太阳能、光伏发电与控制技术.ppt

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1、第第4章章太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术机械工业出版社2第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.1 太阳的辐射及太阳能简介太阳的辐射及太阳能简介 4.2 太阳能的转换与应用太阳能的转换与应用4.3 太阳能太阳能电池与光伏发电原理电池与光伏发电原理4.4 MPPT光伏变换与控制技术光伏变换与控制技术4.5 光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略4.6 光伏发电的制约因素与经济技术评价光伏发电的制约因素与经济技术评价本章主要内容本章主要内容机

2、械工业出版社3第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术44.1太阳的辐射及太阳能简介太阳的辐射及太阳能简介 太阳简介太阳简介图图4-1 4-1 太阳的结构太阳的结构机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 太太阳阳是是太太阳阳系系的的中中心心天天体体，是是离离地地球球最最近近的的一一颗颗恒恒星星，是是炽炽热热的的气气态球体。态球体。太太阳阳内内部部持持续续进进行行着着氢氢聚聚合合成成氦氦的的核核聚聚变变反反应应，不不断断释释放放巨巨大大的的能能量量，并并以以辐辐射射和和对对流流的的方方式式由由核核心心向向表表面面传传递递热热量量，温

3、温度度也也从从中中心心向向表面逐渐降低。表面逐渐降低。5 地地面面辐辐射射的的时时空空变变化化特特点点是是：全全年年以以赤赤道道获获得得的的辐辐射射最最多多，极极地地最最少少。这这种种热热量量不不均均匀匀分分布布，必必然然导导致致地地表表各各纬纬度度的的气气温温产产生生差差异异，在在地地球球表表面面出出现现热热带带、温温带带和和寒寒带带气气候候；太太阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低。4.1.2 太阳辐射太阳辐射地区太阳平均辐射强度kWh/(m2d)W/m2 热带、沙漠56210250温带35130210阳光较少地区（北欧）23 8

4、0130 不同地区太阳平均辐射强度不同地区太阳平均辐射强度机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术太阳辐射能量在可见光（）、红外线（太阳辐射能量在可见光（）、红外线（0.76um）和紫外线（）和紫外线（0.4um）分别）分别占占50%、43%和和7%，即集中于短波波段，因此太阳辐射称为短波辐射，即集中于短波波段，因此太阳辐射称为短波辐射6地球上的能流地球上的能流机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术图图4-4 4-4 地球上的能流地球上的能流 据测算，经过大气层削弱据测算，经过大气层削弱到达地球的总辐射能高达到达地球

5、的总辐射能高达173000TW，即每秒钟照射，即每秒钟照射到地球的能量相当于到地球的能量相当于500万万t煤，地球上的生物依赖这些煤，地球上的生物依赖这些能量生存。能量生存。广义上讲：地球上的风能、水能、广义上讲：地球上的风能、水能、海洋温差能、生物质能等都海洋温差能、生物质能等都来源于太阳能，即使煤、石来源于太阳能，即使煤、石油等化石燃料也可以说是远油等化石燃料也可以说是远古储存的太阳能。古储存的太阳能。狭义上讲：太阳能限于太阳辐射狭义上讲：太阳能限于太阳辐射的光热、光电和光化学的直的光热、光电和光化学的直接转换接转换74.2 4.2 太阳能的技术应用太阳能的技术应用机械工业出版社第第4章章

6、 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术1太阳能采集太阳能采集（1）平板集热器）平板集热器 平板吸热，热损耗大平板吸热，热损耗大（2）真空管集热器）真空管集热器 吸热体封闭在真空管吸热体封闭在真空管内，提高热性能内，提高热性能（3）聚光集热器）聚光集热器 光学原理聚光，需要光学原理聚光，需要 跟踪太阳跟踪太阳8机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术2太阳能的转换太阳能的转换（1）太阳能）太阳能热能转换热能转换 选择合适涂层使其吸收性能好且向外辐射小。选择合适涂层使其吸收性能好且向外辐射小。（2）太阳能）太阳能电能转换电能转换 方便能量的利用

7、、传输和分配，太阳能电池效率低方便能量的利用、传输和分配，太阳能电池效率低(20%)（3）太阳能）太阳能氢能转换氢能转换 通过分解水转换成氢能。通过分解水转换成氢能。（4）太阳能）太阳能生物质能转换生物质能转换 通过光合作用将二氧化碳和水合成有机物。通过光合作用将二氧化碳和水合成有机物。（5）太阳能机械能转换）太阳能机械能转换 2太阳能的转换太阳能的转换9机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术3太阳能贮存太阳能贮存（1）热能贮热）热能贮热 （2）电能贮存）电能贮存（3）氢能贮存）氢能贮存（4）机械能贮存）机械能贮存10机械工业出版社第第4章章 太阳能、光

