光伏发电系统

1.1课题研究背景和意义能源是经济发展和人类生活所必需的物质基础，但是随着世界人口的日益增长和工业化水平的不断提高，能源短缺和环境污染等问题日趋严重。为使经济、社会、人类、资源和环境协调发展，防止和减轻大量燃用石化能源对环境所造成的严重污染和生态破坏，必须走可持续发展的能源之路，因此利用新能源和可再生能源是当今世界经济发展中最具决定性影响的技术之一。而太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，越来越受到人们的重视，其中光伏发电最受瞩目。太阳能光伏发电技术是利用根据光生伏打效应原理制成的太阳能电池，将太阳能转化为电能的发电技术，具有不消耗化石燃料、电能就地产生不需长距离输送、没有环境污染、可靠性高、寿命长、安全性能好、适合分散供电、扩充能量方便、与其它电源系统兼容和储能比较方便等优点。随这全球能源危机的到来，太阳能光伏技术的应用越来越广泛。随着光伏发电的快速发展，对光伏系统的状态监测、故障检测、数据采集、能量调度与分配等也越来越越重要。由于光伏系统的运行一般是在无人值守的情况下运行的，要对地域上广泛分散的光伏系统进行检测维护是十分困难、繁琐的，需要大量的人力、物力。因此，采用远程监控技术对光伏系统进行远程监控具有十分重要的意义：（1）远程监控技术可对光伏系统进行远程实时监控，减少人为干扰、节省人力、降低维护费用，实现智能检测与控制。（2）对光伏系统的实时监测可以获得原始的测量数据，为系统的改进与优化，科学研究提供有用的数据。由此可见，研究光伏电系统的远程监控系统是十分重要的。1.2国内外研究现状随着光伏技术的迅速发展，为了研究这些光伏电站的运行性能、优化设计光伏电站，光伏电站系统监控技术也随着光伏技术的发展而深入开展起来。国外在90年代前后对监测系统研究的比较多，基本上形成了比较成熟的思路。国外的研究有几个典型的特征：在系统的控制方面研究较多，在系统维护和管理方面比较少；对并网型研究较多，而对独立运行研究较少。而且，每次研究都是为了解决某一类特殊的问题而进行的部分系统的数据量采集和分析。目前为止，国外有代表的几次研究有：（1）ElectriePowerResearchInstitute在90年代初对美国的七个光伏电站做了实验研究，他们做的工作主要有：对七个电站的数据采集，还包括劳力开支，采集的数据分类及其趋势，控制中各种误操作原因分析和论证。监测过程中费用的计算，整个实验潜在的开销，结论和方案推荐等。（2）美国怀俄明州大学电子工程系在90年代初做了一些相关的工作。主要介绍了系统电池板的最优尺寸、PV系统的性能和经济性。对五个方面进行了分析：光照和PV能量预处理；系统操作特征鉴定；实时控制的鉴定；能量系统安全分析；生产造价和扩容分析。（3）NationalRenewableEnergyLaboratory（美国国家可再生能源实验室）在95年对两座6KW并网型光伏电站进行数据采集和分析。工作主要包括：对两座光伏电站进行了为期一年的数据采集，得出了各参数之间的数学关系，主要是电参数与气候条件之间的关系。对由气候条件算出的理论值和实际值之间进行了比较并分析其可能的原因，评价了各器件的效率问题。（4）日本东京大学99年对独立运行的光伏电站系统进行了监测评价研究。他们的主要工作有：电池板不匹配造成的损失，系统转换效率引起的损失，蓄电池能量转换损失，蓄电池的充、放电深度的研究。（5）1995年，国际能源机构光伏发电系统项目（IEA一PVPS，InternationalEnergyAgencyPhotovoltaicPowerSystems）开展了一次任务。主要目的是为光伏专家、研究实验室、光伏厂家、用户及其其它团体提供与光伏系统及子系统的运行性能、可靠性及成本

等相关的详细信息，并且已经建立了国际上不同方式的光伏发电系统的技术数据和运行数据的数据库。此数据库是按照规格化分析和不同光伏系统应用的代表性运行数据而设计的，到目前为止，该数据库包含了372个被监测的光伏电站，这些电站的安装容量超过11MW，都有不同的用处：电能供给、家庭应用、农村电气化和特殊应用。该数据库中存储了被选择的光伏电站的详细的系统特性和监测数据。这些光伏发电系统分布在世界各地，运行在不同的气象条件下，多数是在不同的IEA.PVPS成员国的国家示范项目中收集的，例如，奥地利屋顶项目、法国农村电气化项目、欧洲兆卡项目、德国1000屋顶光伏项目、同本阳光和实地实验项目以及瑞士示范项目。该数据库中汇集了非常广泛的、高质量的光伏电站运行数据，可以作为光伏系统性能分析的特殊工具。目前，我国也已经开展了光伏电站数据采集及监控技术的研究工作。例如中科院电工研究所、合肥工业大学能源研究所和北京计科公司等都做过光伏电站监测系统的研究。到目前为止中科院电工所和日本合作建成了16座容量总计128KW无电学校用太阳光伏电站，每个电站都配有数掘采集和监测系统，数据存储在IC卡上，定期更换。中科院电工所基于所内的2KW风/光互补电站应用Labview技术自主开发出一套基于PC机的风/光互补电站实时监控系统软件包。合肥工业大学能源研究所使用VB编程语言和Access2.0数据库语言开发出运行在Window95、98下的光伏并网发电系统的数据采集和监控软件包。北京市计科能源新技术开发公司基于国家十五攻关课题建成的20KW并网光伏电站开发出一套光伏电站数据采集和监控系统。1.3光伏发电分类与系统组成太阳能发电系统主要是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池构成。太阳育皂发电系统(1)太阳电池板(1)太阳电池板太阳电池板是将太阳辐射能直接转换成直流电丁供负载使用或存贮于蓄电池内备用。一般是根据用户需要，将若干太阳电池板按一定方式连接，组成太阳能电池方阵，再配上适当的支架及接线盒组成。（2）充电控制器在不同类型的光伏发电系统中，充电控制器不尽相同，其功能多少及复杂程度差别很大，这需根据系统的要求及重要程度来确定。充电控制器主要由电子元器件、仪表、继电器、开关等组成。