1.2 太阳能光伏发电系统的构成、工作原理与分类

1.2.1 太阳能光伏发电系统的构成

通过太阳电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系统，也可简称为光伏发电系统。尽管太阳能光伏发电系统的应用形式多种多样，应用规模也跨度很大（从小到不足1W的太阳能草坪灯应用，到几百千瓦甚至几十兆瓦的大型光伏电站应用），但系统的组成结构和工作原理却基本相同，主要由太阳电池组件（或方阵）、储能蓄电池（组）、光伏控制器、光伏逆变器（在有需要输出交流电的情况下使用）等，和直流汇流箱、直流配电柜、交流汇流箱或配电柜、升压变压器、光伏支架以及一些测试、监控、防护等附属设施构成。

1. 太阳电池组件

太阳电池组件也叫光伏电池板，是光伏发电系统中实现光电转换的核心部件，也是光伏发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳光的辐射能量转换为直流电能，送往蓄电池中存储起来，也可以直接用于推动直流负载工作，或通过光伏逆变器转换为交流电为用户供电或并网发电。当发电容量较大时，需要用多块电池组件串、并联构成太阳电池方阵。目前应用的太阳电池组件主要分为晶硅组件和薄膜组件。晶硅组件分为单晶硅组件、多晶硅组件；薄膜组件包括非晶硅组件、微晶硅组件、铜铟镓硒（CIGS）组件、碲化镉（CdTe）组件等几种。

2. 储能蓄电池

储能蓄电池主要用于离网光伏发电系统和带储能装置的并网光伏发电系统，其作用主要是存储太阳电池发出的电能，并可随时向负载供电。光伏发电系统对蓄电池的基本要求是，自放电率低，使用寿命长，充电效率高，深放电能力强，工作温度范围宽，少维护或免维护以及价格低廉。目前光伏发电系统配套使用的主要是铅酸电池、铅碳电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池等，在小型、微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池或超级电容器等。当有大容量电能存储时，就需要将多只蓄电池串、并联起来构成蓄电池组。

3. 光伏控制器

光伏控制器是离网光伏发电系统中的主要部件，其作用是控制整个系统的工作状态，保护蓄电池；防止蓄电池过充电、过放电、系统短路、系统极性反接和夜间防反充等。在温差较大的地方，控制器还具有温度补偿的功能。另外，光伏控制器还有光控开关、时控开关等工作模式，以及对充电状态、用电状态、蓄电池电量等各种工作状态的显示功能。光伏控制器一般分为小功率、中功率、大功率、风光互补控制器等。

4. 光伏逆变器

光伏逆变器的主要功能是把电池组件或者储能蓄电池输出的直流电能尽可能多地转换成交流电能，提供给电网或者用户使用。光伏逆变器按运行方式不同，可分为并网逆变器和离网逆变器。并网逆变器用于并网运行的光伏发电系统。离网逆变器用于独立运行的光伏发电系统。由于在一定的工作条件下，光伏组件的功率输出将随着光伏组件两端输出电压的变化而变化，并且在某个电压值时组件的功率输出最大，因此光伏逆变器一般都具有最大功率点跟踪（MPPT）功能，即逆变器能够调整电池组件两端的电压使得电池组件的功率始终输出最大。

5. 直流汇流箱

直流汇流箱主要是用在几十千瓦以上的光伏发电系统中，其用途是把电池组件方阵的多路直流输出电缆集中输入、分组连接到直流汇流箱中，并通过直流汇流箱中的光伏专用熔断器、直流断路器、电涌保护器及智能监控装置等的保护和检测后，汇流输出到光伏逆变器。直流汇流箱的使用，大大简化了电池组件与逆变器之间的连线，提高了系统的可靠性与实用性，不仅使线路连接井然有序，而且便于分组检查和维护。当组件方阵局部发生故障时，可以局部分离检修，不影响整体发电系统的连续工作，保证光伏发电系统发挥最大效能。

6. 直流配电柜

在大型的并网光伏发电系统中，除了采用许多个直流汇流箱外，还要用若干个直流配电柜作为光伏发电系统中二、三级汇流之用。直流配电柜主要是将各个直流汇流箱输出的直流电缆接入后再次进行汇流，然后输出与并网逆变器连接，有利于光伏发电系统的安装、操作和维护。

7. 交流配电柜与汇流箱

交流配电柜是在光伏发电系统中连接逆变器与交流负载或公共电网的电力设备，它的主要功能是对电能进行接受、调度、分配和计量，保证供电安全，并显示各种电能参数和监测故障。交流汇流箱一般用在组串式逆变器系统中，主要作用是把多个逆变器输出的交流电经过二次集中汇流后送入交流配电柜中。

8. 升压变压器

升压变压器在光伏发电系统中主要用于将逆变器输出的低压交流电（0.4kV）升压到与并网电压等级相同的中高压（如10kV、35kV、110kV、220kV等），通过高压并网实现电能的远距离传输。小型并网光伏发电系统基本都是在用户侧直接并网，自发自用、余电直接馈入0.4kV低压电网，故不需要升压环节。

