小型分布式光伏发电系统设计

摘要:小型分布式光伏发电系统设计在我国正处于不断完善的阶段，探讨小型分布式光伏发电系统设计，对我国小型分布式光伏发电系统设计的发现有着积极意义。本文从小型分布式光伏发电系统结构出发，探讨了电气系统设计的各方面的内容，为小型分布式光伏发电系统设计提供参考。

关键词:分布式发电；小型分布式发电;储能电池

中图分类号：S611文献标识码： A

1小型分布式光伏发电系统结构

家用分布式光伏发电系统主要包括太阳能光伏电池组件、并网逆变器、储能电池、用于蓄电池充放电的双向换流器、电能表计等部分。光伏发电系统具有诸多优点，如:安装方便、维护少、发电过程中不会排放污染物质等。本文针对一典型的分布式光伏发电系统拓扑结构展开分析和设计，拓扑结构如图1所示。其工作模式为:

(1)白天通过太阳能光伏电池发电，所发电能首先通过充放电控制器向蓄电池组充电，当电池充满电之后，所发电量上送至公共电网。

(2)白天用电时将首先选用就地的光伏系统所发电能，在不足以支撑用电负荷时切换到公共电网，从公共电网取电;晚上用电时首先通过充放电控制器从蓄电池组获取电能，当蓄电池组蓄能不足时从公共电网获取电能。

图1分布式光伏发电系统拓扑结构

图1中:W1为发电系统与公共电网相连的关口计量表，该表应具备双向计量的功能，一方面用以计量由发电系统输向公共电网的电量W1a，另一方面用以计量从电网获取的电量W1b;W2为与就地负载母线相连的计量表，用以计算家用负载的用电量W2。家庭从电网获取的电量为W1b，家庭自用的光伏发电量为W2－W1b，光伏发电系统输入电网的电量为W1a，由此即可根据相应的电量计费标准进行电费的结算。

2电气系统设计

设计太阳能光伏发电系统需根据装机容量以及应用类型选择合适的控制器、光伏组件等，同时，阵列间的距离对电站的输出功率和转换效率有较大的影响，如安装不妥，后排的电池阵列将被前排阵列的阴影遮挡，从而造成组件的热斑效应并影响发电量。因此，还需对光伏组件进行合理的串、并联以及空间布置设计。家用分布式光伏发电系统还应具有储能设备，因此，需要对储能蓄电池以及相应的充放电控制器进行设计选型。

2.1普通家用电负荷

家庭负荷可概括为:5个20W节能灯，日均工作5h;1台150W的29寸彩电，日均工作4h;1台电功率为200W的电冰箱，日耗电量约为1kW・h;1台300W的洗衣机，日均工作约0.5h;2台70W左右的笔记本电脑，日均工作3h;2台制冷功率约为1200W的空调，日耗电量每台约为2kW・h，1台制冷功率约为1600W的空调，日耗电量约为3kW・h。通过以上统计，家庭内的一般用电负荷最大约为4.9kW，日最大用电量约为9.67kW・h。但考虑到用电设备的同时系数，3kW左右的负荷即可满足一般使用，日均用电量6kW・h左右，故本文将以3kW负荷、日均用电量6kW・h作为分布式系统基础数据。

2.2充放电控制器选择

充放电控制器，即为双向换流器，即可实现太阳能光伏电池所发出的能量存储到蓄电池，也可实现蓄电池向家用交流负载或电网释放，是蓄电池充放电以及实现相应保护功能的自动控制设备。本文考虑将充放电控制器置于交流母线侧，故该控制器的交流侧电压需为220V(AC)，为便于选择现有的充电控制器以及方便电池单体串并联，蓄电池直流侧电压设计为48V，选择了型号为BEG3000-E的双向换流器。

