光伏發電係統的組成及各部件的作用

光伏發電係統的組成及各部件的作用
分布式光伏發電係統可以分為並網型和離網型。並網型是將係統發出來的直流電轉換成交流電，並入到電網上;離網型光伏發電係統則是自發自用，就地消納，應用靈活。在實際使用中，離網型光伏發電係統隨處可見，如太陽能路燈、交通信號燈、農用滅蟲燈等，特別是在一些電網覆蓋不到的偏遠山區，離網型光伏發電係統的重要作用就凸顯出來了。　　

　　離網型光伏發電係統組成：
　　典型的光伏發電係統主要由光伏陣列、充放電控製器、儲能裝備或逆變器、負載等組成。其構成如圖所示。　　

　　光照射到光伏陣列上，光能轉變成電能，光伏陣列的輸出電流由於受環境影響，因此是不穩定的，需要經過DC-DC轉換器將其轉變成穩定的電流後，才能加載到蓄電池上，對蓄電池充電，蓄電池再對負載供電。如果是並網售電，則不需要蓄電池，而是通過並網逆變器，將直流電流轉換成交流電流，並到電網上進行出售。也就是說，離網型光伏發電係統必須使用到蓄電池儲能，而並網型則不一定需要。
　　控製係統對光伏陣列的輸出電壓和電流進行實時采樣，判斷光伏發電係統是否工作在最大功率點上，然後根據跟蹤算法，改變PWM信號的占空比，進而控製光伏陣列的輸出電壓使其工作點向最大功率點逼近。在蓄電池過充過放控製模塊中，當蓄電池電壓充電或放電到一定的設定值後，就會自動關閉或打開。
　　光伏陣列組件
　　光伏發電係統利用以光電效應原理製成的光伏陣列組件將太陽能直接轉換為電能。光伏電池單體是用於光電轉換的最小單元，一個單體產生的電壓大約為0.45V，工作電流約為20~25mA/cm2，將光伏電池單體進行串、並聯封裝後，就成了光伏電池陣列組件。
　　當受到光線照射的太陽能電池接上負載時，光生電流流經負載，並在負載兩端建立起端電壓，這時太陽能電池的工作情況可以用下圖所示的太陽能電池負載特性曲線來表示。它表明在確定的日照強度和溫度下，光伏電池的輸出電壓和輸出電流以及輸出功率之間的關係，簡稱I-V特性和P-V特性。從圖中可以看出，光伏發電係統的特性曲線具有強烈的非線性，既非恒壓源也非恒流源。從其P-V特性曲線可以看出，在日照強度一定的前提下，其輸出功率近似於一個開口向下的拋物線。該拋物線頂點對應的功率即為該日照強度下的P-V曲線的最大功率點，對應的電壓稱為最大功率點電壓。為了提高光伏發電係統的轉化效率，就必須使係統保持運行在P-V曲線最大功率點附近。　　

