第4章 太阳能、光伏发电与控制技术

中国计量学院,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,第4章太阳能、光伏发电与控制技术,中国计量学院,2,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,3,4.1太阳的辐射及太阳能简介4.2太阳能的转换与应用4.3太阳能电池与光伏发电原理4.4MPPT光伏变换与控制技术4.5光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略4.6光伏发电的制约因素与经济技术评价,本章主要内容,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,4,4.1太阳的辐射及太阳能简介4.1.1太阳简介,图4-1太阳的结构,太阳是太阳系的中心天体，是离地球最近的一颗恒星，是炽热的气态球体。太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反应，不断释放巨大的能量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递热量，温度也从中心向表面逐渐降低。,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,5,地面辐射的时空变化特点是：全年以赤道获得的辐射最多，极地最少。这种热量不均匀分布，必然导致地表各纬度的气温产生差异，在地球表面出现热带、温带和寒带气候；太阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低。,4.1.2太阳辐射,不同地区太阳平均辐射强度,太阳辐射能量在可见光（0.4-0.76um）、红外线（0.76um）和紫外线（0.4um）分别占50%、43%和7%，即集中于短波波段，因此太阳辐射称为短波辐射,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,6,地球上的能流,图4-4地球上的能流,据测算，经过大气层削弱到达地球的总辐射能高达173000TW，即每秒钟照射到地球的能量相当于500万t煤，地球上的生物依赖这些能量生存。广义上讲：地球上的风能、水能、海洋温差能、生物质能等都来源于太阳能，即使煤、石油等化石燃料也可以说是远古储存的太阳能。狭义上讲：太阳能限于太阳辐射的光热、光电和光化学的直接转换,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,7,4.2太阳能的技术应用,1太阳能采集,（1）平板集热器平板吸热，热损耗大（2）真空管集热器吸热体封闭在真空管内，提高热性能（3）聚光集热器光学原理聚光，需要跟踪太阳,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,8,2太阳能的转换,（1）太阳能热能转换选择合适涂层使其吸收性能好且向外辐射小。（2）太阳能电能转换方便能量的利用、传输和分配，太阳能电池效率低(20%)（3）太阳能氢能转换通过分解水转换成氢能。（4）太阳能生物质能转换通过光合作用将二氧化碳和水合成有机物。（5）太阳能机械能转换,2太阳能的转换,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,9,3太阳能贮存,（1）热能贮热（2）电能贮存（3）氢能贮存（4）机械能贮存,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,10,4太阳能传输,（1）直接传输（光学原理：反射折射传输）（2）间接传输（转为热能、电能等传输。）,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,11,5.太阳能的利用,（1）太阳辐射的热能利用（2）太阳能光热利用（3）太阳能热发电（4）太阳能综合利用（5）太阳能光伏发电技术,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,12,太阳能的利用,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,13,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,14,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,15,尚德大型太阳能发电幕墙,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,16,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,17,美国最大的光伏发电站-1,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,18,美国最大的光伏发电站-2,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,19,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,20,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,21,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,22,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,23,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,24,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,25,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,26,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,27,4.3太阳能电池与光伏发电原理,4.3.1太阳能电池太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等种类。单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,28,太阳能电池原理太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应，将太阳辐射直接转换为电能。所谓光电效应，就是指物体在吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半导体光伏效应的效率最高。