太陽能光伏發(fā)電技術(shù)講座_圖文

1、太陽能光伏發(fā)電技術(shù)蘇建徽合肥工業(yè)大學(xué)能源研究所2009年12月6日 我國現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)我國已探明的煤炭將在81年內(nèi)采光石油將在15年左右枯竭天然氣也將在30年用盡根據(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)展的必由之路小水電和風(fēng)電已經(jīng)達(dá)到了商業(yè)化發(fā)電的水平，但它們的資源量畢竟有限，即使全部開發(fā)也可能滿足不了未來的需要，太陽能光伏發(fā)電是最有潛力的電力來源。 目前我國太陽能資源分布太陽能在三分之二的國土上，年輻射量超過60萬焦耳平方厘米，每年地表吸收的太陽能大約相當(dāng)于17萬億噸標(biāo)準(zhǔn)煤的能量，開發(fā)利用前景廣闊 太陽能也是能源

2、可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇之一 以煤為主的能源結(jié)構(gòu)面臨越來越大的環(huán)境壓力燃煤產(chǎn)生的煙塵占全國煙塵排放量的70%燃煤產(chǎn)生的so2占全國so2排放量的90%；酸雨國土面積40%；每年煤炭開采形成的塌陷土地面積1.5-2萬公頃，其中耕地占30%；另：我國每年co2排放量占全球的13%（非全煤生成），僅次于美國。據(jù)國家電力部統(tǒng)計(jì)，每生產(chǎn)一度電，大約需要350克左右的煤光伏發(fā)電對環(huán)境污染小，可大量減排CO 2等氣體計(jì)算指標(biāo)一：光伏系統(tǒng)在當(dāng)?shù)孛堪l(fā)電1kWh 相當(dāng)于減少大約0.814kg 數(shù)量的CO 2排放量計(jì)算指標(biāo)二：按照最佳傾角和垂直安裝兩種并網(wǎng)光伏系統(tǒng)的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可計(jì)算出每安裝1kW 光伏系統(tǒng)總共減

3、案例：378kW 光伏發(fā)電系統(tǒng)節(jié)能減排效果表 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(shí)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效應(yīng)。太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏組件蓄電池充放電控制器逆變器AC(或DC 負(fù)載太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)組成圖 農(nóng)村電氣化光伏應(yīng)用(村落電站、戶用電源、光伏水泵等） 通信和工業(yè)應(yīng)用(通信、鐵路、氣象、陰極保護(hù)、航標(biāo)等） 光伏產(chǎn)品和商品(太陽能路燈、草坪燈、交通信號燈、太陽能電車、廣告牌、電子產(chǎn)品等） 太陽能并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 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

4、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?jǐn)偭俗儔浩鲹p耗可實(shí)現(xiàn)快速的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、并網(wǎng)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 光伏發(fā)電低壓側(cè)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖 直接逆變系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(gè)系統(tǒng)的絕緣有較高要求，容易出現(xiàn)漏電現(xiàn)象 單相工頻隔離系統(tǒng)的組成 單相工頻隔離系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)由于使用工頻變壓器進(jìn)行電壓變換和電氣隔離，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高

5、抗沖擊性能好、安全性能良好直流側(cè)MPPT 電壓等級一般在220V -600V單相工頻隔離系統(tǒng)的缺點(diǎn)系統(tǒng)效率相對較低體積較大，笨重 高頻隔離系統(tǒng)的組成 高頻隔離系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)具有電氣隔離和重量輕的優(yōu)點(diǎn)系統(tǒng)效率在93左右高頻隔離系統(tǒng)的缺點(diǎn)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 比較難設(shè)計(jì)系統(tǒng)的抗沖擊性能差 高頻不隔離（Boost 升壓）系統(tǒng)的組成 高頻不隔離系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和第(1種拓樸結(jié)構(gòu)類似，由于省去了笨重的工頻變壓器，具有高效率、重量輕的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)加入了Boost 電路用于DC/DC直

