简述太阳能并网光伏发电系统的组成安全保护？
太阳能光伏发电是21 世纪最为热门的能源技术领域之一，是解决人类能源危机的重要手段之一，引起人们的广泛关注。本文介绍了太阳能光伏并网 控制逆变器的工作过程，分析了太阳能控制器最大功率跟踪原理，太阳能光伏逆 变器的并网原理及主要控制方式。 太阳能光伏发电是21 世纪最为热门的能源技术领域之一，是解决人类能源危机的重要手段之一，引起人们的广泛关注。本文介绍了太阳能光伏并网 控制逆变器的工作过程，分析了太阳能控制器最大功率跟踪原理，太阳能光伏逆变器的并网原理及主要控制方式。 1 引言： 随着工业文明的不断发展，我们对于能源的需求越来越多。传统的化石能源 已经不可能满足要求，为了避免面对能源枯竭的困境，寻找优质的替代能源成为 人们关注的热点问题。可再生能源如水能、风能、太阳能、潮汐能以及生物质能 等能源形式不断映入人们的眼帘。水利发电作为最早应用的可再生能源发电形式 得到了广泛使用，但也有人就其的环境问题、安全问题提出过质疑，况且目前的 水能开发程度较高，继续开发存在一定的困难。风能的利用近些年来也是热点问 题，但风力发电存在稳定性不高、噪音大等缺点，大规模并网对电网会形成一定 冲击，如何有效控制风能的开发和利用仍是学术界关注的热点。在剩下的可再生 能源形式当中，太阳能发电技术是最有利用价值的能源形式之一。太阳能储量丰富，每秒钟太阳要向地球输送相当于210 亿桶石油的能量，相当于全球一天消耗的能量。我国的太阳能资源也十分丰富，除了贵州高原部分地区外，中国大部分 地域都是太阳能资源丰富地区，目前的太阳能利用率还不到1/1000。因此在我国 大力开发太阳能潜力巨大。 太阳能的利用分为“光热”和“光伏”两种，其中光热式热水器在我国应用广 泛。光伏是将光能转化为电能的发电形式，起源于100 多年前的“光生伏打现象”。 太阳能的利用目前更多的是指光伏发电技术。光伏发电技术根据负载的不同分为离网型和并网型两种，早期的光伏发电技术受制于太阳能电池组件成本因素，主要以小功率离网型为主，满足边远地区无电网居民用电问题。随着光伏组件成本的下降，光伏发电的成本不断下降，预计到2013 年安装成本可降至1.5 美元/Wp，电价成本为6 美分/(kWh)，光伏并网已经成为可能。并网型光伏系统逐步成为主流。 本文主要介绍并网型光伏发电系统的系统组成和主要部件的工作原理。 2 并网型光伏系统结构 图1 所示为并网型光伏系统的结构。并网型光伏系统包括两大主要部分：其一，太阳能电池组件。将太阳传送到地球上的光能转化成直流电能；其二，太阳能控制逆变器及并网成套设备，负责将电池板输出直流电能转为电网可接受的交流能量。根据功率的不同太阳能逆变器的输出形式可为单相或者三相；可带隔离变压器，也可不配隔离变压器。
太阳能控制逆变器及并网成套设备，主要包括控制器、逆变器以及监控保护单元组成。控制器主要实现太阳能电池板的最大功率跟踪，逆变器主要负责将控制器输出的直流电能变换成稳压稳频的交流电能馈送电网，监控保护单元主要负责发电系统安全相关问题如孤岛效应的保护，并及时与上位机通讯传递能量传输信息。 3 太阳能控制器及其原理 3.1 太阳能电池组件模型 图2 所示硅型光伏电池板的理想电路模型。其中，Iph是光生电流，Iph值与光伏电池的面积、入射光的辐射度以及环境温度相关。ID为暗电流。没有太阳光照射的情况下，硅型太阳能电池板的基本外特性类似于普通的二极管。暗电流是指光伏电池在没有光照条件下，在外电压的作用下PN结流过的单向电流。v为开路电压，RS为串联电阻一般小于1 欧姆，RSH为旁路电阻为几十千欧。 光伏电池的理想模型可由下式表示：
