1、第4章太陽能、光伏發(fā)電與控制技術(shù),4.1太陽的輻射及太陽能簡介4.2太陽能的轉(zhuǎn)換與應(yīng)用4.3太陽能電池與光伏發(fā)電原理4.4MPPT光伏變換與控制技術(shù)4.5光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)與控制策略4.6光伏發(fā)電的制約因素與經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià),本章主要內(nèi)容,4.1太陽的輻射及太陽能簡介4.1.1太陽簡介,圖4-1太陽的結(jié)構(gòu),太陽是太陽系的中心天體，是離地球最近的一顆恒星，是熾熱的氣態(tài)球體。太陽內(nèi)部持續(xù)進(jìn)行著氫聚合成氦的核聚變反應(yīng)，不斷釋放巨大的能量，并以輻射和對流的方式由核心向表面?zhèn)鬟f熱量，溫度也從中心向表面逐漸降低。,地面輻射的時(shí)空變化特點(diǎn)是：全年以赤道獲得的輻射最多，極地最少。這種熱量不均勻分布，必然導(dǎo)致

2、地表各緯度的氣溫產(chǎn)生差異，在地球表面出現(xiàn)熱帶、溫帶和寒帶氣候；太陽輻射夏天大冬天小，它導(dǎo)致夏季溫度高而冬季溫度低。,4.1.2太陽輻射,不同地區(qū)太陽平均輻射強(qiáng)度,太陽輻射能量在可見光（0.4-0.76um）、紅外線（0.76um）和紫外線（0.4um）分別占50%、43%和7%，即集中于短波波段，因此太陽輻射稱為短波輻射,地球上的能流,圖4-4地球上的能流,據(jù)測算，經(jīng)過大氣層削弱到達(dá)地球的總輻射能高達(dá)173000TW，即每秒鐘照射到地球的能量相當(dāng)于500萬t煤，地球上的生物依賴這些能量生存。廣義上講：地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、生物質(zhì)能等都來源于太陽能，即使煤、石油等化石燃料也可以說是遠(yuǎn)古

3、儲(chǔ)存的太陽能。狹義上講：太陽能限于太陽輻射的光熱、光電和光化學(xué)的直接轉(zhuǎn)換,4.2太陽能的技術(shù)應(yīng)用,1太陽能采集,（1）平板集熱器平板吸熱，熱損耗大（2）真空管集熱器吸熱體封閉在真空管內(nèi)，提高熱性能（3）聚光集熱器光學(xué)原理聚光，需要跟蹤太陽,2太陽能的轉(zhuǎn)換,（1）太陽能熱能轉(zhuǎn)換選擇合適涂層使其吸收性能好且向外輻射小。（2）太陽能電能轉(zhuǎn)換方便能量的利用、傳輸和分配，太陽能電池效率低(20%)（3）太陽能氫能轉(zhuǎn)換通過分解水轉(zhuǎn)換成氫能。（4）太陽能生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換通過光合作用將二氧化碳和水合成有機(jī)物。（5）太陽能機(jī)械能轉(zhuǎn)換,2太陽能的轉(zhuǎn)換,3太陽能貯存,（1）熱能貯熱（2）電能貯存（3）氫能貯存（4）機(jī)械

4、能貯存,4太陽能傳輸,（1）直接傳輸（光學(xué)原理：反射折射傳輸）（2）間接傳輸（轉(zhuǎn)為熱能、電能等傳輸。）,5.太陽能的利用,（1）太陽輻射的熱能利用（2）太陽能光熱利用（3）太陽能熱發(fā)電（4）太陽能綜合利用（5）太陽能光伏發(fā)電技術(shù),太陽能的利用,尚德大型太陽能發(fā)電幕墻,美國最大的光伏發(fā)電站-1,美國最大的光伏發(fā)電站-2,4.3太陽能電池與光伏發(fā)電原理,4.3.1太陽能電池太陽能光伏發(fā)電的最基本元件是太陽電池（片），有單晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜電池等種類。單晶和多晶電池用量最大，非晶電池用于一些小系統(tǒng)和計(jì)算器輔助電源等。,太陽能電池原理太陽能電池的原理是基于半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)，將太陽輻射直接轉(zhuǎn)換為

