光伏离网系统设计思路、常见问题及解决方案

  光伏离网发电系统主要由光伏组件，支架，控制器，逆变器，蓄电池以及配电系统组成。系统电气方案设计，主要考虑组件，逆变器（控制器），蓄电池的选型和计算。设计之前，前期工作要做好，需要先了解用户安装地点的气候条件，负载类型和功率；白天和晚上的用电量，当然，用户的预算和经济情况也要了解清楚，光伏离网系统，用电是靠天气，没有100%的可靠性，这一点一定要和客户讲清楚。知道以上这些情况，就可以开始做设计了。
 

  1、根据用户的负载类型和功率确认离网逆变器的功率，家用负载一般分为感性负载和阻性负载，洗衣机、空调、冰箱、水泵、抽油烟机等带有电动机的负载是感性负载，电动机启动功率是额定功率的5-7倍，在计算逆变器的功率时，要把这些负载的启动功率考虑进去。逆变器的输出功率要大于负载的功率。对于监控站，通信站等要求严格的场合，输出功率是按所以的负载功率之和。但对于一般贫困家庭而言，考虑到所有的负载不可能同时开启，为了节省成本，可以在负载功率之和乘以0.7-0.9的系数。并不是每一个客户都会对负载功率很清楚，下面的列表是常用家用电器的功率，供设计时参考。
 

  2、根据用户每天的用电量确认组件功率。组件的设计原则是要满足平均天气条件下负载每日用电量的需求，也就是说太阳能电池组件的全年发电量要等于负载全年用电量。因为天气条件有低于和高于平均值的情况，太阳能电池组件设计的基本满足光照最差季节的需要，就是在光照最差的季节蓄电池也能够基本上天天充满电。但在有些地区，最差季节的光照度远远低于全年平均值，如果还按最差情况设计太阳能电池组件的功率，那么在一年中的其他时候发电量就会远远超过实际所需，造成浪费。这时只能考虑适当加大蓄电池的设计容量，增加电能储存，使蓄电池处于浅放电状态，弥补光照最差季节发电量的不足对蓄电浊造成的伤害。组件的发电量并不能完全转化为用电，还要考虑控制器的效率和机器的损耗以及蓄电池的损耗，太阳能控制器有PWM和MPPT两种类型，PWM控制器效率约85%，输入电压范围比较窄，但价格比较低，MPPT控制器效率约95%，价格比较高。蓄电池在充放电过程中，也会有10-15%的损耗。离网系统可用的电量=组件总功率*太阳能发电平均时数*控制器效率*蓄电池效率。
 

  有一些离网用户，没有装过电表，对自己的用电情况不是十分清楚，还有一些离网系统，是新建的，这时就需要去估算每天的用电量，对于灯泡、电风扇、电吹风这样的负载，用电量等于功率乘以时间；但空调，冰箱这样的负载，是间隙性工作的，电视，电脑，音响这样的负载，工作时很少在满功率状态，计算电量时，就要综合考虑了。
 

空调是家用电器耗电量最大的负载，1匹空调的电功率是735W，也就是说1小时满负荷运行消耗0.735度电，空调还有一个指标“制冷量”，单位也是W，1匹空调制冷量约2300W，空调的耗电和室内外温度差，房间面积，空调的能效率有很大关系，1台1P的空调，晚上用8小时，耗电1-5度不等。

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3、根据用户晚上用电量或者期望待机时间确定蓄电池容量。蓄电池的任务是在太阳能辐射量不足时，保证系统负载的正常用电。对于重要的负载，要能在几天内保证系统的正常工作，要考虑连续阴雨天数。对于一般的负载如太阳能路灯等可根据经验或需要在2～3天内选取。重要的负载如通信、导航、医院救治等则在3～7天内选取。另外还要考虑光伏发电系统的安装地点，如果在偏远的地方，蓄电池容量要设计得较大，因为维护人员到达现场就需要很长时间。实际应用中，有的移动通信基站由于山高路远，去一次很不方便，除了配置正常蓄电池组外，还要配备一组备用蓄电池组，对于一般贫困家庭而言，主要考虑价格，则不用考虑阴雨天，太阳好的时候多用。太阳不好的时候少用，没有太阳则不用。选择负载时，尽量使用节能设备，如LED灯，变频空调。蓄电池的设计主要包括蓄电池容量的设计计算和蓄电池组串并联组合的设计。在光伏发电系统中，大部分使用的都是铅酸蓄电池，考虑到电池的寿命，一般取放电深度为0.5-0.7之间。蓄电池设计容量=（负载日均用电量*连续阴雨天数）/蓄电池放电深度。

