论文部分内容阅读
[摘 要]有效的利用可再生能源成为当今世界关注的热点之一，太阳能光伏系统主要分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统，前者主要用于送电困难的偏远地区、太阳能路灯等独立电源场合，后者有着清洁高效、灵活方便、可靠性高等优点，主要安装在家用居民住宅和大型发电系统。
[关键词]家用；分布式光伏；设计
中图分类号：S189 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0195-02
1 光伏发电系统的分类
1.1 单级式光伏并网系统
单级式光伏并网系统的工作原理为，由光伏电池的串并联组成输出功率较高的光伏阵列，使得DC/AC逆变电路的直流侧电压Udc的幅值，达到逆变器需求的正常电压，从而得到符合要求的直流电压。由于逆变器含有大量电力电子器件，所以经过逆变器逆变，其交流侧输出的三相交流电流含有大量谐波，需要经过LC滤波器滤波后，才能并入电网。图1所示为单级式光伏并网系统主电路拓扑结构，其中Cdc代表直流母线稳压电容，DC-AC环节所示为三相半桥逆变电路，包含6个半导体开关器件，Lf、Cf为每相的滤波电感和滤波电容，Rg、Lg表示每相线路的电阻和电感。
由于单级式并网光伏逆变器拓扑结构中只有一级DC-AC能量转换环节，因而具有电路结构简单、效率高、损耗低等优点。但是由于最大功率跟踪控制、电网电压同步、输出电流正弦控制和功率解耦控制等均需由此DC-AC环节实现，所以控制比较复杂，大型光伏电站通常采用此结构。
1.2 双级式光伏并网系统
图2为双级式光伏并网系统主电路拓扑结构，相比于图1所示的单级式结构，双级式光伏并网逆变器由前级DC-DC环节（Boost斩波电路）和后级DC-AC（三相半桥逆变电路）两个能量转换环节组成。双级式光伏并网系统的工作原理为，前级Boost斩波电路将光伏阵列输出的直流电压进行升压，升高电压后电压为Uboost，直流电能被送入后级逆变电路，将直流电能转换程交流电能，经滤波器滤除谐波后并入电网。
前级DC-DC环节不但能实现MPPT控制，而且有助于提升直流电压，后级逆变环节独立进行并网控制并且稳定直流母线电压。虽然两级式光伏并网系统相比于单级式光伏并网系统，能量损耗相对较大，但由于MPPT控制和并网逆变控制，分别由前后两级单独控制实现，整个逆变器的控制，变得更加灵敏快捷。而分布式光伏并网系统对逆变器内部控制策略要求较高，所以大多采用双级式光伏并网逆变器。
2 小型户用光伏系统设计分析
2.1 太阳能光伏组件容量
2.1.1 光伏组件串联数的确定
太阳能光伏电池的总电压在满足负载工作要求下应该大于蓄电池的浮充电压。所以确定组件串联数风时，应该使系统光伏方阵的正常工作电压大于蓄电池的浮充电压较为适合。光伏组件的系统单元串联数风可用下式表示：
2.1.2 光伏组件阵列并联数
方阵组件的并联数Np的确定主要与光伏组件的日发电量和连续阴雨天数等因素相关。用Qi表示光伏组件每天平均发电量，单位是A·h，它的数学表达式如下：
在上式中：I为光伏电池板的额定电流；H是昆明峰值日照时数；K〇是安装在斜面的组件修正系数；&是指因组件衰减、暗影遮挡、充电效率等的损耗修正参数（取0.8）。昆明的平均峰值日照时数通过查询可知为4.3h，1.01是斜面修正系数。
在设计离网光伏系统时，都会把该地区最长连续阴雨天数考虑到系统设计中，但在考虑两个最长阴雨天数最短间隔时须要给蓄电实时增补容量Bh，该值是在无光照天数内负载所耗电量：
式中Q为安全系数，该值选1.2左右，（i是负荷日均用电量；H是当地峰值日照时数。结合上面两个公式可知系统组件的并联数Np为：
式中氏为两个最长无日照时间的最短间隔，Q！是负载平均每天耗电量。
2.1.3 太阳能组件方阵的总功率
通常光伏组件的功率是在给定的标准环境下获得的，单块电池板输出的最额定功率也叫峰值功率，按照上述公式计算出方阵所需的串并联组件数后，满足系统负载需求的标称总功率P，用以下表达式计算：
式中Ns和Np均取整数值，P0是所选太阳能光伏电池板的输出功率。
2.2 铅酸蓄电池容量选取
