光伏发电系统设备选型及应用

2023-10-18协鑫智慧能源苏州有限公司

电力设备管理 2023年18期

协鑫智慧能源（苏州）有限公司季明

太阳能作为一种清洁的可再生能源，具有重要的环保和经济价值，利用太阳能发电既符合可持续发展理念，又具有较强的经济性，故该发电方式已经成为我国正在探索的全新方式。若要提高对太阳能的利用效率，必须在建设光伏发电系统时做好设备的选型及应用工作。

1 光伏电池的选型和应用

1.1 光伏电池的I-V特性曲线

在太阳能光伏发电系统中，光伏电池是核心设备之一。这种设备的构成原理是：在内部设置能够在阳光下完成光电转换的半导体P-N结构件[1]。在正常工况下，光伏电池能够发挥半导体的光伏效应，从而将太阳能直接转换为电能。由于光伏电池能够利用太阳光，完成对少数载流子的激发，之后使这些载流子通过P-N结并发电。在此过程中，由于没有出现任何化学变化，也不会出现机械磨损，对场地无过多要求，不会产生任何气味和噪声，对环境没有任何危害，故太阳能光伏发电相较于其他任何一种发电形式，在几乎所有发电环节都具有优势。

针对光伏电池进行选型时，首先需要分析其I-V特性曲线。该曲线的主要作用是：在光伏发电系统所处环境的太阳光照强度，以及环境温度均相对确定的情况下，可以精确地反映光伏电池的输出电压与输出电流之间的变化关系。在基础光伏电池I-V特性曲线图中，必须呈现出的重要因素，包括一定时间内保持稳定的温度值和日照强度值；最大输出电流，即短路电流；最大输出电压，即开路电压；最大功率点电流、最大功率点对应的电流、电压、功率。

光伏电池I-V特性曲线的存在价值时，能够证明光伏电池在日常应用中，既不是一类恒压电源，也不是一类恒流电源，核心属性是“不具备线性关系的直流电源”。具体的特点是：在工作电压处于绝大部分正常波动范围内，光伏电池的输出电流稳定程度极高；但在工作电压达到最大输出值之后，电流值会迅速下降，之前的稳态会被破坏[2]。基于此，针对光伏电池进行选型时，技术人员必须重点观察I-V特征曲线，明确上述各项参数对应的峰值，确保所选的光伏电池规格、型号、额定工况、最大工况等参数符合要求。

1.2 光伏电池的技术参数

基于I-V特性曲线选型光伏电池只是第一步工作，技术人员还需围绕下列技术参数进行重点分析，进一步提高光伏电池选型工作的精确程度。

光伏电池的输出电压。若要印证光伏电池生产厂家给出的说明书中，有关输出电压的额定值是否准确，可采用的方法是：将光伏电池放置于强度达到100MW/cm²的光源之下，持续照射至光伏电池输出电压稳定之后，将电压表等计量设备与光伏电池输出两端的开路相连接，得到的值即为输出电压值；开路电压。光伏电池的正极、负极之间处于开路状态时对应的电压值。在检查开路电压时须重点关注以及三个问题：开路电压与入射辐照度的对数是否具有正比例函数变化关系；开路电压与环境温度之间是否具有反比例函数变化关系；虽然需要检查电池面积，但必须注意，面积与开路电压之间并不存在任何逻辑变化关系。

峰值电压。光伏电池片达到最大输出功率时对应的工作电压。通常情况下，光伏电池组件的峰值会随着电池片串联数量的增加而增加，二者之间具有正相关的关系；短路电流。光伏电池的正极、负极之间处于短路状态时对应的电流。在选型作业期间，同样可以将光伏电池放置于上述标准光照强度下（100MW/cm²），并将万用表等计量设备与光伏电池两端开路连接，在输出短路度过时，完成对短路电流的测量。

峰值功率。在正常测试条件下，光伏电池输出的最大功率，可以基于已经确定的峰值电池、峰值电压，进行乘积计算后获得。对上述内容进行全面梳理后可知，光伏电池组件的峰值功率在一定程度上取决于太阳辐照度，该太阳光谱在光伏电池表面的分布情况、组件的工作温度等。基于此，技术人员围绕光伏电池组件的各项参数进行测量时，必须确保环境条件达到标准要求。具体参数为：太阳辐照度应该控制为1kW/m²，光谱应该达到AM1.5，组件的工作温度应该长时间保持在25℃的相对恒定状态。

另外一项需要注意的要素是：光伏电池应用期间，对光波中的短波的吸收系数超过对长波的吸收系数。受此影响，太阳光能转化为电能的过程具有“不完全属性”，即太阳光能不可能完全转化为电能。光伏电池的另一个作用是，可以对光能转换成电能的太阳辐射波长范围进行控制，具体值如果介于0.2～1.25μm，表明光伏电池的整体性能较好，一般会达到选型要求。

