光伏系统的设计研究(5)

光伏瓦光伏系统的性能研究

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提供的直流电电压 24V

表2-2 铅蓄电池的工作参数

（2）控制器的设计

为了保护蓄电池不受过充电和过放电的损害，则必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电，这套系统称为充放电控制器。控制器通过检测蓄电池的电压或荷电状态，判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点，并根据检测结果发出继续充、放电或终止充、放电的指令。充放电控制器是离网型光伏发电系统中最基本的控制电路，也是必不可少的电路，任何一个离网型光伏发电系统，不论系统大小，小到一个太阳能手电筒、草坪灯，大到一个几千瓦甚至几百千瓦的太阳能光伏电站系统，都要用到充放电控制器，其控制电路的硬件或软件复杂程度是不一样的，但其基本原理是一样的。

图2-1所示的电路是一个最基本的充放电控制器原理。在该电路原理图中，由光伏组件、蓄电池、控制器电路和负载组成了一个基本的光伏应用系统。这里的开关Kl、K2分别为充电开关和放电开关，它们均属于控制器电路的一部分，Kl、K2的开合由控制电路根据系统充放电状态来决定：当蓄电池充满时断开充电开关Kl，否则闭合；当蓄电池过放时断开放电开关K2，否则闭合。开关Kl、K2是广义上的开关，它包括各种开关元件，如各种电子开关、机械开关等。电子开关，如小功率三极管、达林顿管、功率场效应管(MOSFET)、固态继电器、晶闸管(IGBT、GTO)等；机械式开关，如继电器、 交直流接触器等，根据不同的系统要求选用不同的开关元件或电器【】

图2-1 控制器原理

（3）逆变器设计

逆变器是将直流电变换为交流电的电力变换装置，逆变器技术在电力电子技术中是一种比较成熟的技术。目前国内光伏发电系统中主要是以直流DC系统和独立(Stand．alone)型DC-AC系统为主，即将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，再由蓄电池通过充放电控制器直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户用照明系统以及偏远地区的微波基站供电系统均为直流系统，最近几年一些用户相对集中的偏远地区独立型DC．AC系统也发展很快。光伏发电的趋势是进入民用电力，但由于民用电力大多使用交流负载，以直流电力供电的光伏电源系统很难商品化普及推广，因此光伏

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逆变器成为技术关键。图2-2所示为一个可提供交流输出的离网光伏系统原理【】。

图2-2 光伏系统原理

2.1.3 防雷与接地系统的设计 （1）接地系统设计：

电压高于最大设计电压是光伏发电系统的主要危险。这种过电压由外部事件诱发或者由内部故障引起。在并网和独立发电系统中，引起过电压的外部原因主要是大气雷电放电；在并网系统中，和光伏发电系统连接的电网中的电压波动(瞬间)能够在光伏发电系统内产生过电压；在独立系统中，负载的电压波动也能够在光伏发电系统内产生过电压。雷电的危害包括直接雷击的危害和雷击电磁脉冲的危害。直击雷的危害主要是雷电流的热效应、电效应和机械效应产生的危害。雷击电磁脉冲的危害主要包括静电感应、电磁感应、电磁脉冲、雷电反击所产生的危害。

以往由于光伏发电系统容量很小，且应用范围小对光伏电站的防雷接地技术并不重视。随着太阳能光伏电站规模的增大和应用范围的不断扩大，太阳能光伏电站的防雷接地系统设计也越来越被系统设计人员所重视，接地与防雷技术也成为光伏电站可靠安全运行的一个重要因素。光伏电站大都建在交通运输地带，所以要因地制宜，设计合理的防雷系统和防雷布局以满足光伏电站安全运行。

光伏电站接地系统通常有两大类[4]：一是，强电接地，主要指防雷接地；二是，防电接地，主要指工作接地、安全接地等。不同类型接地，其要求也不一样。防雷接地的接地电阻一般在4～30Ω范围内；工作接地电阻值一般在0.5～10Ω范围内。一般规定低电压电力设备总容量不超过100kVA时，接地电阻允许不超过10Ω。在接地系统用设计时，要保证个接地系统之间避免在地下电位反击，就必须保证个接地系统在地下要有 足够的间距。由于太阳能电站占地面积有限，，要做到这一点有一定的困难，为此在接地系统设计时，我们采用了公用接地系统的设计方案，且接地电阻小于10Ω。 影响接地电阻值的主要因素是土壤电阻率。土壤电阻率的大小于土壤的结构、温度、湿度、图纸的紧密程度以及土壤中含有的可溶性电解质有关。

影响土壤电阻率的最主要因素是土壤湿度。土壤还水量增加时，电阻率急剧下降；当土壤含水率增加到20%～25%时，土壤电阻率保持稳定。也受土壤温度的影响。当土壤温度升高时，其电阻率下降。在0℃时土壤水分冻结而使电阻率迅速下降。另外土壤图

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纸的紧密程度对土壤电阻率的影响也较大，当土壤受压后，内部颗粒较受压前紧密土壤密度增大，其电阻率也减少。