其中，v 为电池板热电势。
图3 表述在特定光照条件下电池板的伏安特性。阴影部分是电池板在相应条件下所能够输出的最大功率。太阳能电池板在高输出电压区域，具有低内阻特性，可以视为一系列不同等级的电压源；在低输出电压区域内，该电源有高内阻特性，可以视为不同等级的电流源。电压源与电流源的交汇处便是电池板在相应条件下的最大输出功率。在电池板的温度保持不变的情况下，这个极大功率值会随着光照强度的变化而变化，最大功率跟踪要求能够自动跟踪电池板的工作在输出功率极大的条件。
3.2 太阳能控制器电路拓扑 图4 为太阳能控制器的电路拓扑结构，从原理上说是以及升压斩波器，通过调整开关器件S 的占空比，调节电池板的等效负载阻抗，实现对电池板的最大功率跟踪功能。
3.3 最大功率跟踪方法 最大功率跟踪技术有两种技术路线：其一是CVT 技术，控制电池组件端口电压近似模拟最大功率跟踪，这种方法原理简单但是跟踪精度不够；其二是MTTP 技术，实时检测光伏阵列输出功率，通过调整阻抗的方式满足最大功率跟踪。目前，太阳能逆变器厂家广泛采用的MPPT 技术。目前，常用的MTTP 方法有两种。 （A ）干扰观测法（P&O）： 干扰观测法每隔一定时间增加或减少电压，通过观测功率变化方向，来决定下一步的控制信号。如果输出功率增加，那么继续按照上一步电压变化方向改变电压，如果检测到输出功率减小，则改变电压变化的方向，这样光伏阵列的实际工作点就能逐渐接近当前最大功率点。如果采用DC/DC 变换器实现MPPT 控制，在具体实施时应通过对占空比施加扰动来调节光伏阵列输出电压或电流，从而达到跟踪最大功率点的目的。如果采用较大的步长对占空比进行“干扰”，这种跟踪算法可以获得较快的跟踪速度，但达到稳态后光伏阵列的实际工作点在最大功率点附近振荡幅度比较大，造成一定的功率损失，采用较小的步长则正好相反。 （B）电导增量法（INC）： 光伏电池在最大功率点Pm处dP/dU=0，在Pm两端dP/dU均不为0。
而
则有
要使输出功率最大，必须满足（4 ）式，使阵列的电导变化率等于负的电导值。首先假设光伏阵列工作在一个给定的工作点，然后采样光伏阵列的电压和电流，计算Δv =v (n) - v (n-1)和Δi =i (n) - i (n-1)，其中(n)表示当前采样值，(n-1)为前一次的采样值；如果Δv=0，则利用Δi 的符号判断最大功率点的位置；如果Δv≠0，则依据Δi /Δv +I /V 的符号判断。 这种跟踪法最大的优点是当光伏电池的光照强度发生变化时，输出端电压能以平稳的方式追随其变化，电压波动较扰动观测法小。缺点是其算法较为复杂，对硬件的要求特别是对检测元件的精度要求比较高，因而整个系统的硬件成本会比较高。 4 太阳能逆变器及其工作原理 太阳能逆变器的电路拓扑如图5 所示，5-a)是单相并网逆变器电路拓扑，5-b)是三相并网逆变器电路拓扑。从电路拓扑结构上看属于电压型控制逆变电路。从控制方式上属于电流控制型电路。
4.1 电路的基本工作原理 以图6 的单相光伏逆变电路分析。
按照正弦波和载波比较方式对S -S 进行控制，交流侧AB处产生SPWM波1 4 ，u 中含有基波分量和高次谐波，在L 的滤波作用下高次谐波可以忽略，当
AB AB Su 的频率与电网一致时，i 也是和电网一致的正弦波。在电源电压一定的条件下，
AB s i 的幅值和相位仅有u 的基波的幅值和相位决定，这样电路可以实现整流、逆变
s AB以及无功补偿等作用。图7 所示是电路的运行向量图，其中7-a)是整流运行，7-b)是逆变运行，7-c)是无功补偿运行，7-d)是I 超前φ角运行。单相光伏逆变器工作
