华北电力大新能源发电技术课件02太阳能光伏发电技术

2011.5.3第二章

太阳能光伏发电技术2011.5.3目录光伏发展历史、现状与趋势光伏电池及光伏阵列光伏发电系统的构成与类型光伏发电运行控制技术第二章

太阳能光伏发电技术2011.5.3目录光伏发电的发展历史光伏发电的发展现状与趋势光伏逆变器的发展现状Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势2011.5.3一.光伏发电的发展历史Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势世界光伏发电已经走过了半个多世纪曲折历程，进入21世纪后日益严重的能源与环境问题终于促使光伏发电走上了快速发展的道路。2008.6.20起源：1954年5月，美国贝尔实验室恰宾、富乐和皮尔松开发出效率为6%的单晶硅太阳能电池，是世界上第一个有实用价值的太阳能电池。发展：近几年，太阳能电池组件的年平均增长率为33%，商品化电池效率达到13—15％。公共事业级太阳能项目的电价降至6—8美分/（kW·h），其发电成本较传统能源更具优势。目前光伏电池之最：为国电光伏自主研发的柔性薄膜砷化镓电池（AM1.5G），其转换效率高达34.5%。Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势2011.5.31.世界光伏发展史Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势

世界光伏技术的发展，已经经历了半个多世纪，可分为5个发展阶段：第一阶段（1954－1973）

1954年恰宾与皮尔松在美国贝尔实验室首次制成实用单晶硅太阳电池，效率6％。同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并制成了第一块薄膜太阳电池。第二阶段（1973－1980）中东战争导致了第一次石油危机，世界上兴起了开发利用太阳能热潮。各国加大了太阳能研究投入，经费大幅增长。至1980年，单晶硅电池效率达20％，砷化镓电池22.5％，多晶硅电池14.5％，硫化镉电池9.15％。2011.5.31.世界光伏发展史Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势第三阶段（1980－1992）

20世界80年代，世界石油价格大幅回落，而太阳能产品价格居高不下。加上核电发展较快，太阳能利用加入了低谷。第四阶段（1992－2000）由于大量燃烧矿物能源，全球环境污染日益严重。1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，确定了可持续发展的模式。此后，世界太阳能技术进入了一个新的发展时期。此期间标志性事件有：1993年日本制定“阳光计划”；1997年，美国提出“克林顿总体百万太阳能屋顶计划”。1998年，单晶硅电池效率达24.7％。2011.5.31.世界光伏发展史Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势第五阶段（2000－至今）进入21世纪，原油价格疯狂上涨，加强了人们发展新能源的欲望。许多国家加强了政府对新能源发展的支持补贴力度，太阳能发电装机容量得到了迅猛增长。中国于2007年一跃成为世界第一太阳能电池生产国。在光伏电池转换效率方面，多晶硅太阳电池实验室效率达到20.3％，2007年砷化镓多结太阳能电池效率达40.7％。2011.5.3Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势2011.5.32011.5.32.中国光伏发展史Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势1971年，中国首次在第二颗人造卫星“实践1号”上配备了多块单晶硅太阳电池板，这标志着中国光伏技术的开始。1973年，光伏电池开始在地面应用。1985年以前，主要应用在航标灯、铁路信号灯、电围栏、小型通信机等特殊场合。20世纪80年代，中国先后从美国、加拿大引进了7条太阳能电池生产线，使我国的太阳能电池的生产能力大大提高。20世纪90年代以来，光伏发电逐渐扩展到通信、交通、石油、气象、国防、农村电气化等许多方面，太阳能电池使用量每年以高于20%的速率增长。2011.5.32.中国光伏发展史Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势1994年，中科院电工所建造了许多小型户用光伏发电系统和100千瓦独立光伏电站等。

2002年起，我国开始实施“光明工程”，以解决边远地区人口无电缺电问题，我国的太阳能电池市场骤然放大，国内太阳能电池企业也迅速做大。2003年，中国成为世界上最大的庭园灯等光伏消费品生产国。2007年，崇明岛兆瓦级光伏电站发电示范工程正式并网发电。2008年，中国电池产量约为1088MW，占世界总量的29％，已经居世界首位。2009年，一些大型光伏项目，格外引人关注。如：2009年12月30日，我国首个大型光伏并网发电项目——国投敦煌10兆瓦光伏发电项目投产发电。2011.5.3二.光伏发电的发展现状与趋势Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势近年来，光伏发电得到了迅猛的发展，而且会具有更加美好的发展前景。欧洲与日美是世界上的光伏强国。2011.5.31.世界光伏发展现状与趋势Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势截至2013年，全球光伏累计装机量达到136.7GW，其中欧洲拥有光伏装机量约80GW，占全球总装机规模的58.5%。全球光伏累计装机份额（截止2013.12）2011.5.31.世界光伏发展现状与趋势Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势全球光伏累计装机（2005-2015）

2011.5.31.世界光伏发展现状与趋势Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势发展趋势与预测根据EPIA（欧洲光伏产业协会）

的预测：到2017年，在政策温和（Business-as-Usual）、政策驱动（Policy-Driven）情况下，全球太阳能光伏发电总装机容量将分别达到288GW和422GW，年均复合增长率分别为22.03%和29.77%。据欧洲联合研究中心预测：到2030年，太阳能光伏发电在世界总电力的供应中达到10%以上；到2040年，太阳能光伏发电将占电力的20%以上；到21世纪末，太阳能光伏发电占到60%以上。未来数十年，全球光伏产业的增长率将高达25%-30%，太阳能光伏发电增长潜力巨大。世界光伏发展方向:并网发电和与建筑结合供电（BIPV）2008.6.20锦州10MWp太阳能光伏电站项目分布式屋顶光伏电站Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势2011.5.3Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势图：西班牙5MW并网发电项目2.中国光伏发展现状与趋势Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势

