光伏行业丨光伏并网（上网）系统简解

光伏发电系统建设模式主要有分布式光伏和集中式光伏两种，发供电模式主要是离网系统发供电和并网光伏发供电两种。

分布式和集中式光伏

分布式光伏和集中式光伏在以下方面存在差异：1) 安装位置不同：分布式光伏主要安装在房顶、农业大棚等地，而集中式光伏主要安装在偏远荒凉的戈壁和沙漠地区。2) 并网电压等级不同：分布式光伏一般采用380V或者10kV电压并网，使用低压脱扣器来并网，并网点数量根据实际情况确定；而集中式光伏电站一般采用35KV或者110KV电压并网，一般安装主变，经主变升压后并网。3) 电站所使用的二次设备不同：分布式光伏电站使用较少的一、二次设备，逆变器一般采用壁挂式，变压器为小型变压器，使用电能质量监测、防孤岛保护装置、故障解列等装置；而集中式光伏电站设有自己的变电站，逆变器一般位于分站房内体型较大，包括站用变、开关柜、各种互感器、消弧线圈、主变、微机保护、电度表、调度数据屏等，相对复杂。4) 输送距离不同：分布式光伏一般将发电就地并网，线路损耗低或没有，补充当地电量，为当地及附近用电用户供电；而集中式光伏电站发出的电经高压输送至远处。5）建设成本和周期不同：分布式光伏一般较小，建设周期和成本相对较低。分布式光伏电站的建设成本主要由光伏组件、逆变器、支架、配电箱、光伏电缆、辅助料和施工费用构成。以常规屋顶光伏项目市场报价3元/瓦为例，家庭安装2-5千瓦的电站成本约为1.5万元左右。6）装机规模不同：符合集中式光伏电站需要达到两点标准，第一就是装机规模要大于6兆瓦，其次就是它们必须全部集中在一起。集中式光伏电站按照装机容量还可以分为大、中、小三类，大型通常是指大于500兆瓦，而小于50兆瓦的则为小型，处于中间的则为中型。比如在沙漠建设一个集中在一起的5.9兆瓦光伏电站，它也不属于集中式，一样被归为分布式光伏电站！

离网系统发供电和并网光伏发供电

主要有二种：独立光伏发电系统（离网系统），并网光伏发电系统。近年因国家政策及电网并网的放开，并网光伏发电系统更受青睐，也是目前最为普遍的一种！

独立光伏发电也叫离网光伏发电。主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。独立太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要用蓄电池来存储夜晚用电的能量。独立太阳能光伏发电在民用范围内主要用于边远的乡村，比如：边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。

独立光伏发电系统主要组成部分有：光伏阵列、蓄电池组、逆变器、监控系统。图例如下：

并网光伏发电就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网。并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家电网的发电的方式，成为电网的补充，具有维护成本低的优势。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，具有广阔的发展前景。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。

并网光伏发电系统主要组成部分有：光伏阵列、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜、监控系统。图例如下：

光伏电站主要组件

光伏发电系统的基本设备包括光伏电池组件、光伏方阵支架、直流汇流箱、直流配电柜、并网逆变器、交流配电柜等设备，另外还有供电系统监控装置和环境监测装置。其运行模式是在有太阳辐射的条件下，光伏发电系统的太阳能电池组件阵列将太阳能转换输出的电能，经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，由并网逆变器逆变成交流电供给建筑自身负载，多余或不足的电力通过联接电网来调节。光伏发电是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏特效应。

以下为主要光伏电站主要组件：

1.光伏组件：光伏组件(也叫太阳能电池板)是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中最重要的部分。其作用是将太阳能转化为电能，并送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。光伏电池按品种分类有以几种类型：

