太阳能光伏器件与组件ch4光伏发电系统

,第4章 光伏发电系统,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,目 录 4.1 光伏发电系统的构成 4.2 独立光伏发电系统 4.3 光伏并网系统 4.4 能量管理,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏发电系统是由光伏电池板、控制器和电能存储和变换环节构成的发 电与电能变换系统。光伏电池板产生的电能经过电缆、控制器、储能等环节予以储存 和转换，转换为负载所能使用的电能。,光伏发电系统的构成,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列结构,1光伏阵列的串并联,若干光伏电池组件经串、并联，排列组成光伏阵列，满足光伏系统实际电压和电流的需要。常用的光伏电池组件或模块内部标准串联数量是36个或40个，组件额定电压大约是1618V。,连接方式: 一般是将部分光伏电池串联成串后，再将若干串并联。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,为了减少热斑效应的影响，安排光伏电池板串并联时，一般是先根据所需电压，使用若干光伏电池组件串联，构成若干串，再根据所需电流容量进行并联。在串联回路中由于每个光伏电池组件有旁路二极管，被遮挡光伏电池板将通过旁路二极管导通整个阵列的电流，使被遮挡的光伏电池不构成负载。,热斑效应: 光伏电池并联时，当串联光伏电池中部分光伏电池其光照被遮挡，则被遮挡的光伏电池通流能力下降，它将消耗未被遮挡的串联光伏电池所发出的功率，形成热斑效应。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2光伏组件与阵列中的二极管和稳压管,屏蔽二极管: 防止蓄电池或逆变器反向向光伏阵列倒送电。旁路二极管: 某组件被阴影遮挡或出现故障而停止发电时，不至于阻碍其他正常组件发电，同时也保护光伏电池免受较高的正向偏压或发热而损坏。 稳压管: 并联光伏阵列的输出终端，限制过电压。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3光伏阵列安装 最佳的阵列安装方式是使其受光面始终正对太阳，让光线垂直投向光伏电池板。若要保持光伏电池板始终正对太阳，需要加装机械跟踪装置，其技术难度较大，成本也高。最常使用的还是固定式光伏阵列，为使光伏阵列最有效地接收太阳能辐射能量，确定最佳的阵列安装的方位角和倾角非常重要。 如果不按季节调整光伏电池板倾角，从一年平均来算，比较好的光伏电池板倾角选择是以当地的地球纬度加5。 如果一年按二次调整倾角，一般采用春天和秋天各调整一次的方式。春天调整为春夏季工作角度，秋天调整为秋冬季工作角度。春分开始，倾角为当地纬度减去1145；秋分开始，倾角为当地纬度加上1145 。此调整可使光伏电池接收损耗控制在2以内。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏阵列朝向的方位角一般取正南方向，可使用指南针测量正南，但指南针指向的南与太阳的正南方向有一定的偏移，此偏移称为磁偏角，可查询当地的地球磁偏角数值进行修正。也可使用“时区正午法” “立竿见影法” 确定正南方向。 对固定安装的光伏阵列来讲，不跟踪太阳移动的方位角，会导致大约36.3的太阳辐射能量的损失。 光伏阵列占地估算: 以常用的多晶硅光伏电池板(=1315)为例。国内生产的光伏电池板大约为120150Wpm2，加上支架等安装结构件，以及安装倾角和防风设计，光伏阵列大约为l00Wpm2左右。安装1MW光伏阵列，占地约10000 m2，大约相当于15亩。考虑防风，光伏阵列不宜排列过密。另外光伏电池板间的通风散热也很重要，温度升高，尤其是夏天，会降低光伏电池板发电效率。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,4太阳光跟踪系统采用理想的跟踪系统，则可以使能量收集率提高30以上。,聚光型光伏阵列随着聚光倍数的增加，对跟踪精度的要求就越高，因跟踪偏差带来的影响也越大。例如，聚光倍数等于40的聚光器，跟踪偏差只要为0.5就会使输出功率下降10，对于采用聚光器的太阳能应用系统，太阳跟踪系统是必不可少的。需要注意的是聚光器的使用虽然可以显著地提高光伏电池的发光效率，但因为聚光导致的光伏电池温度升高，对光伏电池运行的影响也是非常显著的，会降低光伏电池使用寿命、降低光伏电池的发电效率。,双曲面反射式聚光器,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,(1)单轴跟踪系统 单轴跟踪又分为东西水平轴跟踪、南北水平轴跟踪和极轴跟踪三种。由于地球相对于太阳的旋转轴既不是纯粹的东西方向也不是纯粹的南北方向，使得东西水平轴跟踪和南北水平轴跟踪精度不高。