太阳能转化原理与技术课件-第五章光伏发电器件与系统

太阳能转换原理与技术5.1光伏发电系统的分类5.2光伏电池阵列5.3储能设备5.4光伏逆变器5.5光伏控制器第五章光伏发电器件与系统离网光伏发电系统离网光伏发电系统的组成离网光伏发电系统是一种可脱离电网而独立运行的光伏系统，可为高原、海岛和山区等偏远地区提供电力。离网光伏发电系统缺点：容量小，难以并网，需储能并网光伏发电系统并网光伏发电系统需要与电网相连，并把光伏发电系统产生的电能通过并网逆变器输送给电网，通过电网的再次分配提供给用户负载。并网光伏发电系统又分为集中式并网光伏发电系统和分布式并网光伏发电系统。并网光伏发电系统集中式并网光伏发电系统集中式并网光伏发电系统：光照资源丰富的地区，该系统不经过蓄电池储能，可直接将光伏电池阵列所发的电能通过并网逆变器全部输入电网并网光伏发电系统分布式并网光伏发电系统分布式并网光伏发电系统，其特点是接近用电侧，便于就地消纳，可以减少输配电成本。因此，分布式并网光伏发电系统的设计原则是就近发电、并网、转换和使用。如屋顶式光伏系统、幕墙式光伏系统、渔光互补式光伏系统和农光互补式光伏系统5.1光伏发电系统的分类5.2光伏电池阵列5.3储能设备5.4光伏逆变器5.5光伏控制器第五章光伏发电器件与系统光伏电池阵列的组成光伏电池阵列单体光伏电池是光电转换的最小单元，但不能单独作为电源使用。需要将单体光伏电池通过串并联封装后形成光伏电池组件，光伏电池组件是可以单独作为电源使用的最小单元。光伏电池组件还可以经串并联后形成光伏电池阵列以满足实际工程的电压或功率要求。光伏组件的串联与并联光伏电池组件的串联目的：增加整体的输出电压规律：光伏电池组串输出的电压等于每个光伏电池组件输出电压的总和，光伏电池组串输出的电流等于光伏电池组件中的最低输出电流。光伏组件的串联与并联光伏电池组件的串联注意事项：当光伏电池组件的输出电流不一致时，具有较高电流的电源将产生过剩电流并将流入电流最低的电源。过剩电流将转化为热量释放，并导致发电端性能降低，引起潜在损害。因此，应尽量将输出电流相同或相近的光伏电池组件进行串联，以减少串联组合后的损失。光伏组件的串联与并联光伏电池组件的并联目的：增加整体的输出电流规律：光伏电池阵列的电流等于各光伏电池组串电流之和，光伏电池阵列的电压等于光伏电池组串中的最低输出电压。注意事项：应尽量将输出电压相同或相近的光伏电池组串进行并联，以减少串联组合后的损失。光伏电池组件的热斑效应与旁路二极管热斑效应：光伏组件局部过热（1）原因1：辐照不均某个光伏电池组件或其一部分的表面辐照明显低于其他组件，被覆盖或遮挡部分获得的太阳辐射减少，相应光伏电池输出功率随之降低；由光伏电池组件的串联规律可知，整个组串的输出电流将减少至被遮挡部分的电流，被遮挡的光伏电池组件不仅不能发电还将成为负载，以发热的方式消耗其他光伏组件产生的能量，并出现局部过热的现象。光伏电池组件的热斑效应与旁路二极管热斑效应：光伏组件局部过热（2）原因2：光伏电池组件存在质量缺陷或故障，甚至某一光伏电池组件性能与其他光伏电池组件存在明显差异（3）危害：将严重破坏光伏电池组件，并有可能熔化组件焊点或破坏封装材料，甚至导致整个光伏电池组件的失效。光伏电池组件的热斑效应与旁路二极管（4）措施：正负极输出端反向并联一个或多个二极管，此二极管称为旁路二极管。光伏电池组件的热斑效应与旁路二极管（5）原理：当某一光伏电池组件由于阴影遮挡、物品覆盖或故障无法正常运行时，其旁路二极管两端会形成正向偏压并使二极管导通，这一光伏电池组件相当于被短路了，这样就不会影响光伏电池组串种其他光伏电池组件的正常发电，也避免了该光伏电池组件产生热斑效应。光伏电池的防逆流（防反充）二极管（1）防逆流的背景：实际运行中的光伏电池阵列，各光伏电池组串之间的输出电压也不可能绝对相等，尤其是当某一组串的某个光伏电池组件发生阴影遮挡、物品覆盖或故障时，该光伏电池组串输出的电压将明显低于其他组串，高电压支路电流将会流向低电压支路，还会导致光伏电池阵列整体输出电压的降低。