（控制理论与控制工程专业论文）太阳能光伏发电系统设计及供电系统优化方法研究.pdf

i i f 、l r a t r 0一，。*鼽叫，矿j韩】i搿，心嚣掣霉豁藏岱皆矿 at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g d e s i g no f t h es o l a rp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m a n dr e s e a r c ho nt h eo p t i m a lm e t h o d so fp o w e r s u p p l y s y s t e m b y h a o l i y i n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rg u a ns h o u p i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e 2 0 0 8 _l。 互 皂 j l 包二 产 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示诚 挚的谢意。 学位论文作者签名 ：赤f 立蒹厦 签字日期：一8 。夕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年一年口一年半口两年口 学位论文作：却灏导师签名 签字 日期：计8 、7 7 签字日期：o 8 7 弋 哪吣- 卜 ， 气。 产 东北大学硕士学位论文 摘要 太阳能光伏发电系统设计及供电系统优化方法研究 摘要 以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断耗用以及环境污染问题的日益严重 将愈来愈不适应可持续发展的需要，加速开发利用以太阳能为主题的可再生能源已成为 人们的共识。太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光生伏打效应，将太阳 光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。利用洁净的太阳光能的光伏发电技术有 着十分广阔的应用前景。 本文首先介绍了光伏系统的发电原理、组成及分类，并设计了一套太阳能光伏发电 系统，且将其成功运用于猪岛和湖平岛发电，为我国用太阳能光伏发电技术解决无电区 的供电问题作出了贡献，并积累了宝贵的经验。 在此基础上，本文以提高光伏系统的经济运行为原则，从理论上对蓄电池组进行了 研究。根据蓄电池的容量与放电电流的关系，即蓄电池放电电流不同，所能够放出的容 量也不相同，放电电流越大，能够放出的电量越小，提出了一种电流控制的蓄电池组动 态管理策略，着重于通过添加间歇时间和容量驱动机制，完成由一组蓄电池到另一组蓄 电池的切换过渡，从而延长蓄电池组的使用寿命。 光伏系统中逆变器输出的2 2 0 v a c 电能通过低压架空线路送到终端用户，低压电网 拓扑结构的优化可以降低光伏系统的运行成本。最后本文创造性地将变电站供电范围用 k - m e a n s 聚类算法分成若干个较小的分区，并在每个小分区内用改进的最小生成树算法 进行低压电网拓扑结构优化，从而完成了对整个太阳能光伏电站供电网络的整体优化。 经过m a t l a b 程序调试与仿真表明，线损有所降低，提高了光伏系统中电能的利用率。 关键词：光伏系统；蓄电池组动态管理策略；k m e a n s 聚类算法；最小生成树； 低压电网拓扑结构优化 一i i 一。q，武 一； ， d e s i g no ft h es o l a rp h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e ma n d r e s e a r c ho i lt h eo p t i m a lm e t h o d so fp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gd e m a n df o re n e r g y , t h er e s o u r c e so ff i n i t e e n e r g i e ss u c ha sc o a l o i l a n dn a t u r a lg a sa r e d i m i n i s h i n g t h el a c ko ff o s s i lf u e l s ，a sw e l la st h ee n v i r o r 姐e 删i s s u e s i n v o l v e dw i t ht h eu s eo ff o s s i lf u e l s ，h a sl e dt oa l li n c r e a s e dn e e df o rr e n e w a b l ee n e r g i e ss u c h a ss o l a rp o w e r s oa c c e l e r a t i n gt h ee x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g yh a sb e e no u r c o m m o ni d e a s s o l a rp h o t o v o l t a i cs y s t e mi sak i n do fn e w p o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mw h i c h m a k e su s eo ft h ep h o t o v o l t a i ce f