光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備選型及應(yīng)用

協(xié)鑫智慧能源（蘇州）有限公司 季 明

太陽能作為一種清潔的可再生能源，具有重要的環(huán)保和經(jīng)濟價值，利用太陽能發(fā)電既符合可持續(xù)發(fā)展理念，又具有較強的經(jīng)濟性，故該發(fā)電方式已經(jīng)成為我國正在探索的全新方式。若要提高對太陽能的利用效率，必須在建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)時做好設(shè)備的選型及應(yīng)用工作。

1 光伏電池的選型和應(yīng)用

1.1 光伏電池的I-V特性曲線

在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池是核心設(shè)備之一。這種設(shè)備的構(gòu)成原理是：在內(nèi)部設(shè)置能夠在陽光下完成光電轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體P-N結(jié)構(gòu)件[1]。在正常工況下，光伏電池能夠發(fā)揮半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，從而將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能。由于光伏電池能夠利用太陽光，完成對少數(shù)載流子的激發(fā)，之后使這些載流子通過P-N結(jié)并發(fā)電。在此過程中，由于沒有出現(xiàn)任何化學(xué)變化，也不會出現(xiàn)機械磨損，對場地?zé)o過多要求，不會產(chǎn)生任何氣味和噪聲，對環(huán)境沒有任何危害，故太陽能光伏發(fā)電相較于其他任何一種發(fā)電形式，在幾乎所有發(fā)電環(huán)節(jié)都具有優(yōu)勢。

針對光伏電池進行選型時，首先需要分析其I-V特性曲線。該曲線的主要作用是：在光伏發(fā)電系統(tǒng)所處環(huán)境的太陽光照強度，以及環(huán)境溫度均相對確定的情況下，可以精確地反映光伏電池的輸出電壓與輸出電流之間的變化關(guān)系。在基礎(chǔ)光伏電池I-V特性曲線圖中，必須呈現(xiàn)出的重要因素，包括一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定的溫度值和日照強度值；最大輸出電流，即短路電流；最大輸出電壓，即開路電壓；最大功率點電流、最大功率點對應(yīng)的電流、電壓、功率。

光伏電池I-V特性曲線的存在價值時，能夠證明光伏電池在日常應(yīng)用中，既不是一類恒壓電源，也不是一類恒流電源，核心屬性是“不具備線性關(guān)系的直流電源”。具體的特點是：在工作電壓處于絕大部分正常波動范圍內(nèi)，光伏電池的輸出電流穩(wěn)定程度極高；但在工作電壓達到最大輸出值之后，電流值會迅速下降，之前的穩(wěn)態(tài)會被破壞[2]。基于此，針對光伏電池進行選型時，技術(shù)人員必須重點觀察I-V特征曲線，明確上述各項參數(shù)對應(yīng)的峰值，確保所選的光伏電池規(guī)格、型號、額定工況、最大工況等參數(shù)符合要求。

1.2 光伏電池的技術(shù)參數(shù)

基于I-V特性曲線選型光伏電池只是第一步工作，技術(shù)人員還需圍繞下列技術(shù)參數(shù)進行重點分析，進一步提高光伏電池選型工作的精確程度。

光伏電池的輸出電壓。若要印證光伏電池生產(chǎn)廠家給出的說明書中，有關(guān)輸出電壓的額定值是否準確，可采用的方法是：將光伏電池放置于強度達到100MW/cm2的光源之下，持續(xù)照射至光伏電池輸出電壓穩(wěn)定之后，將電壓表等計量設(shè)備與光伏電池輸出兩端的開路相連接，得到的值即為輸出電壓值；開路電壓。光伏電池的正極、負極之間處于開路狀態(tài)時對應(yīng)的電壓值。在檢查開路電壓時須重點關(guān)注以及三個問題：開路電壓與入射輻照度的對數(shù)是否具有正比例函數(shù)變化關(guān)系；開路電壓與環(huán)境溫度之間是否具有反比例函數(shù)變化關(guān)系；雖然需要檢查電池面積，但必須注意，面積與開路電壓之間并不存在任何邏輯變化關(guān)系。

峰值電壓。光伏電池片達到最大輸出功率時對應(yīng)的工作電壓。通常情況下，光伏電池組件的峰值會隨著電池片串聯(lián)數(shù)量的增加而增加，二者之間具有正相關(guān)的關(guān)系；短路電流。光伏電池的正極、負極之間處于短路狀態(tài)時對應(yīng)的電流。在選型作業(yè)期間，同樣可以將光伏電池放置于上述標準光照強度下（100MW/cm2），并將萬用表等計量設(shè)備與光伏電池兩端開路連接，在輸出短路度過時，完成對短路電流的測量。