1.3 光伏电池的具体选型要求

光伏电池外观方面的检查要素：在照度至少达到1000lx的情况下，电池的外观不得存在任何开裂、弯曲、损伤痕迹。如果外表规整程度不达标，也应视为“不合格”。单体电池不得存在破碎、有裂纹情况。互联线和接头处不得存在诸如“接触不严”之类的病害，且不得存在电池接触电池与边框互相接触的情况。电池的密封层必须完好且具有相应的功能；核心选型指标：玻璃-EVA的剥离强度需要达到20N/cm，TPT-电池的剥离强度同样需要达到20N/cm，TPT-层间剥离强度需要达到4N/cm，光伏电池的总体承压强度需要达到5400Pa。

2 光伏并网逆变器的选型和应用

2.1 光伏并网逆变器的分类

在光伏发电系统设备中，逆变器是光电电能并网所需的重要设备，其主要作用是，将可变直流输出光电电能转化成正弦50Hz或60Hz电流，实际上便成了220V交流电，进而沿着电网输送给广大用电户（对应的光伏并网系统结构如图1所示）[3]。光伏并网逆变器具有多种划分方式：按频率划分。工频、中频、高频；按像素划分。单相、三相、多相；按输出划分。有源、无源；电路形式划分。半桥、全桥；按开关划分。晶闸管、晶体管、场效应；输出波形划分。正弦、非正弦。

图1 光伏并网系统结构图

如果简单地按照逆变器开关处设置的装置，可以分为晶体管逆变器、晶闸管逆变器、场效应逆变器、绝缘栅双极晶体管逆变器等多种类型。此外，还可以按照开关的“自动智能化”程度，分成“半控型”逆变器以及“全控制”逆变器两大类型。具体的区别是，前者开关不具有自动关断逆变器的能力，在被人为导通之后，开关便会立刻失去自动控制功能；后者则在开关内部或附近电路中植入具有类似“继电保护”功能的装置（如PLC可编程逻辑控制器），这些装置中预先存储了控制程序，当逆变器电路出现各种情况，即将受到负面影响时，在“继电保护装置”的控制下逆变器的开关会自动断开，从而避免逆变器受到损害。

2.2 光伏并网逆变器的选型要素

额定输出电压。在检查光伏并网逆变器的额定输出电压时，应重点关注下列内容：逆变器在稳态运行状态下，电压的波动范围应存在一个限定值，一般的标准是：偏差不应超过额定值的上下3%或上下5%[4]。如果逆变器处于负载突变状态（即额定负载为0%，可能突然变化至50%，进一步突然变化至100%），或是受到其他干扰时，输出电压的偏差额度允许苦点，但最多不能超过额定值的8%或上下10%。针对输出三相电压进行检查时的标准是，在正常工况下，逆变器输出三相电压的不平衡程度最多需要控制在5%～8%，不得超过8%。

额定输出频率和负载功率因数。正常情况下，逆变器输出的交流电压的频率必须具有相对稳定性，一般的工频逆变器输出交流电压的频率标准值为50Hz，且在工作条件并未发生明显变化的情况下，即使出现误差，也应该控制在上下1%之内。如果光伏发电系统内需要搭载具有感性负载，或容性负载功能的表征逆变器时，则该设备的输出功率应该呈现正弦波变化的特性，且负载功率因数的额定值应该为0.9，可以略微下调，但不能低于0.7。

3 汇流装置的选型和应用

如果常规检测结果显示，汇流装置反映的参数存在误差，则首先需要明确误差的来源。一般来说，误差分为偶然性误差、系统性误差、粗差三种类型。其中，系统性误差需要重点分析。导致系统性误差的原因集中在两个方面：或因当前运用的电流测量算法缺乏合理性，或因汇流箱的硬件系统引起测量误差。要求技术人员按照如下流程依次完成检验，从而做好确定汇流装置的可用性，最终完成选型。

对汇流装置内的电流信号预处理电路的工况进行检查：将光伏阵列电流基于霍尔电流传感器，转换成小电压，以达到方便ADC采集的目的；经由放大滤波处理，将经过转换后得到的电压送入主控芯片ADC。通过上述过程，技术人员可对霍尔传感器，以及电流预处理电路分别产生的误差进行比对分析，最终找到影响电流测量准确度的真正原因并完成客观评估。

针对模数转换误差进行检测：送入主控芯片ADC之前的电流属于“模拟信号”，精确度理论上处于“无限”状态。某些光伏系统汇流装置自带的ADC芯片由于分辨率较低（最低为10位），故不具备将模拟型号等效转化为数字信号的能力。这类汇流装置在设计阶段，技术人员给出的解决方案是，在处理模拟信号（电流）时会主动损失部分精度，以此为代价强行完成模拟信号向数字信号的转化。对参与汇流装置选型工作的技术人员来说，可以对上述模拟信号转为数字信号，进而不可避免地产生量化误差的技术原理进行“反向运用”——对汇流装置是否存在量化误差及其产生原因进行分析、梳理，如果确定此种误差基于上述远离而产生，意味着汇流装置的功能实现技术已经相对落后，建议不作为首选而是作为备选。