s 在7-b)状态。 4.2 电路的基本控制方法 光伏逆变器对于功率因数有较高要求，为了准确实现高功率因数逆变，需要对输出电流进行控制，通常的电流控制方式有两种：其一是间接电流控制，也称为相位幅值控制，按照图7 的向量关系控制输出电流，控制原理简单，但精度较差，一般不采用；其二是直接电流控制，给出电流指令，直接采集输出电流反馈，这种控制方法控制精度高，准确率好，系统鲁棒性好，得到广泛应用。 5 监控保护单元简介 监控保护单元的主要作用有： 保护发电设备的安全以及电网的安全； 型代表，如何准确测定孤岛效应也是监控保护单元的重要作用； 区，智能电量管理和系统状况检测上报也是光伏发电系统需要重点考虑的因素。 5.1 并网保护装置 并网保护装置主要实现以下保护功能：低电压保护、过电压保护、低频率保护、国频率保护、过电流保护以及孤岛保护策略等内容。通常大型光伏电站需要设置冗余保护装置，保证系统故障时及时处理。 5.2 孤岛检测技术 孤岛效应是指并网逆变器在电网断电时，并网装置仍然保持对失压电网中的某一部分线路继续供电的状态。当电网的某一区域处于光伏发电的孤岛状态时电网将不再控制这个电力孤岛的电压和频率。孤岛效应会对光伏发电系统与电网的重连接制造困难，同时可能引起电气元件以及人身安全危害，因此孤岛效应必须避免。目前常用的孤岛效应检测方法主要有两种，分别是被动检测方法和主动式检测方法。 (A)被动式孤岛检测： 孤岛的发生和电网脱离时的负载特性及与电网之间的有功和无功交换有很大的关系。电网脱离后有功的波动会引起光伏系统端口电压的变化，无功的波动会引起光伏系统输出频率的变化。电网脱离后，如果有功或者无功的波动比较明显，通过监测并网系统的端口电压或者输出频率就可以检测到孤岛的发生，这就是被动式孤岛检测方法的原理。然而在电网脱离后，如果有功和无功的波动都很小，此时被动式检测方法就存在检测盲区。 （B ）主动式孤岛检测： 主动式孤岛检测方法中用的比较多的是主动频移法（AFD ），其基本原理是在并网系统输出中加入频率扰动，在并网的情况下，其频率扰动可以被大电网校正回来，然而在孤岛发生时，该频率扰动可以使系统变得不稳定，从而检测到孤岛的发生。这类方法也存在“检测盲区”，在负载品质因数比较高时，若电压幅值或频率变化范围小于某一值，系统无法检测到孤岛状态。另外，频率扰动会引起输出电流波形的畸变，同时分析发现，当需要进行电能质量治理时，频率的扰动会对谐波补偿效果造成较严重的影响。智能电量管理及系统状况监控系统大型光伏电站由于地处偏远地区，常常为无人值守电站。为了准确计量电站的电能输出及系统运行状况需要设立智能电量管理及系统状况监控系统。系统往往基于计算机数据处理平台以及互联网技术将分散的发电系统信息收集到集中控制中心进行数据分析处理工作，这部分的工作原理及系统结构在本文中不在详述。 6 结语 本文主要介绍了光伏并网系统的结构，分析了其主要组成部件的系统框图、功能。给出了最大功率跟踪的基本原理，分析了光伏逆变器的主要电路拓扑结构及控制方式。太阳能光伏发电技术作为有可能彻底改变人们生活的朝阳技术，拥有美好的未来，让我们共同期待光伏技术在明天为人类做出更大的贡献。