最简便、最适用的是极轴跟踪。所谓极轴是指方位角为零度、倾斜角等于当地纬度的轴。其跟踪过程就是将固定在极轴上的光伏阵列以地球自转角速度(15/h)的速度旋转，即可达到跟踪太阳，减小太阳光入射角的目的。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,(2)双轴跟踪系统 对于带有双曲线镜面或旋转抛物镜面结构的聚光型光伏阵列来说，要使镜面反射或折射的太阳光线都精确地聚焦在光伏电池板上，就必须采用双轴跟踪器。双轴跟踪系统分为水平轴跟踪系统和赤道轴跟踪系统两种形式。 水平轴跟踪系统。水平轴跟踪系统的两根相互垂直的旋转轴分别是：铅直向下的垂直轴和平行于地平线的水平轴。系统绕垂直轴旋转改变其方位角，可以用来跟踪太阳的方位；系统绕水平轴旋转改变其仰角，可以用来跟踪太阳的高度角。这个系统的特点是支架坐平面与地心引力相垂直，使其偏转的重力最小，稳定性比较好。但因随时间变化的太阳高度和方位是非线性的，使得控制该系统角度旋转的速度和配合比较复杂。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,赤道轴跟踪系统。赤道轴跟踪系统的两根相互垂直的旋转轴分别是：平行于天轴(地轴)的极轴和平行于天球赤道面的赤纬轴。使用该装置要先调整后运行。调整装置分步进行：先将极轴对准南北方向，并使极轴的倾角等于当地的地理纬度；,然后调整水平面，使其等于当天的太阳赤纬度值；最后将光伏阵列对准太阳，并控制它以15/h的角速度绕极轴选择。由于地球绕太阳的旋转轴是天轴而不是铅直向下的轴，而且赤纬度一天内的变化量很小，无需每天都进行调整，所以这种跟踪方式是双轴跟踪最常使用的一种。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,(4)太阳跟踪装置 根据控制太阳能采光面角度变化的驱动方式，分为手动跟踪和自动跟踪。自动跟踪采用光敏器件或程序控制与动力驱动装置相结合，促使太阳能采光面在无人值守的条件下，自动跟随太阳的位置而变化。 手动跟踪系统。这种方式常用于平板式光伏阵列，手动跟踪呈间歇进行，故跟踪的精度和效果较差。每隔l、2个小时移动一次，就可使输出维持在与最佳角度相差10之内。精度要求更低的系统，可每1、2个月移动一次。 自动跟踪系统。自动跟踪采用光敏器件或程序控制与动力驱动装置相结合，促使太阳能采光面在无人值守的条件下，自动跟随太阳的位置而变化。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,电子跟踪原理图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,电子跟踪控制流程： 清晨太阳升起，当光强达到能使得光伏电池可输出有效功率时，启动闭环跟踪系统，电机带动光伏阵列开始“跟踪搜索”，使其逐渐对准太阳；随后进人 “监测等待”状态，这时电机停止工作；当太阳偏离一个特定角度后再次开始“跟踪”过程。如遇天空有云雾，为节省驱动能量，系统处于“暂停等待”状态，电机停止工作；当天黑后，电机先带动光伏阵列由面向西方“返回初态”到面向东方的初始位置，然后将整个系统“断电停机”，只需为传感器控制子系统留有一个弱电控制电源即可。对于控制性能好的系统还应具有在恶劣条件下的自适应性，如遇到破坏性大风和雷电天气时，能自动断电停机；遇到光伏电池板温度过高，可自动偏离最佳角度，以降低其聚光度，达到降温的目的。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,太阳跟踪系统的支撑机构 太阳跟踪系统的支撑机构常见的有框架式、轴架式和旋转台式三种。前两种形式是将光伏阵列安装在可进行太阳时角跟踪的轴向移动固定框架或轴架上。其特点是结构简单、价格便宜、安装方便。它们主要适用于支撑单轴跟踪的小功率光伏阵列，但也可额外附带简单的季节性仰角调节功能。而旋转台式形式是在一个较大的可进行时角跟踪的旋转台上安装可进行仰角跟踪的光伏阵列。它适用于支撑大功率的双轴跟踪光伏阵列，其缺点是结构复杂，造价较高。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,电缆是连接光伏阵列与电力电子变换器、电力电子变换器与负载的媒介，是传输电能功率的载体，应具有： 能最佳地传输电流即导电能力。 能把电流限制在特定的电路之中即绝缘能力。 良好的物理与化学特性。 导线布设应遵循原则： 不得在墙和支架的锐角边缘布设电缆，以免损伤绝缘层。 提供足够的支撑和固定。 布线松紧度适当。 绝缘层应能耐受风吹、日晒、雨淋、腐蚀。 电缆接头要防止氧化和接触不良，必要时镀锡。 同一电路馈线和回线应尽可能绞合在一起。,电 缆,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,负载特性分为稳态特性和动态特性，其中稳态特性包括负载正常运行条件下的伏安特性和功率特性等；动态特性包括启动和停止，以及电压和电流突变期间的电压和电流之间的非线性函数关系。