1.4 分布式光伏发电系统的分类、构成与工作原理

1.4.1 光伏发电系统的分类与构成

1.光伏发电系统的分类

分布式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种，如图1-7所示。

离网光伏发电系统主要是指分散式的不与电网连接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的供电；

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。

并网光伏发电系统主要是指与公共电网连接的各种形式的并网光伏发电系统。按运行方式可分为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~30MW）和大型光伏发电系统（＞30MW），当然20MW以上的光伏发电系统已经不属于分布式光伏发电的范畴了。

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

由于目前大家所说的分布式光伏发电系统一般都是指并网光伏发电系统，因此本书也将主要介绍分布式并网光伏发电系统的有关内容。同时用较小的篇幅对离网光伏发电系统的有关内容做必要的介绍。

2.光伏发电系统的构成

光伏发电系统主要由光伏电池组件、光伏逆变器、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。部分系统还有储能蓄电池、光伏控制器等。

（1）光伏电池组件

光伏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，并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，就需要用多块光伏组件串、并联后构成光伏方阵。目前应用的光伏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）组件和碲化镉（CdTe）组件等几种。

（2）光伏逆变器

光伏逆变器的主要功能是把光伏组件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，因此逆变器一般都具有最大功率跟踪（MPPT）功能，即逆变器能够调整组件两端的电压使得组件的功率输出最大。

（3）直流汇流箱

直流汇流箱主要是用在几百千瓦以上的光伏发电系统中，其用途是把光伏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，大大简化了光伏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。当光伏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。

（4）直流配电柜

大型的光伏发电系统，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，然后输出再与并网逆变器连接，有利于光伏发电系统的安装、操作和维护。

（5）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在逆变器与交流负载或公共电网之间的电力设备，它的主要功能是对电能进行接收、调度、分配和计量，保证供电安全，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。

（6）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电网中（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。

光伏发电系统用的升压变压器主要为单相或三相变压器，一般有干式和油浸式两种。

（7）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。目前，在分布式光伏发电系统中，以固定倾角支架和倾角可调支架的应用最为广泛。

（8）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。监控检测系统是全面监控光伏发电系统的运行状况，包括光伏组件的运行状况，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，电网电压频率以及太阳辐射数据等，并可以通过有线或无线网络的远程连接进行监控，通过计算机、手机等终端设备获得数据。

（9）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中，其作用主要是存储光伏电池发出的电能，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。目前为光伏发电系统配套使用的主要是免维护铅酸电池、铅碳电池和磷酸铁锂电池等，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。

（10）光伏控制器

光伏控制器是离网光伏发电系统的主要部件，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，以及充电状态、用电状态及蓄电池电量等各种工作状态的显示功能。

1.4.2 离网（独立）光伏发电系统的工作原理

离网光伏发电系统是太阳能光伏发电常见的一种应用方式，其工作原理如图1-8所示。离网光伏发电系统不与电网连接，夜晚用电需要利用储存在蓄电池中的能量。离网光伏发电系统的设计和安装容量，也就是说光伏发电容量和储能容量必须满足用户最大用电量的需求。

离网光伏发电系统的核心部件是光伏组件，它将太阳光的光能直接转换成电能，并通过光伏控制器把光伏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。光伏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，也可以用光伏逆变器将其转换成为交流电，供交流负载使用。光伏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）远离电网的边远地区、农林牧区、山区、岛屿；

2）不需要并网的场合；

3）夜间、阴雨天等也需要供电的场合；

4）不需要备用电源的场合等。

一般来说，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将比较经济、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。

目前世界上还有约8亿人生活在缺电或者无电地区。在我国西部的四川、青海、甘肃、西藏等省区的偏远山区，由于自然条件恶劣、地理环境复杂、民族习惯迥异、居住分散等因素，仍有20万人没有解决基本生活用电问题，无法享受现代文明。离网光伏发电不仅可以解决无电或者少电地区居民基本用电问题，还可以清洁高效地利用当地的可再生能源，有效解决能源和环境之间的矛盾。

