光伏發(fā)電基礎(chǔ)

1、光伏發(fā)電技術(shù),,,１.１ 光伏發(fā)電基本原理 太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成電能, 能將光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器之一，就是光伏電池。 光伏電池的物理基礎(chǔ)是由兩種不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成的大面積PN結(jié)，以及非平衡少數(shù)載流子在PN結(jié)內(nèi)電場作用下形成的漂移電流。,１.光伏電池的基本原理和等效電路,１.１ 光伏發(fā)電基本原理 太陽光照射到由P、N型兩種不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成的太陽能電池上時，一部分光

2、線被反射，一部分光線被吸收，還有一部分光線透過電池片。 被吸收的光能激發(fā)被束縛的電子，產(chǎn)生“電子-空穴”對，在PN結(jié)內(nèi)電場作用下，電子、空穴相互運動，若在電池兩端接上負(fù)載，負(fù)載上就有電流流過。當(dāng)光線一直照射時，負(fù)載上源源不斷地有電流流過?！　　纹柲茈姵鼐褪且粋€薄片狀的半導(dǎo)體PN結(jié)。標(biāo)準(zhǔn)光照條件下，額定輸出電壓為0.5V左右。,１.光伏電池的基本原理和等效電路,１.１ 光伏發(fā)電基本原理,１.光伏電池的基本原理和等效電路

3、,１.2光伏電池陣列,由一片單晶硅片構(gòu)成的太陽能電池稱為單體（Cell)。單體電池的電壓電流很?。?.45~0.50V、20~25mA/cm2)，一般不能單獨作電源使用，需將它們串、并聯(lián)封裝后，構(gòu)成光伏電池組件(模塊Module)使用，一個組件上光伏電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36~40個(10cmX10cm)。 　　　當(dāng)應(yīng)用場合需要較高的電壓和電流，可把多個組件再經(jīng)過串并聯(lián)安裝在支架上，構(gòu)成了光伏電池陣列（Array)，滿

4、足負(fù)載所需的功率要求．,,,,１.光伏電池的基本原理和等效電路,１.2光伏電池陣列,,,,,１.光伏電池的基本原理和等效電路,2.1單體光伏電池的等效電路,等效電路如圖所示 Iph為光生電流，其值正比于光伏電池的面積和入射光的輻照度。 ID為暗電流，是指在無光照時，由外電壓作用下PN結(jié)內(nèi)流過的單向電流。 RS、RSH均為光伏電池本身固有電阻

5、。因RS很小、RSH很大，所以進(jìn)行理想計算時，它們都可以忽略不計。,,,,2.光伏電池數(shù)學(xué)模型,2.1單體光伏電池的等效電路,描述光伏電池特性的兩個重要參數(shù)分別是 1.短路電流ISC 與光伏電池的面積有關(guān)，1cm2光伏電池的短路電 流約為16~30mA，且與入射光譜輻射照度成正比。 2.空載電壓UOC　　 與入射光譜輻射照度的對數(shù)成正比，與光伏電池 的面積無關(guān)。在每平方

6、厘米100MW太陽光譜輻照度，空 載電壓約為450~600mV,最大可達(dá)690mV。,,,,2.光伏電池數(shù)學(xué)模型,２.2單體光伏電池的電量方程,等效電路中各變量的方程式如下： （２－1） （２－２）

7、 （２－3）式中I０　為光伏電池內(nèi)部等效二極管ＰＮ結(jié)反向飽和電流；　　UＤ　為等效二極管端電壓；　?。浴闊崃W(xué)溫度；　　Ａ　為ＰＮ結(jié)曲線常數(shù)。,,,,,,,,,2.光伏電池數(shù)學(xué)模型,２光伏電池的數(shù)學(xué)模型,２.3實用方程　 忽略RS、RSH,則Iph≈ISC UD≈U,式(2-2)可化簡為:　　　　　　　　　　　　　　　（２－4） 式中, ; 。,,,,,,,,２光

8、伏電池的數(shù)學(xué)模型,２.3實用方程　 在最大功率點處，有IL=Im ,U=Um ，可解出C1　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 （２－5）　　　　　　開路時，有IL=0 ,U=UOC ，可解出C2　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。ǎ玻?） 　 由式(2-5)、(2-6)計算出C1、C2即可由(2

9、-4)確定光伏電池的伏安特性曲線。,,,,,,,,,,2.光伏電池數(shù)學(xué)模型,,２.4 伏安特性曲線,,,,,,,,２光伏電池的數(shù)學(xué)模型,２.5 填充系數(shù),,,,,,,,２光伏電池的數(shù)學(xué)模型,２光伏電池的數(shù)學(xué)模型,,,,,２.6 光伏電池的轉(zhuǎn)換效率及其影響因素 S 為光照強(qiáng)度 Aall 為電池總的光照總面積 影響效率最為重要的三個因素為:　光譜響應(yīng)、光 照特性和溫度特性。,,２光

