光伏离网系统的应用实践与发展趋势

黄 毅

（漳州科华技术有限责任公司,福建 漳州 363000）

太阳能作为可再生能源，在全球得到了广泛的推广。我国居民熟悉的太阳能并网逆变器是通过DC/AC逆变成交流电，并回馈电网能量来对设备进行供电。但在偏远的山区、荒漠、海岛，以及非洲等不发达地区的村落里，常规的供电电网仍未覆盖，能用上电就是当地居民的迫切需求。并网逆变器显然在这里不适用，这需要另一种太阳能的应用——光伏离网系统。

1 光伏离网系统的原理与组成

光伏离网型系统主要由太阳能电池阵列、光伏控制器、蓄电池组、离网逆变器等组成。当太阳能充足时，光伏极板产生高压直流电，通过光伏控制器对电池组进行充电，同时直流电经过逆变器DC/AC逆变形成交流电；当夜晚降临或遇到阴雨天气时，系统直接由电池组逆变产生交流电。目前，市面上此类产品有科华数据针对200 kW以下功率段设计的光伏SPC+SPO组合系列，针对200 kW以上功率段开发的储能BCS系列，等等。其负载可以是公共设施，如通信基站和路灯等；也可以供电给每家每户的用电设备，如电视、计算机等[1]。

图1 光伏离网系统组成图

（1）太阳能电池阵列：由光伏极板组成，利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置。晶体硅在太阳光照射时，“光生效应”让PN结两侧形成了正、负电荷的积累，产生了光生电压，形成了内建电场。

（2）光伏控制器SPC：采用带MPPT控制的BUCK电路，通过最大功率跟踪将光伏极板产生的电场能量，高效地转化给蓄电池组，一般采用三段式充电模式，如图2。

图2 三阶段充电电池电压、电流示意图

（3）离网逆变器SPO：由于离网系统的特殊应用环境，这里建议采用传统的工频机，可以是三相全桥逆变，技术成熟稳定，更关键的是通过输出隔离变压器，能有效提高可靠性。

（4）蓄电池组：作为整个系统的储能用。

2 光伏离网系统的设计

虽然光伏离网系统的原理不复杂，但单纯的设计组合是远远不够的，我们还要面对的是各地复杂的应用环境。

2.1 基本设计

要供电给居民就要先组网，其实就要把整个离网系统当成一个小型发电站。建站的地区往往条件恶劣，在沙漠地区的一个简易板房实例，设计需要做到方方面面的关注。

2.2.1 防护

板房的防护措施包括防风沙、防虫蚁；特殊的海岛则要进行防盐雾处理；高原地区则有高海拔安规的设计因数的考量。另外，在沙漠地区早晚温差大，容易造成设备内部出现冷凝水珠，造成安规绝缘层的破坏。

图3为光伏控制器在运行一年后，内部功率开关管的照片。可以看到灰尘进入功放器件周围形成湿尘，最终使开关管短路损坏。因此除提高柜体IP防护等级设计之外，还要对内器件的防护进行考虑。如图4工艺措施，就能有效保护开关管引脚。在有条件的时候，应配备工程运维人员，定期对设备进行除尘除湿等作业。

图3 内部器件示例

图4 防护工艺示例

2.1.2 电压制式选择

离网系统把交流电带给各个用户，进行远距离供电，工程成本往往被投资者作为首要考量，因此电压制式的选择就尤为重要。

出于安全性，我国电网推荐采用TN-S系统，保护线与中性线分开（三相五线制）供电。由于正常情况下PE线不通过负荷电流，与PE线相连的电气设备金属外壳不带电位，所以适用于数据处理和精密电子仪器设备的供电，也可用于有爆炸危险的环境中。在民用建筑中，家用电器大都有单独接地极的插头，采用TN-S供电，既方便又安全。但其工程费用较高，让很多投资方迟疑。

海外用户则很多采用TN-C系统，保护线与中性线合并为PEN线，具有简单、经济的优点。当发生接地故障时，故障电流大，主要采用一般过电流保护电器切断电源，以保证安全。由于PEN线在同一建筑物内往往相互有电气连接，当PEN线断线或相线直接与大地短路时，将呈现相当高的对地故障电压，这时可能扩大事故范围，并危及人身安全。