离网用户的需求是多种多样的，根据用户的要求设计光伏系统。这时候就要灵活处理，不一定要按上述的原则去设计，例如有一个客户，家里有6块260W的组件，要做一套光伏离网系统，客户家里有市电，但经常会停电，总负载是10KW，一天的用电量是20-30度，如果只有这1.56KW组件，根本没有办法满足客户的用电量要求，这时候就可以考虑满足客户一部分负载的需求，经计算组件一天能发5度电，采用3.0KVA的离网逆变器，4块12V150Ah的蓄电池，输出接一个插板，平时接家里的照明灯泡，电脑，洗衣机之类的负载，晚上如果还有电，也可以单独接一台空调。

对于针对特定人群的大项目，由于每个用户情况不一样，无法满足所有的需求，这时候就要综合考虑。一般情况下，是取一个平均值，如解决我国西部无电地区用电问题的光伏工程，一般牧民家庭，采用2块250W的组件，一个500VA的离网逆变一体机，2个12V150AH的蓄电池，每天能发2.5度电，原材料成本价约6000元左右，可满足电视机、小型电冰箱、DVD机、节能灯等电器的用电需求。重量比较轻，方便移动。在四川甘孜州某光伏扶贫项目中，采用中功率离网系统， 8块250W的组件，3KVA的离网逆变一体机，4节12V200AH的蓄电池，每天可以发8-10度电，可满足电视机、电冰箱、DVD机、电脑、1P空调，节能灯等电器的用电需求。由于系统总体发电量高，可以支持更多的家用电器设备，生活质量得到提高。
 

光伏离网系统常见问题：

设计光伏离网系统时，要灵活处理，不要拘泥于某一个固定公式。光伏离网系统不能解决所有的用电问题，遇到多个连续阴雨天，只能省着用电。离网逆变器没有统一的标准，也不需要强制认证，市面上的产品良莠不齐，产品质量和价格相差很大，大家在选购离网逆变器时，请认准：“晶福源”或者“JFY”商标。碰到假货或者劣质产品要及时投诉或者报警。

1、组件，逆变器，蓄电池设计时要匹配，任何一个都不能过大或者过小，新手设计时，经常会把用电量计算过大，如1P空调运行12小时，算成10度电，300W的冰箱运行24小时，算成7.2度电，造成蓄电池容量过大，系统成本过高。设计蓄电池容量时，最好2天时间就给能充满。

2、光伏离网系统输出连接负载，每个逆变器输出端电压和电流相位和幅值都不一样，逆变器不支持输出端并联。不要把逆变器输出端接在一起。

3、负载是电梯之类的负载不能直接和逆变器输出端相连接，因为电梯在下降时，电动机反转，会产生一个反电动势，进入逆变器时，对逆变器有损坏。如果必须要用离网系统，建议在逆变器和电梯电动机之间加一个变频器。

4、带市电互补输入的光伏微网系统，组件的绝缘要做好，如果组件对地有漏电流，会传到市电，引起市电的漏电开关跳闸。

5、组件的电压和蓄电池的电压要匹配，PWM型控制器太阳能组件和蓄电池之间通过一个电子开关相连接，中间没有电感等装置，组件的电压是蓄电池的电压1.2-2.0倍之间，如果是24V的蓄电池，组件输入电压在30-50V之间，MPPT控制器，中间有一个功率开关管和电感等电路，组件的电压是蓄电池的电压1.2-3.5倍之间，如果是24V的蓄电池，组件输入电压在30-90V之间。

6、组件的输出功率和控制器的功率要相近，如一个48V30A的控制器，输出功率为1440VA，组件的功率应该在1500W左右。选择控制器时，先看蓄电池的电压，再用组件功率除以蓄电池的电压，就是控制器的输出电流。

7、蓄电池的充电电流一般为0.1C-0.2C，最大不超过0.3C，例如1节铅酸蓄电池12V200AH，充电电流一般在20A到40A之间，最大不能超过60A；蓄电池的放电电流一般为0.2C-0.5C，最大不超过1C，1节12V200AH铅酸蓄电池，输出最大功率不超过2400W，不同的厂家，不同的型号，具体的数值也不一样，设计时要向厂家索取说明书。

以上方法只是我在长期的工作中极小的一部分经验，欢迎各位同行和我联系，如有转载，请注明出处。作者简介：刘继茂，深圳晶福源市场部业务员，哈尔滨工业大学电力电子研究生。1994年开始从事设备维修和设计工作，2008年开始从事逆变器研发和光伏系统设计工作。长期跟踪国内外100多个光伏电站运行情况，设计过1000多个并网和离网系统，对光伏逆变器的发展、光伏系统设备的选型，可靠性设计，运行维护有独到的理解。