1负载接入原则 精打细算，必须对负载进行严格管理和限制，如非必要，不得使用大功率电器和高耗能性负载。 选用节能型负载，如节能灯、液晶电视机等。 计划用电，科学安排一天用电。大功率电器，安排在光伏发电能力最强的中午使用，不集中同时使用。在夜晚或阴雨天气下尽量少用电器，尽量减少蓄电池循环电量，提高蓄电池使用寿命和系统综合效率。,负载特性,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2最大功率点匹配 工程上一般不把负载直接接到光伏电池输出上，而是经过变换器接到光伏电池上。变换器能够起到调整输出负载大小的作用，利用光伏电池的软负载特性达到对其光伏电池工作点电压进行调整的目的，即实现跟踪控制光伏阵列的输出始终工作在最大功率点处的目的。关于最大功率点控制技术详见第5章。,伏安特性和最大功率特性曲线,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3负载评估 评估一般从两方面人手： 静态评估(负载实际耗电量统计)：包括实际额定电流、额定电压、额定有功功率、额定无功功率、日耗电量。 动态评估(负载的动态特性)：包括负载的实际用电时间特性、负载的启动特性、负载的动态频率特性等。 负载评估是一项非常复杂的课题，负载是分散的、时变的和非线性的，并带有一定的随机性。光伏发电系统的设计既要保证光伏发电的电压和电流时刻能满足负载总运行负荷的容量要求，又要满足负荷动态变化的要求，还要满足对负载的可调节性能要求以实现光伏发电系统的高效运行。 负载可细分为阻性、感性和容性三类。感性负载会在开关两端产生感应过电压。容性负载会在启动瞬间产生浪涌电流。会威胁电力变换器电力电子器件安全。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,变换器,变换器是光伏发电系统的关键部件。变换器分直流变换器和交流变换器两种，直流变换器类似于开关电源，将直流电压和电流变换为不同电压等级的直流电压和电流；而交流逆变器是将直流电力逆变成交流电力。 光伏发电系统中的变换器一般包括太阳能最大功率点控制器、蓄电池充电控制器、光伏直流输电用升降压变换器、交流逆变器等。它们的作用如下： 太阳能最大功率点控制器。调节负载功率，实现光伏功率输出最大化。 蓄电池充电控制器。为DCDC变换器，通过调节控制器的直流电压和电流输出值，达到对电流或电压不同目标的控制，实现不同策略的充电控制。如恒流充电、恒压充电。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏直流输电用升降压变换器。为DCDC变换器，包括升压变换器和降压变换器。升压变换器主要用于光伏发电系统向电站配电房直流输电，或光伏电池升压输出或蓄电池升压输出，向高电压用电器供电；降压变换器主要用于光伏工作点控制、负载调节控制以及蓄电池充电控制等。 交流逆变器。该变换器为DCAC变换器，包括无源式逆变器和有源式逆变器。其中无源逆变器用于孤立型光伏电站为交流负载供电，通过开关电路，输出方波或正弦波交流电力，正弦交流一般经PWM调制产生。有源逆变器用于光伏并网，通过开关电路，以PWM方式产生调制的正弦交流电力，可采用电流源或电压源方式向电网输送功率。其中以电压源方式并网输电方式最为普遍，在电压源逆变器与电网之间还要增加电感限流器。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏发电系统分类,光伏发电系统按与电力系统关系分类，通常分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。 并网系统不需要蓄电池，减少了蓄电池的投资、损耗和污染，降低了运行成本，提高了系统运行和供电的稳定性。并网是光伏发电发展的最合理方向。 从负载用电时间上划分: 白天用电、夜间用电和昼夜用电的光伏发电系统。 白天用电的负载包括计算机、光伏空调器、光伏水泵等。理论上不需要储能器件，一定程度上降低了系统造价。 夜间用电的光伏发电系统主要包括照明灯、电视机等。储能元件是必不可少的。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏发电系统分类,一般我们将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。如果根据太阳能光伏系统的应用形式，应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分。可细分如下几种类型： 小型太阳能供电系统（Small DC）； 简单直流系统（Simple DC）； 大型太阳能供电系统（Large DC）； 交流、直流供电系统（AC/DC）； 并网系统（Utility Grid Connect）； 混合供电系统（Hybrid）； 并网混合系统。