防逆流的措施：电池组串的输出端处安装二极管起到防逆流的作用各光伏电池组串的防逆流二极管安装于汇流箱的输入电路。光伏电池阵列的防逆流（防反充）二极管（2）防反充的背景：对于离网型光伏发电系统而言，光伏电池阵列不工作时，蓄电池中的电流将反向流向光伏电池阵列或光伏电池组件，光伏电池组件将成为负载，以发热的形式消耗蓄电池内的电能，所产生的热量也会损坏光伏电池组件。防反充的措施：光伏电池阵列的输出端处应安装防反充二极管，通常情况下，光伏电池阵列的防反充二极管安装于光伏控制器。光伏电池阵列的防逆流（防反充）二极管光伏电池阵列的防逆流二极管示意图5.1光伏发电系统的分类5.2光伏电池阵列5.3储能设备5.4光伏逆变器5.5光伏控制器第五章光伏发电器件与系统电池储能铅酸蓄电池：(-)Pb|H2SO4|PbO2(+)放电状态下，铅酸蓄电池正负极的主要成分均为硫酸铅，正极的二氧化铅与硫酸反应生成硫酸铅和水，负极的铅与硫酸反应生成硫酸铅，电解液中的硫酸浓度逐渐降低。充电状态下，二氧化铅和铅分别作为铅酸蓄电池的正负极主要成分，正极的硫酸铅转化为二氧化铅，负极的硫酸铅转化为铅，电解液中的硫酸浓度逐渐增加到放电前的状态。电池储能铅酸蓄电池：(-)Pb|H2SO4|PbO2(+)优点：（1）工作电压高，可大电流脉冲放电；（2）安全可靠，可在较宽的温度范围内使用，放电时电动势较稳定；（3）易于保养维护，寿命较长，耐震和耐冲击性能好，不易损坏；（4）造价较低，原材料容易获取也容易回收；（5）可循环使用，废旧铅酸蓄电池可通过修复翻新的方法得以再利用。电池储能铅酸蓄电池：(-)Pb|H2SO4|PbO2(+)缺点：（1）过充电容易析出气体，充电末期或过充电时，由于反应的超电势增大，会发生电解水的副反应，从而导致H2和O2的析出；（2）腐蚀性强，硫酸溶液的溢出将污染环境；（3）比能量偏低。‌比能量是指参与电极反应的单位质量电极材料放出电能的大小‌。铅酸蓄电池的比能量只有10~50Wh/kg，这是由于电池内部集流体、集流柱、电池槽和隔板等非活性部件增大了它的重量和体积。（4）循环寿命较短，铅酸蓄电池的循环寿命通常为200~300次。电池储能锂离子电池：(-)C/LiPF6+PC-EC/LiCoO2(+)放电状态下，铅酸蓄电池正负极的主要成分均为硫酸铅，正极的二氧化铅与硫酸反应生成硫酸铅和水，负极的铅与硫酸反应生成硫酸铅，电解液中的硫酸浓度逐渐降低。充电状态下，二氧化铅和铅分别作为铅酸蓄电池的正负极主要成分，正极的硫酸铅转化为二氧化铅，负极的硫酸铅转化为铅，电解液中的硫酸浓度逐渐增加到放电前的状态。电池储能锂离子电池：(-)C/LiPF6+PC-EC/LiCoO2(+)锂离子电池充电时，正极电子通过外电路移动至负极，锂离子从正极脱嵌进入电解液中，正极材料被氧化，脱嵌的锂离子与溶解于电解液的导电锂盐中的锂离子同时在电解液中扩散并穿过隔膜，嵌入负极材料中，与正极而来的电子结合，负极材料被还原。此时，正极处于贫锂态，负极处于富锂态。锂离子电池放电时，负极电子通过外电路负载移动至正极，锂离子从负极脱嵌进入电解液，再穿过隔膜重新嵌入到正极材料，并与负极而来的电子结合。可见，锂离子电池的实质为锂离子浓度差电池，依靠锂离子在正负极之间的转移完成充放电过程。电池储能锂离子电池：(-)C/LiPF6+PC-EC/LiCoO2(+)优点：（1）质量小，比能量高。目前锂离子电池的比能量已达到460~600Wh/kg，是铅酸电池的6~7倍；（2）使用寿命长，不同种类的锂离子电池循环寿命可达300~2000次充放电循环；（3）额定电压高，单体锂离子电池的工作电压为3.2V或3.7V；（4）自放电率很低，无记忆效应；（5）生产基本不消耗水，锂离子电池不含有铅、镉、汞等有害物质，不污染环境。