10、伏電池的數(shù)學(xué)模型,２.6 光伏電池的轉(zhuǎn)換效率及其影響因素 光譜響應(yīng) 太陽光譜中，不同波長的光不同的能量，所含的光子數(shù)目也不相同。因此，光伏電池接受光照射所產(chǎn)生的光子的數(shù)目也就不相同。 光伏電池在入射光中每一種波長的光能作用下所收集到的光電流，與相對于入射到電池表面的該波長的光子數(shù)之比，叫做光伏電池的光譜響應(yīng)。 能夠產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的太陽能輻射波長范圍一般在0.4~1.2 ， 最大靈敏度在0.8

11、~0.95 之間。,,,,,,,２光伏電池的數(shù)學(xué)模型,２.6 光伏電池的轉(zhuǎn)換效率及其影響因素 光照特性 由伏安特性曲線可知，短路電流受光照強(qiáng)度的影響較大，而開路電壓受光照強(qiáng)度的影響較小。 如果進(jìn)行較粗略的簡化，可以設(shè)Im∝ISC∝S。則有 Um∝UOC∝lnS,,,,,,,２光伏電池的數(shù)學(xué)模型,,,,,２.6 光伏電池的轉(zhuǎn)換效率及其影響因素 溫度特性 空

12、載電壓線性地隨電池溫度變化,且呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)；而短路電流則呈現(xiàn)正溫度系數(shù),但隨溫度變化很小。光伏電池溫度越高，其所輸出的最大功率越小，效率越低。,,3光伏發(fā)電運行失配現(xiàn)象及機(jī)理,,,,,3.1 失配現(xiàn)象 由于局部光照強(qiáng)度的減弱（樹、云層、建筑物的阻 礙造成的陰影等）或生產(chǎn)工藝的問題，造成模塊中某個 單體光伏電池的電流小于其他單體光伏電池的電流，該 電池可能在某一情況下帶上負(fù)電壓，變成負(fù)載消耗其他 正常電池產(chǎn)生

13、的功率，模塊性能驟降，這就是失配現(xiàn)3.2 失配的原因（1）產(chǎn)品問題（2）環(huán)境問題（3）陰影問題（4）模塊老化問題,,3光伏發(fā)電運行失配現(xiàn)象及機(jī)理,,,,,3.3 減輕功率失配損失的措施 對多個串聯(lián)電池配置一個或幾個旁路二極管，如圖。旁路二極管會在某個串聯(lián)模塊受到陰影影響的情況下產(chǎn)生作用。當(dāng)被遮蔽部分帶有負(fù)電壓而且其大小達(dá)到二極管導(dǎo)通電壓時，旁路二極管可以把遮蔽部分短路，從而避免失配現(xiàn)象帶來的功率損失。,,3光伏發(fā)電

14、運行失配現(xiàn)象及機(jī)理,,,,,3.3 減輕功率失配損失的措施 電池并聯(lián)運行時，若太陽輻射不一致，電池板的電 流和溫度均會出現(xiàn)差異，從而導(dǎo)致兩塊并聯(lián)模塊的電壓 不同，有可能使某一模塊變成負(fù)載。為了改善這一現(xiàn)象，可以在每個串聯(lián)支路串聯(lián)一個阻斷二極管，以防止由強(qiáng)電流支路流向弱電流支路。,,光伏電池的分類,,,,,按結(jié)構(gòu)分類同質(zhì)結(jié)光伏電池異質(zhì)結(jié)光伏電池肖特基結(jié)光伏電池薄膜光伏電池疊層光伏電池濕式光伏電池,按結(jié)構(gòu)分類

15、硅光伏電池電池非硅半導(dǎo)體光伏電池有機(jī)光伏電池,4光伏系統(tǒng)的組成,4.1獨立光伏系統(tǒng),,,,4.１獨立光伏系統(tǒng),,,,,4光伏系統(tǒng)的組成,4.２并網(wǎng)光伏系統(tǒng),,,,,１)最小并網(wǎng)光伏系統(tǒng),4光伏系統(tǒng)的組成,２)直流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng),,,,,4光伏系統(tǒng)的組成,３)交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng),,,,,集中式,支路式,4光伏系統(tǒng)的組成,,,,,交流模塊式,4光伏系統(tǒng)的組成,３)交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng),4)交直流混合母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng),,,,

16、,4光伏系統(tǒng)的組成,5) 光伏系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng),,,,,4光伏系統(tǒng)的組成,5光伏逆變器并網(wǎng)相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn) 1. GB/T 19939-2005. 光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)要求。 2. GB/Z 19964-2005. 光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術(shù)規(guī)定。 3. GB/T 20046-2006. 光伏(PV)系統(tǒng)電網(wǎng)接口特性。 4. GB/T 20046-2006. 光伏系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)器效率測量