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,独立光伏发电系统,孤立系统主要应用于偏远无电地区，其建设的主要目的是解决无电问题。其供电可靠性受气象环境、负荷等因素影响很大，供电稳定性也相对较差，很多时候需要加装能量储存和能量管理环节。,1户用光伏系统户用系统主要指办公楼、住宅等配合建筑安装的，为住户自身供电的小型光伏发电系统，一般由光伏电池板、蓄电池、充放电变换器和控制器构成。户用系统也有用在对野外无人设备的供电方面，如通信塔、广播差转台、灯塔等。从经济和技术角度考虑，还可采用与风力发电、柴油机发电互补方式。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,供应直流电及交流电的独立光伏系统,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2独立光伏电站 独立光伏电站也称孤立光伏电站。在负载需求量相对较大的无电村镇、海岛，并且在几公里范围内用户相对集中的无电区域适宜建立独立光伏电站。目前独立电站容量规模在几千瓦到几百千瓦。电站由光伏电池板阵列、蓄电池和变换器、能量管理器、配电和输电系统构成。 各负荷用电与蓄电池充电之间的能量分配需要合理规划与管理。负荷类型中应有一定比率的可调节性负荷。 孤立的光伏电站其缺点是系统整体能量利用率偏低、系统的供电可靠性和稳定性差，需要蓄电池加以储能以稳定供电电网电压和平衡发电与负载。同时也存在着蓄电池的更新支出和其回收存在的二次污染的问题。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,独立光伏发电系统,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,独立光伏电站,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏照明系统 光伏照明系统是最典型的“光伏+储能”系统。 有些照明负荷是直流的，则无须增加逆变环节。有些照明负荷是交流的，增加逆变环节会带来额外的功率损耗。 照明负载的电光源应尽可能采用高效的节能灯或气体放电灯等高效光源。 蓄电池一般为铅酸免维护蓄电池，尽量不要使用会造成蓄电池极板记忆效应的镍镉蓄电池。 最大功率点跟踪控制(MPPT)或恒电压(CVT)工作点控制。MPPT控制相对复杂，需用单片机或DSP；CVT较为简单，控制策略将会损失510光伏功率。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,i)光伏气体放电灯照明系统 高压气体放电灯是一种高效电光源，包括Electrodless lamp、 低压钠灯、金属卤化物灯、高压钠灯等。 气体放电灯照明系统宜采用高频方式，可消除频闪，提高发光效率，也可延长灯的寿命。照明系统需要直流升压电路、高频逆变电路、电子镇流和启辉电路。整个系统包括光伏电池、全封闭免维护铅酸蓄电池和光伏路灯照明控制器。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏照明系统,主电路方案有两种，采用一级或二级变换电路。二级变换电路是将蓄电池电能经DC/DC升压，再经DC/AC逆变给高压钠灯；而采用一级变换电路只用一级DC/AC升压逆变电路，并实现对光伏照明系统的稳流控制。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,太阳能路灯36W低压钠灯,太阳能路灯,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,各部分容量的选取配合 光伏照明系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。随着光伏产业的迅速发展，光伏电池的价格正在逐步下降，然而它仍是整个系统中最昂贵的部分。它的容量选取直接影响着整个系统的成本，其容量选择时还要考虑每天夜里照明小时数，一般不必按整晚照明考虑，以节省造价。相比较而言，蓄电池价格较为低廉，因此可以选取相对较大容量的蓄电池，尽可能充分利用光伏电池所发出的功率。另外，在与照明负载配合时，应该考虑到连续阴天的情况，对系统容量留出一定裕度。蓄电池容量选择要保证每日用电的放电深度不大于4050 。 光伏电池板的发电容量、蓄电池容量和每日照明用电电量之间应有合理的匹配关系。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,ii)庭院灯光伏照明系统 庭院光伏照明系统主要使用节能灯和LED灯。其照明功率相对较小，多用于景观、庭园等的低亮度照明。小功率的光伏照明系统，其控制系统相对较为简单，有些甚至不使用单片机控制。如工作点采用CVT控制，供电可以用直流供电。