在太阳发电系统中，充电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。如果用户使用直流负载，通过充电控制器还能为负载提供稳定的直流电。（3）逆变器逆变器的作用就是将太阳能电池方阵和蓄电池提供的低压直流电逆变成220伏交流电，供给交流负载使用。（4）蓄电池组蓄电池组是将太阳电池方阵发出直流电贮能起来，供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电；在冬天日照量少，这部分贮存的电能逐步放出。白天太阳能电池方阵给蓄电池充电，同时方阵还要给负载用电，晚上负载用电全部由蓄电池供给。因此，要求蓄电池的自放电要小，而且充电效率要高，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。常用的蓄电池有铅酸蓄电池和硅胶蓄电池，要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍镉蓄电池。光伏系统一般分为独立系统、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。还可以将光伏系统细分为如下六种类型：小型太阳能供电系统（SmallDC）；简单直流系统（SimpleDC）；大型太阳能发电系统（LargeDC）；交流、直流供电系统（AC/DC）；并网系统（UtilityGridConnect）；混合供电系统（Hybrid）；并网混合系统。（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。其主要用途是一般的家庭户用系统，各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。如在我国西部地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流灯，用来解决无电地区的家庭照明问题。（2）简单直流系统（SimpleDC）该系统的特点是系统中的负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器，系统结构简单，直接使用光伏组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程，以及控制器中的能量损失，提高了能量利用效率。其常用于PV水泵系统、一些白天临时设备用电和一些旅游设施中。下图显示的就是一个简单直流的PV水泵系统。这种系统在发展中国家的无纯净自来水供饮的地区得到了广泛的应用，产生了良好的社会效益。（3）大型太阳能供电系统（LargeDC）与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍然是适用于直流电源系统，但是这种太阳能光伏系统通常负载功率较大，为了保证可以可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的光伏组件阵列以及较大的太阳能蓄电池组，其常见的应用形式有通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电，航标灯塔、路灯等。（4）交流、直流供电系统（AC/DC）与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求。通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。在一些同时具有交流和直流负载的通讯基站和其它一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。并网系统(UtilityGridConnect)这种太阳能光伏系统最大的特点就是光伏阵列产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入市电网络，并网系统中PV方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。在阴雨天或夜晚，光伏阵列没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用PV方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压，频率等指标的要求。因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能光伏组件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。而且并网PV系统可以对公用电网起到调峰作用。但是，并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。混合供电系统(Hybrid)这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能光伏组件阵列之外，还使用了油机作为备用电源。使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。并网混合供电系统(Hybrid)随着太阳能光电子产业的发展，出现了可以综合利用太阳能光伏组件阵列，市电和备用油机的并网混合供电系统。这种系统通常是控制器和逆变器集成一体化，使用电脑芯片全面控制整个系统的运行，综合利用各种能源达到最佳的工作状态，并还可以使用蓄电池进一步提高系统的负载供电保障率，例如AES的SMD逆变器系统。该系统可以为本地负载提供合格的电源，并可以作为一个在线的UPS(不间断电源)工作。还可以向电网供电或者从电网获得电力。系统的工作方式通常的是将市电和太阳能电源并行工作，对于本地负载而言，如果光伏组件产生的电能足够负载使用，它将直接使用光伏组件产生的电能供给负载的需求。如果光伏组件产生的电能超过即时负载的需求还能将多余的电能返回到电网;如果光伏组件产生的电能不够用，则将自动启用市电，使用市电