A）单晶硅光伏电池：单晶硅光伏电池是开发较早、转换率最高和产量较大的一种光伏电池。单晶硅光伏电池转换效率在我国已经平均达到19%,而实验室记录的最高转换效率超过了24.7%。这种光伏电池一般以高纯的单晶硅硅棒为原料，纯度要求99.9999%。B）多晶硅光伏电池：多晶硅光伏电池是以多晶硅材料为基体的光伏电池。由于多晶硅材料多以浇铸代替了单晶硅的拉制过程，因而生产时间缩短，制造成本大幅度降低。再加之单晶硅硅棒呈圆柱状，用此制作的光伏电池也是圆片，因而组成光伏组件后平面利用率较低。与单晶硅光伏电池相比，多晶硅光伏电池就显得具有一定竞争优势。C）非晶硅光伏电池:非晶硅光伏电池是用非晶态硅为原料制成的一种新型薄膜电池。非晶态硅是一种不定形晶体结构的半导体。用它制作的光伏电池只有1微米厚度,相当于单晶硅光伏电池的1/300。它的工艺制造过程与单晶硅和多晶硅相比大大简化, 硅材料消耗少, 单位电耗也降低了很多。D）铜铟硒光伏电池：铜铟硒光伏电池是以铜、铟、硒三元化合物半导体为基本材料，在玻璃或其它廉价衬底上沉积制成的半导体薄膜。由于铜铟硒电池光吸收性能好，所以膜厚只有单晶硅光伏电池的大约l/100。E）砷化镓光伏电池：砷化镓光伏电池是一种Ⅲ-V族化合物半导体光伏电池。与硅光伏电池相比,砷化镓光伏电池光电转换效率高，硅光伏电池理论效率为23% ,而单结砷化镓光伏电池的转换效率已经达到27%；可制成薄膜和超薄型太阳电池，同样吸收95%的太阳光, 砷化镓光伏电池只需5-10μm的厚度,而硅光伏电池则需大于150μm。F）碲化镉光伏电池：碲化镉是一种化合物半导体,其带隙最适合于光电能量转换。用这种半导体做成的光伏电池有很高的理论转换效率，已实际获得的最高转换效率达到16.5%。碲化镉光伏电池通常在玻璃衬底上制造，玻璃上第一层为透明电极，其后的薄层分别为硫化镉、碲化镉和背电极，其背电极可以是碳桨料，也可以是金属薄层。碲化镉的沉积技术方法很多，如电化学沉积法、近空间升华法、近距离蒸气转运法、物理气相沉积法、丝网印刷法和喷涂法等。碲化镉层的厚度通常为1.5-3um，而碲化镉对于光的吸收有1.5um的厚度也就足够了。G）聚合物光伏电池：聚合物光伏电池是利用不同氧化还原型聚合物的不同氧化还原电势, 在导电材料表面进行多层复合, 制成类似无机P-N结的单向导电装置。目前市场上主要是单晶、多晶光伏电池，区别如下：

单晶光伏组件和多晶光伏组件的对比：1）看历史，单晶光伏板应用早于多晶光伏板，单晶是大哥，多晶是小弟，只是小弟后来发展比较快。2）看用量，多晶硅在电站中的应用远远高于单晶硅，单晶硅占30%，多晶硅占70%。3）看外观，单晶硅深蓝色，近乎黑色，多晶硅天蓝色，颜色鲜艳，单晶电池片四角圆弧状，多晶电池片正方形。4）看转化率，单晶效率高于多晶，大概在10%-20%左右。5）看成本，单晶成本稍微贵于多晶，不同厂家成本不同，市场价格一瓦高五分至一毛钱。6）看衰减度实测数据显示，单晶和多晶各有千秋，无法单从单晶、多晶角度辨别衰减快慢。相对来说产品质量（密封度、有无杂志、是否隐裂），对衰减度影响更大。7）看性价比，目前来说多晶性价比略高于单晶，仅仅是目前而已，随着单晶组件成本的降低，过几年发生逆转也有可能。

2. 光伏逆变器：逆变器是一种将光伏发电产生的直流电转换为交流电的装置。光伏逆变器是光伏系统中维持平衡的重要角色，可以配合一般交流供电设备使用。

光伏逆变器大体可以分为以下三个种类：①独立逆变器：用在独立系统，光伏阵列为电池充电，逆变器以电池的直流电压为能量来源。②并网逆变器：逆变器的输出电压可以回送到商用交流电源，因此输出弦波需要和电源的相位、频率及电压相同。③备用电池逆变器：一种特殊的逆变器，由电池作为其电源，配合其中的电池充电器为电池充电，若有过多的电力，会回灌到交流电源端。