f e c to ft h es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l so ft h es 0 1 a rc e l la n d c o n v e r t ss o l a rr a d i a t i o ni n t o e l e c t r i c i t y m a k i n gu s eo ft h ec l e a ns o l a re n e r g yi sv e r y p r o m i s i n g t h et h e s i s f i r s t l yo u t l i n e st h ep r i n c i p l eo ft h ep o w e rg e n e r a t i o n ，c o m p o n e n t sa n d c l a s s i f i c a t i o no ft h ep h o t o v o l t a i c s y s t e m f u r t h e r m o r e ，ap h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o n s y s t e m ，w h i c hh a sb e e nd e s i g n e da n db es u c c e s s f u l l ya p p l i e dt ot l l ep i gi s l a n da n dh u p i n g i s l a n d ，m a k e sb i gc o n t r i b u t i o n st ot h ep o w e r s u p p l yi nt h o s ea r e a sw i t h o u te l e c t r i c i t y s e c o n d l y ，t h eb a t t e r yp a c kd y n a m i cm a n a g e m e n tp o l i c i e sh a v eb e e nr e s e a r c h e do nt h e p r i n c i p l eo fe n h a n c i n gt h ee c o n o m i co p e r a t i o no ft h ep h o t o v o l t a i cs y s t e m a c c o r d i n gt ot h e r e l a t i o no ft h eb a t t e r y s c a p a c i t ya n dl o a dc u r r e n t ，w ei n t r o d u c ean o v e lc l a s so fb a t t e r y m a n a g e m e n tp o l i c i e sb a s e do nt h ef a c tt h a tt h ea m o u n to fc h a r g eab a r e r yc a nd e l i v e r d e p e n d so nt h ed i s c h a r g ec u r r e n td r a w nf r o mt h eb a t t e r yi t s e l f t h eb a s i cs c h e m ec a nb em a d e m o r ee f f e c t i v e l yb ya d d i n gt i m e - o u to rc a p a c i t y d r i v e nm e c h a n i s m st h a th e l pi nr e g u l a t i n gt h e t r a n s i t i o n sf r o mo n eb a n e r yp a c kt ot h en e x t ，w h i c he x t e n d sb a r e r y1 i 传t i m eg r e a t l y f i n a l l y , 2 2 0 a co u t p u t sf r o mt h ei n v e r t e ra r es e n tt ot h ee n d u s e r sb yt h eo v e r h e a dl i n e s a n dt h e o p t i m i z a t i o no ft h et o p o l o g yo ft h el o w - v o l t a g ep o w e rg r i dc a nd e c r e a s et h e o p e r a t i n gc o s t b yu s i n gt h ek m e a n sc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ，t h i st h e s i sd i v i d e ss u b s t a t i o n s u p p l ya r e ai n t os e v e r a ls m a l l e rd i v i s i o n si nw h i c hw eu s em i n i m u ns p a n n i n gt r e ea l g o r i t h m t oo p t i m i z e s i m u l a t i o nh a ss h o w nt h a ti th a sr e d u c e dt h el i n el o s sa n di m p r o v e dt h e u t i l i z a t i o no f t h ee l e c