,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,29,1.半导体的内部结构,图4-5一般的半导体结构,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,30,2.P型半导体的结构,图4-6P型半导体,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,31,3.N型半导体的结构,图4-7N型半导体,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,32,4.太阳能电池晶片的组成,图4-8太阳电池晶片,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,33,5.太阳能晶片受光的物理过程,图4-9太阳能晶片受光的物理过程,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,34,太阳能电池的分类,单晶硅太阳能电池效率高（可达20%）2.多晶硅太阳能电池电池含多个不同晶粒组成，效率低（13-15%）但工艺简单，可大规模生成3.非晶硅太阳能电池主要应用于消费市场，如手表、玩具。效率（5-7）%,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,35,4.3.2太阳能光伏发电原理,太阳能电池阵列逆变器用电设备进户计量仪表,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,36,3.光伏系统分类,（1）小型太阳能供电系统（SmallDC）该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。如在我国的西北地区大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、家用电器等，用来解决无电地区家庭的基本照明和供电问题。,图4-11小型太阳能供电系统,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,37,（2）简单直流系统（SimpleDC）,该系统的特点是系统中负载为直流负载，而且负载的使用时间没有特别要求，负载主要在日间使用，系统中没有蓄电池，也不需要控制器。整个系统结构简单，直接使用太阳能电池阵列给负载供电，光伏发电的整体效率较高。如光伏水泵就使用了这种类型的光伏系统。,图4-12简单直流供电系统,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,38,（3）大型太阳能供电系统（LargeDC）,该系统的特点是系统中用电器也是直流负载，但负载功率比较大，整个系统的规模也比较大，需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村集中供电站，航标灯塔、路灯等领域。如在我国的西部地区部分乡村光伏电站使用了这种类型的光伏系统，中国移动和中国联通公司在偏僻无电地区的通信基站等。,图4-13大型太阳能供电系统,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,39,该系统的特点是系统中同时含有直流负载和交流负载，整个系统结构比较复杂，整个系统的规模也比较大，同样需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。如在一些同时具有交流和直流负载的通信基站或其他一些含有交流和直流负载的光伏电站中使用了这种类型的光伏系统。,（4）交流、直流供电系统（AC/DC）,图4-14交流、直流供电系统,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,40,（5）并网系统（UtilityGridConnect）,这种系统的最大特点是太阳能电池阵列转换产生的直流电经过三相逆变器（DC/AC）转换成为符合公共电网要求的交流电并直接并入公共电网，供公共电网用电设备使用和远程调配。这种系统中所用的逆变器必需是专用的并网逆变器，以保证逆变器输出的电力满足公共电网的电压、频率和相位等性能指标的要求。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能电池阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率；而在夜晚或阴雨天气，本地交流负载的供电可以从公共电网获得。,图4-15并网发电系统,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,讨论,如果太阳能发电给交流负载供电，则采用独立发电形式和并网发电形式电路结构有何区别？控制方式有何区别？,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,42,图4-10典型的光伏发电系统,6.太阳能光伏发电系统的典型结构,机械工业出版社,第4章太阳能、光伏发电与控制技术,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,43,2.系统组成,（1）太阳能电池组件：由太阳能电池（也称光伏电池）按照系统的需要串联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下将太阳能转换成电能，它是光伏发电的核心部件。（2）充放电控制器、逆变器控制本部分除了对蓄电池或其他中间蓄能元件进行充放电控制外，一般还要按照负载电源的需求进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用。（3）蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备蓄电池或其他蓄能元件如超导、超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。,机械工业出版社,第4章太阳能、光伏发电与控制技术,中国计量学院,44,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,4.4.1光伏阵列的组成与输出特性,4.4MPPT光伏发电变换与控制技术,1光伏电池的电特性,光伏电池的等效电路如图4-18.,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,45,电流I为太阳能电池输出电流，Id等效为光电池的暗电流，IRsh为漏电流，ILG为光电池电流源，Rsh为光伏电池的并联等效电阻；Rs：光伏电池的串联等效电阻。