5、電能。所謂光電效應(yīng)，就是指物體在吸收光能后，其內(nèi)部能傳導(dǎo)電流的載流子分布狀態(tài)和濃度發(fā)生變化，由此產(chǎn)生出電流和電動(dòng)勢的效應(yīng)。在氣體、液體和固體中均可產(chǎn)生這種效應(yīng)，而半導(dǎo)體光伏效應(yīng)的效率最高。,1.半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu),圖4-5一般的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),2.P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu),圖4-6P型半導(dǎo)體,3.N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu),圖4-7N型半導(dǎo)體,4.太陽能電池晶片的組成,圖4-8太陽電池晶片,5.太陽能晶片受光的物理過程,圖4-9太陽能晶片受光的物理過程,太陽能電池的分類,單晶硅太陽能電池效率高（可達(dá)20%）2.多晶硅太陽能電池電池含多個(gè)不同晶粒組成，效率低（13-15%）但工藝簡單，可大規(guī)模生成3.非晶硅太陽能電池主

6、要應(yīng)用于消費(fèi)市場，如手表、玩具。效率（5-7）%,4.3.2太陽能光伏發(fā)電原理,太陽能電池陣列逆變器用電設(shè)備進(jìn)戶計(jì)量儀表,3.光伏系統(tǒng)分類,（1）小型太陽能供電系統(tǒng)（SmallDC）該系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中只有直流負(fù)載而且負(fù)載功率比較小，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作簡便。如在我國的西北地區(qū)大面積推廣使用了這種類型的光伏系統(tǒng)，負(fù)載為直流節(jié)能燈、家用電器等，用來解決無電地區(qū)家庭的基本照明和供電問題。,圖4-11小型太陽能供電系統(tǒng),（2）簡單直流系統(tǒng)（SimpleDC）,該系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中負(fù)載為直流負(fù)載，而且負(fù)載的使用時(shí)間沒有特別要求，負(fù)載主要在日間使用，系統(tǒng)中沒有蓄電池，也不需要控制器。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，

7、直接使用太陽能電池陣列給負(fù)載供電，光伏發(fā)電的整體效率較高。如光伏水泵就使用了這種類型的光伏系統(tǒng)。,圖4-12簡單直流供電系統(tǒng),（3）大型太陽能供電系統(tǒng)（LargeDC）,該系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中用電器也是直流負(fù)載，但負(fù)載功率比較大，整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模也比較大，需要配備較大的太陽能光伏陣列和較大的蓄電池組。常應(yīng)用于通信、遙測、監(jiān)測設(shè)備電源，農(nóng)村集中供電站，航標(biāo)燈塔、路燈等領(lǐng)域。如在我國的西部地區(qū)部分鄉(xiāng)村光伏電站使用了這種類型的光伏系統(tǒng)，中國移動(dòng)和中國聯(lián)通公司在偏僻無電地區(qū)的通信基站等。,圖4-13大型太陽能供電系統(tǒng),該系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)中同時(shí)含有直流負(fù)載和交流負(fù)載，整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)模也比

8、較大，同樣需要配備較大的太陽能光伏陣列和較大的蓄電池組。如在一些同時(shí)具有交流和直流負(fù)載的通信基站或其他一些含有交流和直流負(fù)載的光伏電站中使用了這種類型的光伏系統(tǒng)。,（4）交流、直流供電系統(tǒng)（AC/DC）,圖4-14交流、直流供電系統(tǒng),（5）并網(wǎng)系統(tǒng)（UtilityGridConnect）,這種系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是太陽能電池陣列轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的直流電經(jīng)過三相逆變器（DC/AC）轉(zhuǎn)換成為符合公共電網(wǎng)要求的交流電并直接并入公共電網(wǎng)，供公共電網(wǎng)用電設(shè)備使用和遠(yuǎn)程調(diào)配。這種系統(tǒng)中所用的逆變器必需是專用的并網(wǎng)逆變器，以保證逆變器輸出的電力滿足公共電網(wǎng)的電壓、頻率和相位等性能指標(biāo)的要求。這種系統(tǒng)通常能夠并行使用市電和