截至2015年底，中国光伏发电累计装机容量4318万千瓦，成为全球光伏发电装机容量最大的国家。其中，光伏电站3712万千瓦，分布式606万千瓦，年发电量392亿千瓦时。光伏发电呈现东中西部共同发展格局。中东部地区有6个省累计装机容量超过100万千瓦，分别是江苏（422万千瓦）、河北（239万千瓦）、浙江（164万千瓦）、山东（133万千瓦）、安徽（121万千瓦）和山西（113万千瓦）。我国光伏电池制造企业继续保持较强国际竞争力，在全球产量排名前10名企业中，中国企业占据6席，其中前4名均为中国企业。光伏发电规划：到2020年光伏装机容量达到1亿千瓦左右。2011.5.32.中国光伏发展现状与趋势Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势2007－2013我国光伏装机（单位：MW）2011.5.32.中国光伏发展现状与趋势Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势2013年我国光伏电站装机分布序号省份电站个数（个）并网容量（MWp）1甘肃13943172青海11931033新疆12125704宁夏7816145内蒙古5614056江苏11110497新疆兵团276418河北144619山西1027510陕西1027011云南918012山东1311213西藏1011014海南38315辽宁33016四川23017江西22518上海101619吉林11020黑龙江11021河南1322安徽12合计741163162011.5.3Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势发展方向:巩固封闭发电系统,开拓并网发电系统2011.5.33.主要的光伏设备厂商及市场Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势国外厂商世界光伏设备供应商主要集中在德国和美国：德国CentrothermPhotovoltaicsAG德国Schmid德国MeyerBurger美国AppliedMaterials美国GTAdvancedTechnologies2008.6.20国内厂商与市场我国光伏设备企业已全面具备太阳能电池制造整线装备能力，光伏设备已实现全面国产化。光伏设备制造厂约76个。进行光伏技术研究的高校和科研院所约10家。专业研发中心：中电科48所。有能力进行光伏设备测试的机构约6家。Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势2008.6.20

2014光伏组件企业10强排名公司名称2013年出货量（MW）1英利绿色能源控股有限公司3234.32天合光能有限公司2584.73阿特斯阳光电力集团18944晶科能源控股有限公司1765.15浙江昱辉阳光能源有限公司1728.86韩华新能源有限公司1280.37晶澳太阳能有限公司1170.28浙江正泰新能源开发有限公司9009国电光伏有限公司83410海润光伏科技股份有限公司830Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势2008.6.20

2013年国内较大光伏发电企业装机情况序号企业名称新装机容量（万千瓦）累计装机容量（万千瓦）1中电投1902502中节能651233正泰集团601004华电集团40705国电集团30706华能集团52607三峡集团45608招商新能源41539中广核245310大唐集团3050总计577889全国12001800Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势华北电力大学电气与电子工程学院刘其辉2008.6.20第二章：光伏发电的现状与趋势2011.5.32008.6.20《关于完善光伏发电价格政策通知》

对分布式发电和大型地面站发电进行了区分。分布式发电电价补贴为0.35元/（KWh）。分布式光伏发电系统并入电网的电量，由电网企业按照当地燃煤发电标杆上网电价进行收购。国家发改委公布光伏发电补贴细则

根据各地太阳能资源条件和建设成本，全国分为三类资源区，分别执行每度0.9元、0.95元、1元的电价标准。对分布式光伏发电项目电价补贴标准为每度0.42元。《光伏发电运营监管暂行办法》

规定电网企业应当全额收购其电网覆盖范围内光伏发电项目的上网电量。Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势4.我国的光伏产业政策2008.6.20《关于光伏发电增值税政策的通知》

从2013年10月1日至2015年12月31日，对纳税人销售自产太阳能生产电力产品，实行增值税即征即退50%的政策。国家能源局印发《新建电源接入电网监管暂行办法》

新建电源项目和送出工程均核准后30个工作日内，电网企业与发电企业应签订接网协议，并报送国家能源局及其派出机构备案。Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势2011.5.3三.光伏逆变器的发展现状Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势作为光伏发电系统核心部分的光伏逆变器伴随着电力电子技术的不断发展而发展，其技术水平与应用范围将不断提高和扩大。2011.5.31.光伏逆变器的生产企业及市场Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势SMA是全球最早也是最大的光伏逆变器生产企业（德国市场占有率达50%以上），2008年占全球市场份额的32.4%，第二位是Fronius。全球前七位的生产企业占领了%的市场份额。国内生产逆变器的厂商有合肥阳光（专业生产离网/并网光伏及风力发电逆变器）、北京索英（回馈电源及逆变器）、北京科诺伟业（系统集成及逆变器）、志诚冠军（UPS为主）、北京日佳（小功率为主）、南京冠亚（控制逆变为主）等企业。2011.5.32.光伏逆变器的技术现状Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势2011.5.3Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势图（小型）光伏逆变器2011.5.3Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势图：（大功率）光伏逆变器2011.5.3Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势图：意大利安萨尔多公司PV9系列光伏逆变器性能参数型号50KW100KW150KW200KWPV9M060PV9M120PV9M190PV9M230输入数据最大直流输入功率(PPV)*60kWp120kWp190kWp232kWp直流输入电压范围MPPT(UDC)540V–950vV540V–950v540v950v540V–950v最大直流电压(UDC,Max)880V880V880V880V额定输入电流(IPV)90A179A284A347A输入连接端数1224直流过压保护是是是是输出数据额定交流功率(PAC,)50KW100KW150KW200KW额定交流输出电流(IAC,)85A170A270A330A电流谐波THD<3%<3%<3%<3%电网工作电压范围(UAC)3x337V±10%3x337V±10%3x337V±10%3x337V±10%电网频率(fAC)50Hz/60Hz50Hz/60Hz50Hz/60HzHz50Hz/60Hz功率因数(cosφ)≥0.99，额定功率时≥0.99，额定功率时≥0.99，额定功率时≥0.99，额定功率时交流过压保护是是是是2011.5.3Ⅰ:

光伏发展历史、现状与趋势光伏逆变器的主要技术特点2011.5.3目录光伏电池的原理与分类光伏电池的电路模型与输出特性光伏电池的制造Ⅱ:光伏电池及光伏阵列2011.5.3一.光伏电池的原理与分类Ⅱ:光伏电池及光伏阵列光伏效应是光伏电池工作的原理，其实质是光子能量转换为电能。2011.5.31.光伏电池的原理Ⅱ:光伏电池及光伏阵列光伏效应

1839年，法国科学家贝克勒尔(Becqurel)发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应”，简称“光伏效应”。所谓光伏效应，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。光伏效应实质是光子能量转换成电能。在气体、液体和固体中均可产生“光伏效应”，而半导体光伏效应的效率最高。常见的能产生光伏效应的材料如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。2011.5.31.光伏电池的原理Ⅱ:光伏电池及光伏阵列光伏电池原理太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应。当太阳光照到半导体P-N结上，就会在其两端产生光生电压，若在外部将P-N结短路，就会产生光电流。太阳能电池正式利用半导体材料的这些特征，把太阳辐射能直接转换为电能

