1、電力電子技術(shù)在光伏發(fā)電中的應(yīng)用及原理,2011年4月21日,1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展 2、光伏發(fā)電的基本原理 3、太陽能光伏系統(tǒng)的組成 4、光伏直流變換電路 5、光伏發(fā)電逆變電路 6、光伏發(fā)電中電力電子技術(shù)的發(fā)展,1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展,現(xiàn)今世界能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生巨大的變革。以資源有限、污染嚴重的石化能源為主的能源結(jié)構(gòu)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐再Y源無限，清潔干凈的可再生能源為主的多樣性，復(fù)合型的能源結(jié)構(gòu)。太陽能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無污染、不受地域資源限制等優(yōu)點，正得到迅速的推廣應(yīng)用。 隨著太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)不再只是作為偏遠無電地區(qū)的能源供應(yīng)，而是向逐漸取代常規(guī)能

2、源的方向發(fā)展。在國外，并網(wǎng)發(fā)電逐漸成為太陽能光伏發(fā)電的主要應(yīng)用領(lǐng)域，太陽能光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸形成，并持續(xù)高速發(fā)展。,1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展,1.1 國外光伏發(fā)電的發(fā)展 目前國外并網(wǎng)逆變器技術(shù)發(fā)展十分迅速。目前的研究主要集中在svpwm技術(shù)、數(shù)字鎖相控制技術(shù)、數(shù)字dsp控制技術(shù)、最大功率點跟蹤和孤島檢出技術(shù)，以及綜合考慮以上方面的系統(tǒng)總體設(shè)計等。國外的有些并網(wǎng)逆變器還設(shè)計同時具有獨立運行和并網(wǎng)運行功能。其光伏市場市場占有率快速增長。最近幾年，全球的光伏總裝機容量更是以指數(shù)的形式攀升。,2001年-2010年全球光伏發(fā)電裝機容量,1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展,2008年全球光伏并網(wǎng)系統(tǒng)裝機總?cè)萘考s5.

3、8GW ；根據(jù)最新的市場數(shù)據(jù)，2009年全球光伏系統(tǒng)裝機總?cè)萘浚ú⒕W(wǎng)+離網(wǎng)）約為6.43GW。 盡管全球的光伏發(fā)電總裝機容量大幅攀升，但這些數(shù)據(jù)主要是通過發(fā)達國家支撐起來的，他們在全球光伏裝機容量中占有很大的比例,2009年全球主要光伏市場分布圖,從圖中可以看出僅德國一國就占了全球裝機容量一半以上。而我國的裝機量所占的比重還很少。,1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展,1.2 我國光伏發(fā)電的現(xiàn)狀 根據(jù)中國電力科學(xué)院預(yù)測，我國電力供應(yīng)缺口在2010年和2020年分別為3700萬千瓦和1億千瓦發(fā)展可再生能源是未來能源發(fā)展的必由之路.盡管我國光伏裝機容量不大，但近幾年也是緊跟國際形勢，發(fā)展異常迅速。,歷年裝機和

4、累計裝機情況,1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展,目前國內(nèi)太陽能光伏應(yīng)用仍以獨立供電系統(tǒng)為主，但并網(wǎng)系統(tǒng)近年來也是異軍突起。,1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展,我國的太陽能光伏發(fā)電與歐洲等國家以“分散開發(fā)、低電壓就地接入”的發(fā)展方式不同，呈現(xiàn)出“以大規(guī)模集中開發(fā)、中高壓接入”與“分散發(fā)低電壓就地接入”并舉的發(fā)展特征。 最近三年每年安裝量都超過百分之百，但我們不得不承認，由于基數(shù)小，總量遠低于日本，歐洲和美國等國。,2、光伏發(fā)電的基本原理,光伏發(fā)電主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，利用光照產(chǎn)生電子-空穴對，在 PN結(jié)上可以產(chǎn)生光電流和光電壓的現(xiàn)象（光伏效應(yīng)），從而實現(xiàn)太陽能光電轉(zhuǎn)換的目的。 太陽能電池的基本工作原理是光電