逆变器是将光伏发电系统直流电转换成为交流电的装置。逆变器的输出功率通常有不同的容量，如1千瓦、3千瓦、5千瓦等。光伏板的数量就根据逆变器的容量来确定。比如，1千瓦逆变器能够连接6~8块100瓦左右的光伏板，这样的组合方式才能够实现最大化的电能利用。同理，5千瓦逆变器需要连接的光伏板数量则会更多一些。对于350kW的光伏系统，一般需要使用5~7个逆变器，这个数量可能会因为逆变器的额定功率等因素而有所不同。这种情况下，得到逆变器数量的计算方式基于如下几点：额定功率：针对需要提供多大的功率，我们会根据逆变器的额定功率来进行选择。假设我们使用每个逆变器的额定功率为50kW，那么我们需要至少7个逆变器才能实现350kW发电量。效率：逆变器的效率也是影响数量的一大因素。理论上，逆变器的效率越高，使用的逆变器数量也就越少。在实践中，我们需要查看每个逆变器的特性、数据表格、硬件规格、以及所用的操作系统和软件都能够保证系统的正常运行和易维护性。维护成本：我们还需要考虑逆变器数量和运行效率之间的关系，以及运行员和技术人员对于这些设备的难易程度。逆变器数量太少容易导致单点故障的情况，同时过多的逆变器也会造成维护难度大、成本高的问题。因此，综合考虑各个因素，5~7个逆变器是集中式光伏发电系统所需的逆变器数量，可以满足350kW的光伏系统的需求。

从逆变器的原理说起，组串式逆变器前级DC-DC-BOOST电路，需要把直流电压升压并稳定到一定值（这个叫直流母线电压），才能转为交流电。230V输出，直流母线电压要360V左右；400V输出，直流母线电压要600V左右；500V输出，直流母线电压要750V左右；540V输出，直流母线电压要800V左右。但组件串联电压一般没有这么高，需要电路去调节，逆变器一般采用PWM方式去调整，有一个术语叫占空比，等于组件串联电压/直流母线电压，占空比和效率有很大关系，占空比越大，电压差越小，效率就越高。掌握了这个秘密，组件配逆变器就不需要计算复杂的公式了，尽量把组串电压配在逆变器的额定工作电压左右，效率最高，而且在极限低温时不会超过最高电压，工作时也会在满载MPPT电压范围内，绝对简单实用。以单晶450W组件为例，工作电压41V，单相220V逆变器，输入额定电压为360V，配9块组件最佳；三相400V输出逆变器，输入额定电压为600V，配15块组件最佳。

3. 控制柜：它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势。

4. 电缆：负责整个发电过程中的电流输送工作。

光伏站、光伏板使用周期

光伏电站的使用周期一般是25年。光伏电站是一套系统，其中主要包含用来发电的光伏组件、用来把直流电转交流电的逆变器和支撑电站的支架。

逆变器的使用寿命10年左右，光伏电站的使用期间内是需要更换一次逆变器的。而支架和组件一般都能使用25年以上。光伏电站的设计使用寿命是25年，这是国家规定的标准。

伏板的使用寿命一般为 25 年，但实际上其使用寿命可能会更长一些。光伏组件使用久了会有一定的衰减，国家标准规定光伏板25年总的功率衰减不超过20%，如果超过20%就算使用寿命终结。随着光伏板的使用时间增长，其功率输出也会略微下降，这被称为功率衰减。光伏板的功率衰减速率通常为每年 0.5% 至 1%，但这也取决于制造商使用的材料和制造工艺的不同。

反孤岛保护装置

光伏电站中有个现象叫做孤网运行，就是说光伏电站脱离电网，自行发电运行，这种情况多是不被允许的。光伏防孤岛保护装置的主要作用如下：

作用一：当电网侧失电的时候，需要维修人员去检修，这时光伏本侧还处于正常发电状态，还会向电网侧送电，这时就会形成孤岛效应，给电网侧检修人员带来很大的安全威协。同样，当光伏本侧出现故障，需要人员检修的时候，而电网侧还有电，这样电网侧有可能会出现向本站反送电的情况，同样会给光伏本侧维修人员带来生命安全方面的隐患。如果装上防孤岛保护装置，当光伏本侧或者电网侧任何一侧失电的时候，防孤岛保护装置都会迅速向并网开关发出命令，让其跳闸，从而很好的保证了光伏两侧维修人员的生命安全。

作用二：当光伏本侧或者电网侧任何一侧出现频率、电压或者过载运行时给两侧主设备造成冲击时，防孤岛保护装置也会迅速向并网开关发出命令，让其跳闸，从而很好的保证了两侧主设备不受伤害，避免事故进一步扩大。