1954年美国贝尔实验室2011.5.31.光伏电池的原理Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

半导体结构在半导体结构（下图）中，一个正（负）电荷周围分布四个负（正）电荷。正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子周边的四个电子。当硅晶体中掺入其他的三价或五价杂质原子（如硼、磷等），与相邻硅原子结合就会在杂质周围形成空穴或多余电子成为P型或N型半导体硅材料。图：一般的半导体结构2011.5.31.光伏电池的原理Ⅱ:光伏电池及光伏阵列P型半导体当掺入硼时，硅晶体中就会多出空穴。正电荷表示硅原子，负电荷表示围绕在硅原子周边的四个电子。因为掺入的硼原子周围只有3个电子，所以会产生多余的空穴，这些空穴因为没有电子而变的不稳定，容易吸收临近电子而产生中和作用，并形成与电子移动反方向的电流，这种硅为P型半导体。图：P型半导体2011.5.31.光伏电池的原理Ⅱ:光伏电池及光伏阵列N型半导体当掺入磷原子后，因为掺入的磷原子周围有5个电子，硅晶体中就会多出自由电子。自由电子是负的载流子，它的移动形成电流，因此这种硅为N型半导体。图：N型半导体2011.5.31.光伏电池的原理Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

含P-N结的太阳电池晶片

P型半导体中含有较多的空穴，而N型半导体中含有较多的电子，当把两者结合在一起，形成了所谓的P-N结。这种含P-N结的新型复合半导体晶片就是太阳电池晶片。当太阳电池晶片受光后，P-N结附近的N型半导体区域的电子将向P区扩散，而P型半导体区域的电子将向N区扩散，从而形成从P区到N区的电流，并在P-N结中形成电势差，这个电势差就形成太阳电池的电压。2011.5.3Ⅱ:光伏电池及光伏阵列2011.5.32.光伏电池的分类Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

光伏电池分类概述

目前在用的光伏发电技术主要有三种：晶体硅太阳能电池、薄膜太阳能电池和聚光太阳能电池，其中晶体硅电池应用最广泛，占80%以上，薄膜电池近年增长迅速，占10%以上，聚光太阳能电池有少量应用。“薄膜路线”将是光伏发电的主流与趋势。在这3种光伏发电技术中，晶体硅电池的优点是转换效率较高、占地面积小，缺点是硅耗大、成本高，比较适于城市地区；薄膜太阳电池的优点是硅耗小、成本低，缺点是转换效率低、投资大、衰减大、占地面积大，比较适于偏僻地区的并网电站和建筑光伏一体化；聚光电池的优点是转换效率高，缺点是不能使用分散的阳光、必须用跟踪器将系统调整到与太阳精确相对，目前主要用于航天航空。2011.5.3Ⅱ:光伏电池及光伏阵列2.光伏电池的分类2011.5.32.光伏电池的分类Ⅱ:光伏电池及光伏阵列表：不同类型光伏电池技术性能比较（民族证券研发中心）2011.5.32.光伏电池的分类Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

晶体硅光伏电池

晶体硅太阳能电池主要包括：单晶硅太阳电池多晶硅太阳能电池单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高；非晶硅太阳电池则具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较快；单晶硅和多晶硅电池是第一代光伏电池，目前继续占据光伏市场的主导地位，单晶硅和多晶硅的比例已超过80%。2011.5.32.光伏电池的分类Ⅱ:光伏电池及光伏阵列图：晶体硅电池的硅棒（锭）、电池片、组件2011.5.32.光伏电池的分类Ⅱ:光伏电池及光伏阵列图：非晶硅薄膜光伏电池

薄膜光伏电池

目前薄膜光伏电池按材料可分三类：硅基薄膜电池化合物半导体薄膜电池染料敏化的光化学光伏电池其中硅基薄膜电池主要包括：非晶硅薄膜微晶体硅薄膜多晶体硅薄膜作为第二代光伏电池，薄膜电池具有较低的成本和较高的效率潜力，将最终取代晶体硅电池，成为光复市场的主导产品。2011.5.3二.光伏电池的电路模型与输出特性Ⅱ:光伏电池及光伏阵列可采用等值电路来作为描述光伏电池工作特性的数学模型，光伏电池输出特性包括伏安特性与功率特性。2011.5.31.光伏电池的电路模型Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

Iph：光生电流；

ID：二极管电流；

Ish：旁路漏电流；

Rs：串联等效电阻，表示电池中对电流的阻碍作用，其数值取决于p-n结深度、半导体材料的纯度和接触电阻；

Rsh：旁路电阻，与电池对地的泄漏电流成反比。2011.5.31.光伏电池的电路模型Ⅱ:光伏电池及光伏阵列常规的高质量的PV电池，一平方英寸的硅电池其Rs在0.05到0.10Ω之间，Rsh在200到300Ω之间。PV电池转换效率对Rs的变化非常灵敏，而对Rsh的变化不灵敏，当Rs的值少量增加时，PV电池的输出电能将显著减小。实际的PV电池，Ish与Iph、ID相比非常小，可以忽略。2011.5.31.光伏电池的电路模型Ⅱ:光伏电池及光伏阵列I0为电池内部等效二极管反向饱和电流；UD为二极管端电压;Q为电子电荷，1.6×10－19C；A为P-N结曲线常数；K为波尔兹曼常数,0.86*10-4eV/K；T为热力学温度。

二极管电流ID为等效二极管反向饱和电流在黑暗条件下，将电压Uoc加到电池两端，并测量流入电池的电流即可求得二极管饱和电流I0，因此该电流常称为黑暗电流或反向二极管电流。2011.5.31.光伏电池的电路模型Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

电池内部等效二极管反向饱和电流I0为S：光照强度；CT：温度系数；Tref：绝对温度；Ido：二极管反向电流Eg:光伏电池半导体材料带隙。

光生电流Iph为2011.5.31.光伏电池的电路模型Ⅱ:光伏电池及光伏阵列描述PV电池性能的两个最重要和最常用的参数是开路电压Uoc和短路电流Isc。在满照度的条件下，将PV电池的输出端短路测量得到的电流即为短路电流。在PV电池开路的情况下，得到的最大光电压即为开路电压,开路电压具有负的温度系数。

