2014课程学习资料7

第七章光伏发电系统概述7.1光伏发电系统（PVsystem）基本构成对太阳能电池来说最小的发电单元是太阳能电池组件，但很多情况下并不能直接提供给负荷使用。将太阳能电池组件经过控制单元以及电能存储和变换环节后，构成的可以直接提供给负荷端的发电和电能变换系统称为光伏发电系统。图7-1给出了典型光伏发电系统的构成示意图，同其他发电系统一样，也是由发电设备、电能控制、储存和变换系统以及电网或用电端三大部分组成。二、电能控制、存储和变换一、发电设备三、电网或用电设备电网二、电能控制、存储和变换一、发电设备三、电网或用电设备电网图7-1光伏发电系统的基本构成一、光伏阵列及保护二极管光伏发电系统中的发电设备并不仅仅是光伏组件，光伏发电系统根据负荷需求，可以采用单块或多块组件串并联使用，由太阳能电池组件串、防止逆流元件、旁路元件和接线箱等构成的太阳能电池组件集合体也被称为太阳能电池阵列，而大型（100K以上）光伏电站由多组太阳能电池阵列构成。二极管是光伏阵列中最常用的的保护器件，根据用途不同有以下一些种类。旁路二极管：短路掉不发电的组件，避免产生热点效应，实际应用时，由于设置旁路二极管要增加成本和损耗，对于组件串联数目不多并且现场工作条件比较好的场合，也可不用旁路二极管。二极管要求同组件中的旁路二极管一致；阻塞二极管：阻塞二极管置于组件和蓄电池之问的正极性线路上，在某些低压系统中，阻塞二极管产生的电压降不容忽略，造成损耗，因此一般选用正向电压降非常低的专用二极管。硅整流二极管管压降为0.6-0.8V，大容量硅整流二极管的管压降可达1-2V，若用肖特基二极管，管压降可降低为0.2-0.3V，但肖特基二极管的耐压和电流容量相对较小，选用时要加以注意。它的主要作用是避免蓄电池短路，或者在夜间或阴天时防止蓄电池电流回流到方阵，防止蓄电池通过太阳能漏电；阻塞二极管可以集成在光伏控制器中，也可以用N沟道MOSFET器件（充电控制器用）兼用防止反冲电功能来替代；隔离二极管：当方阵工作电压高于48V时，应该安装隔离二极管。当方阵其中一串组件或支路发生故障时，隔离二极管可将正常支路与故障支路隔离，从而防止正常支路组件电流的下降。稳压管：并联在光伏阵列的输出终端，限制过电压。也叫二极管限压器，保证蓄电池不会给负载提供过多的电压。系统设计者选择的二极管额定电流，至少是预期通过的最大电流的2倍。二极管的耐压至少能承受2倍的反向工作压。二、光伏发电系统分类光伏发电系统根据是否需要并入主电网可以分为独立型光伏发电系统（Stand-alonePVsystem）和并网型光伏发电系统（Grid-ConnectedPVsystem）两大类，微电网中的光伏系统特征更趋向于独立光伏系统。独立光伏系统是不同常规电力系统相连而孤立运行的发电系统，主要建设在远离电网的偏远地区，或者作为野外，例如荒山、海面、道路等地理条件特殊场合的独立或移动式供电系统使用。由于太阳能发电的限时性和不定性，独立光伏系统的最主要的特征就是必须带有蓄电池储能系统，或配备其他电源作为补充，因此系统相对复杂。kW级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统或电站(Off-gridPVsystem)。独立光伏系统的组成部件可以简单描写为下面几项。•太阳能电池阵列（包括安装支架）；•直流汇流箱、交直流电路（熔断器、断路器、电缆导线、防雷保护、接地故障保护器等；）•蓄电池组（储能系统）•太阳能电池控制器•逆变器•远程监控；•电器控制柜；•其他附加电力来源（风电、柴油等）；•负荷；在独立光伏系统中，由于由光伏发电直接提供能源，因此负荷的动作特性和容量非常重要，某些时候甚至决定了独立光伏系统的构架。并网型光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，同其他种类的发电站一样，可以为电力系统提供有功和无功电能。并网型光伏发电系统发电直接上网，可分为单向和双向两种情况，前者只是向电网输出电能，后者同时可以由公共电网补充自身发电的不足。