t r i c i t y k e y w o r d s ：s o l a rp h o t o v o l t a i cs y s t e m ；b a a e r y d r i v e nd y n a m i cp o w e r m a n a g e m e n tp o l i c i e s ； k m e a n sc l u s t e r i n ga l g o r i t h m ；m i n i m u ms p a n n i n gt r e e ；o p t i m i z a t i o no ft h e t o p o l o g yo ft h el o w - v o l t a g ep o w e rg r i d - i i i - 一 一0；州 东北大学硕士学位论文 目录 目录 声明i 中文摘要 a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的选题背景1 1 2 光伏发电产业的现状及其发展2 1 2 1 国外光伏发电产业发展现状及其发展2 1 2 2 国内光伏发电产业发展现状及其发展3 1 3 太阳能光伏发电系统的原理、组成及分类5 1 3 1 太阳能光伏发电系统的原理5 1 3 2 太阳能光伏发电系统的组成6 1 3 3 太阳能光伏发电系统的分类6 1 3 4 太阳能光伏系统的特点。”：”8 1 4 本文的主要工作“8 第2 章太阳能光伏系统设计及应用案例9 2 1 太阳能光伏系统总体设计原则9 2 2 太阳能光伏发电系统的容量设计9 2 2 1 蓄电池设计方法1 0 2 2 2 太阳能电池阵列设计+ 1 3 2 2 3 蓄电池和光伏组件方阵设计的校核1 5 2 2 4 太阳能电池方阵倾角的确定1 5 2 2 5 由水平辐射量计算太阳能电池方阵平面上的辐射量16 2 2 6 太阳能电池方阵前后间距的计算1 6 2 3 控制器设计1 6 2 3 1 控制器的基本原理1 6 2 3 2 控制器的几个重要指标1 7 2 4 逆变器设计一1 7 2 4 1 逆变器的基本原理1 8 2 4 2 逆变器的几个重要指标1 9 2 5 光伏系统的其它硬件设计1 9 一一 东北大学硕士学位论文 。 目录 2 6 光伏电站系统工程的应用案例2 0 2 6 1 应用背景2 0 2 6 2 总体设计2 0 2 6 3 太阳能电池阵列设计2 1 2 6 4 蓄电池组设计2 2 2 6 5 控制器设计2 2 2 6 6 逆变器设计2 2 2 6 7 线路设计：2 3 2 6 8 控制房设计2 3 2 6 9 案例的积极意义2 3 2 7 本章小结2 4 第3 章电流控制的蓄电池动态管理策略研究2 5 3 1 光伏系统中的蓄电池介绍2 5 3 1 1 光伏系统中蓄电池使用环境2 5 3 1 2 目前光伏系统中常用的蓄电池2 6 3 1 3 在太阳能光伏系统中铅酸蓄电池寿命影响因素分析2 6 3 2 蓄电池分组充放电管理策略2 8 3 2 1 简单蓄电池分组放电管理策略2 8 3 2 2 蓄电池简单分组策略的缺点2 9 3 3 蓄电池组电流控制动态管理策略3 0 3 3 1 蓄电池放电率和容量的关系3 0 3 3 2 电流控制策略( c u r r e n t - c o n t r o l l e ds t r a t e g y ) 3 1 3 3 3 最佳匹配策略( b m ) 3 2 3 - 3 4 时间最佳匹配策略( t b m ) ”3 2 3 3 5 容量最佳匹配策略( c b m ) 3 3 3 4 本章小结3 4 第4 章低压电网拓扑结构优化方法研究3 5 4 1 低压电网拓扑结构优化思想3 5 4 2 聚类算法介绍：一3 5 4 2 1 聚类定义3 6 4 2 2 聚类算法的分类一3 6 4 2 3 聚类分析3 7 4 2 4 数据对象的相似性量度3 7 4 2 5 聚类分析中所遇到的问题4 0 4 2 6 聚类分析评价标准4 0 一v 一 一 ? 东北大学硕士学位论文 目录 4 2 7 聚类的一般步骤4 2 4 2 8k m e a n s 算法的基本原理：4 2 4 3 最小生成树理论4 3 4 3 1 图论概述4 4 4 3 2 图的基本概念4 4 4 3 3 树的基本概念- 4 6 4 3 4 最小生成树算法4 6 4 3 5 最小生成树算法的特点4 8 4 4 基于k m e a n s 聚类算法和改进最小生成树算法的低压电网拓扑结构优化4 8 4 4 1 低压电网的图论模型4 8 4 4 2k m e a n s 算法结构分析”4 9 4 4 3k m e a n s 聚类算法在低压电网拓扑结构优化中的优化结果5 0 4 4 4 前推回代法介绍5 3 4 4 5 改进的最小生成树算法5 5 4 4 6 改进的最小生成树仿真结果5 7 4 5 本章小结5 8 第5 章结论与展望5 9 5 1 全文总结5 9 5 2 工作中不足及展望5 9 参考文献6 1 致谢6 5 攻读硕士期间发表的论文6 7 一v i 东北大学硕士学位论文目录 一v i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的选题背景 能源工业作为国民经济的基础，对于社会，经济发展和提高人民生活质量都极为重 要。目前世界上的能源消耗几乎全靠“初级能源”，或“常规能源”来供应，它包括： 煤炭、石油、天然气和核裂变等。由于地球上的初级能源的资源有限、矿产开采费用越 来越高、人类能源需求激增的趋势以及环境污染严重等原因，以常规能源为基础的能源 结构随着资源的不断耗用将愈来愈不适应可持续发展的需要。所以新能源和可再生能源 既是近期急需的补充能源，又是将来能源结构的基础。在能源领域中，加速开发利用以 太阳能为主体的可再生能源已成为人们的共识。 