短路电流Isc为开路电压Uoc为2011.5.31.光伏电池的电路模型Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

负载电流IL为

理想情况下（Rs＝0，Rsh＝∞

）负载电流IL为2011.5.32.光伏电池的输出特性Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

电压电流（伏安）特性

在两个阴影区域的中间部分有一个转折点（最大功率点）。当输出电压处于i-v曲线的转折点时，输出功率达到最大。PV电池的电路应工作于靠近i-v曲线的转折点的左边。

左边阴影区，电池工作于理想电流源工作状态，其输出电压取决于负载电阻；右边阴影区，当端部电压少量增加时，将引起输出电流急剧减少。在此区域，电池相当于具有内阻的电压源。图：光伏电池伏安特性曲线2011.5.32.光伏电池的输出特性Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

伏安特性曲线上的最大功率点M所对应的电压电流分别为Vm、Im,成为最佳输出电压与最佳输出电流。Vmax、Imax围成的矩形面积即为最佳输出功率：Pmax=Vmax*Imax；Pm=Vm*Im＝FF*Voc*Isc,FF为光伏电池的填充因数或曲线因数，FF为表征电池性能参数优劣的重要参数：FF越大，伏安特性曲线也接近于矩形，电池输出特性越好，转换效率越高。2011.5.32.光伏电池的输出特性Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

功率电压特性

PV电池的输出功率为其输出电压和电流的乘积，根据伏安特性曲线可以得到功率电压特性曲线；为使太阳能电池的输出功率达到最大，不论外界环境如何变化，必须使其运行在这一最大功率点;可采用电子控制器实时地调节PV电池运行电压等于最大功率点的电压来实现最大功率点跟踪。

图：光伏电池功率电压特性曲线图：伏安特性曲线&功率电压特性曲线2011.5.32.光伏电池的输出特性Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

光伏电池的几个重要参数短路电流(Isc)在给定的日照强度和温度下的最大输出电流；开路电压(Voc)在给定的日照强度和温度下的最大输出电压；最大功率点电流(Im)在给定的日照强度和温度下相对应的最大功率点的电流；最大功率点电压(Vm)在给定的日照强度和温度下相对应的最大功率点的电压；最大功率点功率(Pm)在给定的日照强度和温度下可能输出的最大功率Pm=Im×Vm。2011.5.32.光伏电池的输出特性Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

外部因素对输出特性的影响

温度随着温度的增高，其输出电压和功率将线性减小，因此PV电池最好运行在太阳照度高，气温较低的时候；图：光照强度不变、电池温度改变的(a)I-V特性曲线和(b)P-V特性曲线2011.5.32.光伏电池的输出特性Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

外部因素对输出特性的影响

照度太阳照度越强，输出电流越大，不同太阳辐射情况下，最大功率点的电压基本上相同。图：电池温度不变、光照条件改变的(a)I-V特性曲线和(b)P-V特性曲2011.5.32.光伏电池的输出特性Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

外部因素对伏安特性的影响

图：负载对伏安特性曲线的影响

负载负载决定着光伏电池的工作点，可以通过调节负载改变光伏电池输出。2011.5.33.光伏组件与阵列Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

光伏电池、组件与阵列

光伏电池单体光伏电池容量和输出电压较小，电池的输出功率为1W左右，硅型光伏电池输出电压为0.5－0.58V，而且单体电池不便安装，一般不单独使用。

光伏组件将几片～上千片单体电池经过串、并联构成组合体（模块图：光伏电池、模块组件、光伏阵列组件），进行封装并引出正负极线（光伏电池板）。光伏电池板为光伏电池实用的基本单元，输出电压为十几伏～几十伏。

光伏阵列根据负载需要将若干个光伏电池板进行串、并联组成的较大功率的供电装置。2011.5.3Ⅱ:光伏电池及光伏阵列

光伏电池的串、并联

图：光伏电池串、并联后的伏安特性曲线

光伏电池串联光伏电池（板）串联时输出电压为各电池（板）电压之和，而输出电流为单体电池（板）输出电流。

光伏电池并联光伏电池（板）并联时输出电流为各电池（板）电流之和，而输出电压为单体电池（板）输出电压。2011.5.3三.光伏电池的制造Ⅱ:光伏电池及光伏阵列光伏电池的生产工艺程序繁琐，需要多个复杂的制造工序。2011.5.31.晶硅电池的制造流程与工序Ⅱ:光伏电池及光伏阵列制造流程硅矿→冶金级硅→多晶硅→单晶硅棒（多晶硅锭）→硅片→电池片→组件制造工序主要制造工序为：多晶硅制备流程、提纯流程、硅片切割和成品制成、尾气回收。2011.5.3Ⅱ:光伏电池及光伏阵列图：晶硅光伏电池制造流程2011.5.3Ⅱ:光伏电池及光伏阵列2011.5.3目录光伏发电系统的构成光伏发电系统的类型Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型2011.5.3一.光伏发电系统的构成Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型光伏发电系统由太阳能电池方阵、储能环节、电力电子变流器、保护和控制系统、计量与配电装置等设备组成。2011.5.31.总体构成Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型

光伏发电系统，一般由太阳能电池方阵、储能环节、电力电子变流器、保护和控制系统、计量与配电装置等设备组成。光伏阵列

Boost电路并网逆变器滤波器MPPT控制

并网控制本地负载电网控制电路PWMPWM2011.5.32.光伏阵列及太阳跟踪系统Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型

根据功率需要，将多个光伏单体电池经串并联，并封装在一起，组成一个可以单独作为电源使用的最小单元，即光伏电池组件。还可把多个电池组件再串、并联起来并装在支架上，组成光伏电池阵列。光伏阵列是太阳能发电系统中的核心部分，也是光伏发电系统中价值最高的部分。光伏阵列输出直流电。太阳跟踪系统是通过传动机构调整光伏组件方位和角度，跟踪太阳光线，分为单轴、双轴跟踪方式。2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型斜式单轴自动跟踪大型光伏并网发电系统2011.5.32.储能环节Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型