9、太陽能電池陣列作為本地交流負(fù)載的電源，降低了整個(gè)系統(tǒng)的負(fù)載缺電率；而在夜晚或陰雨天氣，本地交流負(fù)載的供電可以從公共電網(wǎng)獲得。,圖4-15并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng),討論,如果太陽能發(fā)電給交流負(fù)載供電，則采用獨(dú)立發(fā)電形式和并網(wǎng)發(fā)電形式電路結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？控制方式有何區(qū)別？,42,圖4-10典型的光伏發(fā)電系統(tǒng),6.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu),機(jī)械工業(yè)出版社,第4章太陽能、光伏發(fā)電與控制技術(shù),43,2.系統(tǒng)組成,（1）太陽能電池組件：由太陽能電池（也稱光伏電池）按照系統(tǒng)的需要串聯(lián)或并聯(lián)而組成的矩陣或方陣，在太陽光照射下將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，它是光伏發(fā)電的核心部件。（2）充放電控制器、逆變器控制本部分除了對蓄電池或其

10、他中間蓄能元件進(jìn)行充放電控制外，一般還要按照負(fù)載電源的需求進(jìn)行逆變，使光伏陣列轉(zhuǎn)換的電能經(jīng)過變換后可以供一般的用電設(shè)備使用。（3）蓄電池、蓄能元件及輔助發(fā)電設(shè)備蓄電池或其他蓄能元件如超導(dǎo)、超級(jí)電容器等是將太陽能電池陣列轉(zhuǎn)換后的電能儲(chǔ)存起來，以使無光照時(shí)也能夠連續(xù)并且穩(wěn)定的輸出電能，滿足用電負(fù)載的需求。,機(jī)械工業(yè)出版社,第4章太陽能、光伏發(fā)電與控制技術(shù),4.4.1光伏陣列的組成與輸出特性,4.4MPPT光伏發(fā)電變換與控制技術(shù),1光伏電池的電特性,光伏電池的等效電路如圖4-18.,電流I為太陽能電池輸出電流，Id等效為光電池的暗電流，IRsh為漏電流，ILG為光電池電流源，Rsh為光伏電池的并聯(lián)等

11、效電阻；Rs：光伏電池的串聯(lián)等效電阻。,圖4-18光伏電池等效電路圖,光伏電池的輸出特性方程：,式中：,并聯(lián)電阻Rsh越大，不會(huì)影響短路電流的數(shù)值。所以下面設(shè)計(jì)中忽略Rsh，得到簡化的光伏電池輸出特性方程：,I：光伏電池輸出電流；V：光伏電池輸出電壓；IOS：光伏電池暗飽和電流；T：光伏電池的表面溫度；k：波爾茲曼常數(shù)(1.38*10-23J/K)；q：單位電荷(1.6*10-19C)；K1：短路電流的溫度系數(shù)；ISCR：標(biāo)準(zhǔn)測試條件（光伏電池溫度25，日照強(qiáng)度為1000W/m2）下，光伏電池的短路電流；ILG：光電流；EGO：半導(dǎo)體材料的禁帶寬度；Tr：參考溫度(301.18。K)；Ior：

12、Tr下的暗飽和電流；A,B：理想因子，一般介于1和2之間,光伏電池模型,參考文獻(xiàn)：茆美琴，余世杰，蘇建徽.帶有MPPT功能的光伏陣列Matlab通用仿真模型J.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2005.17（5）:1248-1251.,2光伏電池的伏安特性,2光伏電池的伏安特性,圖420光伏電池的伏安特性,當(dāng)負(fù)載RL從0變化到無窮大時(shí)，即可得到如圖所示太陽能電池輸出特性曲線。調(diào)節(jié)負(fù)載電阻RL到某一值Rm時(shí)，在曲線上得到一點(diǎn)M，其對應(yīng)的工作電壓和工作電流之積最大，即Pm=Im*Vm，將此M點(diǎn)定義為最大功率輸出點(diǎn)（MPP）。,光伏電池的輸出特性圖,MPPT本質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過程。通過測量電壓、電流和功率，比較它們之間