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,尚德一体化半导体照明模块,LED草坪灯,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,太阳能果酱罐子 LED花园灯 Tobias Wong（澳大利亚）,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Corona未来的太阳能照明系统 Emi Fujita, Shane Kohatsu,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏水泵系统 光伏水泵系统由光伏发电系统和水泵系统构成。为了便于水泵功率控制，在水泵与光伏发电系统之间加一变频器进行水泵功率调节，以协调功率平衡。 不配置蓄电池时抽水效率较低，只有在中午前后，光伏发电功率较高时才能够扬水，而在早晨和傍晚前后光伏功率较低，达不到水泵抽水运行的最小功率值，光伏功率将会白白浪费掉。 最好的解决办法是在发电系统中接入蓄电池，光伏系统输出有波动时，由蓄电池补充光伏发电不足，使工作平稳。同时可将早晚低值时段的光伏发电功率，作为蓄电池充电能量加以利用，这样可显著提高扬水系统的效率。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2.5kW光伏水泵系统在一天之内太阳能利用曲线,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,蓄电池和光伏电池容量选择可以有二种方案 方案一: 是蓄电池和光伏电池容量略大，除了早晨和傍晚进行充电外，中午时段也安排一部分能量进行充电，系统抽水时间比普通光伏扬水系统抽水时间要长； 方案二: 是蓄电池和光伏电池容量略小，中午时段光伏发电系统没有太多富裕能量进行充电，蓄电池只作为电源稳定器和太阳能低谷能量的储存器使用，以减少光伏发电系统电压波动对水泵运行的影响和提高光伏扬水系统的综合效率。因此水泵抽水一定安排在白天中午时段，由于蓄电池容量较小，故不能安排在夜间或太阳能低谷时段抽水。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,扬水与照明综合系统 扬水和照明是工作在不同时段的最典型的负载供电模式，由此两种负载综合构成的系统代表了大多数负载系统供电模式。扬水与照明综合系统由光伏发电系统、蓄电池、照明灯、变频器和水泵构成。白天光伏发电系统向蓄电池充电，同时抽水，夜间蓄电池向照明负荷放电，供给照明用电。扬水安排在中午时段，早晚时段光伏功率较小只能充电。扬水与照明综合系统一般功率比较大，既需要有光伏MPPT控制，又需要有蓄电池充放电控制器。还需要有能量管理进行合理的蓄电池充电和扬水功率分配，协调放电控制和进行蓄电池保护，以免蓄电池过放电损坏。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,典型的光伏扬水与照明综合系统原理框图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,3风力、光伏和柴油发电机一体化互补发电 风力发电和光伏发电都受自然条件、天气限制，带有一定的局限性，但它们之间存在一定的互补性。一般来说，白天只要天气晴好，光伏系统就能正常发电运行，夜间光伏停止发电。而中国西部地区气候特点经常是白天风力小、夜间风力大，因此二者发电正好构成一定的互补关系。另一方面，风力由于其能量密度相对较高，发电功率可以做得很大，现风力发电机组其容量已可达兆瓦级。风力发电单位装机容量的建设成本比光伏发电要低许多，但其发电运行稳定性比光伏发电要差。从稳定性考虑，风能是非常不稳定的能源，如果没有储能装置或与其他发电装置互补运行，风力发电装置本身很难提供稳定的电能输出。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,为了解决风力发电稳定供电的问题，目前国内外比较一致的作法是：大中型风力发电机组并网运行(上百千瓦及以上)；小型风力发电机组(几十千瓦)或者并网运行或者与其他发电设备互补运行，如柴油发电机组或光伏发电系统；微型风力发电机组(几千瓦)一般采用直流发电系统并配合蓄电池储能装置独立运行，其供电可靠性和稳定性均相对较差。 目前光伏发电仍然成本较高，采用风-光互补办法实施电力生产在是一种比较经济和合理的发电办法。中国西部地区不仅太阳能丰富，风力资源也十分丰富，风-光互补模式大有作为。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,“风-光互补”发电虽然能构成一定的互补关系，但仍受气象条件影响较大，如果加装蓄电池能改善其稳定性，但储存的能量毕竟有限，不能长时间持续供给功率，如遇连续阴雨天气和连续无风天气，整个供电系统的供电能力将会大大下降。对于比较重要的或供电稳定性要求较高的负载，还需考虑采用备用的柴油发电机组，形成风机、光伏和柴油发电机一体化的供电系统，供电的可靠性和稳定性将大为提高。 