光伏发电输出功率不稳定性、不连续，独立工作时常需要配备储能装置，以保证对用户的可靠供电。阳光充足时，剩余的能量给蓄电池充电。日照缺乏的情况下，由蓄电池向用户补充供电。常用的蓄电池有铅酸蓄电池、硅胶蓄电池和碱性镉镍蓄电池，其中铅酸蓄电池应用最广。光伏系统中的储能环节由蓄电池、充放电控制器、辅助设备（安全、环境保护设备）等部分组成。2011.5.33.电力电子变流器Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型

光伏电池输出的是直流电，可能不适合用户的需求。电力电子变流器是将光伏电池输出的“粗电”进行电能形态变换，变为“精电”以满足各类设备或电网的要求。此外，电力电子变流器还具有MPPT、功率控制、电池充放电控制的作用。光伏发电中的变流器分为DC-DC与DC-AC两类，可以根据需要配置。电力电子变流器是光伏发电系统中的关键设备之一，对光伏发电系统的性能起着至关重要的作用。2011.5.34.保护与控制系统Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型

控制器的作用是控制整个系统的工作状态并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在小型或独立运行的光伏发电系统中，保护和控制功能主要是蓄电池的保护，防止过充电和过放电。对于大中型或并网运行的光伏发电系统，保护和控制系统担负着功率控制、MPPT、能量管理、充放电控制、孤岛监测、过量保护以及显示系统工作状态等重要作用。

2011.5.35.计量与交直流配电装置Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型

包括汇流设备、开关设备、避雷器、测量与计量设备等辅助装置，实现光伏发电系统的交、直流电配电、开关保护以及测量计量等作用。2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型典型太阳能光伏并网发电系统的配置示意图2011.5.3二.光伏组件与变流器的配置方案Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型光伏发电系统的光伏组件与变流器是两大核心元件，根据容量、控制模式等因素的不同，光伏组件和变流器具有不同的联结关系和搭配结构，即不同的配置方案。2011.5.31.单元式微型逆变配置方案Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型微型逆变2011.5.32.串式逆变配置方案Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型串式逆变组串式逆变2011.5.33.串、并混合式配置方案Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型光伏组件串、并混合联结配置方案2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型光伏组件串、并混合联结的实例2011.5.34.多逆变器并联配置方案Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型基于DC-DC的分直流母线型共直流母线型2011.5.35.逆变器多重化配置方案Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型逆变器多重化2011.5.3三.光伏发电系统的类型Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型光伏发电系统的类型很多，有多种分类方法。不同类型的光伏发电系统其结构也差别很大。2011.5.31.光伏发电系统的分类方法Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型按供电类型分直流光伏发电系统交直流光伏发电系统按是否并网分独立（离网）光伏发电系统并网光伏发电系统按供电相别分单相光伏发电系统三相光伏发电系统2011.5.31.光伏发电系统的分类方法Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型按变流电路结构分单级式光伏发电系统双（多）级式光伏发电系统按有无隔离变压器分隔离型光伏发电系统非隔离型光伏发电系统按有无储能环节（后备电源）分有储能环节（后备电源）的光伏发电系统有储能环节（后备电源）的光伏发电系统2011.5.32.直流及交直流光伏发电系统图：直流光伏发电系统图：交直流光伏发电系统Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型2011.5.33.独立、并网光伏发电系统Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型图：独立、并网光伏发电系统的分类与用途并网光伏发电离网光伏发电2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型

独立光伏发电系统

仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统，在必要时可以由油机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。从电力系统来说，kW级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统。偏远地区电气化光伏系统（独立系统）2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型图：独立光伏发电系统的几种方案2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型图：典型独立光伏发电系统构成2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型

并网光伏发电系统

光伏发电系统(以下简称光伏系统)的主流发展趋势是并网光伏发电系统：太阳能电池所发的电是直流，必须通过逆变装置变换成交流，再同电网的交流电合起来使用，这种形态的光伏系统就是并网光伏系统。并网光伏系统可分为：建筑用并网光伏系统（BIPV）和集中式大型并网光伏电站两大类。前者的特点：建筑与光伏发电有机结合，光伏系统发的电不但可供给建筑内本地负载，而且还可与电网交互，每幢建筑相当于一座发电站。后者的特点：是光伏系统发的电直接被输送到电网上，由电网把电力统一分配到各个用电单位。2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型图：分散式BIPV与集中式大型光伏电站图：大型光伏电站图：BIPV2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型典型的并网光伏发电系统2011.5.34.单相、三相光伏发电系统Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型图：单相光伏发电系统2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型图：三相光伏发电系统2011.5.35.单级、双（多）级式光伏发电系统Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型

单级光伏发电系统

将光伏电池转换的直流电能通过逆变器转换为交流电能，供给负载或并入电网。单极式系统仅靠逆变器实现最大功率点追踪、并网、有功调节、无功补偿等功能，在控制上相对复杂，但系统损耗小，一般用于大功率场合。

双（多）级光伏发电系统

双级式发电系统在光伏电池与逆变器之间加入直流变换器（斩波器），用于直流电压与直流电流等级的变换。第一级的直流变换器除直流电压与直流电流等级的变换外，主要用于实现光伏电池输出功率的最大功率跟踪。第二级的交流变换器则用于实现并网、有功调节、无功补偿或是谐波补偿等功能。控制上相对简单，但直流变换器增加了结构复杂性及系统损耗。一般用于中、小功率场合。2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型图：双级光伏发电系统图：单级光伏发电系统2011.5.36.隔离、非隔离型光伏发电系统Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型

隔离型光伏发电系统

采用工频或高频变压器实现电压匹配与隔离的光伏发电系统。其优点是可以方便地实现输入、输出电压匹配，实现光伏电池与电网安全隔离，此外也保证了系统不会向电网注入直流分量。缺点是由于采用变压器，增加了系统体积和复杂性，降低了效率。

