太阳能光伏发电原理及关键设备(中环工程-新能源研发部-1023)

（中环工程公司新能源事业部史君海）2009年10月24日太阳能光伏发电原理及关键设备光伏电池、逆变器与跟踪器——引言9首先探讨光伏电池原理，重点掌握光伏电池伏安特性。9在此基础上，学习光伏并网逆变器原理，重点把握波形控制、MPPT原理和反孤岛控制。9在掌握光电池原理基础上，讨论跟踪器工作原理，重点把握各类跟踪器提高光伏发电量的作用。一、太阳能光伏发电原理二、光伏并网逆变器三、太阳能跟踪器目目录录一、太阳能光伏发电原理一、太阳能光伏发电原理1.典型并网光伏发电系统原理2.光伏电池原理3.光伏电池电气特性1.1.典型并网光伏发电系统原理典型并网光伏发电系统原理太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理特点：1、并网点在配电侧；2、采用“可逆流”并网方式（电流是双向的，可以从电网取电，也可以向电网送电）；3、分“上网电价”并网方式（双价制）和“净电表计量”方式（平价制）。①太阳电池②开关/保护/防雷③电缆④并网逆变器⑤电度表（光伏电量）与建筑结合的并网光伏发电系统（BIPV）1.1.典型并网光伏发电系统原理典型并网光伏发电系统原理太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理1、光伏电池2、跟踪器3、汇流箱4、直流屏5、逆变器6、升压站7、其它设备并网光伏发电站2.2.光伏电池原理光伏电池原理太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理‡工作过程:太阳电池(solarcell)是以半导体制成的，将太阳光照射在其上，太阳电池吸收太阳光后，能透过p型半导体及n型半导体使其产生电子(负)及空穴(正)，同时分离电子与空穴而形成电压降，再经由导线传输至负载2.2.光伏电池原理光伏电池原理太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理1.光能到电能转换只有在P-N结界面活性层发生。并且一个光子只能激发出一个电子-空穴对。2.具有足够能量的光子进入P-N结区附近才能激发电子-空穴对。（硅电池，光波长小于1.1um可见光）3.温度升高，P-N结界面活性层变薄，造成电池电压降低、光能到电能转换能力降低2.2.光伏电池原理光伏电池原理((电池电池\\组件组件\\阵列阵列))太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.3.光伏电池组件电气特性光伏电池组件电气特性––预备知识预备知识光伏并网逆变器光伏并网逆变器直流电是指方向不随时间发生改变的电流，但电流大小可能不固定，而产生波形。3.3.光伏电池组件电气特性光伏电池组件电气特性太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理3.3.光伏电池组件电气特性光伏电池组件电气特性太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理太阳电池的I-V特性及功率曲线3.3.光伏电池组件电气特性光伏电池组件电气特性太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理标准测试条件STC(AM=1.5,P0=1000W/m2,T=25°C)转换效率k=Pm/Pa=(Im*Um)/(P0*Aa),填充因子FF=Pm/Pc=(Im*Um)/(Isc*Voc),3.3.光伏电池组件电气特性光伏电池组件电气特性太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理二、光伏并网逆变器二、光伏并网逆变器1.从“名字”谈起2.‘逆变器’重要么？3.相关交流电知识4.并网逆变器系统5.逆变原理（波形控制）6.ＭＰＰＴ原理7.反孤岛效应8.逆变器技术指标１１..从从““名字名字””谈起谈起光伏并网逆变器光伏并网逆变器逆变器是把直流电能逆变为交流电能的电力电子设备。并网逆变器输出侧接入电网，要求逆变器输出电流波形符合电网要求光伏光伏电能输入逆变器，要求逆变器跟踪光伏电池最大功率点（ＭＰＰＴ）２２..