近年来，在不少国家实施“光伏屋顶计划 【l 】的推动下，光伏发电得到了迅速的发 展，应用范围正从偏远地区进入城镇，开始涉足庞大的电力市场。相应的光伏技术的研 究也在不断深入。然而，在我国，人们对高效率、低成本太阳能电池制造技术的改进【2 j 以及新型太阳能电池的进展给予很大的关注，而对光伏系统应用技术的研究却重视不 够。 光伏应用技术包括硬件和软件两方面，从硬件上来说，要配备性能可靠、价格合理 的光伏配套部件，如蓄电池 3 】、控制器【4 删、逆变器f 7 ，8 1 等，以及配套产品如灯具、水泵 等。在软件方面，则要对光伏系统进行最优化设计，以确定最合适的太阳能电池方阵和 蓄电池组的配置及规模、对各部件的性能参数及匹配要求，这项工作十分重要。如果设 计不当，即使太阳能电池组件性能再好、价格再便宜，结果不是光伏系统不能正常运行， 就是容量过大，造成很大的浪费。此外，供电网络的拓扑结构不合理以及蓄电池不恰当 的充放电管理将无疑会增加太阳能光伏系统的成本。所以，从一定意义上来讲，光伏系 统设计要比光伏器件更加重要。因此，有必要加强宣传和提高认识，必须对光伏系统应 用技术的研究给予足够的重视桫】。 影响光伏系统正常运行的因素很多，牵涉面很广，太阳辐射量又有其随机性，所以， 光伏系统的设计方法就比较复杂，也很关键。在以往的文献资料中所涉及的光伏系统设 计方法偏重于研究太阳能电池的输出特性及最大功率点跟踪1 0 。12 1 、降低太阳能电池的成 本、控制器和逆变器的设计等，却忽略了供电系统优化方面的研究。供电网络拓扑结构 的优化【1 3 】可使光伏系统更加安全经济的运行，能够大大降低成本；蓄电池管理策略的合 理性【1 4 】能有效延长系统蓄电池组的寿命。 现在，这种传统的经验设计方法很难满足效率和可靠性的要求，计算机运算速度的 加快、功能的完善、软件开发工具的方便为使用计算机进行最优化设计提供了很大的方 一1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 便。因此本文采取了应用计算机进行优化设计的方法，并使用m a t l a b 软件进行编程 仿真。 1 2 光伏发电产业的现状及其发展 1 2 1 国外光伏发电产业发展现状及其发展 化石能源资源的有限性和环境保护压力的增加，使世界上许多国家加强了对绿色能 源和可再生能源技术发展的大力支持。f 1 2 0 世纪7 0 年代全球发生石油危机以来，太阳能 光伏发电技术在西方发达国家引起了高度重视，各国政府从环境保护和能源可持续发展 战略的角度出发，纷纷制定政策，鼓励和支持太阳能光伏发电技术，其发展速度很快。 技术方面，经过几十年的发展，澳大利亚新南威尔士大学研制的单品硅光伏电池效 率已达2 3 7 ，多晶硅电池效率突破1 9 8 。同时，研究人员正在探索用切薄硅片、扩大 平面品体或者使用聚光等方法，力争把硅片的成本降低n o 。8 美元w p 。最近3 0 年来，太 阳能光伏组件成本降低了两个数量级【l5 1 。据预测，在今后1 5 - - - 2 0 年间利用这几种方法有 望把硅片的成本降低到o 5 美元w p 1 6 j 。这样，光伏系统的价格可以降低到接近3 美元 w p 。薄膜电池是在廉价衬底上采用低温制备技术沉积半导体薄膜的光伏器件，材料与 器件制备同时完成，工艺技术简单，便于大面积连续化生产；制备能耗低，缩短了回收 期。太阳能电池实现薄膜化，大大节省了昂贵的半导体材料，具有大幅度降低成本的潜 力，是当前国际上研究开发的主要方向。除了光伏电池以外，当前国际上最新的研发热 点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏逆变器件等方面。美国、德国、荷兰、 日本、澳大利亚【l7 。1 9 】等国家在光伏屋顶计划的激励下，许多企业和研究机构成功地推出 了多种不同的高性能逆变器。 产业化方面，光伏发电发展的初期主要是依靠各国政府在政策及资金方面的大力支 持，现在已逐步商业化，进入了一个新的发展阶段。光伏发电的市场前景吸引了一批国 际知名企业或企业财团介入光伏电池制造业。这些大公司的介入，使产业化进程大大加 快。预计今后1 0 年光伏组件的生产将以每年增长2 0 - 3 0 甚至更高的递增速度发展， n 2 0 l o 年将可能达到4 6 0 0 m w 年的生产量，总装机容量将可能达到1 8 g w 。国际光伏工 业在过去1 0 年中的平均年增长率为2 0 ，1 9 9 8 年世界太阳能电池组件生产量为1 5 5 m w ， 2 0 0 0 年增长到2 8 8 m w ，2 0 0 2 年达到5 4 0 m w ，2 0 0 4 年达到1 2 0 0 m w 删。截止n 2 0 0 0 年底， 世界光伏发电累计总装机容量达到了1 3 0 0 m w ，2 0 0 6 年达至0 8 g w e 2 1 1 。目前全球太阳能光 伏电池产业的销售收入超过2 0 亿美元。预计n 2 0 5 0 年左右，太阳能光伏发电将达到世界 总发电量1 0 - - 2 0 ，成为人类的基本能源之一。同时，世界光伏市场发生了很大变化， 开始由主要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航标幻等特殊应用领域解决供电问 一2 一 一 属 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供电方向及商业化应用方向发展。从上世纪 7 0 年代起，许多国家掀起了太阳能光伏发电热潮，美国、日本、欧盟、印度等国家纷纷 制定雄心勃勃的中长期发展规划推动光伏技术和光伏产业的发展，推动这一新能源产业 的发展。目前，世界光伏产业正以3 1 2 的平均年增长率高速发展，是全球增长率最高 的产业，已成为当今世界最受关注、增长幅度最快的能源产业之一。 