6、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(diǎn)同樣，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(jì)難度加大可靠性較低 系統(tǒng)的組成優(yōu)點(diǎn)同高頻不隔離系統(tǒng)由于具有多個(gè)DC -DC電路，適合多個(gè)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)用于光伏建筑缺點(diǎn)同高頻不隔離系統(tǒng) 系統(tǒng)的組成優(yōu)點(diǎn)：注入電網(wǎng)的直流分量較小、電路簡單缺點(diǎn)：功率器件利用率低 10MW系統(tǒng) 系統(tǒng)的組成 150MW系統(tǒng) 系統(tǒng)工作方式早晨弱光時(shí)由幾臺逆變器中隨機(jī)一臺開始工作。當(dāng)?shù)谝慌_滿功率時(shí)接入第二臺逆變器，依次投入。傍晚弱光時(shí)逐臺退出。優(yōu)

7、點(diǎn)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(diǎn)：光伏陣列全部并聯(lián)，并聯(lián)損耗較大，且只能用一種型號 n%1MWp設(shè)備效率數(shù)據(jù)1009998979695949392919089020P DC %406080P N %100PCU %85 92 96 96.5 97,0 97,3 97.4 97.5 三臺逆變器一天中的運(yùn)行狀況圖 50100MW系統(tǒng) 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?fù)荷，避免過多電能的遠(yuǎn)距離傳送 絕緣、隔離技術(shù)盡量選擇配有輸出隔離變壓器的逆變設(shè)備注意非晶、薄膜組件的耐壓（一般為600V ）直流、交流側(cè)隔離開關(guān) 電能質(zhì)量

8、逆變效率：最大效率不小于94%并網(wǎng)電流諧波：逆變器在運(yùn)行時(shí)不應(yīng)造成電網(wǎng)電壓波形過度畸變和注入電網(wǎng)過度的諧波電流，以確保對連接到電網(wǎng)的其他設(shè)備不造成不利影響 功率因數(shù)(PF：當(dāng)逆變器的輸出大于其額定輸出的20%，平均功率因數(shù)應(yīng)不小于0.85（超前或滯后），當(dāng)逆變器的輸出大于其額定輸出的50%，平均功率因數(shù)應(yīng)不小于0.95（超前或滯后） 工作電壓：逆變器交流輸出端單相電壓的允許偏差為額定電壓的+10%、-15%，三相電壓的允許偏差為額定電壓的±10%工作頻率：逆變器并網(wǎng)時(shí)應(yīng)與電網(wǎng)同步運(yùn)行。逆變器交流輸出端頻率的允許偏差為±0.5Hz ，電網(wǎng)額定頻率為50Hz直流分量：并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)

9、，逆變器向電網(wǎng)饋送的直流電流分量應(yīng)不超過其輸出電流額定值的0.5%或5mA ，應(yīng)取二者中較大值電壓不平衡度：公共連接點(diǎn)的負(fù)序電壓不平衡度應(yīng)不超過2%，短時(shí)不得超過4%；逆變器引起的負(fù)序電壓不平衡度不超過1.3%，短時(shí)不超過2.6% 孤島效應(yīng)保護(hù)技術(shù)孤島效應(yīng)：是指當(dāng)電網(wǎng)的部分線路因故障或維修而停電時(shí)，停電線路由所連的并網(wǎng)發(fā)電裝置繼續(xù)供電，并連同周 圍負(fù)載構(gòu)成一個(gè)自給供電的孤島的現(xiàn)象孤島效應(yīng)發(fā)生的機(jī)理光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的功率流圖 孤島效應(yīng)現(xiàn)象會產(chǎn)生比較嚴(yán)重的后果孤島中的電壓和頻率無法控制，可能會用電設(shè)備造成損壞孤島中的線路仍然帶電，會對維修人員造成人身危險(xiǎn)當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)正常時(shí)有可能造成非同相合閘，導(dǎo)致線