作用三：智能并网。装置带有失压跳闸、检有压自动合闸功能，当故障解除后，光伏两侧都处于正常状态。这时防孤岛保护装置就会检测到相关信号，自动合上并网开关，让其正常工作，省去了人工并网的繁琐。

国家电网对分布式光伏电站有更明确的规定，就是根据光伏装机容量和变压器容量安装反孤岛保护装置。如果不安装反孤岛，并网光伏容量最多只能是变压器的25％，如果安装了反孤岛装置，可以提高到变压器的80％。从这个角度来说，分布式光伏电站安装反孤岛保护装置是非常重要的，起着非常重要的作用。

对于比较大的光伏电站，并网电压等级在10KV或更高的电压等级，这种类型的电站多使用的是防孤岛保护装置，这类保护属于微机保护装置二次设备。而反孤岛则是一个配电柜，他的使用原理跟防孤岛完全不一样。反孤岛保护装置是以机柜的形式出现的，与防孤岛保护装置不同。反孤岛保护装置一般安装在并网柜内电网异常时，并网开关跳闸，于是有了主动反孤岛和被动反孤岛的概念。核心部件是干扰电阻控制部件和反孤岛开关。其主要作用是在电网失电时，如果400V母线仍有电，启动反孤岛保护装置。400V总线电压受到反孤岛效应的干扰，从而迫使逆变器停止运行，确保维护人员的安全。一般来说，反孤岛保护装置需要与每套馈线开关配合，一般用于400V的低压电压等级。如果电网立刻被切断，逆变器也很可能处于发电状态，这种孤网运行是不允许的，所以如果检修前电网有这种现象，会立即投入反孤岛。

防孤岛保护装置主要针对光伏电站中由于电压或频率等异常引起的孤岛现象，配置的防孤岛保护装置在此时发挥作用。当电网侧或者光伏本侧任一侧失电的时候，防孤岛保护装置都会迅速向并网断路器发出跳闸信号，让断路器分闸，从而很好的保证了光伏两侧检修人员的生命安全。防孤岛装置又称为“防孤岛检测装置”，通常应用于光伏并网逆变器的防孤岛效应功能的鉴定检测，也应用在并网电源的防孤岛试验及鉴定检测。当光伏本侧或者电网侧任何一侧出现频率、电压或者过载运行时给两侧主设备造成冲击时，防孤岛装置会迅速向并网开关发出命令，让其跳闸，从而很好的保证了两侧主设备不受伤害，避免进一步扩大。

对于建设光伏电站并网的几个问题，每个台区可以接入多少光伏?光伏的接入要满足什么技术要求?国网对于这些有着明确的规定，对于光伏的接入，如果不加装反孤岛装置，光伏电站的接入只允许接到光伏的25%。如果加装反孤岛柜子的话，那么光伏容量的50%或者80%，具体多少由当地供电部门决定。简单的举例说明，如果一台变压器的容量为100KW，那么80%容量的话应该是80KW，如果该变压器为公变，下面接的光伏电站如果是5KW一个户的话，那就是可以接入16个户，这样的话每户可以根据自己的情况经过并网柜自行并网。逆变器本身具有防孤岛保护功能，当电网出现异常会自行跳闸，停止运行，前提是逆变器是在无故障的情况下，且调试正常。供电部门要求并网开关具备防孤岛保护功能也是多一层保护。而反孤岛则是出现了孤网运行，而采取的措施，虽然是小概率事件，但是一旦出现，危害是比较大的。

光伏组件计算示例

一块光伏电池组件的开路电压大约是36V左右。在实际并入电路使用时可以是几块组件串联，串联电压完全可以达到600V。无论你是用一块36V的组件，还是用600V的串联电源组，都要通过逆变器的升压或者降压以及直流交流的转变为220V交流电，再供电视机、电冰箱等家用电器的使用。

一块光伏板的发电量取决于其面积和光伏电池的转换效率等因素。一般来说，标准的光伏板的面积为1.6平方米左右，功率在200瓦到350瓦之间不等。一般来说，光伏板的瓦数越高，其发电量也就越大。按照市场上主流光伏组件265W计算，尺寸约992*1650*40。一般上单晶硅太阳能电池的光电转换效率为15%-24%，那么1平方米的光伏电池板功率约140--150W，这是个相对固定的量，但每天的光照情况是个变量，下雨、阴天、早晨、傍晚都影响发电量，理论情况下，1平方米的光伏电池板十个小时可产生1.4--1.5度电。

光伏电站组串数量计算公式，如下：