【光伏阵电站基本原理概述6600字】

光伏阵电站基本原理概述 11.1光伏电站的类型 11.2光伏阵列模型搭建 2 3 51.3光伏阵列故障分析 81.4故障状态下的阵列输出特性 1.4.5阴影遮挡的特性曲线 光伏电站是一种利用太阳能进行发电的系统，对光伏电站结构故障进行诊断分析，首先要了解光伏电站的结构组成及工作原理，还要知道光伏电站的设备容易出现哪些故障，以及为何会发生故障，然后还要研究不同故障之间有何不同，根据故障的特征来对故障进行分类。实际中光伏电站结构特征数据不易获取，因此，需要对光伏电站结构建立模型，通过模型分析故障的特征。光伏电站的类型有很多，最简单的分类方式就是看电站是否与国家电网相连接。接入国网的为并网式光伏电站，用于自己供电的为离网式光伏电站1391。离网式光伏电站结构如图2-1所示，阵列用来产生电能，控制器控制储能设备，蓄电池储存多余的电能，逆变器负责电流转换。这种可以直接结负载的电站一般适用于小型的、独立的供电系统。有些距离当地国家供电系统的村落，无法使用国家电网的电力时，就可以采用这种供电方式。直流负载直流负载光伏阵列控制器蓄电池交流负载逆变器2-1离网式光伏电站组成图2并网式光伏电站结构如图2-2所示，主要由阵列、汇流箱、逆变器三部分组成，这种电站一般都要接入国家公共电网。如果阵列较少，那么阵列之后可以直接接入逆变器；如果阵列较多，则需要先经过汇流箱，再接入逆变器，同时汇流箱也有防雷的功能，保证了电站的安全。逆变器逆变器并网式光伏电站又可以根据逆变器的种类及电站的结构分为集中式电站和分布式电站。(1)集中式41]:集中式电站一般是由国家出资选址建立的，规模较大，发电量也较多，产生的电能归于国家电网，产生出来的电能一般由国家电网调度，所以集中式的电站一般都会安装汇流箱。集中式电站的建立需要较大的土地面积，所以一般建立在我国西北地区人烟稀少的偏远地区。(2)分布式421.分布式光伏电站又叫做分散式电站或组串式光伏电站，因为它的连接方式一般为串联。这种电站占地面积小、成本比集中式电站低很多、假设难度较低，因此可以安装在房子的房顶上。小型分布式电站因为它的各种优点，近年来国家一直在扶持其发展，现在主要应用于浙江、安徽等地。当分布式电站的装机量很小，仅限于自家用电时，可以不用安装汇流箱，这样大大节约了电站的安装成本文研究的光伏电站是并网式光伏电站，在并网式光伏电站的组成中，光伏阵列最易出现故障问题，所以主要分析研究的故障是光伏电站中的光伏阵列出现的各种故障，并对其进行诊断。1.2光伏阵列模型搭建在实际中，光伏电站运行所需的数据不易获取，因此需要建立不同故障条件下的光伏电站仿真模型。通过所建模型模拟不同情况(故障、正常)下的光伏阵列的运行情况，对光伏阵列的输出特性进行分析以获取实验研究所需的数据集。光伏阵列模型可以用光伏组件组成，光伏组件是多个电池串联的，要研究光伏阵列故障首先要对光伏电池进行分析研究。光伏电池在有光照的时候会产生光生伏特效应，是一种将光能变成电能的器件43,转换原理如图2-3所示。太阳光↓↓十+十PN结N在图2-3中，光照使PN结内形成电子-空穴对，在电场的作用下，电子向N区移动，空穴向P区移动，电池内部形成光生电场，使空穴区为正，电子区为负，这样就形成了电流、电压。市面上常见的太阳能电池为硅太阳能电池，这种电池用硅掺杂其他杂质形成PN结。不同类型的电池虽然使用的材质不同，但其原理相似，都是用两中不同材料结合形成PN结，经过光照，形成电流电压，进而产生电能。多个光伏电池组成组串，组串再以一定方式连接形成阵列⁴4。因此，在一定条件下，光伏阵列的特性参数与光伏电池特性参数类似。1.1.1光伏电池的建模要想研究光伏阵列的输出特性，就要对光伏阵列进行建模，因此需要先为光伏电池建立模型，由上述可知，光伏电池由P型、N型半导体组成，经过光照，产生电动势45。光伏电池可以等效为电路46。将电池等效为一个电源，接入串联电阻、并联电阻后就可以模拟光伏电池。根据图2-4,光伏电池电流与电压之间的关系为：4式(2-1)中，m为理想因子，I₀为反向饱和电流；式(2-2)中k=1.38×10-²³J/K,在实际应用中，光伏电池的Im和I₀随着温度、光照度发生变化48,可以表示光伏阵列是光伏电站的核心组成，主要由光伏模块通过各种连接方式连接在电站中，一般将光伏组件进行串并联组成光伏阵列50。IIIniVPVn-1PVnPV₁PV₂I流和，可以表示为n个电流和相加。