非隔离型光伏发电系统

光伏阵列通过电力电子变流电路直接向负载供电，中间没有变压器隔离的光伏发电系统。该类型光伏发电系统省去了笨重的工频变压器与复杂的高频变压器，系统结构简单、重量轻、成本低、效率高。缺点是光伏电池与电网无电气隔离，对电池部分的安全与绝缘要求较高，系统容易向电网注入直流分量。2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型图：隔离型光伏发电系统（工频、高频）图：非隔离型光伏发电系统（单级、双级）2011.5.3Ⅲ:光伏发电系统的构成与类型图：无储能环节的光伏发电系统图：有储能环节的光伏发电系统7.有、无储能环节（后备电源）光伏发电系统2011.5.3目录概述光伏发电变流控制技术最大功率点追踪（MPPT）技术孤岛检测技术光伏变流器的保护Ⅳ:光伏发电控制与保护技术2011.5.3一.概述光伏发电系统中光伏发电系统中的控制器实现系统的总体控制与保护，包括逆变控制、MPPT、储能单元充放电控制、孤岛检测、保护等内容。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术2011.5.3Ⅳ:光伏发电控制与保护技术1.风电、光伏系统中的控制内容及层次2011.5.32.光伏系统中的控制器功能光伏发电系统的运行控制是由变流环节实现的，因此光伏系统的控制器主要指变流控制器，其次还实现系统监视和保护等功能。控制功能主要包括直流升降压（DC-DC）变换控制逆变器（DC-AC）控制最大功率点控制（MPPT）孤岛检测与保护蓄电池充放电控制Ⅳ:光伏发电控制与保护技术2011.5.3结构与实现

Ⅳ:光伏发电控制与保护技术

控制的外围电路：二次回路电源系统（交流电源、直流电源、UPS电源）模拟量采集和输出（电压、电流、温度传感器）开关量采集和输出（熔断器、接触器、风机等状态和控制）IGBT驱动、保护通道电池板绝缘检测、漏电检测（交流侧、直流侧）状态显示按钮（状态显示、钥匙开关、急停）

通信电路

控制的核心电路：嵌入式控制板CPU（单DSP或双DSP系统），应用中TI的TMS320F2812/28335居多。功能电路：

模拟和开关信号处理；逻辑运算；保护；通讯；电源管理等。2011.5.3Ⅳ:光伏发电控制与保护技术二次控制系统DSP中实现的逆变算法DSP控制器2011.5.3二.最大功率点追踪（MPPT）技术要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，实现最大功率点跟踪（MPPT）。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术由于光伏阵列的非线性特征，在一定的光照强度和环境温度下，只有唯一的一个电压值对应着光伏电池的最大输出功率。因此，根据光照强度、环境温度等变化不断来调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点称为最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）技术。通过控制变流电路的功率开关管通断可以实现光伏系统的阻抗匹配，从而寻优最大功率点。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术1.MPPT基本原理最大功率点A1→最大功率点B1