,图4-18光伏电池等效电路图,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,46,光伏电池的输出特性方程：,式中：,并联电阻Rsh越大，不会影响短路电流的数值。所以下面设计中忽略Rsh，得到简化的光伏电池输出特性方程：,I：光伏电池输出电流；V：光伏电池输出电压；IOS：光伏电池暗饱和电流；T：光伏电池的表面温度；k：波尔兹曼常数(1.38*10-23J/K)；q：单位电荷(1.6*10-19C)；K1：短路电流的温度系数；ISCR：标准测试条件（光伏电池温度25，日照强度为1000W/m2）下，光伏电池的短路电流；ILG：光电流；EGO：半导体材料的禁带宽度；Tr：参考温度(301.18。K)；Ior：Tr下的暗饱和电流；A,B：理想因子，一般介于1和2之间,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,47,光伏电池模型,参考文献：茆美琴，余世杰，苏建徽.带有MPPT功能的光伏阵列Matlab通用仿真模型J.系统仿真学报.2005.17（5）:1248-1251.,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,48,2光伏电池的伏安特性,2光伏电池的伏安特性,图420光伏电池的伏安特性,中国计量学院,49,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,当负载RL从0变化到无穷大时，即可得到如图所示太阳能电池输出特性曲线。调节负载电阻RL到某一值Rm时，在曲线上得到一点M，其对应的工作电压和工作电流之积最大，即Pm=Im*Vm，将此M点定义为最大功率输出点（MPP）。,光伏电池的输出特性图,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,50,MPPT本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，然后控制电流（或电压）向当前工作点与峰值功率点移动，最后控制电流（或电压）在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。,图4-22不同光照强度下的光伏电池最大功率点,4.4.1光伏阵列的组成与输出特性,3MPPT工作原理,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,51,在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，也就是让光伏电池工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率。MPPT就是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程，它不需要知道光伏阵列精确的数学模型，而是在运行过程中不断改变可控参数的整定值，使得当前工作点逐渐向峰值功率点靠近，使光伏系统运作在峰值功率点附近。,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,常用的MPPT控制算法,1、定电压跟踪法：先求得或设置某一中心电压，通过控制使光伏阵列的输出电压一直保持该电压，从而使光伏系统输出功率达到或接近最大功率输出值。2、扰动观察法：,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,3、增量电导法根据光伏阵列的P/U曲线，当输出功率为P最大时，即Pmax处的斜率为零。可得：4、模糊逻辑控制法：根据温度、光照等参数进行逻辑推算。5、最优梯度法：以梯度算法为基础的多维无约束最优化问题的数值计算方法。,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,54,4.4.2光伏发电充电控制策略,1铅酸蓄电池工作原理,蓄电池的两组极板都浸在稀硫酸溶液里，如果通以适当电流，则正极板上的硫酸铅就变成棕褐色的二氧化铅（PbO2，也称过氧化铅），负极板上的硫酸铅变成灰色的海绵状铅（Pb）。放电时，正负极板上的活性物质都吸收硫酸，逐渐变成硫酸铅（PbSO4）。当大部分活性物质变成硫酸铅（PbSO4）后，蓄电池的电压就下降到不能再放电了。蓄电池到了这个时候就需要充电，使硫酸铅重新恢复为正极的二氧化铅和负极的海绵状铅，供继续放电使用。,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,正极板,负极板,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,2铅酸蓄电池充电过程分析,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,3铅酸蓄电池充电控制策略,缺点：由于光伏电池输出特性依赖于外界环境，实际应用中往往不能使光伏电池输出最大电流，从而延长充电时间。,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,光伏发电蓄电池充电策略,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,1）充电开始阶段，设置最大充电电流为C/10，此时只要充电电流不超过最大允许充电电流，进行最大功率点跟踪，光伏电池输出最大功率给蓄电池充电，如果由于光照强度较大引起充电电流大于最大允许充电电流，则退出最大功率点跟踪控制，此时以最大允许充电电流给蓄电池充电；一旦光照强度减弱导致充电电流小于最大允许充电电流，此时重新进行最大功率点跟踪控制，使光伏电池输出最大功率。2）充电过程中，一旦蓄电池两端电压上升到某一设定值，逐步减小最大允许充电电流，如图中曲线C2、C3、Cn所示。以不同充电速率重复上面充电过程，经过若干次循环后，最大允许充电电流下降到C/100，此时蓄电池完全充满。