根据电压等级可以将光伏发电站分为三类：一是接入电压等级为66KV及以上的电网的光伏发电站称为大型光伏发电站；二是接入电压等级为10～35KV电网的光伏发电站称为中型光伏发电站；三是接入电压等级为0.4kV低压电网的光伏发电站称为小型光伏发电站。光伏发电站由四个部分组成：光伏电池阵列、逆变器、升压变压器、控制保护装置，其发电以及接入电网的过程就是首先通过光伏电池阵列将光能转变为电能，电能以直流电的形式通过逆变器转变为交流电输出，此时的交流电是低压交流电，然后通过升压变压器将交流电的电压升压最终接入电网。一个光伏发电站的发电功率通过此发电站的光照量来衡量。光伏发电受环境的影响造成存在高次谐波含量和发电功率不稳定性，从而影响到光伏发电的电能质量。
光伏发电站产生的谐波、高次谐波含量以及其发电功率的不稳定性都对接入电网带来了不少的污染。所以光伏电站接入电网必须在并网点接入电能质量监测装置，长期对光伏电站并网点进行监测，并保存历史数据以供分析。具体的应用如图：
1.尚德电力控股有限公司(STP)董事长兼董事总经理石
是中国首家在纽交所上市的民营高科技企业，专业从事晶体硅太阳能电池、组件、薄膜太阳能电池、光伏发电系统和光伏建筑一体化(BIPV)产品的研发、制造和销售。截至2008年底，该公司已形成1000兆瓦太阳能电池的生产能力，在全球光伏企业中排名前三。
2.高天合光能有限公司(TSL)董事长兼董事总经理
它是世界上最大的光伏组件供应商和领先的系统集成商。该公司成立于1997年，并于2006年在纽约证券交易所上市。2014年，公司光伏组件出货量达到3.66GW，实现销售收入22.9亿美元。天合光能的优质光伏组件应用于世界各地的并网和离网太阳能电站，为当地人民带来清洁可靠的绿色电力。
3.保利协鑫能源控股有限公司董事长兼董事总经理朱共山
是全球领先的多晶硅和硅片供应商，为光伏发电提供质优价廉的原材料。保利协鑫也是中国一流的环保能源供应商，通过热电联产、生物质发电、垃圾发电、风力发电、太阳能发电等方式提供高效环保的电力和热量。
4.天威英利新能源有限公司总裁兼CEO苗连生
位于保定国家高新技术产业开发区，是一家集R&D、生产、销售为一体的高科技光伏企业。主要从事晶体硅锭、硅片、太阳能电池、组件、控制逆变器、光伏系统工程和光伏应用产品的研究、制造、销售和服务。
5.温州科宇电器有限公司。
目前是亚洲最大的公司，专业研发分布式光伏发电集成系统、光伏智能产品、光伏并网监控单元、智能防雷汇流箱、交流接触器、空调专用接触器、断路器、漏电断路器、塑壳断路器、配电箱、配电开关等低压电器。
6.良信光电有限公司。
中国良信电器有限公司是一家专业生产高低压电器的公司。主要产品为R&D高新技术企业，生产高低压断路器、交流接触器、光伏专用DC组件、双电源自动转换开关、KBO、高低压成套设备、真空断路器。公司拥有一批高素质的技术和管理人才，员工400余人，具有中高级职称30余人，其中50%以上具有大专以上学历。公司拥有先进的制造设备和国内一流的制造技术，先进的产品检验检测中心，CCC、UL、CB、KAMA、SEMKO、CE，有效保证了产品的质量和可靠性。
7.天华阳光集团
是一家以绿色电力(包括光伏、风能)发展为核心，从事新能源电力项目开发、投融资、技术研发、工程设计、建设和运营管理的全球性跨国企业。它是绿色电力行业的全球领导者，已建电站遍布美洲、欧洲和亚洲，截至2012年底，总装机容量和开发容量约为400兆瓦。
光伏监控系统可以安装在室外，不占用室内空间，它以多种硬件产品及配套附件能够实现对光伏系统中各个环节的数据采集，数据传输到远程服务平台进行相关的数据存储于分析，最后以报表曲线图等形式向用户反馈系统运行的情况。
离网型光伏发电系统组成：
典型的光伏发电系统主要由光伏阵列、充放电控制器、储能装备或逆变器、负载等组成。其构成如图所示。
