《光伏发电基础课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光伏发电基础课件（42页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、光伏发电技术,. 光伏发电基本原理 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成电能, 能将光能转换成电能的能量转换器之一，就是光伏电池。 光伏电池的物理基础是由两种不同半导体材料构成的大面积PN结，以及非平衡少数载流子在PN结内电场作用下形成的漂移电流。,.光伏电池的基本原理和等效电路,. 光伏发电基本原理 太阳光照射到由P、N型两种不同半导体材料构成的太阳能电池上时，一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。 被吸收的光能激发被束缚的电子，产生“电子-空穴”对，在PN结内电场作用下，电子、空穴相互运动，若在电池两端接上负载，负载上就有电流流过。当光线一直照射时，
2、负载上源源不断地有电流流过。 单片太阳能电池就是一个薄片状的半导体PN结。标准光照条件下，额定输出电压为0.5V左右。,.光伏电池的基本原理和等效电路,. 光伏发电基本原理,.光伏电池的基本原理和等效电路,.2光伏电池阵列,由一片单晶硅片构成的太阳能电池称为单体（Cell)。单体电池的电压电流很小（0.450.50V、2025mA/cm2)，一般不能单独作电源使用，需将它们串、并联封装后，构成光伏电池组件(模块Module)使用，一个组件上光伏电池的标准数量是3640个(10cmX10cm)。 当应用场合需要较高的电压和电流，可把多个组件再经过串并联安装在支架上，构成了光伏电池阵列（Array
3、)，满足负载所需的功率要求,.光伏电池的基本原理和等效电路,.2光伏电池阵列,.光伏电池的基本原理和等效电路,2.1单体光伏电池的等效电路,等效电路如图所示 Iph为光生电流，其值正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度。 ID为暗电流，是指在无光照时，由外电压作用下PN结内流过的单向电流。 RS、RSH均为光伏电池本身固有电阻。因RS很小、RSH很大，所以进行理想计算时，它们都可以忽略不计。,2.光伏电池数学模型,2.1单体光伏电池的等效电路,描述光伏电池特性的两个重要参数分别是 1.短路电流ISC 与光伏电池的面积有关，1cm2光伏电池的短路电 流约为1630mA，且与入射光谱辐射照度成正比。
4、 2.空载电压UOC 与入射光谱辐射照度的对数成正比，与光伏电池 的面积无关。在每平方厘米100MW太阳光谱辐照度，空 载电压约为450600mV,最大可达690mV。,2.光伏电池数学模型,.2单体光伏电池的电量方程,等效电路中各变量的方程式如下： （1） （） （3） 式中I为光伏电池内部等效二极管结反向饱和电流； U为等效二极管端电压； 为热力学温度； 为结曲线常数。,2.光伏电池数学模型,光伏电池的数学模型,.3实用方程 忽略RS、RSH,则IphISC UDU,式(2-2)可化简为: （4） 式中, ; 。,光伏电池的数学模型,.3实用方程 在最大功率点处，有IL=Im ,U=Um
5、，可解出C1 （5） 开路时，有IL=0 ,U=UOC ，可解出C2 （6） 由式(2-5)、(2-6)计算出C1、C2即可由(2-4)确定光伏电池的伏安特性曲线。,2.光伏电池数学模型,.4 伏安特性曲线,光伏电池的数学模型,.5 填充系数,光伏电池的数学模型,光伏电池的数学模型,.6 光伏电池的转换效率及其影响因素 S 为光照强度 Aall 为电池总的光照总面积 影响效率最为重要的三个因素为:光谱响应、光 照特性和温度特性。,光伏电池的数学模型,.6 光伏电池的转换效率及其影响因素 光谱响应 太阳光谱中，不同波长的光不同的能量，所含的光子数目也不相同。因此，光伏电池接受光照射所产生的光子的
6、数目也就不相同。 光伏电池在入射光中每一种波长的光能作用下所收集到的光电流，与相对于入射到电池表面的该波长的光子数之比，叫做光伏电池的光谱响应。 能够产生光生伏特效应的太阳能辐射波长范围一般在0.41.2 ， 最大灵敏度在0.80.95 之间。,光伏电池的数学模型,.6 光伏电池的转换效率及其影响因素 光照特性 由伏安特性曲线可知，短路电流受光照强度的影响较大，而开路电压受光照强度的影响较小。 如果进行较粗略的简化，可以设ImISCS。则有 UmUOClnS,光伏电池的数学模型,.6 光伏电池的转换效率及其影响因素 温度特性 空载电压线性地随电池温度变化,且呈现负温度系数；而短路电流则呈现正温
7、度系数,但随温度变化很小。光伏电池温度越高，其所输出的最大功率越小，效率越低。,3光伏发电运行失配现象及机理,3.1 失配现象 由于局部光照强度的减弱（树、云层、建筑物的阻 碍造成的阴影等）或生产工艺的问题，造成模块中某个 单体光伏电池的电流小于其他单体光伏电池的电流，该 电池可能在某一情况下带上负电压，变成负载消耗其他 正常电池产生的功率，模块性能骤降，这就是失配现 3.2 失配的原因 （1）产品问题 （2）环境问题 （3）阴影问题 （4）模块老化问题,3光伏发电运行失配现象及机理,3.3 减轻功率失配损失的措施 对多个串联电池配置一个或几个旁路二极管，如图。旁路二极管会在某个串联模块受到阴
