光伏发电基础

光伏发电技术１.１光伏发电基本原理太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成电能,能将光能转换成电能的能量转换器之一，就是光伏电池。光伏电池的物理基础是由两种不同半导体材料构成的大面积PN结，以及非平衡少数载流子在PN结内电场作用下形成的漂移电流。１.光伏电池的基本原理和等效电路１.１光伏发电基本原理太阳光照射到由P、N型两种不同半导体材料构成的太阳能电池上时，一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。被吸收的光能激发被束缚的电子，产生“电子-空穴”对，在PN结内电场作用下，电子、空穴相互运动，若在电池两端接上负载，负载上就有电流流过。当光线一直照射时，负载上源源不断地有电流流过。单片太阳能电池就是一个薄片状的半导体PN结。标准光照条件下，额定输出电压为0.5V左右。１.光伏电池的基本原理和等效电路１.１光伏发电基本原理１.光伏电池的基本原理和等效电路１.2光伏电池阵列由一片单晶硅片构成的太阳能电池称为单体（Cell)。单体电池的电压电流很小（0.45~0.50V、20~25mA/cm2)，一般不能单独作电源使用，需将它们串、并联封装后，构成光伏电池组件(模块Module)使用，一个组件上光伏电池的标准数量是36~40个(10cmX10cm)。当应用场合需要较高的电压和电流，可把多个组件再经过串并联安装在支架上，构成了光伏电池阵列（Array)，满足负载所需的功率要求．１.光伏电池的基本原理和等效电路１.2光伏电池阵列１.光伏电池的基本原理和等效电路2.1单体光伏电池的等效电路等效电路如图所示Iph为光生电流，其值正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度。ID为暗电流，是指在无光照时，由外电压作用下PN结内流过的单向电流。RS、RSH均为光伏电池本身固有电阻。因RS很小、RSH很大，所以进行理想计算时，它们都可以忽略不计。2.光伏电池数学模型2.1单体光伏电池的等效电路描述光伏电池特性的两个重要参数分别是1.短路电流ISC与光伏电池的面积有关，1cm2光伏电池的短路电流约为16~30mA，且与入射光谱辐射照度成正比。2.空载电压UOC与入射光谱辐射照度的对数成正比，与光伏电池的面积无关。在每平方厘米100MW太阳光谱辐照度，空载电压约为450~600mV,最大可达690mV。2.光伏电池数学模型２.2单体光伏电池的电量方程等效电路中各变量的方程式如下：（２－1）（２－２）（２－3）式中I０为光伏电池内部等效二极管ＰＮ结反向饱和电流；UＤ为等效二极管端电压；Ｔ为热力学温度；Ａ为ＰＮ结曲线常数。)1(0AkTqUDDeIIshDAkTqUphLRUeIIID)1(0)1ln(0IIqAkTUSCOC2.光伏电池数学模型２光伏电池的数学模型２.3实用方程忽略RS、RSH,则Iph≈ISCUD≈U,式(2-2)可化简为:（２－4）式中,;。)]1(1[21OCUCUSCLeCIISCIIC01)11ln(112CC２光伏电池的数学模型２.3实用方程在最大功率点处，有IL=Im,U=Um，可解出C1（２－5）开路时，有IL=0,U=UOC，可解出C2（２－6）由式(2-5)、(2-6)计算出C1、C2即可由(2-4)确定光伏电池的伏安特性曲线。OCmUCUSCmeIIC2.1)1()1ln()1(2scmOCmIIUUC2.光伏电池数学模型２.4伏安特性曲线２光伏电池的数学模型２.5填充系数..SCOCmFIUIUFm２光伏电池的数学模型２光伏电池的数学模型%100allmminmmSAIUPIU２.6光伏电池的转换效率及其影响因素S为光照强度Aall为电池总的光照总面积影响效率最为重要的三个因素为:光谱响应、光照特性和温度特性。２光伏电池的数学模型２.6光伏电池的转换效率及其影响因素光谱响应太阳光谱中，不同波长的光不同的能量，所含的光子数目也不相同。因此，光伏电池接受光照射所产生的光子的数目也就不相同。光伏电池在入射光中每一种波长的光能作用下所收集到的光电流，与相对于入射到电池表面的该波长的光子数之比，叫做光伏电池的光谱响应。能够产生光生伏特效应的太阳能辐射波长范围一般在0.4~1.2，最大灵敏度在0.8~0.95之间。mm２光伏电池的数学模型２.6光伏电池的转换效率及其影响因素光照特性由伏安特性曲线可知，短路电流受光照强度的影响较大，而开路电压受光照强度的影响较小。如果进行较粗略的简化，可以设Im∝ISC∝S。则有Um∝UOC∝lnSSln２光伏电池的数学模型２.6光伏电池的转换效率及其影响因素温度特性空载电压线性地随电池温度变化,且呈现负温度系数；而短路电流则呈现正温度系数,但随温度变化很小。光伏电池温度越高，其所输出的最大功率越小，效率越低。3光伏发电运行失配现象及机理3.1失配现象由于局部光照强度的减弱（树、云层、建筑物的阻碍造成的阴影等）或生产工艺的问题，造成模块中某个单体光伏电池的电流小于其他单体光伏电池的电流，该电池可能在某一情况下带上负电压，变成负载消耗其他正常电池产生的功率，模块性能骤降，这就是失配现3.2失配的原因（1）产品问题（2）环境问题（3）阴影问题（4）模块老化问题3光伏发电运行失配现象及机理3.3减轻功率失配损失的措施对多个串联电池配置一个或几个旁路二极管，如图。