峰值功率。在正常測試條件下，光伏電池輸出的最大功率，可以基于已經(jīng)確定的峰值電池、峰值電壓，進行乘積計算后獲得。對上述內(nèi)容進行全面梳理后可知，光伏電池組件的峰值功率在一定程度上取決于太陽輻照度，該太陽光譜在光伏電池表面的分布情況、組件的工作溫度等?；诖?，技術(shù)人員圍繞光伏電池組件的各項參數(shù)進行測量時，必須確保環(huán)境條件達到標準要求。具體參數(shù)為：太陽輻照度應(yīng)該控制為1kW/m2，光譜應(yīng)該達到AM1.5，組件的工作溫度應(yīng)該長時間保持在25℃的相對恒定狀態(tài)。

另外一項需要注意的要素是：光伏電池應(yīng)用期間，對光波中的短波的吸收系數(shù)超過對長波的吸收系數(shù)。受此影響，太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的過程具有“不完全屬性”，即太陽光能不可能完全轉(zhuǎn)化為電能。光伏電池的另一個作用是，可以對光能轉(zhuǎn)換成電能的太陽輻射波長范圍進行控制，具體值如果介于0.2～1.25μm，表明光伏電池的整體性能較好，一般會達到選型要求。

1.3 光伏電池的具體選型要求

光伏電池外觀方面的檢查要素：在照度至少達到1000lx的情況下，電池的外觀不得存在任何開裂、彎曲、損傷痕跡。如果外表規(guī)整程度不達標，也應(yīng)視為“不合格”。單體電池不得存在破碎、有裂紋情況。互聯(lián)線和接頭處不得存在諸如“接觸不嚴”之類的病害，且不得存在電池接觸電池與邊框互相接觸的情況。電池的密封層必須完好且具有相應(yīng)的功能；核心選型指標：玻璃-EVA的剝離強度需要達到20N/cm，TPT-電池的剝離強度同樣需要達到20N/cm，TPT-層間剝離強度需要達到4N/cm，光伏電池的總體承壓強度需要達到5400Pa。

2 光伏并網(wǎng)逆變器的選型和應(yīng)用

2.1 光伏并網(wǎng)逆變器的分類

在光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)備中，逆變器是光電電能并網(wǎng)所需的重要設(shè)備，其主要作用是，將可變直流輸出光電電能轉(zhuǎn)化成正弦50Hz或60Hz電流，實際上便成了220V交流電，進而沿著電網(wǎng)輸送給廣大用電戶（對應(yīng)的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示）[3]。光伏并網(wǎng)逆變器具有多種劃分方式：按頻率劃分。工頻、中頻、高頻；按像素劃分。單相、三相、多相；按輸出劃分。有源、無源；電路形式劃分。半橋、全橋；按開關(guān)劃分。晶閘管、晶體管、場效應(yīng)；輸出波形劃分。正弦、非正弦。

圖1 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

如果簡單地按照逆變器開關(guān)處設(shè)置的裝置，可以分為晶體管逆變器、晶閘管逆變器、場效應(yīng)逆變器、絕緣柵雙極晶體管逆變器等多種類型。此外，還可以按照開關(guān)的“自動智能化”程度，分成“半控型”逆變器以及“全控制”逆變器兩大類型。具體的區(qū)別是，前者開關(guān)不具有自動關(guān)斷逆變器的能力，在被人為導(dǎo)通之后，開關(guān)便會立刻失去自動控制功能；后者則在開關(guān)內(nèi)部或附近電路中植入具有類似“繼電保護”功能的裝置（如PLC可編程邏輯控制器），這些裝置中預(yù)先存儲了控制程序，當(dāng)逆變器電路出現(xiàn)各種情況，即將受到負面影響時，在“繼電保護裝置”的控制下逆變器的開關(guān)會自動斷開，從而避免逆變器受到損害。

2.2 光伏并網(wǎng)逆變器的選型要素

額定輸出電壓。在檢查光伏并網(wǎng)逆變器的額定輸出電壓時，應(yīng)重點關(guān)注下列內(nèi)容：逆變器在穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)下，電壓的波動范圍應(yīng)存在一個限定值，一般的標準是：偏差不應(yīng)超過額定值的上下3%或上下5%[4]。如果逆變器處于負載突變狀態(tài)（即額定負載為0%，可能突然變化至50%，進一步突然變化至100%），或是受到其他干擾時，輸出電壓的偏差額度允許苦點，但最多不能超過額定值的8%或上下10%。針對輸出三相電壓進行檢查時的標準是，在正常工況下，逆變器輸出三相電壓的不平衡程度最多需要控制在5%～8%，不得超過8%。