8、影影响的情况下产生作用。当被遮蔽部分带有负电压而且其大小达到二极管导通电压时，旁路二极管可以把遮蔽部分短路，从而避免失配现象带来的功率损失。,3光伏发电运行失配现象及机理,3.3 减轻功率失配损失的措施 电池并联运行时，若太阳辐射不一致，电池板的电 流和温度均会出现差异，从而导致两块并联模块的电压 不同，有可能使某一模块变成负载。为了改善这一现象，可以在每个串联支路串联一个阻断二极管，以防止由强电流支路流向弱电流支路。,光伏电池的分类,按结构分类 同质结光伏电池 异质结光伏电池 肖特基结光伏电池 薄膜光伏电池 叠层光伏电池 湿式光伏电池,按结构分类 硅光伏电池电池 非硅半导体光伏电池 有机光伏
9、电池,4光伏系统的组成,4.1独立光伏系统,4.独立光伏系统,4光伏系统的组成,4.并网光伏系统,)最小并网光伏系统,4光伏系统的组成,)直流母线式并网光伏系统,4光伏系统的组成,)交流母线式并网光伏系统,集中式,支路式,4光伏系统的组成,交流模块式,4光伏系统的组成,)交流母线式并网光伏系统,4)交直流混合母线式并网光伏系统,4光伏系统的组成,5) 光伏系统与分布式发电系统,4光伏系统的组成,5光伏逆变器并网相关的国内外标准,国内标准 1. GB/T 19939-2005. 光伏系统并网技术要求。 2. GB/Z 19964-2005. 光伏发电站接入电力系统技术规定。 3. GB/T 20
10、046-2006. 光伏(PV)系统电网接口特性。 4. GB/T 20046-2006. 光伏系统功率调节器效率测量程序。 5. 国家电网公司光伏电站接入电网技术规定。 其他 光伏并网发电专用逆变器技术要求和试验方法 光伏系统并网性能测试方法 光伏系统并网安全要求,5光伏逆变器并网相关的国内外标准,国外标准 1.IEEE Std 929-2000 IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems 2.IEEE Std 1547 系列标准 3.UL 1741: 2005 Inverters,
11、 Converters, Controllers, and Interconnection System Equipment for Use With Distributed Energy Resources 4.EN 50530: 2010 Overall efficiency of grid connected Photovoltaic inverters IEC 61683 IEC 61727 IEC 62116 IEC 62109-1 IEC 62109-2,6 最大功率点跟踪技术,6.1最大功率点跟踪技术 最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking, M
12、PPT)技术是光伏发电系统中的关键技术之一。 在一定的光照强度、环境温度和其他因素下，光伏 电池可以输出不同的直流电压，但是只是在某一个特定输出电压值时，输出功率 才能达到最大值，这时光 伏电池工作在P-U曲线的最 高点，被称为最大功率点。,6 最大功率点跟踪技术,6.1最大功率点跟踪技术 根据不同的光照强度、环境温度等外部特性来调整 光伏电池的输出工作点，使之始终工作于最大功率点附近，这种技术被称为MPPT技术。,6 最大功率点跟踪技术,6.2 各种MPPT控制方法 1.基于参数选择方式的间接控制法 根据预存数据库和具体光伏电池参数，通过数学函 数和经验公式得到近似的MPPT。这类方法没有实
13、现在线实时跟踪与控制，误差相对较大。 1）恒电压跟踪法 2）开路电压比例系数法 3）短路电流比例系数法 4）曲线拟合法 5) 查表法,6 最大功率点跟踪技术,6.2 各种MPPT控制方法 2.基于采样数据的直接控制法 此类方法的主要特征是根据电压、电流的检测值经 MPPT算法直接实现控制。由于采用了电压、电流的实时采样信号，能根据系统运行情况实时MPPT控制，满足一般的应用场合要求，因而在实际运用中最为广泛。 1）定步长扰动观测法 2）变步长扰动观测法 3）电导增量法 4）实际测量法 5) 寄生电容法,6 最大功率点跟踪技术,6.2 各种MPPT控制方法 3.基于现代控制理论的智能控制法 此类
14、方法不依赖于复杂的系统数学模型，由现代控 制理论模型为依据采样数据，再通过控制算法运算得出 控制信号来实现系统控制。该类控制方法适合于难以建 立准确数学模型的大型光伏发电系统，以及外界条件和 杂散参数 影响严重的控制系统。 1）模糊逻辑控制法 2）神经网络法 3）滑模控制法,6 最大功率点跟踪技术,6.3 扰动观测法 1.工作原理 先让光伏电池工作在一个给定的工作点，随后周期 性地、微小定量地增加或减少光伏电池的输出电压和电流，这一过程称为扰动，扰动电量的增值大小称为步长。 增加扰动的同时实时检测光伏电池输出功率变化趋势，若扰动电量增加后，输出功率增加，说明最大功率点在当前工作点的右边，则继续
15、增加扰动电量，反之则改变扰动方向。 若扰动电量减小后，输出功率增加，说明最大功率点在当前工作点的左边，则继续减小扰动电量，反之则改变扰动方向。如此循环，直到输出功率稳定在设定的一个很小范围内。,6 最大功率点跟踪技术,6.3 扰动观测法 1.工作原理,6 最大功率点跟踪技术,6.3 扰动观测法 2. 仿真和实验 独立光伏系统电气主电路模型,6 最大功率点跟踪技术,6.3 扰动观测法 2. 仿真和实验 MATLA/ Simulink 干扰观测法MPPT控制仿真模型,6 最大功率点跟踪技术,6.4 MPPT技术在应用中存在的问题 1.误跟踪现象 2.缺乏统一的定量评价标准 3.试验验证困难 4.对实际状态的考虑不足 5.多峰值问题,