电池储能锂离子电池：(-)C/LiPF6+PC-EC/LiCoO2(+)缺点：（1）安全性差，有发生爆炸的危险；（2）不耐受过充过放，在不使用的状态下,存储一段时间后,其部分容量会永久丧失，低温条件（<0℃）下不易实现快充快放；（3）生产要求条件高,成本高。电池储能钠硫电池钠硫电池放电时，负极电子通过外电路负载移动至正极，Na+通过固体电解质与S2-结合形成多硫化钠产物，充电过程刚好相反。电池储能钠硫电池优点：（1）比能量较高，钠硫电池的理论比能量为760Wh/kg，实际可达150～300Wh/kg；（2）运行灵活，充放电效率较高，钠硫电池可进行大电流、高功率放电；（3）原材料成本较低，环境友好。缺点：（1）运行温度较高，钠硫电池通常需要在高温（300℃以上）下工作，工作时还需要保温，对电池的设计、材料以及安全性提出了更高的要求；（2）安全隐患较多，钠与硫或水直接接触会产生剧烈反应，有起火或爆炸的危险；（3）防渗透密封结构成本较高，操作及维护要求严格。抽水蓄能在用电低谷时，发电系统多发的电能驱动水泵将海拔较低的下水库水抽到高处的上水库中，从而将电能转化为水的势能储存起来；在用电高峰时，上水库中的水通过水轮发电机发电，将水的势能转化为电能，以满足系统的调峰需求。抽水蓄能原理图抽水蓄能优点：（1）能源调节能力高效，保证电网稳定。抽水蓄能能够快速地响应电网需求，通过调节上水库的水位实现对电力输出的调节，可作为应急能源使用。同时，抽水蓄能不仅可以消纳可再生能源，其调频调相的作用还可以平抑可再生能源的波动性，保证电网的稳定。（2）储能能力强，能源转换效率高。抽水蓄能具有巨大的储能能力，适合大规模能源存储，其能源转换效率通常可达70%~85%。缺点：对选址要求较高，上下水库需要有一定的落差且需要合适且稳定的水源，占地面积很大，建设周期长，投资大且投资回收期很长。压缩空气储能在用电低谷需要储能时，电动机与压缩机相连，多余的电能驱动电动机和压缩机将空气压缩并存于储气室中，电能转化为空气的热力学能存储起来，此时，燃气轮机并不工作。在用电高峰需要释放能量时，压缩空气储能可通过燃气轮机释放能量，将空气的热力学转化为电能，此时，压缩机不工作。通常有燃料补燃和非补燃两种：燃料补燃指的是在进入燃气轮机前需要将压缩空气与燃料混合并燃烧，以提高入口温度；非补燃指的是利用压缩过程产生的热提高燃气轮机的入口温度。无论采用哪种方式，高温高压气体都会进入燃气轮机膨胀做功，燃气轮机带动发电机发电。压缩空气储能优点：（1）可实现大功率、长周期储能、长时间释放能量。压缩空气储能可满足不同运行功率的应用需求，在实际运行过程中可实现实时调节；只要储能罐不发生泄漏，储存的压缩空气就可以长时间存储并在任意时间得以利用；压缩空气储能系统可以持续工作数小时乃至数天，工作时间长。（2）对场地限制较小，建造与运行成本均比较低。压缩空气可储存于地面的储气罐中，也可以存储于矿井等处，占地面积较小，建设与运行成本低于抽水蓄能电站。（3）安全性和可靠性高。压缩空气储能使用的原料是空气，不会燃烧，不产生任何有毒有害气体。5.1光伏发电系统的分类5.2光伏电池阵列5.3储能设备5.4光伏逆变器5.5光伏控制器第五章光伏发电器件与系统电力电子器件电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，其电路称为电力电子电路。将直流电能转化为交流电能的电路称为逆变电路，也称为DC/AC变换电路。电力二极管A表示阳极（Anode），K表示阴极（Cathode）外接正向电压（p正n负）时，电力二极管电阻值很小，处于导通状态；外接负向电压（n正p负）时，电力二极管电阻值增大，处于反向截止状态。晶闸管导通后，需要将阳极电压降至零或施加反向电压才能关断。晶闸管（半可控）内部按p1-n1-p2-n2的顺序组成四层半导体，构成了三个pn结；晶闸管有三个引出端，阳极A和阴极K分别与p1和