因此，选择供电制式，是一个结合前期成本、后期维护与风险的综合性问题，每个工程需要因地制宜，统筹规划[2]。

2.1.3 光伏直流侧、高架线的防雷击措施

系统应参照《建筑物电子信息系统防雷技术规范（GB50343-2004）》，对各区域的防雷击进行布设，且各级设备间的防雷器要有正确的级联设计与退耦设计。

若采用架空线输送电，即使不在直击雷防护的部分，也需增加防雷措施。通常建议：（1）在经过人口稠密区或出板房的一段线路上装设避雷线。（2）加强线路绝缘或装设避雷器，以防线路绝缘闪络；为使杆塔或避雷线遭受雷击后线路绝缘不致发生闪络，应设法改善避雷线的接地，或适当加强线路绝缘，或在绝缘薄弱点装设避雷器。

2.1.4 设备散热

光伏产品一般应用在日照强烈的区域，系统中常有高发热量的器件设备（如电池组），若散热不当很容易导致起火爆炸。离网产品的应用，除了设备自身的散热设计外，还要考虑整个站点/房间的散热。很多关键工程均配备了空调调节。

2.2 光伏离网系统供电的用户负载的多样性

社区用路灯，家庭用空调、冰箱、洗衣机、电磁炉等，都可能是冲击性负载。在设计时，需要根据负载特性采取相应的措施。

（1）设备启动时存在冲击电流，除了功率器件留有足够余量外，可以考虑如何利用控制逻辑来避免用电高峰时设备的同时启动，如EMS的远程能量调度。

（2）带感性的用电设备，在关断时可能存在反灌能量，需要及时吸收，否则形成的高压很容易导致IGBT反峰升高而损坏。

（3）隔离变压器可以有效地抑制逆变器输出端与负载之间的相互干扰。前文推荐选用工频逆变器，也是基于该点考虑。

3 光伏离网系统的未来发展

一方面，离网系统中的蓄电池组必不可少，且占有的成本比例高，其配置也就成为设计者重点考量的一环。采用传统铅酸电池组在该应用中存在缺陷，因对环境污染等受到政策制约；锂电池比较环保以及具有较好的电化学特性，替代铅酸电池得到了国家部委的支持。近些年来，锂电池不断推广，除了电动汽车行业外，其与UPS的配套也在不断深入，而本文介绍的离网逆变器，与UPS同属于开关电源，应用上可直接借鉴[3]。

（1）容量的选择。夜里无太阳光，电池组存储的容量要能保障常规设备用电而不至于欠压保护。然而铅酸电池多组并联存在局限，一般厂商推荐并联电池组不大于3组。若选用锂电池通过BMS控制，并联可多大十几组，容量能显著加大。

当然，油机的加入，给整个系统带来了有益的补充。当电池能量确实即将耗光，系统及时启动油机进行旁路供电，能延续保障用户设备不掉电，为人们的应急操作争取了时间。

（2）在白天，光伏极板转换太阳能成为电能，需要既能满足负载用电需求，又要对电池组进行充电；并且在有限的光照时间内，要充分利用太阳能将电池组充饱。铅酸电池一般充电电流在0.1 C左右，充满电需要10个小时以上。而锂电池允许0.5～1 C充电，在有限的时间内，更高效地利用太阳能[4]。

（3）离网系统的应用中，电池组基本是一天一轮充放电，铅酸电池就很受循环次数的限制，寿命影响大；但这对于锂电池的影响则降低很多。

因此，使用锂电池可以有效地解决系统对于大容量需求、短时大电流充电、充放电循环次数等关键问题。锂电池作为一个新兴的电池，只要我们将其BMS数据纳入光伏离网系统的逻辑管控中，就能让系统应用更加高效稳定。

另一方面，随着信息时代的普及、对离网系统动环监控的不断完善，整个系统应用有走向高端的发展趋势。应用光伏离网产品往往都在偏远地区，若为无人值守，或当地居民文明程度不高，运维人员对系统的监控将凸显得更加重要。

（1）供电系统的输出端，需要配置有电量仪，用于统计日用电量、月用电量、年用电量。如此，其产生的经济收益，能让用户一目了然。

（2）采用本地监控，信息汇总到友好的人机界面，能够让用户的体验感更好；实时动环监控（温湿度、烟感、漏水、门禁等）能够让系统运行更加安全。

（3）在无人值守的地区，远程监控也是必不可少的，在突发异常时，能够及时告知用户，必要时进行远程紧急操作。

4 总结

光伏离网系统经过多年的工程实践，该产品在技术上已能应对不同的应用场景，可靠性也在不断地优化提升。它能给偏远、落后的地区带去电和光明，让落后地区的居民接触到更多的文明，在产生经济收益的同时，也能为世界的进步做出贡献。其存在的意义，值得我们进一步推广应用。