　　光伏電池陣列的幾個重要技術參數：
　　1)短路電流(Isc)：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電流。
　　2)開路電壓(Voc)：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電壓。
　　3)最大功率點電流(Im)：在給定日照強度和溫度下相應於最大功率點的電流。
　　4)最大功率點電壓(Um)：在給定日照和溫度下相應於最大功率點的電壓。
　　5)最大功率點功率(Pm)：在給定日照和溫度下太陽能電池陣列可能輸出的最大功率。
　　DC-DC轉換器
　　光伏電池板發出的電能是隨著天氣、溫度、負載等變化而不斷變化的直流電能，其發出的電能的質量和性能很差，很難直接供給負載使用。需要使用電力電子器件構成的轉換器，也就是DC-DC轉換器，將該電能進行適當的控製和變換，變成適合負載使用的電能供給負載或者電網。電力電子轉換器的基本作用是把一個固定的電能轉換成另一種形式的電能進行輸出，從而滿足不同負載的要求。它是光伏發電係統的關鍵組成成分，一般具備有幾種功能：最大功率點追蹤、蓄電池充電、PID自動控製、直流電的升壓或降壓以及逆變。
　　DC-DC轉換器輸出電壓和輸入電壓的關係通過控製開關的通斷時間來實現的，這個控製信號可以由PWM信號來完成。主要工作原理是保持通斷周期(T)不變，調節開關的導通持續時間來控製電壓。D為PWM信號的占空比。 　　根據輸入和輸出的不同形式，可將電力電子轉換器分為四類，即AC-DC轉換器、DC-AC轉換器、DC-DC轉換器和AC-AC轉換器。在離網型光伏發電係統中采用的是DC-DC轉換器。
　　DC-DC轉換器，其工作原理是通過調節控製開關，將一種持續的直流電壓轉換成另一種(固定或可調)的直流電壓，其中二極管起續流的作用，LC電路用來濾波。DC-DC轉換電路可以分為很多種，從工作方式的角度來看，可以分為：升壓式、降壓式、升降壓式和庫克式等。
　　降壓式轉換器(BuckConverter)是一種輸出電壓等於或小於輸入電壓的單管非隔離直流轉換器;升降壓式變換器(Buck-BoostConverter)轉換電路的主要架構由PWM控製器與一個變壓器或兩個獨立電感組合而成，可產生穩定的輸出電壓。當輸入電壓高於目標電壓時，轉換電路進行降壓;當輸入電壓下降至低於目標電壓時，係統可以調整工作周期，使轉換電路進行升壓動作;而升壓式轉換器(BoostConverter)是輸出電壓高於輸入電壓的單管不隔離直流轉換器，所用的電力電子器件及元件和Buck轉換器相同，兩者的區別僅僅是電路拓撲結構不同。
　　蓄電池
　　在獨立運行的光伏發電係統中，儲能裝置是必不可少的。現在可選的儲能方法有很多，如電容器儲能、飛輪儲能、超導儲能等，但是從方便、可靠、價格等綜合因素來考慮，大多數大中型的光伏發電係統都使用了免維護式的鉛酸蓄電池作為係統的儲能裝置。
　　但選用鉛酸蓄電池也有不足之處，它比較昂貴，初期投資能夠占到整個發電係統的1/4到1/2，而蓄電池又是整個係統中較薄弱的環節，因此如果管理不當，會使蓄電池提前失效，增加整個係統的運營成本。
　　光伏控製模塊
　　光伏控製模塊以單片機為控製中心，為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩、高效地為蓄電池充電。並在它充電過程中減少蓄電池的損耗，盡量延長蓄電池的使用壽命，同時保護蓄電池免受過充電和過放電的危害。如果用戶使用的是直流負載，通過太陽能控製器可以為負載提供穩定的直流電(由於受天氣等外界因素的影響，太陽電池陣列發出的直流電的電壓和電流不是很穩定)，同時也通過控製傳感器電路(光控、聲控等)來實現全自動開關燈功能。
　　單片機的主要工作是將電流采集電路和電壓采集電路采集到的電流、電壓進行運算比較，然後通過MPPT算法來調節PWM的占空比D，使光伏陣列組件工作在最大功率點處。
　　離網型逆變器
　　住宅用的離網型光伏發電係統因為部分負載是交流負載，因此還需要離網型逆變器，把光伏組件發出的直流電變成交流電給交流負載使用。光伏離網型逆變器與光伏並網型逆變器在主電路結構上沒有較大區別，主要區別在光伏並網型逆變器需要考慮並網後與電網的運行安全。也就是同頻;同相;抗孤島等控製特殊情況的能力。而光伏離網型逆變器就不需要考慮這些因數。
　　為了提高離網型光伏發電係統的整體性能，保證電站的長期穩定運行，逆變器的性能指標非常重要。
　　離網型光伏發電係統的應用：
　　離網型光伏發電係統廣泛應用於偏僻山區、無電區、海島、通訊基站和路燈等應用場所。