跨步电压和接触电压：通常讲的接地电阻是指埋入地中周围土壤的欧姆电阻，由于接地装置和从接闪器到地面的引线都是有电阻的所以当雷击时电流从接地装置向大地散逸时，各点之间就有电压从在，当人站在接地装置的地面时，由于两脚站的地点电位不同，两脚之间就有电压，该电压称为跨步电压。

当雷电流流经引下线和接地装置时， 由于引下线本身和接地装置都有电阻和电抗， 因而会产生电压降， 这种电压降有时高达几万v， 甚至几十万V， 当人或牲畜接触引下线就会发生触电危险。

接地装置的防腐设计：（1）为了避免避雷装置对人或牲畜造成危害， 在设计接地装置时要按照接地电阻设计规范， 这样可使雷电流放电时，接触电压减小， 并且将引下线和接地装置 尽可能安装在人们不易接触到的地方，同时尽可能将引下线覆盖上绝缘物。（2）埋设引下线和接地装置应尽量放在人们走不到或很少走的地方，避免跨步电压危害， 还应注意使接地体与金属体或电缆之间保持一定的距离， 如果距离不够，应把它们连接成电气通路， 以免发生击穿。（3） 必须保证结构的可靠性，连接部分必须用电焊或气焊，不能使用锡焊， 现场无法焊接时， 可采用铆接或螺栓连接， 要保证有不少于 10cm2 的接触面。（4）接地体埋设深度不应小于0.5～0.8m。（5）回填土必须夯实。

（2）防雷系统设计

若直击雷或云间雷电发生在太阳电池板的附近， 则会在电池板支 架上产生静电感应过电压 （Vc）。

Vc=Ve?t/RC (2-1)

V=Q/C (2-2) 式中：V发生闪电瞬间（t=0）导线对大地间电压V，R导线对大地散流电阻 (Ω) ，C导线对雷云之间的电容 (F)，Q导线上感应积累的电荷量(C)， t以发生闪电瞬间为零，闪击发生后延续时间（S）。

防护措施：阵列支架与接地系统可靠连接。

太阳电池阵列安装在室外，当雷电发生时太阳电池方阵会受到直击雷的侵入。 其防护措施：一是太阳能电池板四周铝合金框架与支架导通连接；二是所有支架均采用等电位连接接地。

太阳能电池板是由钢化玻璃两层间夹太阳电池并抽取真空。其本身就是绝缘体。四周是铝合金框架。在直击雷发生时，其感应电荷主要集中于铝框架并泄入大地，从而使太阳能电池板得到保护，避免直击雷 冲击而损坏。

正极对地，负极对地间安装过电压保护器；二是在机房直流控制柜内的输入端侧，分别在正极对地，负极对地以及正极对负极间安装过电压保护器。

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对于沿交流输出线侵入的感应雷的保护，是在交流配电柜输出端即架空线的相线（L）与地(PE)间、零线(N)与地(PE)间、相线(L)与零线 (N)安装过电压保护器。

对所有引入机房的电缆线，应将电缆线金属外皮进行可靠接地处理，以削减雷电波侵入的幅。

逆变器的输入端与蓄电池组相连接，输出端与交流配电柜输入端相连接，根据感应雷分配原则，在逆变器的输出端需进行纵横向全模保护。 即在相线（L）与地 (PE) 间、 零线(N)与地(PE)、相线(L)与零线(N)间安装过电压保护器。

2.2针对日常的光伏瓦测定相关实验数据 2.2.1实验数据的测量和处理

实验目的：

1. 针对日常的光伏瓦测定相关实验数据； 2. 验证光伏系统的合理性；

3. 分析数据绘制光伏瓦光伏系统相关特性曲线； 实验原理：

整个实验元器件的配置和规格如2.1光伏瓦光伏系统的设计所表述，实验电路如图2-3所示。

图2-3 实验电路图

图中光伏瓦的伏安特性是在一定光强、一定温度下，电池的负载外特性，直接反映出电池输出功率。在一定的光强的照射下，特性曲线完全由电池的P．N结特性和电阻分散参数确定。对应不同的光照强度时，电池有不同的输出特性曲线，曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵和横坐标分别为工作电流和工作电压，两者之积即为电池的输出功率P，即P=V I。如图2-4[4]所示。

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图2-4 光伏瓦的I-V特性曲线

光伏电池的几个重要技术参数：

1．短路电流Isd在给定日照强度和温度下的最大输出电流。 2．开路电压Voc：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。

3．最大功率点电流(IM)：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。 4．最大功率点电压(VM)：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。 5．最大输出功率(PM)：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率。 6．填充因子：FF?PMV?OCI[1]

SC

7．光伏电池的转换效率：输出功率Po与阳光投射到电池表面上的功率Ps之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率?，?=?MPP?以上各个参数可以在图2．5中表示如下：

图2．5中，在曲线上总可以找到一工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点(Max Power Point，MPP)，即图中M点。M点所对应的电流IM为最佳工作电流，VM为最佳工作电压，PM为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。

[13]

PPMS[1]

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