可以不采用储能设备，或者根据实际情况使用储能装置来补偿峰值期用电等，但需要并网逆变控制器，系统相对较为简单，组成部件有：•光伏电池方阵；•汇流箱（有防雷装置等)；•并网逆变器（包括控制器）；•监控设备；•计量电表；•配电室；•电网。典型的并网光伏系统组成如图7-2所示。光伏并网系统对电网的电能质量及稳定性的影响是目前研究的重要课题之一，随着光伏发电应用的普及，电网对光伏发电的容纳能力是一个关键。独立光伏系统和并网光伏系统的大部分结构是一致的，系统中的电能控制、存储和变换单元在很多时候都可以通用，下面以独立光伏发电系统为例，介绍系统中的电能控制、存储和变换等设备。图7-2一个典型的并网光伏系统组成7.2光伏发电系统中的电能控制光伏发电系统中常用的电能控制装置是光伏控制器。光伏并网系统中如果不采用储能设备，光伏控制器主要功能是保证电池板的最大功率输出，一般同负责电能转换的光伏逆变器集成在一起，独立光伏系统中带有储能设备及负载，其中的光伏控制器比较复杂，需要控制储能设备的充放电，可以同逆变器集成在一起也可以分开。一、独立光伏发电系统中的光伏控制器独立系统中的光伏控制器主要有以下几点功能：（1）有效隔离蓄电池和光伏阵列，控制太阳能电池对蓄电池的充电以及蓄电池向负载的放电，放在过充过放，随时检测蓄电池工作状态，自动切换其他电源，它的控制性能直接影响蓄电池使用寿命和系统效率；（2）有效利用太阳能电池输出、降低损耗，防止组件阵列的热斑效应。通过使用最大功率追踪技术，光伏控制器能保证太阳能阵列全天时、全天候的最大效率的工作；（3）具有数据采集功能，具有串行通信数据传输功能，可用于远程监控和管理。（一）充放电控制对带有储能和负载的独立光伏系统来说，储能单元的充放电控制是光伏控制器的首要功能。不仅需要提供最佳的充放电电流电压，而且根据实际情况进行蓄电池供电和光伏直接供电的切换。图7-3给出了一个最简单的充放电控制流程图。图7-3光伏系统中的充放电控制示意图最常用的充放电控制模式有三种，串联型、并联型以及PWM型。并联型的开关元件并联在光伏组件两端。控制检测器电路，监控蓄电池端电压，当充电电压超过蓄电池设定的充满断开值（HVD）时，开关元件接通，将蓄电池旁路。当蓄电池端电压下降到设定的恢复充电电压值时，开关元件断开，接通充电回路。切断充电回路，恢复蓄电池供电。该模式线路简单，价格便宜。但缺点也非常明显。在蓄电池充满保护而光伏组件还在发电时会让光伏组件产生较大的短路电流，加速老化，且光伏电能浪费。一般仅适用于微小型要求不高的光伏系统（要求不高的微小型光伏系统）。图7-4(a)为并联型充放电控制原理图。图7-4（a）并联型充电控制原理（b）串联型充电控制原理串联型是在光伏组件和蓄电池直接串联一个开关元件。控制检测器电路监控蓄电池端电压，当充电电压超过蓄电池设定的充满断开值（HVD）时，切断充电回路，恢复蓄电池供电。串联型充电控制器多采用功率场效应管（MOSFET）、IGBT、固体继电器等。还可以兼做防反二极管。由于串联在充电回路中，电路电压损失较大，适用于小型系统。图7-4(b)为串联型充放电控制原理图。在光伏系统中应用最为广泛的是具有脉宽调制（PWM）的充电控制模式。PWM模式以脉冲方式开关光伏组件的输入。当蓄电池趋向充满时，随着其端电压的逐渐升高，脉冲的频率或占空比发生变化，使导通时间缩短，充电电流逐渐趋于零。当蓄电池电压下降到远低于充满电时，充电电流又会逐渐增大。也就是说可以根据蓄电池剩余电量自动调整充电模式，例如蓄电池非常缺电时，是快速充电阶段。利用最大功率点跟踪，尽可能充分利用光伏输出，但充电电流控制在1C以内，可充至80%~90%；蓄电池接近满充时采用恒压充电，可充至97%以上；蓄电池已充满或非常接近充满时采用浮充充电。图7-5给出了pwm模式充电控制的原理图。图7-5具有脉宽调制（PWM）的充电控制模式PWM模式应用范围广泛，最大的优点就是可以充分利用光伏电能，维护蓄电池寿命。多用于野外独立光伏系统，例如光伏路灯，基站等，也常用于大、中型光伏发电。