,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,4充电控制器电路设计,uk充电控制器主电路,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,工作原理,开关管Vr导通期间,开关管Vr截止期间,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,基于DSP的充电电路结构,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,中国计量学院,64,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,4.5光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构1电压源型光伏阵列的逆变并网,图440光伏阵列并网的电压源型电路结构,中国计量学院,65,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,2电流源型光伏阵列的逆变并网,图441光伏阵列电流源型并网逆变电路拓扑,中国计量学院,66,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,3单级式并网逆变器,图442单级式并网逆变器的电路拓扑,中国计量学院,67,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4两级式并网逆变器,图443两级式并网逆变器的电路拓扑,中国计量学院,68,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,图444一种改进型两级式并网逆变器拓扑,中国计量学院,69,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,5多级式并网逆变器,图445多级式并网逆变器的电路拓扑,中国计量学院,70,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.1光伏阵列并网逆变器的结构,4.5.2光伏阵列并网逆变器的控制策略,1并网波形的跟踪与控制策略,具体有五个条件：,波形相同；,幅值相同；,频率相同；,相序相同；,相位相同。,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,由于C1的容量较小，流过C1的工频电流很小可以忽略，则逆变H桥输出基波电压和工频电网电压可表示为：,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,并网控制策略,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,3仿真（参见示例）,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,4软硬件设计1.主电路2.处理器3.驱动设计4.电源设计5.信号采集,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,信号采集,其中R82=R89=R;R87=R83=2R,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,程序设计,1）电压变化控制策略(脉冲产生)；DC/DC,DC/AC2）控制算法（离散PI控制）3）小数点控制（Q值）（电压、电流）,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,3并网系统的保护与光伏发电并网的孤岛问题,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,孤岛下发电系统继续运行存在的问题,1)对人身安全的危害，用户或线路维修人员不一定意识到分布式发电系统的存在；2)供电质量，没有大电网的支持，分布式发电系统的供电质量难以符合各方面的需求，例如电压波动、频率波动以及谐波等技术指标；3)分布式发电系统(指逆变系统)为了提高逆变器的效率而设定单位功率因数输出，但是本地负载总是有对无功功率的需求，这就导致在孤岛运行时负载无功需求不能满足，系统电压和频率可能发生波动甚至崩溃；4)电力公司对电网的管理要求，由于孤岛状态意味着脱离了电力管理部门的监控而独立运行，是不可控和高隐患的操作；,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,5)对于利用太阳能或者风力发电的分布式供电系统存在输出功率不稳定(尤其是发电系统本身没有储能设备时)的问题，甚至在某一段时间内有可能无功率输出；6)电网恢复时分布式发电系统重新并网会遇到困难，非同步并网会引起大的电流冲击。,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,主要的孤岛检测方法：,电力系统端检测法1）传输断路器跳闸信号检测孤岛2）电力线路载波通信检测孤岛电力变换器端检测法1）被动式孤岛检测通过监测并网公用连接点PCC(thepointofcommoncoupling)的状态（如电压、频率、谐波）来判断是否出现孤岛；2）主动式孤岛检测在电力变换器内迭加一个干扰，再观察PCC点状态以判断孤岛是否出现。,中国计量学院,83,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,4.6光伏发电的制约因素与经济技术评价,表42地面用光伏电池组件的成本与价格（19902010年）,中国计量学院,84,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,表43光伏电池组件的效率,中国计量学院,85,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,光伏阵列发电主要存在以下问题：光伏阵列发电效率低光伏阵列发电系统的造价成本高光伏阵列发电系统的运行受气候环境因素影响大光伏电池组件的制造需要消耗大量能源,中国计量学院,86,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,目前大多数的风光，风光柴油以及风光柴蓄等脱离大电网的混合局部并网发电系统都具有独立和并网两种工作模式，因而以太阳能光伏发电与风力发电进行互补，综合天燃气燃机发电或柴油发电，而形成大型新能源综合发电是未来重要的发展方向。,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,87,小结,本章介绍太阳能光伏发电的相关知识，从太阳能的利用方面初步了解太阳能电池的基本原理和特性，介绍了MPPT及其控制的原理和方法；并进一步简述的在太阳能应用中常用的DCDC变换或DCAC变换，最后列举了一些知名厂商的太阳能逆变器产品。,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,88,SUNNYBOY700,SUNNYBOY3800,附录：光伏逆变器实物及一些重要指标,SMA公司,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,89,SUNNYBOY2100TL,SUNNYBOY2800i,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,90,SUNNYMINICENTRAL5000A/6000A,SUNNYMINICENTRAL7000HV,.4章太阳能、光伏发电与控制技术,机械工业出版社,91,SunnyTower,SunnyCe