13、的變化關(guān)系，決定當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值點(diǎn)的位置關(guān)系，然后控制電流（或電壓）向當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值功率點(diǎn)移動(dòng)，最后控制電流（或電壓）在峰值功率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)來回?cái)[動(dòng)。,圖4-22不同光照強(qiáng)度下的光伏電池最大功率點(diǎn),4.4.1光伏陣列的組成與輸出特性,3MPPT工作原理,在光伏系統(tǒng)中，通常要求光伏電池的輸出功率保持在最大，也就是讓光伏電池工作在最大功率點(diǎn)，從而提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。MPPT就是一個(gè)不斷測量和不斷調(diào)整以達(dá)到最優(yōu)的過程，它不需要知道光伏陣列精確的數(shù)學(xué)模型，而是在運(yùn)行過程中不斷改變可控參數(shù)的整定值，使得當(dāng)前工作點(diǎn)逐漸向峰值功率點(diǎn)靠近，使光伏系統(tǒng)運(yùn)作在峰值功率點(diǎn)附近。,常用的MPPT控制算法,1

14、、定電壓跟蹤法：先求得或設(shè)置某一中心電壓，通過控制使光伏陣列的輸出電壓一直保持該電壓，從而使光伏系統(tǒng)輸出功率達(dá)到或接近最大功率輸出值。2、擾動(dòng)觀察法：,3、增量電導(dǎo)法根據(jù)光伏陣列的P/U曲線，當(dāng)輸出功率為P最大時(shí)，即Pmax處的斜率為零?？傻茫?、模糊邏輯控制法：根據(jù)溫度、光照等參數(shù)進(jìn)行邏輯推算。5、最優(yōu)梯度法：以梯度算法為基礎(chǔ)的多維無約束最優(yōu)化問題的數(shù)值計(jì)算方法。,4.4.2光伏發(fā)電充電控制策略,1鉛酸蓄電池工作原理,蓄電池的兩組極板都浸在稀硫酸溶液里，如果通以適當(dāng)電流，則正極板上的硫酸鉛就變成棕褐色的二氧化鉛（PbO2，也稱過氧化鉛），負(fù)極板上的硫酸鉛變成灰色的海綿狀鉛（Pb）。放電時(shí)，正

15、負(fù)極板上的活性物質(zhì)都吸收硫酸，逐漸變成硫酸鉛（PbSO4）。當(dāng)大部分活性物質(zhì)變成硫酸鉛（PbSO4）后，蓄電池的電壓就下降到不能再放電了。蓄電池到了這個(gè)時(shí)候就需要充電，使硫酸鉛重新恢復(fù)為正極的二氧化鉛和負(fù)極的海綿狀鉛，供繼續(xù)放電使用。,正極板,負(fù)極板,2鉛酸蓄電池充電過程分析,3鉛酸蓄電池充電控制策略,缺點(diǎn)：由于光伏電池輸出特性依賴于外界環(huán)境，實(shí)際應(yīng)用中往往不能使光伏電池輸出最大電流，從而延長充電時(shí)間。,光伏發(fā)電蓄電池充電策略,1）充電開始階段，設(shè)置最大充電電流為C/10，此時(shí)只要充電電流不超過最大允許充電電流，進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，光伏電池輸出最大功率給蓄電池充電，如果由于光照強(qiáng)度較大引起充電

16、電流大于最大允許充電電流，則退出最大功率點(diǎn)跟蹤控制，此時(shí)以最大允許充電電流給蓄電池充電；一旦光照強(qiáng)度減弱導(dǎo)致充電電流小于最大允許充電電流，此時(shí)重新進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤控制，使光伏電池輸出最大功率。2）充電過程中，一旦蓄電池兩端電壓上升到某一設(shè)定值，逐步減小最大允許充電電流，如圖中曲線C2、C3、Cn所示。以不同充電速率重復(fù)上面充電過程，經(jīng)過若干次循環(huán)后，最大允許充電電流下降到C/100，此時(shí)蓄電池完全充滿。,4充電控制器電路設(shè)計(jì),uk充電控制器主電路,工作原理,開關(guān)管Vr導(dǎo)通期間,開關(guān)管Vr截止期間,基于DSP的充電電路結(jié)構(gòu),4.5光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)與控制策略,4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器

17、的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)1電壓源型光伏陣列的逆變并網(wǎng),圖440光伏陣列并網(wǎng)的電壓源型電路結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),2電流源型光伏陣列的逆變并網(wǎng),圖441光伏陣列電流源型并網(wǎng)逆變電路拓?fù)?4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),3單級(jí)式并網(wǎng)逆變器,圖442單級(jí)式并網(wǎng)逆變器的電路拓?fù)?4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),