电压低，不稳定等缺点，所以在实际的大型电站中很少使用并联连接结构51。6IIPV(1,n)PV2,n)VILPV(1,1)PV(2.1)PVa₁L.DPV(1,2)目前最常用的光伏阵列连接方式为串联和并联共用连接，如上图2-7所示。这种连接结构不但保证了阵列的输出电压足够大，同时也保证了某个组件开路，也不会导致整个电站不工作。经过串并联的光伏阵列缺点类似于串联结构，组串中一个组件不工作会导致整个组串不工作。串联与并联相结合的光伏阵列的输出电流为：IIIam)Zzm)VPV(1,1)PV(1,n)PVa,2)PV(2,1)PV(2,2)PV(2,n)I(2,n)阵列的全连接方式如图2-8,先并联成组串，在将这些组串串联。由它的等效电路可知，任意组件故障，也不会使整个阵列瘫痪不能工作。这样的连接方式在一定程度上保证电站的输出功率不会太低，且热斑效应对这种连接方式的阵列影响也比较小，尤其是小面积的阴影53。全连接的光伏阵列的输出电流和输出电压可以表示成其中x=1,2,…,N,Np是阵列中并联线路的个数；Ix和Vx分别是结构中单个组串的电流和电压。通过对三种连接方式的分析，就可以得到任意种类的阵列的模型，在这里主要研究的是串联和并联相结合的连接方式，以3×3为例，其仿真模型如图2-9所示。8scControlledVoltageSource1ssTsss1.3光伏阵列故障分析各种故障根据故障位置不同又可以分为电池故障和阵列线路故障。例如开路故障(1)组件短路：电池内部短路可能是由于天气恶劣或者是制造电池板时用的错或者是某些导线短接引起的56。NP图2-10组件短路示意图Fig.2-10Schematicdiagramofcomponentshortci(2)组件开路[57]电池板内部开路主要是因为部分电池被破坏，无法产生电(3)遮阴故障58:一般是由于鸟粪、树叶、灰尘、塑料袋之类的杂物落在电池板上，阻挡了光照，如果这些杂物长时间不清理，被遮挡的组件不能工作，想当于一个电阻，组件会发热，长时间的高温会对组件产生影响。(4)老化故障59:光伏组件有一定的使用年限，随着组件工作时间的增加，组件内部材料收到磨损，组件就会老化，相应的组件功率也会降低。光伏电池组成材料如图2-11所示。由图2-11可知，光伏电池材料通过EVA胶膜黏合在一起，并且对这些材料包裹起来，起到密封作用。如果没有密封好，电池内部容易损坏。正常情况下光伏电池需要25年更换一次，如果电池材料不合格会加速电池的老化60。再加上光伏电站建址环境一般都比较恶劣，电池的胶膜和背板很容易受到侵蚀，电池的防护层遭到破坏，电池板也容易损坏。组件间的导线以及导线和电池连接部位经过高温和潮湿，也会造成线路老化61。(5)组件玻璃碎裂：组件碎裂主要出现在组件制作过程中，组件外的玻璃质量较差，有细小的裂纹，这些裂纹经过阳光雨水的腐蚀会越来越大；在组件材料进行焊接时会出现虚焊状况，也会出现细缝；在组件安装时，容易发生碰撞造成玻璃碎裂；或遇上大风、冰雹等天气，组件的玻璃也有破碎的风险。总结上述内容，光伏组件的故障及形成原因如表2-1所示。故障类型故障成因老化阴影电池材料损坏、线路连接有误对于光伏阵列故障的研究分析还需要知道光伏阵列在各种故障状态下有什么表现及不同。根据1.1.2节的分析，通过观察公式2-本节通过Matlab/Simulink仿真软件，将多个电池模型封装成光伏组件以3×3的组合方式进行连接。仿真实验中光伏阵列在标准条件下的参数需要Tab.2-2Parametersrequiredforsimu参数含义短路电流(Isc)开路电压(Uoc)最大功率点电流(Impp)最大功率点电压(Umpp)最大功率点功率在正常情况下的阵列的输出特性曲线是非线性的，固定环境参数T为25℃,将辐照度设置从200W/m²-1000W/m²,如图2-12(a)、(b)示，从图2-12(a)路电压(Uoc)的值下降的幅度较小。从图2-12(a)中可看出，阵列的最大功率也固定环境参数辐照度为1000W/m²,将温度T设置范围：25℃-45℃,如图2-12(c)、(d)所示，从图2-12(c)中可以看出，温度按一定比例下降时，阵列的短路电流不变，开路电压按照一定比例降低。从图2-12(d)中可以看出，最大(a)不同辐照度下的IV曲线(b)不同辐照度下的PV曲线经过上述的结果及分析，可以得出结论：光照减小，阵列的短路电流、最大功率对应的电流降低，功率达到最大时电压、开路电压不变；温度升