旁路二极管会在某个串联模块受到阴影影响的情况下产生作用。当被遮蔽部分带有负电压而且其大小达到二极管导通电压时，旁路二极管可以把遮蔽部分短路，从而避免失配现象带来的功率损失。3光伏发电运行失配现象及机理3.3减轻功率失配损失的措施电池并联运行时，若太阳辐射不一致，电池板的电流和温度均会出现差异，从而导致两块并联模块的电压不同，有可能使某一模块变成负载。为了改善这一现象，可以在每个串联支路串联一个阻断二极管，以防止由强电流支路流向弱电流支路。光伏电池的分类按结构分类同质结光伏电池异质结光伏电池肖特基结光伏电池薄膜光伏电池叠层光伏电池湿式光伏电池按结构分类硅光伏电池电池非硅半导体光伏电池有机光伏电池4光伏系统的组成4.1独立光伏系统4.１独立光伏系统4光伏系统的组成4.２并网光伏系统１)最小并网光伏系统4光伏系统的组成２)直流母线式并网光伏系统4光伏系统的组成３)交流母线式并网光伏系统集中式支路式4光伏系统的组成交流模块式4光伏系统的组成３)交流母线式并网光伏系统4)交直流混合母线式并网光伏系统4光伏系统的组成5)光伏系统与分布式发电系统4光伏系统的组成5光伏逆变器并网相关的国内外标准国内标准1.GB/T19939-2005.光伏系统并网技术要求。2.GB/Z19964-2005.光伏发电站接入电力系统技术规定。3.GB/T20046-2006.光伏(PV)系统电网接口特性。4.GB/T20046-2006.光伏系统功率调节器效率测量程序。5.国家电网公司光伏电站接入电网技术规定。其他《光伏并网发电专用逆变器技术要求和试验方法》《光伏系统并网性能测试方法》《光伏系统并网安全要求》5光伏逆变器并网相关的国内外标准国外标准1.IEEEStd929-2000IEEERecommendedPracticeforUtilityInterfaceofPhotovoltaic(PV)Systems2.IEEEStd1547系列标准3.UL1741:2005Inverters,Converters,Controllers,andInterconnectionSystemEquipmentforUseWithDistributedEnergyResources4.EN50530:2010OverallefficiencyofgridconnectedPhotovoltaicinvertersIEC61683IEC61727IEC62116IEC62109-1IEC62109-26最大功率点跟踪技术6.1最大功率点跟踪技术最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking,MPPT)技术是光伏发电系统中的关键技术之一。在一定的光照强度、环境温度和其他因素下，光伏电池可以输出不同的直流电压，但是只是在某一个特定输出电压值时，输出功率才能达到最大值，这时光伏电池工作在P-U曲线的最高点，被称为最大功率点。6最大功率点跟踪技术6.1最大功率点跟踪技术根据不同的光照强度、环境温度等外部特性来调整光伏电池的输出工作点，使之始终工作于最大功率点附近，这种技术被称为MPPT技术。6最大功率点跟踪技术6.2各种MPPT控制方法1.基于参数选择方式的间接控制法根据预存数据库和具体光伏电池参数，通过数学函数和经验公式得到近似的MPPT。这类方法没有实现在线实时跟踪与控制，误差相对较大。1）恒电压跟踪法2）开路电压比例系数法3）短路电流比例系数法4）曲线拟合法5)查表法6最大功率点跟踪技术6.2各种MPPT控制方法2.基于采样数据的直接控制法此类方法的主要特征是根据电压、电流的检测值经MPPT算法直接实现控制。由于采用了电压、电流的实时采样信号，能根据系统运行情况实时MPPT控制，满足一般的应用场合要求，因而在实际运用中最为广泛。1）定步长扰动观测法2）变步长扰动观测法3）电导增量法4）实际测量法5)寄生电容法6最大功率点跟踪技术6.2各种MPPT控制方法3.基于现代控制理论的智能控制法此类方法不依赖于复杂的系统数学模型，由现代控制理论模型为依据采样数据，再通过控制算法运算得出控制信号来实现系统控制。该类控制方法适合于难以建立准确数学模型的大型光伏发电系统，以及外界条件和杂散参数影响严重的控制系统。1）模糊逻辑控制法2）神经网络法3）滑模控制法6最大功率点跟踪技术6.3扰动观测法1.工作原理先让光伏电池工作在一个给定的工作点，随后周期性地、微小定量地增加或减少光伏电池的输出电压和电流，这一过程称为扰动，扰动电量的增值大小称为步长。增加扰动的同时实时检测光伏电池输出功率变化趋势，若扰动电量增加后，输出功率增加，说明最大功率点在当前工作点的右边，则继续增加扰动电量，反之则改变扰动方向。若扰动电量减小后，输出功率增加，说明最大功率点在当前工作点的左边，则继续减小扰动电量，反之则改变扰动方向。如此循环，直到输出功率稳定在设定的一个很小范围内。6最大功率点跟踪技术6.3扰动观测法1.工作原理6最大功率点跟踪技术6.3扰动观测法2.仿真和实验独立光伏系统电气主电路模型6最大功率点跟踪技术6.3扰动观测法2.仿真和实验MATLA/Simulink干扰观测法MPPT控制仿真模型6最大功率点跟踪技术6.4MPPT技术在应用中存在的问题1.误跟踪现象2.缺乏统一的定量评价标准3.试验验证困难4.对实际状态的考虑不足5.多峰值问题