由于在实際生活中家用电气设备每一天使用情况不一，所以用设备功率及用电时间所得到的耗电量的不太准确。在工程中通过用月平均耗电量，来初略估算家用电气设备的日均耗电量。对独立太阳能发电工程而言，要稳定发电系统工程稳定性，只有确保该发电工程满足在居民用电量最多的时间段内的用电需求，且在居民用电量最多的时间段内可能出现的环境因素最差的情况下系统能正常可靠运行。所设计光伏发电工程能满足上述情况下，系统都能正常工作，那么该系统工程也能在一年内其它时间段内满足居民用电需求。在独立光伏发电工程中，蓄电池作用是将光伏方阵在满足用户负载白天的用电需求的基础下多余的电能存储起来，以保证居民夜间、阴雨天及高峰用电时，负载能从蓄电池获得所需能量继续运行。所以为了满足日常生活当中用电需求，就需要考虑各样情况来设计蓄电池的容量B，公式：
式中C1为系统工程稳定系数（取1.2），Q1是居民用电设备负载日均用电量，单位是安培·时（Ah）；H1是自给天数也就是系统工程所在地区连续最长阴雨天数；T。是温度改变系数，根据项目地环境在1-1.2之间选取；式中放电深度为D。，一般铅酸蓄电池该值在0.75左右。在光伏系统工程设计过程中，可以用串联的方案将蓄电池连接在一起满足逆变系统工作电压需求，可以用并联的方法将蓄电池连接在一起满足系统设计容量，大量实验表明，在实际工程中为了避免对蓄电池间的平衡造成影响，蓄电池应该减少并联数量。
其中蓄电池标称电压是其供电电压，如某独立光伏发电系统工作电压是2.4V，系统设计选取的是12V的蓄电池，由公式可知需要两块该类型号的蓄电池串联。
2.3 充放电控制器的选型
离网光伏系统光伏充电控制器的选择主要是根据系统装机大小来确定控制器的额定参数及控制方式和人工选定的其他辅助控制保护功能。一般在实际应用情况下，系统容量小于5千瓦的，此时控制器的电压与系统中蓄电池组的电压相等；控制器的额定电流是与连接在该控制器上的光伏阵列的输出电流相匹配；小型户用系统的控制器一般主要有脉宽调制控制和分路多阶控制两种控制方式，根据连接在控制器上光伏阵列的并联数确定控制器的控制方式，当阵列组串数较多时选择分路控制方式，否侧选择脉宽调制控制方式。其他的辅助功能可以按需要选择。
3 结语
设计一个完善的并网光伏系统需要考虑很多因素，进行多种计算及模拟仿真，从而达到最优电能生产。因此，研究分析家用分布式光伏并网发电系统的设计方法有着重要的意义。
参考文献
[1] 毛丽君.浅谈居民分布式光伏发电并网验收项目[J].中国高新技术企业，2015，（30）：125-126.
[关键词]家用；分布式光伏；设计
中图分类号：S189 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）16-0195-02
1 光伏发电系统的分类
1.1 单级式光伏并网系统
单级式光伏并网系统的工作原理为，由光伏电池的串并联组成输出功率较高的光伏阵列，使得DC/AC逆变电路的直流侧电压Udc的幅值，达到逆变器需求的正常电压，从而得到符合要求的直流电压。由于逆变器含有大量电力电子器件，所以经过逆变器逆变，其交流侧输出的三相交流电流含有大量谐波，需要经过LC滤波器滤波后，才能并入电网。图1所示为单级式光伏并网系统主电路拓扑结构，其中Cdc代表直流母线稳压电容，DC-AC环节所示为三相半桥逆变电路，包含6个半导体开关器件，Lf、Cf为每相的滤波电感和滤波电容，Rg、Lg表示每相线路的电阻和电感。
由于单级式并网光伏逆变器拓扑结构中只有一级DC-AC能量转换环节，因而具有电路结构简单、效率高、损耗低等优点。但是由于最大功率跟踪控制、电网电压同步、输出电流正弦控制和功率解耦控制等均需由此DC-AC环节实现，所以控制比较复杂，大型光伏电站通常采用此结构。
1.2 双级式光伏并网系统
图2为双级式光伏并网系统主电路拓扑结构，相比于图1所示的单级式结构，双级式光伏并网逆变器由前级DC-DC环节（Boost斩波电路）和后级DC-AC（三相半桥逆变电路）两个能量转换环节组成。双级式光伏并网系统的工作原理为，前级Boost斩波电路将光伏阵列输出的直流电压进行升压，升高电压后电压为Uboost，直流电能被送入后级逆变电路，将直流电能转换程交流电能，经滤波器滤除谐波后并入电网。
前级DC-DC环节不但能实现MPPT控制，而且有助于提升直流电压，后级逆变环节独立进行并网控制并且稳定直流母线电压。虽然两级式光伏并网系统相比于单级式光伏并网系统，能量损耗相对较大，但由于MPPT控制和并网逆变控制，分别由前后两级单独控制实现，整个逆变器的控制，变得更加灵敏快捷。而分布式光伏并网系统对逆变器内部控制策略要求较高，所以大多采用双级式光伏并网逆变器。