n2连接，作为主电路的两个功率引出端，门极G与p2连接，为控制引出端。可用控制信号控制器件的导通但不能控制其关断晶闸管（半可控）当门极G不加控制信号时，晶闸管无论加正向偏置还是接反向偏置，内部的三个pn结总有至少一个为处于反向截止状态，晶闸管呈现阻断状态。晶闸管（半可控）当晶闸管阳极A和阴极K分别施加正向电压VAK，门极施加足够的门极电压VG时，门极电流IG流入NPN管T2的基极，T2导通。经放大后的T2管集电极电流Ic2也是流出PNP管T1的基极电流，该电流使T1导通，经放大后的T1集电极电流将流入T2的基极，形成如下正反馈。电力MOSFET广泛应用于不超过10kW的逆变器。源极S和漏极D接主电路，栅极G接控制电路。当栅源电压VGS为0时，漏极D和源极S之间是典型的NPN结构，无论漏-源之间接正向电压还是负向电压，总有一个pn结处于反向截止状态，漏-源之间处于断开状态。电力MOSFET当栅极G与源极S之间施加正向栅源电压VGS，p型半导体中的多子（空穴）将远离栅极，而少子（自由电子）将被吸引至p型半导体表面。当自由电子浓度大于空穴浓度时，p型半导体将会变成n型半导体，形成“反型层”。反型层将源区与漏区联通，形成导电沟道，电力MOSFET即可导通。IGBT当栅极G与发射极E之间施加正向栅发电压VGE时，p型半导体中的多子（空穴）将远离栅极，而少子（自由电子）将被吸引至p型半导体表面。当自由电子浓度大于空穴浓度时，p型半导体将会变成n型半导体，形成“反型层”和导电沟道，此时IGBT导通。IGBT当栅极G与发射极E之间不施加电压或施加负向栅发电压时，IGBT不导通。电压型逆变器原理单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路电压型逆变器原理单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路的输出电压和电流波形当负载为阻性负载时，输出电流波形与电压相同；当负载为阻感性负载时，电流滞后于电压。单相逆变电路单相推挽逆变电路单相推挽逆变电路原理VT1和VT2交替导通与关断优点：结构较为简单；缺点：原边绕组只有一半在工作，效率较低，不适合压力过高的场合。单相逆变电路全桥式逆变电路全桥式逆变电路原理VT1+VT4，VT2+VT3交替导通与关断优点：结构较为简单；缺点：原边绕组只有一半在工作，效率较低，不适合压力过高的场合。单相逆变电路半桥式逆变电路半桥式逆变电路原理VT1和VT2交替导通与关断变压器输出交替变化的矩形波电压三相逆变电路半桥式逆变电路三相桥式逆变电路原理逆变器的触发脉冲彼此相差120°。每个功率型开关按180°导通或关断，同一桥臂的两个功率型开关交替导通和关断，各相导通开始时间相差120°。正弦波脉宽调制技术控制光伏逆变器主要采用正弦波脉宽调制（SinusoidalPulseWidthModulation，简称SPWM）将矩形波转化为近似的正弦波。SPWM的工作原理正弦波脉宽调制技术SPWM可采用单极性或双极性控制方法，其原理都是在信号波和三角波载波的交点时刻来控制电力电子开关的通断。单极性控制方法中，每半个周期内，三角波只有一种极性，所以，每半个周期内，SPWM波只会有一种极性。单极性SPWM双极性SPWM光伏逆变器的其他基本功能（1）自动运行和停机光伏逆变器可以监测光伏电池阵列的输出功率，只有其达到所需的输出功率后，光伏逆变器才会持续运行，否则，光伏逆变器则处于待机状态。光伏逆变器的其他基本功能（2）防止孤岛效应在并网光伏发电系统中，当电力系统由于某种原因发生异常而停电时，如果光伏发电系统不能随之停止运行或与电力系统脱开，则光伏电池阵列则会向电力输电线路继续供电，这种运行状态称为孤岛效应。孤岛效应将会严重威胁电力系统的安全，威胁维修作业人员及设备的安全，容易造成触电事故；当电力系统突然恢复供电后，电网电压、并网逆变器的输出电压在相位上就可能有较大差异，会在瞬间产生很大的冲击电流而有可能损坏设备。