逆变器重要么？逆变器重要么？光伏并网逆变器光伏并网逆变器２２..逆变器重要么？逆变器重要么？光伏并网逆变器光伏并网逆变器２２..逆变器重要么？逆变器重要么？光伏并网逆变器光伏并网逆变器结论：具有逆变、并网、光伏MPPT、监测控制、网络通信等功能,工作特性决定电站性能，非常重要，是光伏并网发电系统核心部件,具有很高经济价值。3.3.相关的交流电知识相关的交流电知识光伏并网逆变器光伏并网逆变器正弦波(sinewave)方形波(squarewave)锯齿形波(sawtoothwave)交流电也称“交变电流”，简称“交流”。一般指大小和方向随时间作周期性变化的电压或电流。光伏并网逆变器光伏并网逆变器()2sin(2)utUftπθ=+UUθ=∠JG50fHz=对任意交流电压频率固定，例如：()2sin(2)sin(2)mitIftIftIIπθπθθ=+=+⇔=∠G同样，对任意交流电流，频率固定：3.3.相关的交流电知识相关的交流电知识光伏并网逆变器光伏并网逆变器3.3.相关的交流电知识相关的交流电知识URI=光伏并网逆变器光伏并网逆变器2LXLfLωπ==3.3.相关的交流电知识相关的交流电知识光伏并网逆变器光伏并网逆变器112CXCfCωπ==90900oooCUjXIXcIU=−=∠−∠=∠3.3.相关的交流电知识相关的交流电知识光伏并网逆变器光伏并网逆变器()RLCLCLCUUUURIjXIjXIRIjXXIZI=++=+−=+−=arctanLCXXRϕ−=3.3.相关的交流电知识相关的交流电知识光伏并网逆变器光伏并网逆变器将电压三角形的各个边乘以电流I，就可得到功率三角形。P＝URI＝Scos（W）Q＝QL－QC=Ssin（var）S＝UI＝＝（VA）阻抗三角形、电压三角形和功率三角形是分析计算R、L、C串联或其中两种元件串联的重要依据。ϕcosP22QP+功率因数：ϕλcos==SP3.3.相关的交流电知识相关的交流电知识ϕϕ4.4.光伏并网逆变器系统光伏并网逆变器系统光伏并网逆变器光伏并网逆变器4.4.光伏并网逆变器系统光伏并网逆变器系统光伏并网逆变器光伏并网逆变器5.5.逆变原理（输出电流波形控制）逆变原理（输出电流波形控制）光伏并网逆变器光伏并网逆变器图逆变器简化原理图5.5.逆变原理（输出电流波形控制）逆变原理（输出电流波形控制）光伏并网逆变器光伏并网逆变器图逆变器等效电路图等效电路图矢量分析5.5.逆变原理（输出电流波形控制）逆变原理（输出电流波形控制）光伏并网逆变器光伏并网逆变器图交流电生成5.5.逆变原理（输出电流波形控制）逆变原理（输出电流波形控制）光伏并网逆变器光伏并网逆变器用一系列等幅不等宽的脉冲来代替一个正弦半波–正弦半波N等分，可看成N个彼此相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不等–用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等–宽度按正弦规律变化ωtOua)b)Ouωt用PWM波代替正弦半波¾SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形¾要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲宽度即可5.5.逆变原理（输出电流波形控制）逆变原理（输出电流波形控制）光伏并网逆变器光伏并网逆变器urucuOωtOωtuouofuoUd-Udug2=0T2断控制电压的分布：电路中，T1、T2为频控臂：当ur0ug1=1T1通当ur0ug2=1T2通ug1=0T1断即ug1和ug2互为反相，并受ur极性控制。其频率为调制信号的频率。正弦波PWM调制方式(单极性)结论：通常通过PWM调节开关桥路输出交流电压v,控制电抗L的电流i，即逆变器输出电流，使得逆变器向电网注入正弦波电流，并且与电网电压e同频同相，达到并网发电目的。注：逆变器输出电流实际上是含有谐波的交流电流，可以用电流总谐波谐波系数描述。5.5.逆变原理（输出电流波形控制）逆变原理（输出电流波形控制）光伏并网逆变器光伏并网逆变器注：总THD系数表征了实际波形同其基波分量差异的程度。