江苏大学新能源报告

《新能源发电技术》报告——光伏发电班级：电气1301姓名：许爱文学号：3130501044完成日期：2016/12/02江苏大学·电气信息工程学院1目录简介··············································2关键词············································2一、时代背景······································21、我国能源需求日趋紧张·························22、世界各国普遍重视开发利用可再生能源···········2二、太阳能光伏发电技术概述························21、概况·········································22、工作原理·····································3三、光伏发电系统概述······························4四、光伏逆变器····································51、并网逆变器···································52、光伏并网发电系统对逆变器的要求···············63、并网逆变器结构的选择·························64、并网逆变器的PWM控制策略····················7五、光伏发电未来展望······························9参考文献·········································102简介：随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。于是全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。关键词：光伏、太阳能、能源、发电一、时代背景1、我国能源需求日趋紧张我国是世界上能源生产和消费大国，但能源资源有限，常规能源资源仅占世界总量的10.7％，人均能源资源占有量远低于世界平均水平。作为全球能源市场日趋重要的组成部分，目前我国的能源消费量已占世界能源消费总量的15%。随着我国经济的快速发展，对能源的需求量将越来越大，预计到2020年，我国一次能源需求将达25～33亿吨标准煤，将是2000年的2倍，能源供需矛盾将日益显现。据预测，目前我国主要能源煤炭、石油和天然气的储采比大致为全球平均水平的50%、40%和70%左右，均早于全球化石能源枯竭速度，能源安全问题越发重要。2、世界各国普遍重视开发利用可再生能源随着时间的推移，化石能源的稀缺性越来越凸显，可再生能源已经开始在世界能源供应的战略结构中占据一席之地，越来越受到各国政府的重视。可再生能源包括水能、生物质能、风能、太阳能、地热能和海洋能等，资源潜力大，环境污染低，可永续利用，是有利于人与自然和谐发展的重要能源。与传统能源相比，可再生能源具有显著的优点，开发利用可再生能源，对优化能源结构、保护环境、减排温室气体、应对气候变化具有十分重要的作用。开发利用可再生能源成为世界能源可持续发展战略的重要组成部分，成为大多数发达国家和部分发展中国家21世纪能源发展战略的基本选择。二、太阳能光伏发电技术概述1、概况太阳能光伏发电技术将太阳能直接转换为电能的技术，它是利用半导体界面的3光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制，因为阳光普照大地；光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期短的优点。2、工作原理1光伏发电是根据光生伏特效应原理,利用太阳能电池将太阳光能直接转化为电能。不论是独立使用还是并网发电,光伏发电系统主要由太阳能电池板（组件）、控制器和逆变器三大部分组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件,所以,光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源无处不在。太阳能光伏发电的最基本元件是太阳能电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和铜铟镓硒薄膜电池等。2光伏效应：光生伏特效应简称“光伏效应”，指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。它首先是由光子（光波）转化为电子、光能量转化为电能量的过程；其次，是形成电压过程。有了电压，就像筑高了大坝，如果两者之间连通，就会形成电流的回路。3P－N结的形成：同质结可用一块半导体经掺杂形成P区和N区。由于杂质的激活能量很小，在室温下杂质差不多都电离成受主离子NA－和施主离子ND+。在PN区交界面处因存在载流子的浓度差，故彼此要向对方扩散。设想在结形成的一瞬间，在N区的电子为多子，在P区的电子为少子，使电子由N区流入P区，电子与空穴相遇又要发生复合，这样在原来是N区的结面附近电子变得很少，剩下未经中和的离子ND+形成正的空间电荷。同样，空穴由P区扩散到N区后，由不能运动的受主离子NA－形成负的空间电荷。在P区与N区界面两侧产生不能移动的离子区（也称耗尽区、空间电荷区、阻挡层），于是出现空间电偶层，形成内电场（称内建电场）此电场对两区多子的扩散有抵制作用，而对少子的漂移有帮助作用，直到扩散流等于漂移流时达到平衡，在界面两侧建立起稳定的内建电场。4P-N结光电效应:当P-N结受光照时，样品对光子的本征吸收和非本征吸收4都将产生光生载流子。但能引起光伏效应的只能是本征吸收所激发的少数载流子。因P区产生的光生空穴，N区产生的光生电子属多子，都被势垒阻挡而不能过结。