2 小型户用光伏系统设计分析
2.1 太阳能光伏组件容量
2.1.1 光伏组件串联数的确定
太阳能光伏电池的总电压在满足负载工作要求下应该大于蓄电池的浮充电压。所以确定组件串联数风时，应该使系统光伏方阵的正常工作电压大于蓄电池的浮充电压较为适合。光伏组件的系统单元串联数风可用下式表示：
2.1.2 光伏组件阵列并联数
方阵组件的并联数Np的确定主要与光伏组件的日发电量和连续阴雨天数等因素相关。用Qi表示光伏组件每天平均发电量，单位是A·h，它的数学表达式如下：
在上式中：I为光伏电池板的额定电流；H是昆明峰值日照时数；K〇是安装在斜面的组件修正系数；&是指因组件衰减、暗影遮挡、充电效率等的损耗修正参数（取0.8）。昆明的平均峰值日照时数通过查询可知为4.3h，1.01是斜面修正系数。
在设计离网光伏系统时，都会把该地区最长连续阴雨天数考虑到系统设计中，但在考虑两个最长阴雨天数最短间隔时须要给蓄电实时增补容量Bh，该值是在无光照天数内负载所耗电量：
式中Q为安全系数，该值选1.2左右，（i是负荷日均用电量；H是当地峰值日照时数。结合上面两个公式可知系统组件的并联数Np为：
式中氏为两个最长无日照时间的最短间隔，Q！是负载平均每天耗电量。
2.1.3 太阳能组件方阵的总功率
通常光伏组件的功率是在给定的标准环境下获得的，单块电池板输出的最额定功率也叫峰值功率，按照上述公式计算出方阵所需的串并联组件数后，满足系统负载需求的标称总功率P，用以下表达式计算：
式中Ns和Np均取整数值，P0是所选太阳能光伏电池板的输出功率。
2.2 铅酸蓄电池容量选取
由于在实際生活中家用电气设备每一天使用情况不一，所以用设备功率及用电时间所得到的耗电量的不太准确。在工程中通过用月平均耗电量，来初略估算家用电气设备的日均耗电量。对独立太阳能发电工程而言，要稳定发电系统工程稳定性，只有确保该发电工程满足在居民用电量最多的时间段内的用电需求，且在居民用电量最多的时间段内可能出现的环境因素最差的情况下系统能正常可靠运行。所设计光伏发电工程能满足上述情况下，系统都能正常工作，那么该系统工程也能在一年内其它时间段内满足居民用电需求。在独立光伏发电工程中，蓄电池作用是将光伏方阵在满足用户负载白天的用电需求的基础下多余的电能存储起来，以保证居民夜间、阴雨天及高峰用电时，负载能从蓄电池获得所需能量继续运行。所以为了满足日常生活当中用电需求，就需要考虑各样情况来设计蓄电池的容量B，公式：
式中C1为系统工程稳定系数（取1.2），Q1是居民用电设备负载日均用电量，单位是安培·时（Ah）；H1是自给天数也就是系统工程所在地区连续最长阴雨天数；T。是温度改变系数，根据项目地环境在1-1.2之间选取；式中放电深度为D。，一般铅酸蓄电池该值在0.75左右。在光伏系统工程设计过程中，可以用串联的方案将蓄电池连接在一起满足逆变系统工作电压需求，可以用并联的方法将蓄电池连接在一起满足系统设计容量，大量实验表明，在实际工程中为了避免对蓄电池间的平衡造成影响，蓄电池应该减少并联数量。
其中蓄电池标称电压是其供电电压，如某独立光伏发电系统工作电压是2.4V，系统设计选取的是12V的蓄电池，由公式可知需要两块该类型号的蓄电池串联。
2.3 充放电控制器的选型
离网光伏系统光伏充电控制器的选择主要是根据系统装机大小来确定控制器的额定参数及控制方式和人工选定的其他辅助控制保护功能。一般在实际应用情况下，系统容量小于5千瓦的，此时控制器的电压与系统中蓄电池组的电压相等；控制器的额定电流是与连接在该控制器上的光伏阵列的输出电流相匹配；小型户用系统的控制器一般主要有脉宽调制控制和分路多阶控制两种控制方式，根据连接在控制器上光伏阵列的并联数确定控制器的控制方式，当阵列组串数较多时选择分路控制方式，否侧选择脉宽调制控制方式。其他的辅助功能可以按需要选择。
3 结语
设计一个完善的并网光伏系统需要考虑很多因素，进行多种计算及模拟仿真，从而达到最优电能生产。因此，研究分析家用分布式光伏并网发电系统的设计方法有着重要的意义。
参考文献
[1] 毛丽君.浅谈居民分布式光伏发电并网验收项目[J].中国高新技术企业，2015，（30）：125-126.