2.3逆变器选择

本文选用了3kW的家庭负荷，故选用型号为SG3KTL、容量为3kW的逆变器。

2.4蓄电池组容量计算

对于海岛或者架设送电线路造价太高的地区，分布式光伏发电系统需安装相应的储能设备;对于具有送电线路的家用小型分布式光伏发电系统，考虑到很多家庭白天用电负荷较小，用电高峰集中在晚上，而太阳能恰恰又是与日照密切相关的，晚上是不发电的，本着自发自用余电上网的原则，故该系统中需配备蓄电池组进行能量的存储以便晚间使用。同时，考虑到蓄电池体积较大，家庭分布式光伏发电系统，在自发电量不足以供给用电负荷时，也可从公共电网取市电来使用。故本文仅从探索的角度出发，将蓄能容量满足每天6kW・h的用电为标准，在实际操作中可根据实际情况进行具体调整。储能蓄电池的容量应按下式计算:

式中:Cc为储能电池容量,P为日均用电量,D为蓄能天数,F为储能电池放电效率的修正系数,，通常为1.05;U为储能电池的放电深度，其数值为0.5～0.8;Ka为包括逆变器等交流回路的损耗率，通常为0.7～0.8。本文中，放电深度取80%，损耗率取0.8，根据上述用电负荷以及储能时长，可算得蓄电池容量Cc=9.84kW・h。本文选择蓄电池侧电压为60V，则蓄电池安时数为164A・h。选用单体标称电压为12V，容量为170A・h的蓄电池5块，全部串联，蓄电池型号为12SP170.

2.5光伏组件设计及选型

2.5.1光伏组件串并联设计

由逆变器参数可知，其最大功率跟踪电压为150～450V，且光伏电池组件的最大装机容量需小于3300W。同时，考虑到光伏组件型号的普遍应用性以便安装以及后期维护，使光伏电池方阵的电气特性与逆变器匹配，本文选择了型号为TSM－240的组件。

光伏组件的串联数可如下式计算：

根据所选择的逆变器、光伏组件参数以及系统所在地，可得光伏组件的串联数满足:

4.39≤N≤13.16。本文选择N=13，每串由13块240W的光伏组件串联组成，每串组件功率为3120W。由于本文选择的光伏逆变器额定功率为3kW，则并联支路数为N'=3000/3120=0.9615。该逆变器的最大直流输入功率为3300W，则此时并联支路数为N'=3300/3120=1.058。因此，并联支路数取1，则装机容量为3120W。

2.5.2光伏专用电缆选择

连接光伏组件的直流专用电缆的截面大小应满足电缆长期允许载流量以及回路允许电压降，截面积S为

由于家庭屋顶面积相对较小，光伏组件的组串数较少，则光伏组串可直接接至逆变器而无须经过汇流箱这一环节，这样既节约了成本又降低了电能在传输过程中的损耗。屋顶布置的光伏组件至逆变器的距离一般不会超过30m，本文即以30m作为光伏组件至逆变器的距离。取电压降系数为0.5%，综合前文光伏组件的相应参数，可得S=4.0mm2，故可选用型号为PV1-F1×4mm2的光伏专用电缆。

2.6防雷接地设计

因光伏组件置于屋顶之上，有可能遭受直击雷或感应雷电波的侵入，因此，光伏组件边框上的接地孔须用BVＲ－1×6铜绞线逐个跨接，直至两边缘与光伏组件固定支架的连接螺栓用线鼻可靠固定;光伏组件固定支架采用－50mm×5mm热镀锌扁钢与屋顶的避雷带相连，连接点不少于2处，连接处焊接的长度应不小于扁钢宽度的2倍。同时，逆变器直流输入以及交流输出等处应附带有避雷器，以防止雷电波的侵入。

3结论

在国内大力鼓励发展分布式光伏发电的背景下，本文提出了一种家用小型分布式光伏发电系统结构，并实现其系统设计。根据系统要求，合理地配置了系统中充放电控制器、额定功率3kW的逆变器以及170A・h的储能蓄电池等重要设备。通过相应设备的具体参数佐证了选择的合理性，并设计了由13块太阳能光伏组件组成的一串光伏阵列以满足系统要求。

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