10、路再次跳閘，對光伏并網(wǎng)逆變器和其他用電設(shè)備造成損壞孤島效應(yīng)時(shí)，若負(fù)載容量與光伏并網(wǎng)器容量不匹配，會造成對逆變器的損壞因此從用電安全與電能質(zhì)量考慮，孤島效應(yīng)是不允許出現(xiàn)的；孤島效應(yīng)發(fā)生時(shí)，并網(wǎng)逆變器應(yīng)在2s 內(nèi)停止向電網(wǎng)供 電，同時(shí)發(fā)出警示信號, 由此引出了對于孤島效應(yīng)進(jìn)行檢測控 制的研究 孤島效應(yīng)的檢測技術(shù)被動式檢測：利用電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位等監(jiān)測狀態(tài)作為判斷電網(wǎng)是否故障的依據(jù)。當(dāng)電網(wǎng)失電時(shí)，會在電網(wǎng)電壓的幅值、頻率和相位參數(shù)上，產(chǎn)生跳變信號，通過檢測跳變信號來判斷電網(wǎng)是否失電主動式檢測：指對電網(wǎng)參數(shù)產(chǎn)生小干擾信號，通過檢測反饋信號來判斷電網(wǎng)是否失電，其中一種方法就是通過在并網(wǎng)電流中注入

11、很小的失真電流。通過測量逆變器輸出的電流的相位和頻率，采用正反饋的方案，加大注入量。從而在電網(wǎng)失電時(shí)，能夠很快地檢測出異常值 光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT技術(shù)太陽電池的伏安特性：光伏方陣具有類似于“電流源”特性。在不同的日照強(qiáng)度下，它與負(fù)載特性L 的交點(diǎn)，如a 、b 、c 、d 、e 等為當(dāng)前的工作點(diǎn)。然而這些工作點(diǎn)并不正好落在方 陣可能提供的最大功率點(diǎn)(MPP上，如a 、b 、c、d 、e 上，這就不能充分利用在當(dāng)前日照下方陣所能提供的最大功率 太陽電池伏安特性曲線影響最大功率點(diǎn)的主要因素除材料工藝外，還有環(huán)境溫度，以常規(guī)單晶硅太陽能電池為例，當(dāng)環(huán)境溫度每升高1攝 氏度，其開路電壓下降

12、率約為0.35%0.45%由于光伏方陣的最大功率點(diǎn)是一個(gè)變量，因而采用自尋優(yōu)算法進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT ）。這種算法對方陣當(dāng)前 電磁兼容(EMC技術(shù)電網(wǎng)對逆變器產(chǎn)生的干擾：電壓閃變，電氣噪聲，浪涌、高頻分量等。要求逆變器不能損壞逆變器對于電網(wǎng)產(chǎn)生的干擾：電流諧波，電壓波動、電壓閃變、無功功率、電網(wǎng)阻抗、干擾疊加等，必須達(dá)標(biāo)逆變器對于其他用電設(shè)備的干擾：傳導(dǎo)干擾，空間輻射干擾等。特別是低壓并網(wǎng)系統(tǒng)容易對其它電器設(shè)備產(chǎn)生干擾。必須符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 應(yīng)對電磁兼容問題需要考慮的方面隔離變壓器EMI 濾波器控制算法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正確良好接地主動抑制技術(shù) 并網(wǎng)逆變器的保護(hù)功能過/欠壓保護(hù)電壓（逆變器交流輸出端）V 0.5V 標(biāo)稱50% V 85% V 85% V標(biāo)稱85% V標(biāo)稱V 110% V標(biāo)稱110% V標(biāo)稱V 135% V標(biāo)稱V 135% V標(biāo)稱最大跳閘時(shí)間0.1s 2.0s 繼續(xù)運(yùn)行2.0s 0.05s最大跳閘時(shí)間是指異常狀態(tài)發(fā)生到逆變器停止向電網(wǎng)供電的時(shí)間。主控與監(jiān)測電路應(yīng)切實(shí)保持與電網(wǎng)的連接，從而繼續(xù)監(jiān)視電網(wǎng)的狀態(tài)，使得“恢復(fù)并網(wǎng)”功能有效。 過/欠頻保護(hù)：逆變器并網(wǎng)時(shí)應(yīng)與電網(wǎng)同步運(yùn)行。逆變器交流輸出端頻率的允許偏差為±0.5Hz ，電網(wǎng)額定頻率為50Hz 。