèi)器件的防護進行考慮。如圖4工藝措施，就能有效保護開關(guān)管引腳。在有條件的時候，應(yīng)配備工程運維人員，定期對設(shè)備進行除塵除濕等作業(yè)。

圖3 內(nèi)部器件示例

圖4 防護工藝示例

2.1.2 電壓制式選擇

離網(wǎng)系統(tǒng)把交流電帶給各個用戶，進行遠距離供電，工程成本往往被投資者作為首要考量，因此電壓制式的選擇就尤為重要。

出于安全性，我國電網(wǎng)推薦采用TN-S系統(tǒng)，保護線與中性線分開（三相五線制）供電。由于正常情況下PE線不通過負荷電流，與PE線相連的電氣設(shè)備金屬外殼不帶電位，所以適用于數(shù)據(jù)處理和精密電子儀器設(shè)備的供電，也可用于有爆炸危險的環(huán)境中。在民用建筑中，家用電器大都有單獨接地極的插頭，采用TN-S供電，既方便又安全。但其工程費用較高，讓很多投資方遲疑。

海外用戶則很多采用TN-C系統(tǒng)，保護線與中性線合并為PEN線，具有簡單、經(jīng)濟的優(yōu)點。當(dāng)發(fā)生接地故障時，故障電流大，主要采用一般過電流保護電器切斷電源，以保證安全。由于PEN線在同一建筑物內(nèi)往往相互有電氣連接，當(dāng)PEN線斷線或相線直接與大地短路時，將呈現(xiàn)相當(dāng)高的對地故障電壓，這時可能擴大事故范圍，并危及人身安全。

因此，選擇供電制式，是一個結(jié)合前期成本、后期維護與風(fēng)險的綜合性問題，每個工程需要因地制宜，統(tǒng)籌規(guī)劃[2]。

2.1.3 光伏直流側(cè)、高架線的防雷擊措施

系統(tǒng)應(yīng)參照《建筑物電子信息系統(tǒng)防雷技術(shù)規(guī)范（GB50343-2004）》，對各區(qū)域的防雷擊進行布設(shè)，且各級設(shè)備間的防雷器要有正確的級聯(lián)設(shè)計與退耦設(shè)計。

若采用架空線輸送電，即使不在直擊雷防護的部分，也需增加防雷措施。通常建議：（1）在經(jīng)過人口稠密區(qū)或出板房的一段線路上裝設(shè)避雷線。（2）加強線路絕緣或裝設(shè)避雷器，以防線路絕緣閃絡(luò)；為使桿塔或避雷線遭受雷擊后線路絕緣不致發(fā)生閃絡(luò)，應(yīng)設(shè)法改善避雷線的接地，或適當(dāng)加強線路絕緣，或在絕緣薄弱點裝設(shè)避雷器。

2.1.4 設(shè)備散熱

光伏產(chǎn)品一般應(yīng)用在日照強烈的區(qū)域，系統(tǒng)中常有高發(fā)熱量的器件設(shè)備（如電池組），若散熱不當(dāng)很容易導(dǎo)致起火爆炸。離網(wǎng)產(chǎn)品的應(yīng)用，除了設(shè)備自身的散熱設(shè)計外，還要考慮整個站點/房間的散熱。很多關(guān)鍵工程均配備了空調(diào)調(diào)節(jié)。

2.2 光伏離網(wǎng)系統(tǒng)供電的用戶負載的多樣性

社區(qū)用路燈，家庭用空調(diào)、冰箱、洗衣機、電磁爐等，都可能是沖擊性負載。在設(shè)計時，需要根據(jù)負載特性采取相應(yīng)的措施。

（1）設(shè)備啟動時存在沖擊電流，除了功率器件留有足夠余量外，可以考慮如何利用控制邏輯來避免用電高峰時設(shè)備的同時啟動，如EMS的遠程能量調(diào)度。