光照射到光伏阵列上，光能转变成电能，光伏阵列的输出电流由于受环境影响，因此是不稳定的，需要经过DC-DC转换器将其转变成稳定的电流后，才能加载到蓄电池上，对蓄电池充电，蓄电池再对负载供电。如果是并网售电，则不需要蓄电池，而是通过并网逆变器，将直流电流转换成交流电流，并到电网上进行出售。也就是说，离网型光伏发电系统必须使用到蓄电池储能，而并网型则不一定需要。
控制系统对光伏阵列的输出电压和电流进行实时采样，判断光伏发电系统是否工作在最大功率点上，然后根据跟踪算法，改变PWM信号的占空比，进而控制光伏阵列的输出电压使其工作点向最大功率点逼近。在蓄电池过充过放控制模块中，当蓄电池电压充电或放电到一定的设定值后，就会自动关闭或打开。
光伏阵列组件
光伏发电系统利用以光电效应原理制成的光伏阵列组件将太阳能直接转换为电能。光伏电池单体是用于光电转换的最小单元，一个单体产生的电压大约为0.45V，工作电流约为20~25mA/cm2，将光伏电池单体进行串、并联封装后，就成了光伏电池阵列组件。
当受到光线照射的太阳能电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建立起端电压，这时太阳能电池的工作情况可以用下图所示的太阳能电池负载特性曲线来表示。它表明在确定的日照强度和温度下，光伏电池的输出电压和输出电流以及输出功率之间的关系，简称I-V特性和P-V特性。从图中可以看出，光伏发电系统的特性曲线具有强烈的非线性，既非恒压源也非恒流源。从其P-V特性曲线可以看出，在日照强度一定的前提下，其输出功率近似于一个开口向下的抛物线。该抛物线顶点对应的功率即为该日照强度下的P-V曲线的最大功率点，对应的电压称为最大功率点电压。为了提高光伏发电系统的转化效率，就必须使系统保持运行在P-V曲线最大功率点附近。
光伏电池阵列的几个重要技术参数：
1）短路电流（Isc）：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（Um）：在给定日照和温度下相应于最大功率点的电压。
5）最大功率点功率（Pm）：在给定日照和温度下太阳能电池阵列可能输出的最大功率。
DC-DC转换器
光伏电池板发出的电能是随着天气、温度、负载等变化而不断变化的直流电能，其发出的电能的质量和性能很差，很难直接供给负载使用。需要使用电力电子器件构成的转换器，也就是DC-DC转换器，将该电能进行适当的控制和变换，变成适合负载使用的电能供给负载或者电网。电力电子转换器的基本作用是把一个固定的电能转换成另一种形式的电能进行输出，从而满足不同负载的要求。它是光伏发电系统的关键组成成分，一般具备有几种功能：最大功率点追踪、蓄电池充电、PID自动控制、直流电的升压或降压以及逆变。
DC-DC转换器输出电压和输入电压的关系通过控制开关的通断时间来实现的，这个控制信号可以由PWM信号来完成。主要工作原理是保持通断周期（T）不变，调节开关的导通持续时间来控制电压。D为PWM信号的占空比。
根据输入和输出的不同形式，可将电力电子转换器分为四类，即AC-DC转换器、DC-AC转换器、DC-DC转换器和AC-AC转换器。在离网型光伏发电系统中采用的是DC-DC转换器。
DC-DC转换器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持续的直流电压转换成另一种（固定或可调）的直流电压，其中二极管起续流的作用，LC电路用来滤波。DC-DC转换电路可以分为很多种，从工作方式的角度来看，可以分为：升压式、降压式、升降压式和库克式等。