5、效應(yīng) 。,3、太陽能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用,太陽能光伏電池所發(fā)出的電能是隨太陽光輻照度、環(huán)境溫度、負載等變化而變化的不穩(wěn)定直流電, 是難以滿足用電負載對電源品質(zhì)要求的“粗電”,為此需要應(yīng)用電力電子變流技術(shù)對其進行直流-直流(DC-DC)或直流-交流(DC-AC)變換,以獲得穩(wěn)定的高品質(zhì)直流電或交流電供給負載或電網(wǎng),3、太陽能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用,獨立供電的太陽能光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖一般如圖a所示。整個光伏系統(tǒng)由太陽能電池、蓄電池、負載和控制器組成。系統(tǒng)各部分容量的選取配合，需要綜合考慮成本、效率和可靠性。在與負載容量配合時，應(yīng)該考慮到連續(xù)陰天的情況，對系統(tǒng)容量留出一定裕度。 與獨立供電的光伏系統(tǒng)相

6、比，并網(wǎng)系統(tǒng)一般都沒有儲能環(huán)節(jié)，直接由并網(wǎng)逆變器接太陽能電池和電網(wǎng)，如圖b所示。并網(wǎng)逆變器的基本功能是相同的。那就是，在太陽能電池輸出較大范圍內(nèi)變化時，能始終以盡可能高的效率將太陽能電池輸出的低壓直流電轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)匹配的交流電流送入電網(wǎng)。太陽能電池輸出的大范圍變動，主要原因是白天日照強度的變化，范圍在200w/m2到1000w/m2之間。,典型光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu),3、太陽能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用,農(nóng)村電氣化光伏應(yīng)用(村落電站、戶用電源、光伏水泵等）,3、太陽能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用,通信和工業(yè)應(yīng)用(通信、鐵路、氣象、陰極保護、航標(biāo)等）,3、太陽能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用,光伏產(chǎn)品和商品 (太陽能路燈

7、、草坪燈、交通信號燈、 太陽能電車、廣告牌、電子產(chǎn)品等）,4、光伏直流變換電路,光伏直流變換電路的主要功能是：實現(xiàn)“最大功率點跟蹤(MPPT)”。即：隨著天氣(輻照度、溫度)變化,實時調(diào)整負載的伏安特性使其相交于光伏電池伏安特性的最大功率輸出點處,降低負載失配功率損失。 光伏電池是一種輸出特性迥異于常規(guī)電源的直流電源,對電壓接受型負載(如蓄電池)、電流接受型(如永磁直流電動機)、純阻性負載3種不同類型的負載,其匹配特性也迥然相異。 光伏直流變換電路主要有脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖頻率調(diào)制(PFM)兩種方法,其中,PWM為常用控制方法。光伏直流變換器主電路分直接變換(直流斬波器,無變壓器隔離)

8、和間接變換(開關(guān)電源型DC/DC變換器,有變壓器隔離)兩大類，如下。,4、光伏直流變換電路,Buck變換器電路,Boost變換器電路,Buck電路中，S、D、L、C 組成降壓斬波器, 調(diào)節(jié)S的開通占空比可調(diào)節(jié)負載電壓, 以調(diào)節(jié)光伏陣列工作點。設(shè)置CS是為了保證光伏陣列輸出電流連續(xù),以免發(fā)電功率損失。結(jié)構(gòu)簡單、效率高、易控制。 Boost變換器電路中，L、S、D、C組成升壓斬波器。當(dāng)S開通時, L儲能; S關(guān)斷時, L所儲磁能轉(zhuǎn)化成的感應(yīng)電壓與光伏陣列輸出電壓串聯(lián)相加向負載供電, S的開通占空比增大時輸出電壓增大。適當(dāng)調(diào)節(jié)占空比,可調(diào)整光伏陣列輸出電壓, 使其處于最大功率點電壓,且該電路可將光伏

9、陣列輸出電壓升高。結(jié)構(gòu)簡單、效率高、易控制,但不能進行降壓變換。,4、光伏直流變換電路,單端正激變換器,單端反激變換器,單端正激電路中，在S開通時, 光伏陣列經(jīng)變壓器T向C、R饋電, 調(diào)節(jié)占空比或T的變比, 可調(diào)節(jié)輸出電壓, 多用于小容量的降壓電路。需采取磁芯復(fù)位措施。 單端反激電路中，在S關(guān)斷時, 光伏陣列經(jīng)變壓器T向C、R 饋電。具有元件少、易實現(xiàn)多路輸出的優(yōu)點。但變壓器的勵磁電流仍為單向。,4、光伏直流變換電路,Buck(降壓)、Boost(升壓)主電路是最基本的變換器拓撲,由此可派生出多種組合結(jié)構(gòu)。 帶高頻變壓器隔離的多種間接變換器拓撲分別派生于各基本DC-DC變換器,亦稱為直-交-直