柴油发电机平时可设计成备用状态或小功率运行待机状态，当风-光发电不足和蓄电池储能不足时，由柴油发电机组补充发电，缓解发电系统发电功率的不足。作为备用的补充发电的柴油发电机，其设计容量可以相对较小。小型柴油发电机造价相对便宜。另外，还可以使用沼气发电模式代替柴油发电模式。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,西部某地区风-光互补系统各月平均日发电量统计,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,1设计原则 充分调研当地的阳光和风力资源，结合负载情况，充分发挥两种能源的互补优势，弥补单一能源之不足。选择二者最佳的容量配比和最佳的供电方式，提高互补系统的供电可靠性，降低系统的综合造价和投资。 适当选择蓄电池和柴油发电机组的容量，提高供电的稳定性和可靠性，需要按时段、按季节加以考虑，尤其是要考虑风光互补性较差的时段和季节，以及负载供电连续性和稳定性的要求。 系统运行方式和供电方式的选择，还要考虑系统的技术性能和可维护性。因为风-光互补系统多运行于偏僻地区，当地维护与保养能力较弱，系统可靠性是至关重要的。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2设计依据 设计风-光互补型发电系统所需要的原始数据和信息较多，其中准确地获取当地太阳能资源和风能数据以及负载用电资料是最为重要的。风力发电的变化比太阳能发电更为复杂，受昼夜、季节等因素影响更大。在互补系统中要合理安排昼夜和季节用电负荷以及互补系统的运行和控制模式，如蓄电池的充放电控制、系统能量管理、提高互补系统发电和用电效率的方法和方式等。这些在互补系统设计中都是要重点加以考虑的因素。3 设计步骤： 进行风-光资源评估；进行负载评估；进行系统方案比较，确定互补系统方案和主要部件参数，确定控制与管理策略与方案、进行经济和技术分析。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,同步发电机构成的风-光互补联合发电系统,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,异步发电机构成的风-光互补联合系统,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏并网系统,与独立光伏发电系统相比，并网可以给光伏发电带来诸多好处。不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题；光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率；省略了蓄电池作为储能环节，降低了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费用，同时也消除了处理废旧蓄电池带来的间接污染。 并网光伏系统由光伏阵列、并网逆变器和控制器组成，并网逆变器将光伏电池电能逆变成正弦电流并入电网中；控制器控制光伏电池MPPT、控制逆变器并网电流的波形和功率。控制器一般是由单片机或DSP芯片作为核心器件构成。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏并网系统结构图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏并网系统结构图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,VSC与PCC逆变器区别,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏逆变器电流源并网,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏逆变器电压源并网,缓冲电感,最常用的光伏并网逆变器多采用电压源逆变电路结构。电压型逆变器主要是由电力电子开关器件连接电感构成，以脉宽调制形式向电网送电。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,并网系统中的电抗器是连接光伏发电系统和电力系统的重要部分。 为使光伏发电系统流入电网的电流is能够迅速地跟踪给定电流信号is=Imsint，则其变化率dis/dt须大于dis/dt。电感量L不能取得太大。 为避免电流波动剧烈、输出谐波含量大、导致主电路无法正常工作，电感量L不能取得太小。 电感L的取值范围为:,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,最常用的光伏并网逆变器多采用电压源逆变电路结构。大容量光伏并网逆变器(兆瓦级)可采用GTO的多重化或多电平结构，中小容量光伏并网逆变器(几百千瓦及以下)采用IGBT的PWM-VSC结构，即采用电压源逆变电路经连接缓冲电感并入电力系统。 