額定輸出頻率和負載功率因數(shù)。正常情況下，逆變器輸出的交流電壓的頻率必須具有相對穩(wěn)定性，一般的工頻逆變器輸出交流電壓的頻率標準值為50Hz，且在工作條件并未發(fā)生明顯變化的情況下，即使出現(xiàn)誤差，也應(yīng)該控制在上下1%之內(nèi)。如果光伏發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)需要搭載具有感性負載，或容性負載功能的表征逆變器時，則該設(shè)備的輸出功率應(yīng)該呈現(xiàn)正弦波變化的特性，且負載功率因數(shù)的額定值應(yīng)該為0.9，可以略微下調(diào)，但不能低于0.7。

3 匯流裝置的選型和應(yīng)用

如果常規(guī)檢測結(jié)果顯示，匯流裝置反映的參數(shù)存在誤差，則首先需要明確誤差的來源。一般來說，誤差分為偶然性誤差、系統(tǒng)性誤差、粗差三種類型。其中，系統(tǒng)性誤差需要重點分析。導(dǎo)致系統(tǒng)性誤差的原因集中在兩個方面：或因當(dāng)前運用的電流測量算法缺乏合理性，或因匯流箱的硬件系統(tǒng)引起測量誤差。要求技術(shù)人員按照如下流程依次完成檢驗，從而做好確定匯流裝置的可用性，最終完成選型。

對匯流裝置內(nèi)的電流信號預(yù)處理電路的工況進行檢查：將光伏陣列電流基于霍爾電流傳感器，轉(zhuǎn)換成小電壓，以達到方便ADC采集的目的；經(jīng)由放大濾波處理，將經(jīng)過轉(zhuǎn)換后得到的電壓送入主控芯片ADC。通過上述過程，技術(shù)人員可對霍爾傳感器，以及電流預(yù)處理電路分別產(chǎn)生的誤差進行比對分析，最終找到影響電流測量準確度的真正原因并完成客觀評估。

針對模數(shù)轉(zhuǎn)換誤差進行檢測：送入主控芯片ADC之前的電流屬于“模擬信號”，精確度理論上處于“無限”狀態(tài)。某些光伏系統(tǒng)匯流裝置自帶的ADC芯片由于分辨率較低（最低為10位），故不具備將模擬型號等效轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號的能力。這類匯流裝置在設(shè)計階段，技術(shù)人員給出的解決方案是，在處理模擬信號（電流）時會主動損失部分精度，以此為代價強行完成模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化。對參與匯流裝置選型工作的技術(shù)人員來說，可以對上述模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，進而不可避免地產(chǎn)生量化誤差的技術(shù)原理進行“反向運用”——對匯流裝置是否存在量化誤差及其產(chǎn)生原因進行分析、梳理，如果確定此種誤差基于上述遠離而產(chǎn)生，意味著匯流裝置的功能實現(xiàn)技術(shù)已經(jīng)相對落后，建議不作為首選而是作為備選。

4 電纜的選型和應(yīng)用

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，與電纜有關(guān)的使用環(huán)境與技術(shù)性均存在較為特殊的要求[5]，基于此，要求技術(shù)人員在選型時，必須遵守下列要求。

其一，針對太陽能電池組件與組件之間相連的電纜，要求使用組件接線盒附帶的連接電纜進行直接連接。但在實際工作中遇到的問題往往是接線盒附帶的連接電纜長度不足。針對這種情況，可以額外連接專用的延長電纜。

其二，技術(shù)人員需要充分考慮組件功率之間的差異性，從而選擇不同規(guī)格的連接電纜。根據(jù)截面積的差異，電纜的規(guī)格可以劃分為2.5mm2、4.0mm2、6.0mm2三種規(guī)格。

其三，技術(shù)人員在選擇電纜時，還應(yīng)重點圍繞電纜的雙層絕緣外皮進行檢查，選擇具有較強抗紫外線侵蝕、水侵蝕、抽樣侵蝕、酸堿鹽侵蝕功能的絕緣皮的電纜，從而確保光伏發(fā)電系統(tǒng)的電纜能夠在各種環(huán)境下均保持正常的工況。

其四，針對光伏系統(tǒng)蓄電池和逆變器之間的連接電纜進行選型時，要求技術(shù)人員首選通過UL測試的多股軟線作為電纜，且應(yīng)當(dāng)盡量采用“就近連接”的方式。如果條件允許，還可以選擇較短且較粗的電纜，可達到有效降低光伏發(fā)電系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)運轉(zhuǎn)效率、增強可靠性的目的。

總體來看，電池組、并網(wǎng)逆變器、匯流裝置、不同裝置之間的連接電纜等設(shè)備是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分?；诖?，技術(shù)人員在開展選型工作時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體要求，對各類設(shè)備的性能參數(shù)進行檢驗，從而選擇最符合要求的設(shè)備。