10、變換器,其克服了直流斬波器輸入輸出不隔離、輸入輸出電壓或電流比受限制、不能實現(xiàn)多路輸出的局限,常用于直流光伏輸電線路、逆變器和負荷間的電壓匹配變換等場合。表中的全橋、半橋、正激、推挽變換器是基于Buck的隔離變換器拓撲;反激式變換器則是Buck-Boost變換器的隔離方案。,5、光伏逆變電路,“逆變”是將直流電變換為極性周期改變的交流電,其為“整流”的“逆向”過程。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器多采用電壓源型逆變器。隨著全控型電力電子器件和脈寬調(diào)制技術(shù)的進步, 采用橋式主電路、以標(biāo)準正弦波作為PWM調(diào)制波的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的電壓源逆變器控制技術(shù),為了使逆變器輸出電壓濾

11、波后盡量正弦化, 出現(xiàn)了選擇性消諧波等優(yōu)化的PWM技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,進一步出現(xiàn)了以控制輸出電流正弦化為目標(biāo)的電流瞬時值滯環(huán)跟蹤PWM控制技術(shù)和針對三相橋式電壓型逆變器的電壓空間矢量PWM(SVPWM )技術(shù)。 SVPWM具有直流電壓利用率高、動態(tài)響應(yīng)快、開關(guān)損耗低、輸出電壓波形的總諧波畸變率低等優(yōu)點,在三相電壓型逆變器控制中的應(yīng)用日益廣泛。,5、光伏逆變電路,離網(wǎng)型光伏發(fā)電逆變電路 離網(wǎng)型光伏發(fā)電逆變電路一般采用電壓源型逆變器。下圖為單相橋電壓源型逆變器和三相橋電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)示意圖。,離網(wǎng)型三相光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器主要有兩種形式:其一,采用左圖所示的三個單相全橋逆變器組合(例如并聯(lián))為三

12、相電壓源逆變器, 其存在元器件多、成本高、體積大的缺點; 其二,采用三相橋式電壓源型逆變器, 其利用三橋臂構(gòu)成的變換器取替三組單相全橋逆變器, 具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、體積小的優(yōu)點, 應(yīng)用廣泛。,單相電壓源型逆變器主電路,三相橋電壓源型逆變器,5、光伏逆變電路,高頻隔離系統(tǒng),5、光伏逆變電路,高頻隔離系統(tǒng)的優(yōu)點： 同時具有電氣隔離和重量輕的優(yōu)點 系統(tǒng)效率在93左右 高頻隔離系統(tǒng)的缺點： 由于隔離DC/AC/DC的功率等級一般較小，所以這種拓樸結(jié)構(gòu)集中在2KW以下 高頻DC/AC/DC的工作頻率較高，一般為幾十KHz或更高，系統(tǒng)的EMC（電磁兼容）比較難設(shè)計 系統(tǒng)的抗沖擊性能差,5、光伏逆變電路,

13、高頻不隔離系統(tǒng),5、光伏逆變電路,高頻不隔離系統(tǒng)的優(yōu)點： 和直接逆變系統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)類似，由于省去了笨重的變壓器， 具有高效率、重量輕的優(yōu)點 同時加入了Boost電路用于DC/DC直流輸入電壓的提升，太陽電池陣列的直流輸入電壓范圍可以很寬 高頻不隔離系統(tǒng)的缺點： 太陽電池板與電網(wǎng)沒有電氣隔離，太陽電池板兩極有電網(wǎng)電壓 使用了高頻DC/DC，EMC設(shè)計難度加大 可靠性較低,5、光伏逆變電路,光伏發(fā)電低壓側(cè)并網(wǎng)概念 直接接入低壓配電網(wǎng)400V 自發(fā)自用 分為可逆流/不可逆流系統(tǒng) 節(jié)省部分配電成本、全部變壓器成本 充分利用了原變壓器容量，分攤了變壓器損耗 可實現(xiàn)快速的設(shè)計、施工、調(diào)試、并網(wǎng),低壓側(cè)并網(wǎng)技