光伏并网装置白天向电网输送有功功率，其输出电流与电网电压同相，通过MPPT策略调节输出电流的大小，以控制输出的有功。由于装置输出接有电感，它的输出电流与自身输出电压有一个很小的夹角，从装置输出的角度来看，装置也输出一小部分无功，无功电流不会影响直流侧电压。 光伏并网装置夜间可工作于补偿无功的工作模式。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,电网向逆变器输出的有功功率P和无功功率Q可分别表示为:,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,并网控制方法与策略,光伏并网控制主要涉及两个闭环控制环节，一是输出波形控制；二是功率点控制。波形控制要求快速，需要在一个开关周期内实现对目标电流的跟踪，而光伏阵列功率点控制则相对是慢速的。1最大功率点控制 MPPT是当前采用较为广泛方式。实时改变系统的工作状态，跟踪光伏阵列最大功率工作点，实现系统的最大功率输出。MPPT控制有很多的实现方式，如双闭环法、干扰观测法、电导增量法、“上山法”等。系统通过对功率环的控制，实现最大功率跟踪，同时也实现对光伏电池板的温度补偿，使系统具有较好的稳态性能。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2波形跟踪和控制方法 当光伏并网系统的控制部分提供出了电流参考值后，就需要一种合适的PWM控制方式使得并网系统发出的电流能够跟踪参考电流。目前有多种PWM控制方式，例如，瞬时比较方式、定时比较方式和三角波比较方式等。 瞬时比较方式，是把电流参考值与实际电流相比较，偏差通过滞环比较产生PWM信号，从而控制电流的变化。这种方式硬件简单，电流响应快，电流跟踪误差范围固定。但是缺点也很明显，一方面，在电流值小的时候固定的滞环宽度会使电流相对误差过大；另一方面，在电流值大的时候，固定的环宽有可能使器件的开关频率过高，甚至会超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,定时比较方式，利用一个定时控制的比较器，每个时钟周期对电流误差判断一次，PWM信号需要至少一个时钟周期才会变化一次，器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半。缺点是电流跟随误差是不固定的。 三角波比较方式，这种方式将电流误差经过比例积分放大器处理后与三角波比较，目的是将电流误差控制为最小。该方式硬件较为复杂，输出含有载波频率段的谐波，电流响应比瞬时比较方式要慢。 Deadbeat无差拍PWM技术，这种控制技术将目标误差在下一个控制周期内消除。与模拟控制相比，由DSP实现的数字化控制具有控制灵活、易于改变控制算法和硬件调试方便等优点。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,这种方法的原理是在每一个开关周期的开始时刻，采样光伏并网逆变器输出的电流i，并且预测出下一周期开始时刻光伏并网逆变器的电流参考值主is，由差值(i - is)计算出开关器件的开关开通时间，使i在下一周期开始时刻等于is 。这种方法计算量较大，但其开关频率固定、动态响应快的特点受到了青睐，十分适宜于太阳能光伏并网系统的数字控制。 瞬时值反馈控制技术，也可以及时、有效地对逆变器输出波形进行控制。瞬时值反馈控制的原理是：通过负反馈使反馈量更加接近给定量，而抑制反馈环所包围的环节内的参数变动或扰动所引起的偏差。这种技术与上面讲的基于周期的控制技术不同在于：基于周期的反馈控制的反馈量是谐波，而瞬时值反馈控制的反馈量不仅含有谐波，更主要是含有占主导地位的基波分量。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,控制环的周期 电流跟踪的控制周期比较小，范围应该设定在微秒级，光伏阵列中的MPPT部分的控制周期不需要很短，因为环境中气温和光照的变化是相对比较缓慢的，而且主电路存在的集中和分布的感性元件会影响电流控制的响应速度。控制周期过短会影响MPPT的跟踪效果，甚至可能引起跟踪错误；过长则达不到MPPT的跟踪要求。根据仿真和实验的数据，MPPT控制环的周期设定为毫秒级。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏并网系统的保护和孤岛问题 1保护 光伏并网系统作为电力系统的一部分需要接人保护装置，一方面对光伏发电系统保护，防止孤岛效应等发生；另一方面需要安装继电保护装置，防止线路事故或是功率失稳。并网保护装置中一个重要的设备是功率调节器。功率调节器中除了设置有并网保护装置外，在光伏系统输出和并网点之间须增设另一套并网保护装置作后备保护，以保证在光伏逆变系统发生异常的时候，光伏系统不对电网产生较大的不良影响，还可以保证在电网发生故障的时候，电网不对光伏系统产生损坏。