（2）帶感性的用電設(shè)備，在關(guān)斷時可能存在反灌能量，需要及時吸收，否則形成的高壓很容易導(dǎo)致IGBT反峰升高而損壞。

（3）隔離變壓器可以有效地抑制逆變器輸出端與負載之間的相互干擾。前文推薦選用工頻逆變器，也是基于該點考慮。

3 光伏離網(wǎng)系統(tǒng)的未來發(fā)展

一方面，離網(wǎng)系統(tǒng)中的蓄電池組必不可少，且占有的成本比例高，其配置也就成為設(shè)計者重點考量的一環(huán)。采用傳統(tǒng)鉛酸電池組在該應(yīng)用中存在缺陷，因?qū)Νh(huán)境污染等受到政策制約；鋰電池比較環(huán)保以及具有較好的電化學(xué)特性，替代鉛酸電池得到了國家部委的支持。近些年來，鋰電池不斷推廣，除了電動汽車行業(yè)外，其與UPS的配套也在不斷深入，而本文介紹的離網(wǎng)逆變器，與UPS同屬于開關(guān)電源，應(yīng)用上可直接借鑒[3]。

（1）容量的選擇。夜里無太陽光，電池組存儲的容量要能保障常規(guī)設(shè)備用電而不至于欠壓保護。然而鉛酸電池多組并聯(lián)存在局限，一般廠商推薦并聯(lián)電池組不大于3組。若選用鋰電池通過BMS控制，并聯(lián)可多大十幾組，容量能顯著加大。

當(dāng)然，油機的加入，給整個系統(tǒng)帶來了有益的補充。當(dāng)電池能量確實即將耗光，系統(tǒng)及時啟動油機進行旁路供電，能延續(xù)保障用戶設(shè)備不掉電，為人們的應(yīng)急操作爭取了時間。

（2）在白天，光伏極板轉(zhuǎn)換太陽能成為電能，需要既能滿足負載用電需求，又要對電池組進行充電；并且在有限的光照時間內(nèi)，要充分利用太陽能將電池組充飽。鉛酸電池一般充電電流在0.1 C左右，充滿電需要10個小時以上。而鋰電池允許0.5～1 C充電，在有限的時間內(nèi)，更高效地利用太陽能[4]。

（3）離網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用中，電池組基本是一天一輪充放電，鉛酸電池就很受循環(huán)次數(shù)的限制，壽命影響大；但這對于鋰電池的影響則降低很多。

因此，使用鋰電池可以有效地解決系統(tǒng)對于大容量需求、短時大電流充電、充放電循環(huán)次數(shù)等關(guān)鍵問題。鋰電池作為一個新興的電池，只要我們將其BMS數(shù)據(jù)納入光伏離網(wǎng)系統(tǒng)的邏輯管控中，就能讓系統(tǒng)應(yīng)用更加高效穩(wěn)定。

另一方面，隨著信息時代的普及、對離網(wǎng)系統(tǒng)動環(huán)監(jiān)控的不斷完善，整個系統(tǒng)應(yīng)用有走向高端的發(fā)展趨勢。應(yīng)用光伏離網(wǎng)產(chǎn)品往往都在偏遠地區(qū)，若為無人值守，或當(dāng)?shù)鼐用裎拿鞒潭炔桓?，運維人員對系統(tǒng)的監(jiān)控將凸顯得更加重要。

（1）供電系統(tǒng)的輸出端，需要配置有電量儀，用于統(tǒng)計日用電量、月用電量、年用電量。如此，其產(chǎn)生的經(jīng)濟收益，能讓用戶一目了然。

（2）采用本地監(jiān)控，信息匯總到友好的人機界面，能夠讓用戶的體驗感更好；實時動環(huán)監(jiān)控（溫濕度、煙感、漏水、門禁等）能夠讓系統(tǒng)運行更加安全。

（3）在無人值守的地區(qū)，遠程監(jiān)控也是必不可少的，在突發(fā)異常時，能夠及時告知用戶，必要時進行遠程緊急操作。

4 總結(jié)

光伏離網(wǎng)系統(tǒng)經(jīng)過多年的工程實踐，該產(chǎn)品在技術(shù)上已能應(yīng)對不同的應(yīng)用場景，可靠性也在不斷地優(yōu)化提升。它能給偏遠、落后的地區(qū)帶去電和光明，讓落后地區(qū)的居民接觸到更多的文明，在產(chǎn)生經(jīng)濟收益的同時，也能為世界的進步做出貢獻。其存在的意義，值得我們進一步推廣應(yīng)用。