只有P区的光生电子和N区的光生空穴和结区的电子空穴对（少子）扩散到结电场附近时能在内建电场作用下漂移过结。光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区，即电子空穴对被内建电场分离。这导致在N区边界附近有光生电子积累，在P区边界附近有光生空穴积累。它们产生一个与热平衡P-N结的内建电场方向相反的光生电场，其方向由P区指向N区。此电场使势垒降低，其减小量即光生电势差，P端正，N端负。于是有结电流由P区流向N区，其方向与光电流相反。实际上，并非所产生的全部光生载流子都对光生电流有贡献。设N区中空穴在寿命τp的时间内扩散距离为Lp,P区中电子在寿命τn的时间内扩散距离为Ln。Ln+Lp=L远大于P-N结本身的宽度。故可以认为在结附近平均扩散距离L内所产生的光生载流子都对光电流有贡献。而产生的位置距离结区超过L的电子空穴对，在扩散过程中将全部复合掉，对P-N结光电效应无贡献.三、光伏发电系统概述光伏发电分为独立光伏系统和并网光伏系统。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。独立光伏电站包括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。并网光伏发电系统是与电网相连并向电网馈送电力的光伏发电系统。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。并网光伏发电系统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。并网光伏发电有集中式大型并网光伏电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展。而分散式小型并网光伏，特别是光伏建筑一体化光伏发电，由于投资小、5建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是并网光伏发电的主流。目前从技术上可以实现的光伏发电系统并网的方式有：屋定并网发电系统和沙漠电站系统。屋顶系统是利用现有建筑的屋顶有效面积，安装并网光伏发电系统，其规模一般在几个kWp到几个MWp不等。沙漠电站则是在无人居住的沙漠地区开发建设大规模的并网光伏发电系统，其规模从10MWp到几个GWp的规模不等。四、光伏逆变器逆变器也称逆变电源，是一种可将直流电变换为一定频率下交流电的装置。相对于整流器将交流电转换为固定电压下的直流电而言，逆变器可把直流电变换成频率、电压固定或可调的交流电，称为DC-AC变换。这是与整流相反的变换，因而称为逆变。本节主要介绍逆变器在光伏并网发电系统中的应用。1、并网逆变器并网逆变器是整个光伏并网发电系统的核心，它将光伏阵列发出的电能逆变成220V/50Hz的正弦波电流并入电网。电压型逆变器主要由电力电子开关器件组成，以脉宽调制的形式向电网提供电能。一般来说，并网逆变器具有如下功能：(1)自动开关。根据日出到日落的日照条件，尽量发挥光伏阵列输出功率的潜力，在此范围内实现自动开始和停止。(2)最大功率跟踪(MPPT)控制。在不同的外界温度和太阳光照强度条件下，使光伏阵列尽量保持最大功率输出的工作状态。(3)并网时抑制高次谐波电流流入电网，减少对电网的影响。(4)防止孤岛运行。系统所在地发生停电，但由于光伏发电继续供电，逆变器的输出电压并未变动。此时，就不能正常检测出是否停电，一旦再恢复来电，就有可能造成事故，这种情况称为孤岛运行。为保护设备维修人员不受到伤害，并网逆变器需要具备此功能。6(5)自动电压调整。由于大量的太阳能光伏系统与电网相联，晴天时太阳能光伏系统的剩余电能会同时送往电网，使电网的电压上升，导致供电质量下降。为保持电网的电压正常，运转过程中要能够自动防止并网逆变器输出电压上升。但对于小容量的太阳能光伏系统来说，几乎不会引起电压上升，所以一般省去此功能。(6)异常情况排解与停止运行。当系统所在地电网或逆变器发生故障时，及时查出异常，控制逆变器停止运转。2、光伏并网发电系统对逆变器的要求作为光伏阵列和交流电网系统间进行能量交换的逆变器，其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对光伏并网发电系统的整体投资和收益具有举足轻重的作用。因此，光伏并网发电系统对并网逆变器有如下要求:1)实现高质量的电能转换。并网逆变器输出的电流频率和相位与电网的必须严格一致，以使输出功率因数尽可能的达到1。2)实现系统的安全保护要求。如输出过载保护、输出短路保护、输入反接保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、孤岛保护及装置自身保护等，从而确保系统的安全性和可靠性。3)具有较高的可靠性。目前光伏并网发电系统主要在一些自然条件恶劣的地区，所以逆变器应在长时间的工作条件下保证低故障率，并具有较强的自我诊断能力，因此所设计的逆变器应具有合理的电路结构、严格的元器件筛选。4)最大功率的跟踪。最大限度的利用光伏阵列，提高逆变器的效率。3、并网逆变器结构的选择逆变器一般包括三部分：(1)逆变部分：其功能是采用功率开关器件实现DC/AC逆变。有的逆变器为了提高直流侧的电压范围和MPPT控制采用了多级的逆变结构;(2)控制部分：其功能是控制整个逆变器工作;(3)保护部分：其功能是在逆变器内部发生故障时起安全保护作用。光伏并网逆变器按控制方式分类，可分为电压源电压控制、电压源电流控制、电流源电压控制、电流源电流控制四种方式。以电流源为输入的逆变器，直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于此大电感往往会导致系统7动态响应差，因此当前并网逆变器普遍采用以电压源输入为主的方式。按照输入直流电源的性质，可以将逆变器分为电流型逆变器和电压型逆变器，结构如图2所示。图2