常用的并网保护功能有低电压保护、过电压保护、低频率保护、过频率保护、过电流保护和孤岛保护等。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,功率调节器由控制单元、显示单元、充放电单元、逆变器单元和并网保护装置等组成。功率调节器为采用模块化设计的逆变器单元和功能单元，可以灵活组合。单元之间按照主从控制运行方式，设有自立运行功能，可根据需要设置为低压并网、高压并网、自立运行、防灾应急等方式。功率调节器自带的显示单元既可显示光伏阵列电压、电流、倾斜面辐照度、蓄电池电压、电流和剩余容量，又可显示逆变器输出电压、电流、功率，累计发电量、运行状态和异常报警等各项电气参数。是否需要通信接口实现远程监视须视具体情况决定，一般光伏发电并网系统应尽可能地简化，过于复杂会增加系统造价和维护的复杂性，也会降低系统的可靠性。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,2孤岛问题 保护设备的另一个重要作用是进行孤岛检测。当光伏发电系统从原有的电网中断开后，虽然输电线路已经切断，但逆变电源却仍在运行。逆变器失去了并网赖以参考的电网系统电压，这种情况称之为孤岛效应。孤岛效应的产生可能会使电网的重新连接变得复杂，且会对电网中的元件产生危害。为了解决这个问题，学术界已经提出了许多种方案，然而当孤岛效应不是很明显时，现有的方法有可能无法判断出发电站与负载之间功率的失配，因此孤岛问题仍是一个未彻底解决的问题。 利用功率调节器可以实现孤岛检测和对电压自动调整功能，功率调节器设有两种电压自动调整功能：,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,超前相位无功功率控制，电网提供超前相位电流给功率调节器，抑制电压升高。这种控制方式会使功率调节器的视在功率在调节时增加，变换效率略微降低。 输出功率控制，当超前相位无功功率控制对电压升高的抑制达到临界值时，系统电压转由输出功率控制，限制功率调节器的输出功率，防止电压升高。光伏阵列的发电功率即使在额定值，也要限制输出功率。这时，光伏阵列的发电功率利用率有所降低。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,光伏并网系统另一个值得关心的问题是逆变器的某些控制策略使其只能向交流系统输送有功功率，而无法注入无功功率。这种设计有可能恶化交流系统的功率因数，导致电能需求过剩。方法是利用在脉宽调制PWM电路中植入一个扰动发生电路，使它产生与逆变器输出值有一定大小的偏移，通过检测由于频率变化产生的符号变化量和代数运算，就可以更好地检测出来孤岛效应。这种方法的特性如下： 逆变器可以同时提供有功和无功功率，可以避免交流侧功率因数的恶化。 当孤岛效应不明显时，发电站与负载的功率不匹配也可以更有效地检测出来。 计算过程和电路设计容易实现，计算和运行费用相对减少。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,为了能够主动检测孤岛效应，可以在逆变控制器中加入能够产生微小不平衡的正弦波形的电路。这种设计的理论是：如果控制器的参考正弦波产生一个微小的不对称，则会在逆变器的电流输出中有同样大小的畸变。在正常运行情况下，这种畸变的程度是可忽略的；然而一旦孤岛效应发生，这种程度的畸变可以通过检测很容易辨识出来。换句话说，一种合适的畸变程度，可以作为有效的辨识孤岛效应的指示器。 对每个支路的输入电压和电流进行采样之后，进行计算得到频率的改变值，并与整定频率fth进行比较。只有当频率 fi的变化小于预先设定的整定值 fth时，才进行近一步判断。负载变化和动态稳定性在内的干扰都会产生频率的很大波动，因此需要给定一个限值 fth ，以避免意外的误动。,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,被记录的频率变化量f (f fth预先设定的整定值)的符号变化次数N与频率变化数次整定值Nth相比，得出发生孤岛效应的结论。 f的符号变化可以通过f与fi-1乘积的符号变化来检测。 Nth值越大，则误报警的可能性越小，但计算时间会变长。经验来看，Nth=4是比较合适的。,运算流程图,Ecologically Economically Creatively,PHOTOVOLTAIC,能量管理,能量管理主要用来控制光伏阵列在最大功率点处运行，管理光伏发电能量在电器负载和充电控制器之间的分配，使太阳能能量得以合理的使用，并对蓄电池的充电策略进行管理与保护，控制蓄电池放电和管理负载用电。孤立的光伏发电系统多使用铅酸蓄电池，铅酸蓄电池没有充放电的记忆效应，但当其放电过度时，可能造成蓄电池极板的损坏，同样过充电对蓄电池也会有损伤，同时也浪费光伏能量。能量管理可以是一单独装置也可复合在智能型充放电控制器内或电站监控和管理控制器中，一般由