被动式检测通常需要实时检测电网电压的幅值、频率和相位，当电网停止运行时，上述参数会产生跳变信号；主动式检测可通过计算电网阻抗来判断，当电网停止运行时，电网阻抗将产生较大改变。光伏逆变器的其他基本功能（3）最大功率点跟踪最大功率点跟踪通常是光伏控制器的功能，但并网光伏逆变器和光伏控制器往往合二为一，因此，也可视为光伏逆变器的功能之一。5.1光伏发电系统的分类5.2光伏电池阵列5.3储能设备5.4光伏逆变器5.5光伏控制器第五章光伏发电器件与系统光伏控制器的作用对于离网型光伏发电系统而言，光伏控制器主要对蓄电池的充放电过程加以控制，防止蓄电池频繁过充过放，以延长蓄电池寿命；光伏控制器还可以通过最大功率点跟踪技术，实时调整光伏电池阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近；并网光伏发电系统而言，光伏控制器往往和逆变器合为一体。光伏控制器对蓄电池充放电控制的原理通过控制充电控制开关和放电控制开关来完成对光伏充放电的控制。（1）串联型光伏控制器串联型控制器是指充电控制开关串联于充电回路，以控制充电过程。光伏控制器对蓄电池充放电控制的原理（1）串联型光伏控制器串联型控制器是指充电控制开关串联于充电回路，以控制充电过程。S1为充电控制开关：当开关S1导通时，光伏电池阵列对蓄电池充电；当出现蓄电池过充电时，开关S1断开，光伏电池阵列停止对蓄电池充电。S2为放电控制开关：当开关S2导通时，蓄电池对负载放电；当出现蓄电池过放电时，开关S2断开，蓄电池停止对负载放电；当蓄电池再次充电并达到预先设定的条件时，开关S2还能自动导通，蓄电池恢复对负载放电。光伏控制器对蓄电池充放电控制的原理（2）并联型光伏控制器并联型控制器指的是充电控制开关并联于充电回路。放电控制开关S2、防反充二极管VD1和防反接二极管VD2的工作原理与串联型控制器基本相同当开关S1断开时，光伏电池阵列向蓄电池充电；当出现蓄电池过充电时，开关S1导通，光伏电池阵列输出的电流通过S1旁路泄放，光伏电池阵列停止向蓄电池充电，此时，光伏电池阵列输出的能量将在旁路电阻器或功率模块以热的形式消耗掉。光伏控制器对蓄电池充放电控制的原理（3）脉宽调制型控制器通过脉冲方式控制光伏电池阵列输出的开关。对于串联型脉宽调制控制器而言，当蓄电池逐渐趋于充满时，其端电压逐渐升高，脉冲宽度变窄，使得导通时间缩短，充电电流逐渐趋于零；当蓄电池电压逐渐下降时，脉冲宽度变宽，充电电流变大。对于并联型脉宽调制控制器则刚好相反，这里不再赘述。光伏电池阵列最大功率点跟踪控制技术在一定光照和环境温度下，当光伏电池阵列的输出电压为某一值时，光伏电池阵列的输出功率才能达到最大，即达到了输出功率-电压曲线的最高点，该最大点也称为最大功率点（MaximumPowerPoint，MPP）。存在的问题：如果将光伏电池阵列与蓄电池直接相连，由于蓄电池内阻不变，无法调节光伏电池阵列的输出电压；光伏电池阵列的输出电压也会因辐照条件等外部因素的变化而变化，从而导致蓄电池充电电压不稳定并影响蓄电池寿命。实时调整光伏电池阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，该技术称为最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）光伏电池阵列最大功率点跟踪控制技术A和B点分别为对应的最大功率点。如果辐照条件由1变到2，如果负载1保持不变，则运行状态点为A1，该点偏离了相应的最大功率点。为了保证辐照改变后，光伏电池阵列依然保持最大功率点运行，则需要将负载1调整为负载2，以保证系统在新的最大功率点B运行。光伏电池阵列最大功率点跟踪方法恒电压跟踪法（ConstantVoltageTracking，CVT