光伏发电的行业标准方面，虽然现在还没有i e c ( 国际电工委员会) 标准，但各国都颁 布了相应的试行标准，如美国s a n d i a 国家实验室的光伏并网发电系统标准等。 新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一j 太阳能是一 种清洁、高效和永不衰竭的新能源。在新世纪中，各国政府都将太阳能资源利用作为国 家可持续发展战略的重要内容。据资料预测显示，到2 0 1 0 年，全世界光伏产业将累计 达到1 4 1 5 g w ，这表明世界光伏产业发展有着巨大的发展空间。总之，从能源利用的 国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代能源的角色进入电力市场。预计到2 0 3 0 年， 光伏发电在世界的总发电量中将占到5 2 0 。 1 2 2 国内光伏发电产业发展现状及其发展 技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池技术 不断进步，虽然与发达国家相比有差距，但差距在不断缩小。光伏电池转换效率不断提 高，目前单晶硅电池实验室效率达2 0 ，批量生产效率为1 4 ，多晶硅实验室效率为1 2 。 在2 0 0 0 年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，其效率与发达国家相 比，差距在不断缩小。 产业化方面，2 0 0 0 年以后，我国光伏产业进入快速发展期，但整体发展水平仍然落 后于国际先进水平，参与国际竞争有一定的难度。2 0 0 3 年国内光伏电池的生产能力约 2 0 m w ，但光伏组件的封装能力5 0 m w ，远大于光伏电池的生产能力。虽然n 2 0 0 2 年底， 我国已有近2 0 m w 的光伏电池生产能力，但实际生产量仅为4 m w 左右，占世界光伏电池 实际生产量的1 左右。在2 0 0 2 - - - 2 0 0 3 年国家实施的总装机容量2 0 m w 的“光明工程 项 目中，国内生产的光伏电池的应用量不足1 0 ，错过了这一市场时机。2 0 0 4 年全国光 伏发电装机容量累计为6 5 m w e 2 3 1 。近期内我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为 主，有一定的市场潜力，但也有局限性。2 0 0 1 年以前，我国光伏产品的年销售量均保持 在3 一4 m w ，其中单品硅产品占8 0 ，非单品硅产品占2 0 。2 0 0 2 年，光明工程项目使 市场年销售量猛增到2 0 m w ，光伏系统保有量达到4 0 m w 左右。从市场份额上看，光伏 发电在2 0 0 0 年前的主要应用领域是：通讯行业4 0 - 5 0 ，农村电气化行业( 主要包括户 用光伏系统和乡村级光伏发电) 占4 0 左右，其它领域占1 0 左右。但2 0 0 2 年当年农村电 气化领域的市场份额占到8 5 以上。目前，国内光电池硅片的生产能力已达4 5 m w ，在 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 西藏7 个无水无电县中已全部建成了光伏发电，其中功率最大的1 0 0 k w 。表1 1 为近年来 中国光伏发电的发展情况及对2 0 1 0 年前发展趋势的预测【“1 。 表1 1 太阳电池产量、产值 t a b l e1 1y i e l da n dv a l u eo ft h es o l a rc e l l s 注：宰8 0 兀r m b w ，料6 0 r m b w ，木章木4 0 兀r m b w ，幸宰奉3 0 兀r m b w 综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，如果把我国光伏产业的发 展放到国际光伏发展的大环境中考虑，世界光伏产业每年以3 1 的速度发展，而我国的 光伏产业每年只有1 5 的增长率；光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。光 伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策支持【2 5 】 以驱动我国光伏产业的商业化发展。2 0 0 4 年6 月3 0 日，温家宝总理主持召开的国务院常 务会议，讨论并原则通过了能源中长期发展规划刚要( 2 0 0 4 - - 一2 0 1 0 年) ( 草案) ，并提 出了“大力调整和优化能源结构，坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面 发展的战略”。2 0 0 5 年2 月2 8 日，十届人大常委会第十四次会议通过了可再生能源法， 国家主席胡锦涛以第3 3 号主席令公布，自2 0 0 6 年1 月1 日起实行。前者将发展新能源和可 再生能源列入了国家的能源发展战略，为其立了“户口 ；后者通过立法对新能源和可 再生能源的发展给予法律上的支持和保证，必将大大促进我国新能源和可再生能源的发 展进程。 然而，我国的光伏企业虽然弱小，但经过努力已经有了一定的基础。当前的形势对 光伏企业的发展来说机遇和挑战并存。另外，我国的太阳能资源非常丰富，据统计，太 阳能年辐照总量大于5 0 2 万千焦平方米，年日照时数在2 2 0 0 小时以上的地区约占国土 面积的2 3 以上【2 6 1 ，具体分布见表1 2 。 