18、4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器,圖443兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器的電路拓?fù)?4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),圖444一種改進(jìn)型兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器拓?fù)?4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),5多級(jí)式并網(wǎng)逆變器,圖445多級(jí)式并網(wǎng)逆變器的電路拓?fù)?4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.1光伏陣列并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu),4.5.2光伏陣列并網(wǎng)逆變器的控制策略,1并網(wǎng)波形的跟蹤與控制策略,具體有五個(gè)條件：,波

19、形相同；,幅值相同；,頻率相同；,相序相同；,相位相同。,由于C1的容量較小，流過C1的工頻電流很小可以忽略，則逆變H橋輸出基波電壓和工頻電網(wǎng)電壓可表示為：,并網(wǎng)控制策略,3仿真（參見示例）,4軟硬件設(shè)計(jì)1.主電路2.處理器3.驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)4.電源設(shè)計(jì)5.信號(hào)采集,信號(hào)采集,其中R82=R89=R;R87=R83=2R,程序設(shè)計(jì),1）電壓變化控制策略(脈沖產(chǎn)生)；DC/DC,DC/AC2）控制算法（離散PI控制）3）小數(shù)點(diǎn)控制（Q值）（電壓、電流）,3并網(wǎng)系統(tǒng)的保護(hù)與光伏發(fā)電并網(wǎng)的孤島問題,孤島下發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行存在的問題,1)對人身安全的危害，用戶或線路維修人員不一定意識(shí)到分布式發(fā)電系統(tǒng)的存在；

20、2)供電質(zhì)量，沒有大電網(wǎng)的支持，分布式發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量難以符合各方面的需求，例如電壓波動(dòng)、頻率波動(dòng)以及諧波等技術(shù)指標(biāo)；3)分布式發(fā)電系統(tǒng)(指逆變系統(tǒng))為了提高逆變器的效率而設(shè)定單位功率因數(shù)輸出，但是本地負(fù)載總是有對無功功率的需求，這就導(dǎo)致在孤島運(yùn)行時(shí)負(fù)載無功需求不能滿足，系統(tǒng)電壓和頻率可能發(fā)生波動(dòng)甚至崩潰；4)電力公司對電網(wǎng)的管理要求，由于孤島狀態(tài)意味著脫離了電力管理部門的監(jiān)控而獨(dú)立運(yùn)行，是不可控和高隱患的操作；,5)對于利用太陽能或者風(fēng)力發(fā)電的分布式供電系統(tǒng)存在輸出功率不穩(wěn)定(尤其是發(fā)電系統(tǒng)本身沒有儲(chǔ)能設(shè)備時(shí))的問題，甚至在某一段時(shí)間內(nèi)有可能無功率輸出；6)電網(wǎng)恢復(fù)時(shí)分布式發(fā)電系統(tǒng)重新并網(wǎng)

21、會(huì)遇到困難，非同步并網(wǎng)會(huì)引起大的電流沖擊。,主要的孤島檢測方法：,電力系統(tǒng)端檢測法1）傳輸斷路器跳閘信號(hào)檢測孤島2）電力線路載波通信檢測孤島電力變換器端檢測法1）被動(dòng)式孤島檢測通過監(jiān)測并網(wǎng)公用連接點(diǎn)PCC(thepointofcommoncoupling)的狀態(tài)（如電壓、頻率、諧波）來判斷是否出現(xiàn)孤島；2）主動(dòng)式孤島檢測在電力變換器內(nèi)迭加一個(gè)干擾，再觀察PCC點(diǎn)狀態(tài)以判斷孤島是否出現(xiàn)。,4.6光伏發(fā)電的制約因素與經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià),表42地面用光伏電池組件的成本與價(jià)格（19902010年）,表43光伏電池組件的效率,光伏陣列發(fā)電主要存在以下問題：光伏陣列發(fā)電效率低光伏陣列發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)成本高光伏陣列發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行受氣候環(huán)境因素影響大光伏電池組件的制造需要消耗大量能源,目前大多數(shù)的風(fēng)光，風(fēng)光柴油以及風(fēng)光柴蓄等脫離大電網(wǎng)的混合局部并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)都具有獨(dú)立和并網(wǎng)兩種工作模式，因而以太陽能