9. 光伏支架

光伏发电系统中使用的光伏支架主要有固定倾角支架、倾角可调支架和自动跟踪支架几种。自动跟踪支架又分为单轴跟踪支架和双轴跟踪支架。其中单轴跟踪支架又可以细分为平单轴跟踪、斜单轴跟踪和方位角单轴跟踪支架三种。在光伏发电系统中，目前以固定倾角支架和倾角可调支架的应用最为广泛。

10. 光伏发电系统附属设施

光伏发电系统的附属设施包括系统运行的监控和检测系统、防雷接地系统等。监控检测系统全面监控光伏发电系统的运行状况，包括电池组件串或方阵的运行状况，逆变器的工作状态，光伏方阵的电压、电流数据，发电输出功率、电网电压频率、太阳辐射数据等，并可以通过有线或无线网络的远程连接进行监控，通过电脑、手机等终端设备获得数据。

1.2.2 太阳能光伏发电系统的工作原理

太阳能光伏发电系统从大类上可分为离网（独立）光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。

图1-10是离网光伏发电系统的工作原理示意图。太阳能光伏发电的核心部件是太阳电池组件，它将太阳光的光能直接转换成电能，并通过光伏控制器把电池组件产生的电能存储于蓄电池中。当负载用电时，蓄电池中的电能通过光伏控制器合理地分配到各个负载上。电池组件所产生的电流为直流电，可以直接以直流电的形式应用，也可以用交流逆变器将其转换成为交流电，供交流负载使用。太阳能发电的电能可以即发即用，也可以用蓄电池等储能装置将电能存储起来，在需要时使用。

离网光伏发电系统适用于下列情况及场合：①需要移动携带的设备电源；②远离电网的边远地区、农林牧区、山区、岛屿；③不需要并网的场合；④不需要备用电源的场合等。

一般来说，在远离电网而又必需电力供应的地方以及如柴油发电等需要运输燃料、发电成本较高的场合，使用离网光伏发电系统比较经济、环保，可优先考虑。有些场合为了保证离网供电的稳定性、连续性和可靠性，往往还需要采用柴油发电机、风力发电机等与光伏发电系统构成风光柴互补的发电系统。

图1-11是并网光伏发电系统的工作原理示意图。并网光伏发电系统由电池组件方阵将光能转变成电能，并经直流汇流箱和直流配电柜进入并网逆变器，有些类型的并网光伏发电系统还要配置储能系统储存电能。并网光伏逆变器由功率调节、交流逆变、并网保护切换等部分构成。经逆变器输出的交流电通过交流配电柜后供用户或负载使用，多余的电能可通过电力变压器等设备逆流馈入公共电网（可称为卖电）。当并网光伏发电系统因气候原因发电不足或自身用电量偏大时，可由公共电网向用户负载补充供电（称为买电）。系统还配备有监控、测试及显示系统，用于对整个系统工作状态的监控、检测及发电量等各种数据的统计，还可以利用计算机网络系统远程控制和显示数据。

并网光伏发电系统可以向公共电网逆流供电，其“昼发夜用”的发电特性正好可对公共电网实行峰谷调节，对加强供电的稳定性和可靠性十分有利。与离网光伏发电系统相比，可以不用储能蓄电设备（特殊场合除外），从而扩大了使用范围和灵活性，并使发电系统成本大大降低。

对于有储能系统的并网光伏发电系统，光伏逆变器中将含有充放电控制功能，负责调节、控制和保护储能系统正常工作。

1.2.3 太阳能光伏发电系统的分类

太阳能光伏发电系统按大类可分为离网（独立）光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。其中，离网光伏发电系统又可分为直流光伏发电系统和交流光伏发电系统以及交、直流混合光伏发电系统。而直流光伏发电系统又可分为有蓄电池的系统和没有蓄电池的系统。

并网光伏发电系统可分为有逆流光伏发电系统和无逆流光伏发电系统，并根据用途也可分为有储能系统和无储能系统等。光伏发电系统的分类及具体应用可参看图1-12和表1-1。

离网光伏发电系统主要是指分散式的独立发电供电系统，其主要有两种运行方式：①系统独立运行向附近用户供电；②系统独立运行，但在光伏发电系统与当地电网之间有保障供电的自动切换装置。

并网光伏发电系统按运行方式又可分为3种：①系统与电网系统并联运行，但光伏发电系统对当地电网无电能输出（无逆流）；②系统与电网系统并联运行，且能向当地电网输出电能（有逆流）；③系统与电网系统并联运行，并带有储能装置，可根据需要切换成局部用户独立供电系统，也可以构成局部区域或用户的“微电网”运行方式。

按接入并网点的不同可分为用户侧并网和电网侧并网两种模式，其中用户侧并网又分为可逆流向电网供电和不可逆流向电网供电两种模式。

按发电利用形式不同可分为完全自发自用、自发自用+余电上网和全额上网三种模式。

按装机容量的大小可分为小型光伏发电系统（≤1MW）；中型光伏发电系统1MW至30MW，包含30MW和大型光伏发电系统（＞30MW）。

按并网电压等级不同可分为小型光伏电站：接入电压等级为0.4kV低压电网；中型光伏电站：接入电压等级为10～35kV高压电网；大型光伏电站：接入电压等级为66kV及以上高压电网。

下面就对各种光伏发电系统的构成与工作原理分别予以介绍。