离网光伏发电系统主要由光伏电池组件、光伏控制器、储能蓄电池、光伏逆变器、交直流配电箱、光伏支架等组成。离网光伏发电系统有下列三种形式。

1.独立供电光伏发电系统

独立供电光伏发电系统原理见图1-8。该系统由光伏电池组件、光伏控制器、储能蓄电池等组成。有阳光时，光伏电池将光能转换为直流电能向储能蓄电池充电，并同时通过光伏逆变器把直流电转换成交流电，为交流用户或负载提供电能。在夜间或阴雨天时，则由储能蓄电池存储的直流电能通过光伏逆变器转换为交流电向负载供电。这种系统广泛应用在远离电网的移动通信基站、微波中转站，边远地区农村供电等。当系统容量和负载功率较大时，就需要配备光伏电池方阵和蓄电池组。这类系统往往有直流电压输出，可以直接为直流负载供电。

2.能自动切换的光伏发电系统

带切换装置的离网光伏发电系统如图1-9所示。所谓自动切换就是具有与公共电网自动运行双向切换的功能。一是当光伏发电系统因多云、阴雨天及自身故障等导致发电量不足时，切换器能自动切换到公共电网供电一侧，由电网向负载供电；二是当电网因为某种原因突然停电时，光伏系统可以自动切换使电网与光伏系统分离，成为独立光伏发电系统工作状态。有些带切换装置的光伏发电系统，还可以在需要时断开为一般负载的供电，接通对应急负载的供电。

3.市电互补光伏发电系统

市电互补光伏发电系统如图1-10所示。所谓市电互补光伏发电系统，就是在独立光伏发电系统中以太阳能光伏发电为主，以普通220V交流电补充电能为辅。这样光伏发电系统中光伏组件和蓄电池的容量都可以设计得小一些，基本上是当天有阳光，当天就用太阳能发的电，遇到阴雨天时就用市电能量做补充。在我国大部分地区全年基本上都有2/3以上的晴好天气，这样系统全年就有2/3以上时间用太阳能发电，剩余时间用市电补充能量。这种形式既减小了太阳能光伏发电系统的一次性投资，又有显著的节能减排效果，是太阳能光伏发电在几年前推广和普及过程中一个过渡性的好办法。这种形式原理上与下面将要介绍的无逆流并网型光伏发电系统有相似之处，但还不能等同于并网应用。

应用举例：某市区路灯改造，如果将普通路灯全部换成太阳能路灯，一次性投资很大，无法实现。而如果将普通路灯加以改造，保持原市电供电线路和灯杆不动，更换节能型LED光源灯具，采用市电互补光伏发电的形式，用小容量的光伏组件和蓄电池（仅够当天使用，也不考虑连续阴雨天数），就构成了市电互补型太阳能路灯，投资减少一半以上，节能效果显著。

4.风光互补及风光柴互补离网光伏发电系统

风光互补及风光柴互补离网光伏发电系统如图1-11所示。所谓风光互补是指在光伏发电系统中并入风力发电系统，使太阳能和风能根据各自的气象特征形成互补。一般来说，白天只要天气晴好，光伏发电系统就能正常运行，而夜晚无阳光时往往风力又比较大，风力发电系统恰好弥补光伏发电系统的不足。风光互补发电系统同时利用太阳能和风能发电，对气象资源的利用更加充分，可实现昼夜发电，提高了系统供电的连续性和稳定性，但在风力资源欠佳的地区不宜使用。

另外，在比较重要的或供电稳定性要求较高的场合，还需要采用柴（汽）油发电机与光伏、风力发电系统构成风光柴互补的发电系统。其中柴（汽）油发电机一般处于备用状态或小功率运行待机状态，当风光发电不足和蓄电池储能不足时，由柴（汽）油发电机补充供电。