(条件：将系统负载特性由负载1改为负载2)最大功率点B1→最大功率点A1

(条件：将系统负载特性由负载2改回至负载1)Ⅳ:光伏发电控制与保护技术由此可见，光伏发电系统中的MPPT控制策略，就是先根据实时检测光伏电池的输出功率，再经过一定的控制算法预测当前工况下光伏电池可能的最大功率输出点，最后通过改变当前的阻抗或电压、电流等电量等方式来满足最大功率输出的要求。这样，不论是因外部光照强度变化，还是因内部光伏电池的结温变化使得光伏电池的输出功率减少，系统始终可以自动运行于当前工况下的最佳工作状态，达到最大功率输出，从而可提高整个光伏发电系统转换效率。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术根据MPPT算法的特征和具体实现机理的过程，可将MPPT方法分为三大类：①基于参数选择方式的间接控制法；②基于采样数据的直接控制法；③基于现代控制理论的人工智能控制法。根据调节手段，可将MPPT方法分为三大类：①调节电压法；②调节电流法；③调节阻抗法具体的MPPT控制算法主要有：恒定电压法、干扰观测法、电导增量法、功率回授法、滞环比较法、模糊逻辑控制法、神经元网络控制法及最优梯度法等。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术2.MPPT方法分类这类MPPT方法主要包括恒定电压法、开路电压比例系数法、短路电流比例系数法、曲线拟合法、查表法等，它们主要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。在这类控制方法中，需要通过实际硬件参数和经验数据确定相应的初始值，作为控制的基础。因此，从严格意义上来说，这类方法都是近似MPPT控制方法，没有真正实现在线实时跟踪与控制，误差相对较大。基于参数选择方式的间接控制法Ⅳ:光伏发电控制与保护技术这类MPPT方法主要包括定步长或变步长的扰动观测法、电导增量法、实际测量法、寄生电容法等。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，因此其精度比近似控制法高，能够根据系统运行情况进行实时MPPT控制，满足一般的应用场合要求，因而在实际应用中最为广泛。基于采样数据的直接控制法Ⅳ:光伏发电控制与保护技术这类MPPT方法主要以模糊逻辑控制法和人工神经元网络控制法为代表，主要特征是引入模糊控制和神经元网络控制等现代控制理论，可以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，再通过较复杂的控制算法运算得出控制信号来实现系统控制。该类型控制算法实现过程较为复杂困难，但控制精度较高，对被控对象的数学模型准确性要求较低，适合难以建立准确数学模型的大型光伏发电系统，以及受外界条件和杂散参数影响严重的控制系统。基于现代控制理论的智能控制法Ⅳ:光伏发电控制与保护技术2011.5.33.恒定电压法Ⅳ:光伏发电控制与保护技术某型光伏电池在不同光照强度下的功率-电压曲线基本原理在一定温度情况下，最大功率点近似分布在同一直线上，若采用一垂直直线代替，即为保持恒定电压不变，说明光伏电池的最大功率输出点大致对应某一恒定电压，可对其进行等效代替。通过实验测试，可以得到光伏电池在某一日照强度及温度下的最大功率点的电压值，该电压即可看做最大功率点处的工作电压Um。因此恒电压控制法的控制思想就是将系统输出电压稳定控制在特定值Um处Ⅳ:光伏发电控制与保护技术在光伏初期应用中，大多采取固定输出电压的方法。以卫星上的光伏电池板为例，因为外太空温度变化小，光照强度恒定，所以恒定电压法可以维持输出功率在最大功率点处。但对于大多数实际应用的光伏系统，外界环境都在时刻变化，如果输出电压始终保持不变则会造成一定的功率损失。由于恒定电压法存在以上缺点，出现了一些恒电压法的改进方案，例如手工调整法、根据温度查表法、参考光伏电池法等。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术特点干扰观测法是目前MPPT方法中应用较为广泛的一种方法。干扰观测法的工作原理：首先在光伏电池工作的某一参考电压下检测出其输出功率，然后在该电压基础之上加一个正向电压扰动量，再次检测光伏电池输出功率。根据功率变化方向，改变输出电压，直到输出功率稳定在设定的一个很小范围内，即可认为达到了最大功率点。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术4.干扰观测法基本原理如果功率增加，则说明电压的改变方向正确，继续在该方向上按照此步长变化电压；如果功率减少，则说明电压的改变方向错误，在下一控制周期反向调整参考电压。干扰法的控制流程图Ⅳ:光伏发电控制与保护技术基于DC-DC变换器的干扰法实现过程Ⅳ:光伏发电控制与保护技术干扰观测法有一较明显的缺点，即需要始终判断系统是否工作在最大功率点处。因此即使是在稳态时，系统工作电压也不能稳定在一个特定值上，造成功率损失。若扰动步长较大，则系统能较快搜寻到最大功率点处，动态响应较快，但会有较大功率波动，功率损失也较大；而若步长较小，在最大功率点附近的波动较小，但动态响应较慢。因此出现了该方法的改进方案—变步长的干扰观测法。干扰观测法的另一缺陷，即当外界环境参数变化太快时，如光照发生突变，则干扰观测法可能会发生电压崩溃。干扰观测法适用于外界环境较稳定的中小功率系统。特点Ⅳ:光伏发电控制与保护技术电导增量法也是MPPT方法中较为常用的一种方法。电导增量法是通过比较光伏电池的电导增量和瞬间电导来改变系统的控制信号。这种方法控制精确，响应速度快，适用于光照强度不断变换的情况，但对硬件，特别是传感器的精度要求比较高，因而整个系统的硬件造价也较高。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术5.电导增量法基本原理由光伏电池工作特性曲线可知，最大功率点处的光伏电池输出功率PPV与输出电压UPV满足条件由此可得式中，G为输出特性曲线的电导；dG为电导G的增量。由于增量dUPV和dIPV可以分别用ΔUPV和ΔIPV来近似代替，可得：Ⅳ:光伏发电控制与保护技术由上述公式推导，可得系统运行点与最大功率点的判据如下：①G+dG>0，则UPV<UMPP，需要适当增大参考电压来达到最大功率点；②G+dG<0，则UPV>UMPP，需要适当减小参考电压来达到最大功率点；③G+dG=0，则UPV=UMPP，此时系统正工作在最大功率点处。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术ΔU和ΔI分别为当前采样和上一次采样所得电压和电流变化量，计算判据中的G和dG为电导和电导增量；Uref1和和Uref2分别为当前控制周期和下一控制周期的电压参考值。电导增量法的控制流程图Ⅳ:光伏发电控制与保护技术与干扰观测法类似，传统的电导增量法也用了电压参考值设定变化的原理来进行MPPT控制，只是其在实现工作点判定中，采用了不同于传统干扰观测法的实现过程。优点：能够快速准确地使系统工作在最大功率点，不会像干扰观测法那样在最大功率点附近反复振荡，并且当外界光照等条件剧烈变化时，电导增量法也能很好地快速进行跟踪。缺点：电导增量法算法中需要反复进行微分运算，系统的计算量较大，需要高速的运算控制器。而且对传感器精度要求非常高，系统成本相对较高。改进方法——梯度变步长电导增量法Ⅳ:光伏发电控制与保护技术特点2011.5.3三.光伏发电变流控制技术光伏发电系统中的变流单元实现电能形态变换和功率潮流控制，变流控制是光伏运行的关键技术。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术2011.5.31.光伏系统中的变流环节Ⅳ:光伏发电控制与保护技术2011.5.3DC-DC变换（直流斩波）改变光伏电池输出电压的大小，起到直流变压的作用，使之适配逆变器的直流电压，实现MPPT控制，或者控制储能电池的充放电。DC-AC变换（逆变）将直流电能变换为恒压恒频的交流电能，满足用户或电网的需求。对交流输出的有功、无功功率进行灵活快速控制。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术光伏发电系统中的直流变换，包括升压变换器（BoostConverter）、降压变换器(BuckConverter)、升降压变换器（Buck-BoostConverter），统称为DC－DC变换器（简称斩波器）。斩波器的主要作用是将光伏电池或蓄电池的电压进行变换，满足系统对电能形态变换的需求，在此基础上可以进一步实现光伏工作点功率控制（如MPPT）、负载调节控制。在具有储能单元的系统中，一般还配备额外的斩波器走位蓄电池充放电控制器，实现蓄电池充电控制。通过调节充电器的直流电压和直流电流输出值，达到对蓄电池充电电流（恒流充电）或充电电压（恒压充电）等不同目标的控制，实现不同策略的充电控制。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术光伏直流斩波器2.光伏系统中直流变换控制Ⅳ:光伏发电控制与保护技术光伏中的直流斩波器类型Booster型DC-DC变换器电流可逆型DC-DC变换器高频隔离型DC-DC变换器多重化Booster型DC-DC变换器2011.5.3Ⅳ:光伏发电控制与保护技术直流斩波器工作原理0iGE0ioI1a)b)图

升压斩波电路及其工作波形a）电路图b）波形

◆工作原理

☞假设L和C值很大。

☞V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。

☞V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。

◆基本的数量关系☞当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即

化简得

上式中的

2011.5.3Ⅳ:光伏发电控制与保护技术直流斩波器控制策略将直流电能变换成交流电能的过程称为逆变，完成逆变功能的电路称为逆变电路，而实现逆变过程的装置称为逆变器或逆变装置。太阳能光伏发电系统中使用的逆变器是一种将太阳能电池所产生的直流电能转换为交流电能的转换装置，它使转换后的交流电的电压、频率、波形等与电力系统相一致，并且实现有功、无功功率的解耦控制。光伏逆变器的基本功能有：有功、无功调节（MPPT,功率因数调节）并网电能质量满足相关要求具备低电压穿越能力能进行孤岛检测、具备孤岛保护功能