14、術(shù),光伏發(fā)電低壓側(cè)并網(wǎng)：是近期光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的 主要方式,5、光伏逆變電路,低壓側(cè)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖,5、光伏逆變電路,直接逆變系統(tǒng)的優(yōu)點 由于省去了笨重的工頻變壓器，重量輕、結(jié)構(gòu)簡單 特高的效率（98%左右） 直接逆變系統(tǒng)的缺點: 太陽電池板與電網(wǎng)沒有電氣隔離，太陽電池板兩極有電網(wǎng)電壓，對人身安全不利 直流側(cè)MPPT電壓需要大于350V。對于太陽電池組件乃至整個系統(tǒng)的絕緣有較高要求，容易出現(xiàn)漏電現(xiàn)象,單相直接逆變系統(tǒng),5、光伏逆變電路,單相工頻隔離系統(tǒng),5、光伏逆變電路,單相工頻隔離系統(tǒng)的優(yōu)點： 由于使用工頻變壓器進行電壓變換和電氣隔離,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高 抗沖擊性能好、安全性能良好 直流

15、側(cè)MPPT電壓等級一般在220V-600V 單相工頻隔離系統(tǒng)的缺點： 系統(tǒng)效率相對較低 體積較大，笨重,5、光伏逆變電路,多DC-DC（MPPT）單逆變系統(tǒng),5、光伏逆變電路,多DC-DC（MPPT）單逆變系統(tǒng)優(yōu)點： 由于具有多個DC-DC電路，適合多個不同傾斜面陣列接入，即陣列 1n可以具有不同的MPPT電壓，十分適合應(yīng)用于光伏建筑 多DC-DC（MPPT）單逆變系統(tǒng)缺點： 太陽電池板與電網(wǎng)沒有電氣隔離，太陽電池板兩極有電網(wǎng)電壓 使用了高頻DC/DC，EMC設(shè)計難度加大 可靠性較低,5、光伏逆變電路,半橋逆變技術(shù)系統(tǒng) 優(yōu)點：注入電網(wǎng)的直流分量較小、電路簡單 缺點：功率器件利用率低,5、光伏逆

16、變電路,升降壓DC/DC+工頻逆變,5、光伏逆變電路,三個單相逆變器組成的三相系統(tǒng),5、光伏逆變電路,三相逆變技術(shù),5、光伏逆變電路,多重疊加技術(shù),5、光伏逆變電路,組件并聯(lián)、逆變器逐個并聯(lián)方式,系統(tǒng)工作方式：早晨弱光時由幾臺逆變器中隨機一臺開始工作。當(dāng)?shù)谝慌_滿功率時接入第二臺逆變器，依次投入。傍晚弱光時逐臺退出。 優(yōu)點：低空載損耗，充分利用了太陽能。 逆變器輪流工作，延長壽命。 缺點：光伏陣列全部并聯(lián)，并聯(lián)損耗較大，且只能用一種型號,5、光伏逆變電路,共用變壓器低壓側(cè)逆變并網(wǎng)技術(shù) 優(yōu)化直流母線電壓、升壓變壓器配置和變比，避免重復(fù)升壓，提高系統(tǒng)效率，優(yōu)先考慮當(dāng)?shù)赜秒娯摵?，避免過多電能的遠距離傳

17、送.,6、光伏發(fā)電中電力電子技術(shù)的發(fā)展,光伏發(fā)電中的多電平逆變器 在交流大功率變換領(lǐng)域,常采用開關(guān)器件串/并聯(lián)、多重化(功率變換裝置串/并聯(lián))及多電平變換等技術(shù)以解決電力電子器件耐壓與功率變換電壓等級的矛盾,其中,多電平變換技術(shù)已成為研究熱點。傳統(tǒng)的逆變器亦稱為二電平逆變器,其在一個開關(guān)周期內(nèi)逆變橋臂的相電壓輸出電平僅為二電平。多電平技術(shù)源于日本學(xué)者1981年提出的中點箝位型多電平逆變電路。目前,多電平逆變電路主要有二極管箝位型、電容箝位型和獨立直流源級聯(lián)型3種拓撲類型。光伏陣列可靈活組合,故光伏并網(wǎng)系統(tǒng)易實現(xiàn)3電平和級聯(lián)方式并網(wǎng)以改善并網(wǎng)電流波形。為了解決陰影問題和光伏模塊之間不匹配問題,一些學(xué)者提出采用二極管箝位型多電平逆變器、級聯(lián)H 橋型變換器實現(xiàn)獨立控制每一個光伏模塊,使其各自