1.4.3 并网光伏发电系统的工作原理

并网光伏发电系统适用于当地有公共电网的区域，其可将发出的电力直接送入公共电网，也可以就近送入用户的供用电系统，由用户部分或全部直接消纳，用电不足的部分可由公共电网输入补充。

图1-12所示为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光伏电池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传输控制和显示数据。

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和交流电反向充电功能（双向逆变器），负责调节、控制和保护储能系统正常工作。

分布式并网光伏发电系统是相对集中式大型并网光伏电站而言的，集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，其主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。这种电站投资大，建设周期长，占地面积大，需要复杂的控制和配电升压设备。而分布式并网光伏发电系统，特别是与建筑物相结合的屋顶光伏发电系统、光伏建筑一体化发电系统等，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前和未来并网光伏发电的主流。分布式并网光伏发电系统所发的电能直接就近分配到周围用户，多余或不足的电力通过公共电网调节，多余时向电网送电，不足时由电网供电。分布式并网光伏发电系统一般有下列几种形式。

1.有逆流并网光伏发电系统

有逆流并网光伏发电系统如图1-13所示。当光伏发电系统发出的电能充裕时，可将剩余电能馈入公共电网，向电网送电（卖电）；当光伏发电系统提供的电力不足时，由电网向用户供电（买电）。由于该系统向电网送电时与由电网供电的方向相反，所以称为有逆流并网光伏发电系统。

2.无逆流并网光伏发电系统

无逆流并网光伏发电系统如图1-14所示。无逆流并网光伏发电系统即使发电充裕时也不向公共电网供电，但当光伏系统供电不足时，则由公共电网向负载供电。

3.有储能装置的并网光伏发电系统

有储能装置的并网光伏发电系统如图1-15所示，就是在上述两种并网光伏发电系统中根据需要配置储能装置。带有储能装置的光伏发电系统主动性较强，当电网出现停电、限电及故障时，可独立运行并正常向负载供电。因此，带有储能装置的并网光伏发电系统可作为紧急通信电源、医疗设备、加油站、避难场所指示及照明等重要场所或应急负载的供电系统。同时，当储能系统的并网光伏发电对减少电网冲击、削峰填谷、提高用户光伏电力利用率、建立智能微电网等都具有非常重要的意义。光伏+储能也会成为今后扩大光伏发电应用的必由之路。

4.分布式智能电网光伏发电系统

分布式智能电网光伏发电系统如图1-16所示。该发电系统利用离网光伏发电系统中的充放电控制技术和电能存储技术，克服了单纯并网光伏发电系统受自然环境条件影响使输出电压不稳、对电网冲击严重等弊端，同时能部分增加光伏发电用户的自发自用量和上网卖电量。另外，利用各自系统储能电量和用电量的不同以及时间差异化，可以使用户在不同的时间段并入电网，进一步减少对电网的冲击。

该系统中每个单元都是一个带储能装置的并网光伏发电系统，都能实现光伏并网发电和离网发电的自动切换，保证了光伏并网发电和供电的可靠性，缓解了光伏并网发电系统启停运行对公共电网的冲击，增加了用户用电的自发自用量。

分布式智能电网光伏发电系统是今后并网光伏发电应用的趋势和方向，其主要优点如下:

1）减小对电网的冲击，稳定电网电压，抵消高峰时段的用电量;

2）增加用户的自发自用量或卖电量;

3）在电网发生故障时能独立运行，解决覆盖范围的正常供电;

4）确保和增加光伏发电在整个能源系统中的占比和地位。

5.大型并网光伏发电系统

大型并网光伏发电系统如图1-17所示，其由若干个并网光伏发电单元组合构成。每个光伏发电单元将光伏电池方阵发出的直流电经光伏并网逆变器转换成380V交流电，经升压系统变成10kV的交流高压电，再送入35kV变电系统后，并入35kV的交流高压电网。35kV交流高压电经降压系统后变成380～400V交流电作为发电站的备用电源。