Ⅳ:光伏发电控制与保护技术3.光伏系统中逆变控制光伏逆变器Ⅳ:光伏发电控制与保护技术输出波形运行方式电平数输出交流电相数功率流动方向方波逆变器阶梯波逆变器正弦波逆变器离网逆变器并网逆变器两电平逆变器多电平逆变器单相逆变器三相逆变器单向逆变器双向逆变器逆变器的分类2011.5.3PWM变流器的特点与原理Ⅳ:光伏发电控制与保护技术响应速度快电流谐波含量小四象限运行全控开关器件，如IGBT、MOSFET可控电流源可控电压源Ⅳ:光伏发电控制与保护技术Ⅳ:光伏发电控制与保护技术稳态工作时，开关管按正弦规律作脉宽调制，交流侧电压为SPWM电压波。由于电感的滤波作用，交流侧电流中谐波电流不大，变换器交流侧电压可以看作是可控正弦交流电压源，它与电网的正弦电压共同作用于输入电感L，产生正弦输入电流。如果只考虑电流和电压的基波，变流桥可以看作是一个理想的三相交流电压源。电网输入P输入感性Q电网输入P输出感性Q电网输出P输入感性Q电网输出P输出感性Q整流器的工作区域逆变器的工作区域STATCOM的工作区域Ⅳ:光伏发电控制与保护技术三相并网变换器可以工作于整流、逆变和无功补偿模式。无论何种模式，变换器的建模和控制方法都是一致的，只是控制指令不同而已。相位超前的向相位滞后的输出有功功率幅值大的向幅值小的输出感性无功功率2011.5.3Ⅳ:光伏发电控制与保护技术有功功率控制（直流电压控制）通过控制与电网交换的有功功率P，可以控制直流电压。若负载功率一定，输出直流电压的大小取决于交流电源输入的有功功率P与负载消耗的功率PL之间的平衡关系，增大P，直流电压升高，反之，直流电压降低，即调节有功功率P也就调节控制了直流电压

。无功功率控制通过控制与电网交换的无功功率，可以调整变换器的运行功率因数。除了单位功率因数运行外，还可以吸收无功，或者发出无功。无功功率Q（双向）有功功率P（双向）负载功率PL（双向）在不同的坐标系下PWM变流器有不同形式的数学模型。但无论何种形式的数学模型，其本质是一样的，只不过是对同一物理对象和过程的不同表现形式。三相静止abc坐标系两相静止αβ坐标系两相同步旋转dq坐标系PWM变流器的数学模型Ⅳ:光伏发电控制与保护技术abc坐标系下PWM变流器数学模型（Sa、Sb、Sc分别表示三相桥臂的开关函数）d轴q轴α轴β轴ωtClark变换Ⅳ:光伏发电控制与保护技术Ⅳ:光伏发电控制与保护技术Park变换

Clark变换Ⅳ:光伏发电控制与保护技术

Park变换dq坐标系下数学模型αβ坐标系下数学模型同步旋转坐标系的突出优势：交流量→直流量；取消了三相变量之间的耦合；考率到为变换器交流侧电压，上式变换为上式可改写为其中Ⅳ:光伏发电控制与保护技术dq坐标系下数学模型PWM变流器的的控制目的：一是实现有功功率控制，从而控制直流母线电压，二是控制交流侧无功功率或功率因数。其控制实际上是对交流侧电流的控制。

概述PWM变流器的控制技术概述Ⅳ:光伏发电控制与保护技术电网电压定向的优点：（1）通过矢量定向，可以唯一确定dq坐标系并计算其空间角度，便于坐标变换。（2）电网电压定向后，dq坐标系d、q轴电流分量分别为有功、无功电流，方便控制目标的实现。

采用电网电压矢量锁定dq坐标系（令d轴与电网电压矢量方向相同），基于定向后dq坐标系的变换器模型进行控制。直接电流控制（幅相控制）Ⅳ:光伏发电控制与保护技术在控制系统中没有引入电流闭环，而是根据电路阻抗特性，用数学的方法代替电流闭环作用。尽管它动态响应稍慢，还存在瞬态直流电流偏移，但具有简单的控制结构和良好的开关特性，便于微机实现，而且可靠性高。另外还可省去两个高精度电流传感器。适用于对动态响应要求不高场合，具有良好的工程实用价值。是基于瞬时电流反馈的一种常用的非线性控制方式，将实测的三相电流与参考信号比较，然后根据比较器的输出决定开关的状态。优点:电流跟踪精度高，响应快。缺点:开关频率不恒定。开关频率的变化会给驱动保护电路以及主电路的设计带来困难，对系统性能也有影响。

Ⅳ:光伏发电控制与保护技术电流滞环控制这种控制方法核心思想是对三相网侧电流的有功、无功分量进行独立控制，算法依据动态模型，电流控制精度较高，不仅在稳态时能够精确地跟踪电流指令，实现无静差，并且动态性能也较好。但其控制算法比较复杂。电流矢量控制Ⅳ:光伏发电控制与保护技术PWM变流器作为被控对象，其输入为交流侧电压，输出为直流电压（或交流侧有功功率）和无功功率。要想设计控制策略，必须从变流器数学模型出发，根据输入与输出量之间的联系设计合适的控制方案。变流器

控制实现过程控制策略设计过程Ⅳ:光伏发电控制与保护技术PWM变流器的电网电压定向矢量控制策略及其设计控制策略的设计过程可以看出，PWM变流器吸收的有功功率﹑无功功率分别与交流侧电流在q、d轴上的分量成正比，调节有功电流分量isd和励磁电流分量isq分别独立调节有功和无功功率。电网电压定向，即将d轴定向于电网电压矢量方向后有

控制环节设计开环方式闭环方式变换器的从电网吸收的有功功率和无功功率为电网电压定向

控制直流电压

Ⅳ:光伏发电控制与保护技术考虑到

解耦项耦合项

变流器交流测电压可写为交流侧电压包括两部分：一部分为解耦项，表示了对应坐标轴分量的交流侧电压和电流呈一阶微分关系；另一部分为耦合项，表示了坐标轴分量电压和电流的交叉耦合关系。为便于控制环节设计，对两项分别设计控制环节：解耦项采用闭环PI控制设计，耦合项采用前馈补偿设计。Ⅳ:光伏发电控制与保护技术控制环节设计电流控制模型Ⅳ:光伏发电控制与保护技术2008.6.20PWM变流器矢量控制策略Ⅳ:光伏发电控制与保护技术PWM变流器双闭环矢量控制策略

解耦项电网电压前馈并网变换器的不同工作状态（逆变、整流、无功补偿等）只是电流环指令id*、iq*不同而已Ⅳ:光伏发电控制与保护技术PWM变流器双闭环矢量控制模型电流环控制器控制并网电流特性（响应时间、谐波含量等）