该方式可以提高蓄电池寿命，而且可以同时实现最大功率点跟踪功能。充电控制器还有其他一些功能，例如深放电保护，蓄电池温度补偿，熔断器，断路器，防反二极管保护器件，针对不同蓄电池用户可以自行设定工作点等。（二）最大功率跟踪光伏控制器的第二项重要功能是保证光伏发电能量得到充分的利用。光伏发电是一种非稳态的发电方式，光伏阵列的输出是非线性的，而且受到光照强度、环境温度和负载的影响。光伏电池可以工作在不同的输出电压，但只有在某一输出电压时，其输出功率最大，这一工作点被称为最大功率点（MaximumPowerPoint，MPP）。在光伏系统中，实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，被称为最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）。最大功率点跟踪器用来匹配光伏电池最大输出，或者将太阳能板的输出电压从其瞬时最大功率点，调整为符合系统负载或充电工作要求的电压（升压、稳压等）。当然，跟踪器本身的损失要尽可能小，转换效率要高。下面再次复习一下光伏电池的输出特性。式7-1是光伏电池的输出特性，可以看出，光生电流和饱和电流都受到温度的影响。7-2是光生电流同温度的关系，式7-3是饱和电流同温度的关系。()01禳轾++镲犏-睚犏镲臌铪ssphSHqVIRVIRI=I-Iexp-nkTR7-17-230011expgdrefrefqETIITkTT骣骣骣琪琪琪=-琪琪琪琪桫桫桫7-3电池和组件本身的寄生电阻对电池输出特性的影响是比较固定的，温度和光强对光伏输出的影响不仅非常大，而且没有时间规律可循，必须时时跟踪。图7-6(a)和(b)分布给出了光强和温度对最大输出功率点的影响。可以看出温度升高，光伏输出功率下降很大，最大功率点变化也非常大。光强对最大功率点的影响较温度的影响弱，光强非常弱的情况下变化才较为明显。因此功率跟踪需要特别注意温度的变化。图7-6(a)常温下光伏输出同光强关系(b)温度光强下光伏输出同温度关系实现最大功率跟踪有不同的跟踪控制模式和算法。常用跟踪模式目前有恒电压控制（CVT：ConstantVoltageTracking）和所谓的最大功率点跟踪模式（MPPT：MaximumPowerPointTracking）恒电压模式的算法较为简单，是通过将光伏阵列端电压稳定于某个值的方法,确定系统功率点。该模式在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使系统成为一个稳压器，使阵列的工作点稳定在选定的Um附近。其优点是控制简单,系统稳定性好，但当温度变化较大时,CVT方式下的伏阵列工作点将偏离最大功率点，Um必须重新设定。图7-7给出了该工作模式的原理图。MPPT模式是目前使用最为广泛的最大功率跟踪模式和光伏阵列功率点控制策略。它通过实时改变系统的工作状态,跟踪阵列的最大工作点,从而实现系统的最大功率输出。它是一种自主寻优方式,动态性能较好,但稳定性不如CVT。MPPT中控制算法较为复杂，其常用算法有“上山”法、干扰观察法、电导增量法等。目前对MPPT的研究集中在简单、高稳定性的控制算法实现上,如最优梯度法、模糊逻辑控制法、神经元网络控制法等,也都取得了较显著的跟踪控制效果。图7-7恒压工作模式跟踪最大功率输出MPPT模式采用了脉宽调制来控制光伏输出，其基本算法原理是在一个规定的周期内，微处理器定期地主动调节PWM的占空比D，改变太阳能电池的输出电流，从而引起太阳能电池的输出电压变化，检测太阳能电池输出电压及输出电流，计算出太阳能电池阵列的输出功率，然后根据最大功率点跟踪策略，即跟踪算法来寻找最大功率点的位置。它在本质上是一个DC/DC转换器。图7-8是一个MPPT原理图。图7-8MPPT工作原理框图最大功率点的常用追踪算法有下列几种：•扰动观察法-：通过不断扰动太阳能光伏系统的工作点来许找最大功率点的方向，先扰动输出电压值然后测量其功率变化，与扰动前的功率相比，如果功率值增加，则表示扰动方向正确，否则则重新设置扰动