一4 一 一 欠 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 表1 2 太阳能年辐射的地区分类 t a b l e1 2r e g i o nc a t e g o r yo ft h es o l a rr a d i a t i o ny e a r l y 我国1 9 9 6 2 0 1 0 年新能源和可再生能源发展纲要中明确指出【27 1 ，要按社会土义 市场经济的要求，加快新能源和可再生能源的发展和产业化的建设，并且将可再生能源 的发展计划纳入了我国的“十五能源规划，要求采取措施调整能源结构，提高清洁能 源在能源消费中所占的比重，要求通过技术进步来推动可再生能源事业的发展。鼓励发 展利用太阳能，鼓动改造传统能源利用技术，提高能源利用效率，降低污染排放，并给 予税收优惠等支持政策。综上可知，在我国，光伏发电产业的发展前景是辉煌的：一方 面，我国现在还有很多人生活在无电、缺电的西部边远地区，解决这些地区的用电问题， 很大程度上依赖于太阳能及其它新能源的大规模应用；另一方面，在东部沿海经济比较 发达的地区，利用太阳能发电作为补充或替代能源又将会给我国光伏产业的发展提供一 个新的发展空间。 1 3 太阳能光伏发电系统的原理、组成及分类 1 3 1 太阳能光伏发电系统的原理 太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，又称光伏电池。太阳能电池发电的原 理是利用太阳电池半导体材料的光生伏打效应，将太阳光辐射能直接转换为电能。当太 阳光( 或其它光) 照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子空穴对。在 电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，即产生 “光生电压 ，这就是“光生伏打效应”。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则 负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以 付诸实用的电能。 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 2 太阳能光伏发电系统的组成 太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电 能的一种新型发电系统。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制 器、逆变器和蓄电池( 组) 构成。 ( 1 ) 太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是 将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。 ( 2 ) 太阳能控制器：太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电 压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的 使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流 负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电( 由于天气的原因，太阳电池方 阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定) 。 ( 3 ) 逆变器：逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变 成2 2 0 伏交流电，供给交流负载使用。 ( 4 ) 蓄电池( 组) ：蓄电池( 组) 的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供 负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负 载用电外，还对蓄电池充电；当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。 1 3 3 太阳能光伏发电系统的分类 根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并 网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。 ( 1 ) 独立供电的光伏发电系统 独立供电的太阳能光伏发电系统如图1 1 所示。整个独立供电的光伏发电系统由太 阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。太阳能电池板作为系统中的核心部分，其 作用是将太阳篚直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能 量。根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时， 太阳能电池通过充电器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负 图1 1 独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图 f i g 1 1s t r u c t u r ed i a g r a mo ft h es t a n d - a l o n e 一6 一 “ 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 载供电。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆变器的作用 是将直流电转换为与交流负载同相的交流电。 ( 2 ) 并网光伏发电系统 图1 2 并网光伏发电系统结构框图 f i g 1 2s t r u c t u r ed i a g r a mo fu t i l i t yg r i dc o n n e c t 并网光伏发电系统如图1 2 所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很 重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构 形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电 系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开 关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有 重要意义。此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高 次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式 并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和 电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日 照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当 负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。 ( 3 ) 混合光伏发电系统 图1 3 为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电 机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直 接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。 图1 3 混合型光伏发电系统结构框图 f i g 1 3s t r u c t u r ed i a g r a mo fh y b r i d 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 3 4 太阳能光伏系统的特点 长期以来，太阳能光伏发电系统以其自身具有独特的特点乜印备受人们青睐，人类从 正从利用“昨日阳光 逐步过渡到利用“今日阳光。其优点如下： ( 1 ) 无枯竭危险； ( 2 ) 绝对干净( 无污染，除蓄电池外) ； ( 3 ) 不受资源分布地域的限制； ( 4 ) 可在用电处就近发电： ( 5 ) 能源质量高； ( 6 ) 获取能源花费的时间短； ( 7 ) 供电系统工作可靠； 不足之处是： ( 1 ) 照射的能量分布密度小； ( 2 ) 获得的能源与四季、昼夜及阴晴等气象条件有关； ( 3 ) 造价比较高。 1 4 本文的主要工作 目前由于光伏发电系统成本较高，使其应用大受影响。降低光伏系统发电的成本， 这是当今世界范围内研究和开发的一个课题。增加光伏系统发电的经济吸引力必须通过 以下一种或多种途径：提高光伏电池转换效率；降低制造电池、组件和辅助设备的成本， 同时降低安装费用；设计高效、可靠的系统，以降低电网损耗及延长蓄电池组的使用寿 命。本文着重通过第三种途径降低光伏系统的成本。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 介绍了光伏系统发电的基本原理、组成和分类，并设计出一套光伏发电系统， 成功运用于猪岛和湖平岛，为两个岛屿解决了发电问题。 ( 2 ) 在研究蓄电池发电的基本物理特性基础上，根据蓄电池的放电电流与容量的关 系，提出了一种电流动态控制的蓄电池管理策略，延长了蓄电池组的使用寿命，提高了 光伏系统的经济运行。 ( 3 ) 对于光伏系统中逆变器发出的2 2 0 v 的交流电通过低压架空线路分配到各户， 本文将供电区域用k m e a n s 聚类算法分成若干小的供电区域，并在每个小的分区使用改 进的最小生成树算法优化了低压电网的拓扑结构。m a t l a b 仿真表明，此种优化算法 降低了线损，进一步提高了光伏系统的经济性。 一8 一 一 月 东北大学硕士学位论文 第2 章太阳能光伏系统设计及应用案例 第2 章太阳能光伏系统设计及应用案例 太阳能光伏电站是太阳能光电应用的主要形式之一。在我国西部的无电地区，很大 程度依赖光伏电站提供电能。光伏电站的大小一般在几千瓦到超过一兆瓦，可根据实际 的用电需求和安装地点的实际情况确定。光伏电站安装灵活、快速、运行可靠。虽然光 伏发电站的初期投资相对较大，但其运行和维护费用很低，其价格和环保优势在使用的 过程中会逐渐得以体现。 2 1 太阳能光伏系统总体设计原则 太阳能光伏发电系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。 软件设计主要包括：负载用电量的计算，太阳能电池方阵辐射量的计算，太阳能电池、 蓄电池用量的计算以及两者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的计 算，系统运行情况的预测和系统经济效益的分析等。硬件设计主要包括：负载的选型及 必要的设计，太阳能电池和蓄电池的选型，太阳能电池支架的设计，逆变器的选型和设 计，以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型太阳能光伏发电系统，还有光伏电池 方阵场的设计、防雷接地的设计。由于软件设计牵涉到复杂的太阳辐射量、安装倾