降压式转换器（BuckConverter）是一种输出电压等于或小于输入电压的单管非隔离直流转换器；升降压式变换器（Buck-BoostConverter）转换电路的主要架构由PWM控制器与一个变压器或两个独立电感组合而成，可产生稳定的输出电压。当输入电压高于目标电压时，转换电路进行降压；当输入电压下降至低于目标电压时，系统可以调整工作周期，使转换电路进行升压动作；而升压式转换器（BoostConverter）是输出电压高于输入电压的单管不隔离直流转换器，所用的电力电子器件及元件和Buck转换器相同，两者的区别仅仅是电路拓扑结构不同。
蓄电池
在独立运行的光伏发电系统中，储能装置是必不可少的。现在可选的储能方法有很多，如电容器储能、飞轮储能、超导储能等，但是从方便、可靠、价格等综合因素来考虑，大多数大中型的光伏发电系统都使用了免维护式的铅酸蓄电池作为系统的储能装置。
但选用铅酸蓄电池也有不足之处，它比较昂贵，初期投资能够占到整个发电系统的1/4到1/2，而蓄电池又是整个系统中较薄弱的环节，因此如果管理不当，会使蓄电池提前失效，增加整个系统的运营成本。
光伏控制模块
光伏控制模块以单片机为控制中心，为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效地为蓄电池充电。并在它充电过程中减少蓄电池的损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命，同时保护蓄电池免受过充电和过放电的危害。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电（由于受天气等外界因素的影响，太阳电池阵列发出的直流电的电压和电流不是很稳定），同时也通过控制传感器电路（光控、声控等）来实现全自动开关灯功能。
单片机的主要工作是将电流采集电路和电压采集电路采集到的电流、电压进行运算比较，然后通过MPPT算法来调节PWM的占空比D，使光伏阵列组件工作在最大功率点处。
离网型逆变器
住宅用的离网型光伏发电系统因为部分负载是交流负载，因此还需要离网型逆变器，把光伏组件发出的直流电变成交流电给交流负载使用。光伏离网型逆变器与光伏并网型逆变器在主电路结构上没有较大区别，主要区别在光伏并网型逆变器需要考虑并网后与电网的运行安全。也就是同频同相抗孤岛等控制特殊情况的能力。而光伏离网型逆变器就不需要考虑这些因数。
为了提高离网型光伏发电系统的整体性能，保证电站的长期稳定运行，逆变器的性能指标非常重要。
离网型光伏发电系统的应用：
离网型光伏发电系统广泛应用于偏僻山区、无电区、海岛、通讯基站和路灯等应用场所。
光伏发电系统通常由光伏方阵、蓄电池组（可选）、蓄电池控制器（可选）、逆变器、交流配电柜和太阳跟踪控制系统等设备组成：高倍聚光光伏系统（HCPV）还包括聚光部分（通常为聚光透镜或者反射镜）。
光伏方阵光伏方阵（PV Array）称光伏阵列，是由若干个光伏组件或光伏板按一定方式组装在一起并且具有同定的支撑结构而构成的直流发电单元。蓄电池组的作用是贮存太阳电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。逆变器是将直流电转换成交流电的设备。
扩展资料
电池组件及方阵检查：
光伏发电系统的检查主要对各个电器设备、部件等进行外观检查，内容包括电池组件方阵、基础支架、接线箱、控制器、逆变器、系统并网装置和接地系统等。
检查方阵外观是否平整、美观，组件是否安装牢固，引线是否接触良好，引线外皮有否破损等。检查组件或方阵支架是否有生锈和螺丝松动之处。
参考资料来源：百度百科——光伏发电系统