输出为理想波形时，THD为零1222,3,411nnTHDII∞=⎛⎞=⎜⎟⎝⎠∑总谐波系数1,2,3,4()sin(2)nnnitInftπθ∞==+∑实际电流光伏并网逆变器光伏并网逆变器6.MPPT6.MPPT原理原理两点认识：1）在光伏组件、接收的太阳辐射量固定，在光伏组件不同工作点（电压与电流）输出功率不同，其中存在一个输出功率最大的工作点，即最大功率点MPP2）在光伏组件或接收的太阳辐射量变化时，在光伏组件输出电气特性曲线变化，最大功率点移动。结论：为了从光伏电池中获取更多的电能，充分利用光伏电池组件能量，希望光伏组件尽可能地工作在最大功率点。使用MPPT技术可以达到这个要求6.MPPT6.MPPT原理原理光伏并网逆变器光伏并网逆变器MPPT－MaximumPowerPointTracking（最大功率点跟踪）技术是充分利用光伏电池组件能量必备的技术，通过不断对PV的电压（电压控制）或电流（电流控制）进行小幅度的扰动，实时计算其输出功率的变化，从而逐渐实现最大功率点的跟踪。6.MPPT6.MPPT原理原理光伏并网逆变器光伏并网逆变器MPPT实时运行数据7.7.反孤岛效应反孤岛效应光伏并网逆变器光伏并网逆变器孤岛效应是指分布式并网逆变器构成的局部电网从主电网脱离出来，并且在此局部电网中分布式并网逆变器持续给负载供电的一种电气现象。局部电网与主电网的连接7.7.反孤岛效应反孤岛效应光伏并网逆变器光伏并网逆变器孤岛的危害：1.孤岛情况下电网无法控制电压和频率，可能造成电网、分布式发电设备和用电设备发生输入电压幅值和频率失控；2.孤岛效应对人身安全造成威胁，干扰电网的维护工作；3.孤岛发生时，当电网恢复正常有可能造成非同相合闸，导致线路再次跳闸，对光伏并网逆变器和其他用电设备造成损坏；4.孤岛效应时，若负载容量与光伏并网器容量不匹配，会造成对逆变器的损坏。7.7.反孤岛效应反孤岛效应光伏并网逆变器光伏并网逆变器反孤岛效应：通过研究孤岛现象发生过程中，电参数的变化，判断是否发生孤岛现象，并且采取相应的处理措施图逆变器与电网图等效电路图7.7.反孤岛效应反孤岛效应光伏并网逆变器光伏并网逆变器LLLLKUUPUIPQ=Uz*Uz/ZPQ=PQ+PPVPVPVzzjjj==++Δ+Δ闭合：LLLLKUIZPQ=I*IZPQPQPQ=0PVPVPVPVPVzjjjj=++=+Δ+Δ断开：条件:认为K切换前后瞬间光伏并网逆变器输出交流电无变化，即幅值、频率与相位无变化。7.7.反孤岛效应反孤岛效应光伏并网逆变器光伏并网逆变器7.7.反孤岛效应反孤岛效应光伏并网逆变器光伏并网逆变器被动检测方法通过检测电网参数确定是否发生孤岛效应。注意：被动检测在逆变器与负载功率匹配并且是纯阻性负载时会失去效果，此时，从电网流向负载的功率为零，电压、电流或谐波在孤岛时基本无变化。主动检测方法通过主动引入小幅度扰动的方式（比如对无功有功，频率等）形成正反馈，利用累计效应来推断是不是发生孤岛，主动方法对逆变器的输出性能有一定影响。结论：被动检测方法与主动检测方法结合使用，可以获得满意的反孤岛效应控制效果。8.8.逆变器技术指标逆变器技术指标光伏并网逆变器光伏并网逆变器三、自动跟踪系统三、自动跟踪系统1.太阳能跟踪系统原理与分类2.单轴跟踪系统3.双轴跟踪系统1、太阳能跟踪系统原理与分类太阳能跟踪系统提出光伏电池输出特性与接收太阳辐射度的关系接收太阳辐射度与入射角的关系光伏电池接收的太阳辐射度与太阳光入射角（太阳光与光伏电池平面的夹角）有关，入射角增加，光伏电池接收辐射能增加，进而光伏电池最大输出功率增加。在光伏发电系统中，使用太阳能跟踪器，使得太阳光入射角增大，进而光伏电池最大输出功率增大，提高光伏发电系统发电量。地平坐标跟踪系统太阳电池方阵可以固定向南安装，也可以安装成不同的向日跟踪系统。自动跟踪系统分为地平坐标系和赤道坐标系。1、地平坐标跟踪系统以地平面为参照系，跟踪的是2个参数：太阳高度角（太阳射线与地平面的夹角）和太阳方位角（太阳射线在地面上的投影与正南方向的夹角）。地平坐标跟踪分为：方位角跟踪(单轴跟踪)和全跟踪(双轴跟踪)。赤道坐标跟踪系统以赤道平面为参照系，跟踪的是2个参数：太阳赤纬角（太阳射线与赤道平面的夹角）和太阳时角（地球自转的角度，正午为零，上午为正，下午为负）。赤道坐标跟踪系统赤道坐标跟踪分为极轴跟踪(太阳时角)