17、程序。 5. 國家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術(shù)規(guī)定。 其他 《光伏并網(wǎng)發(fā)電專用逆變器技術(shù)要求和試驗方法》 《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)性能測試方法》 《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)安全要求》,,,,5光伏逆變器并網(wǎng)相關(guān)的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn),國外標(biāo)準(zhǔn) 1.IEEE Std 929-2000 IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Phot

18、ovoltaic (PV) Systems 2.IEEE Std 1547 系列標(biāo)準(zhǔn) 3.UL 1741: 2005 Inverters, Converters, Controllers, and Interconnection System Equipment for Use With Distributed Energy Resources 4.EN 50530: 2010 O

19、verall efficiency of grid connected Photovoltaic inverters IEC 61683 IEC 61727 IEC 62116 IEC 62109-1 IEC 62109-2,,,,6 最大功率點跟蹤技術(shù),,,,,6.1最大功率點跟蹤技術(shù) 最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking,

20、 MPPT)技術(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。 在一定的光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和其他因素下，光伏 電池可以輸出不同的直流電壓，但是只是在某一個特定輸出電壓值時，輸出功率 才能達(dá)到最大值，這時光 伏電池工作在P-U曲線的最 高點，被稱為最大功率點。,,6 最大功率點跟蹤技術(shù),,,,,6.1最大功率點跟蹤技術(shù) 根據(jù)不同的光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度等外部特性來調(diào)整 光伏電池

21、的輸出工作點，使之始終工作于最大功率點附近，這種技術(shù)被稱為MPPT技術(shù)。,,6 最大功率點跟蹤技術(shù),,,,,6.2 各種MPPT控制方法1.基于參數(shù)選擇方式的間接控制法 根據(jù)預(yù)存數(shù)據(jù)庫和具體光伏電池參數(shù)，通過數(shù)學(xué)函 數(shù)和經(jīng)驗公式得到近似的MPPT。這類方法沒有實現(xiàn)在線實時跟蹤與控制，誤差相對較大。1）恒電壓跟蹤法2）開路電壓比例系數(shù)法3）短路電流比例系數(shù)法4）曲線擬合法5) 查表法,,6 最大功

22、率點跟蹤技術(shù),,,,,6.2 各種MPPT控制方法2.基于采樣數(shù)據(jù)的直接控制法 此類方法的主要特征是根據(jù)電壓、電流的檢測值經(jīng) MPPT算法直接實現(xiàn)控制。由于采用了電壓、電流的實時采樣信號，能根據(jù)系統(tǒng)運行情況實時MPPT控制，滿足一般的應(yīng)用場合要求，因而在實際運用中最為廣泛。1）定步長擾動觀測法2）變步長擾動觀測法3）電導(dǎo)增量法4）實際測量法5) 寄生電容法,,6 最大功率點跟蹤技術(shù),,,,,6.2

23、 各種MPPT控制方法3.基于現(xiàn)代控制理論的智能控制法 此類方法不依賴于復(fù)雜的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，由現(xiàn)代控 制理論模型為依據(jù)采樣數(shù)據(jù)，再通過控制算法運算得出 控制信號來實現(xiàn)系統(tǒng)控制。該類控制方法適合于難以建 立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，以及外界條件和 雜散參數(shù) 影響嚴(yán)重的控制系統(tǒng)。1）模糊邏輯控制法2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法3）滑?？刂品?,6 最大功率點跟蹤技術(shù),,,,,6.3 擾動觀測法 1.工作

24、原理 先讓光伏電池工作在一個給定的工作點，隨后周期 性地、微小定量地增加或減少光伏電池的輸出電壓和電流，這一過程稱為擾動，擾動電量的增值大小稱為步長。 增加擾動的同時實時檢測光伏電池輸出功率變化趨勢，若擾動電量增加后，輸出功率增加，說明最大功率點在當(dāng)前工作點的右邊，則繼續(xù)增加擾動電量，反之則改變擾動方向。 若擾動電量減小后，輸出功率增加，說明最大功率點在當(dāng)前工作點的左

25、邊，則繼續(xù)減小擾動電量，反之則改變擾動方向。如此循環(huán)，直到輸出功率穩(wěn)定在設(shè)定的一個很小范圍內(nèi)。,,6 最大功率點跟蹤技術(shù),,,,,6.3 擾動觀測法 1.工作原理,,6 最大功率點跟蹤技術(shù),,,,,6.3 擾動觀測法 2. 仿真和實驗 獨立光伏系統(tǒng)電氣主電路模型,,6 最大功率點跟蹤技術(shù),