8、伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4太阳能传输太阳能传输（1）直接传输（光学原理：反射折射传输）直接传输（光学原理：反射折射传输）（2）间接传输（转为热能、电能等传输。）间接传输（转为热能、电能等传输。）11机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术5.5.太阳能的利用太阳能的利用（1）太阳辐射的热能利用）太阳辐射的热能利用（2）太阳能光热利用）太阳能光热利用 （3）太阳能热发电）太阳能热发电（4）太阳能综合利用）太阳能综合利用 （5）太阳能光伏发电技术）太阳能光伏发电技术12太阳能的利用太阳能的利用机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技

9、术太阳能、光伏发电与控制技术13机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术14机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术15尚德大型太阳能发电幕墙尚德大型太阳能发电幕墙机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术16机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术17美国最大的光伏发电站美国最大的光伏发电站-1机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术18美国最大的光伏发电站美国最大的光伏发电站-2机械工业出版社第第4章章

10、太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术19机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术20机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术21机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术22机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术23机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术24机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术25机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术

11、太阳能、光伏发电与控制技术26机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术274.3 太阳能电池与光伏太阳能电池与光伏 发电原理发电原理4.3.1 太阳能电池太阳能电池 太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等种类。单晶和多晶电池用量最大，非晶电池等种类。单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。池用于一些小系统和计算器辅助电源等。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术28太阳能电池

12、原理太阳能电池原理 太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应，将太阳辐射直接转换为电能。应，将太阳辐射直接转换为电能。所谓光电效应，就是指物体在吸收光能后，所谓光电效应，就是指物体在吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。在生变化，由此产生出电流和电动势的效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半导体光伏效应的效率最高。导体光伏效应的效率最高。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术291

13、.半导体的内部结构半导体的内部结构 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术图图4-5 4-5 一般的半导体结构一般的半导体结构30 2.P型半导体的结构型半导体的结构 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术图图4-6 P4-6 P型半导体型半导体313.N型半导体的结构型半导体的结构 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术图图4-7 N4-7 N型半导体型半导体324.太阳能电池晶片的组成太阳能电池晶片的组成 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发

14、电与控制技术图图4-8 4-8 太阳电池晶片太阳电池晶片335.太阳能晶片受光的物理过程太阳能晶片受光的物理过程 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术图图4-9 4-9 太阳能晶片受光的物理过程太阳能晶片受光的物理过程 34太阳能电池的分类太阳能电池的分类 1.单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 2.效率高（可达效率高（可达20%）2.多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池 电池含多个不同晶粒组成，效率低（电池含多个不同晶粒组成，效率低（13-15%）但工艺简单，可大规模生成但工艺简单，可大规模生成3.非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 主要应用于消费市场，如手

15、表、玩具。效率（主要应用于消费市场，如手表、玩具。效率（5-7）%机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术354.3.2 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 机械工业出版社1.太阳能电池阵列太阳能电池阵列2.逆变器逆变器3.用电设备用电设备4.进户计量仪表进户计量仪表第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术363.光伏系统分类光伏系统分类（1）小型太阳能供电系统（）小型太阳能供电系统（Small DC）该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。如

16、在我国的西北地区大小，整个系统结构简单，操作简便。如在我国的西北地区大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、家用电器等，用来解决无电地区家庭的基本照明和供电问题。家用电器等，用来解决无电地区家庭的基本照明和供电问题。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术图图4-11 小型太阳能供电系统小型太阳能供电系统 37（2）简单直流系统（）简单直流系统（Simple DC）该系统的特点是系统中负载为直流负载，而且负载的使该系统的特点是系统中负载为直流负载，而且负载的使用时间没有特别要求，负载主要在日

17、间使用，系统中没有蓄用时间没有特别要求，负载主要在日间使用，系统中没有蓄电池，也不需要控制器。整个系统结构简单，直接使用太阳电池，也不需要控制器。整个系统结构简单，直接使用太阳能电池阵列给负载供电，光伏发电的整体效率较高。如光伏能电池阵列给负载供电，光伏发电的整体效率较高。如光伏水泵就使用了这种类型的光伏系统。水泵就使用了这种类型的光伏系统。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术图图4-12 简单直流供电系统简单直流供电系统 38（3）大型太阳能供电系统（）大型太阳能供电系统（Large DC）该系统的特点是系统中用电器也是直流负载，但负载功率比较大，整

18、个该系统的特点是系统中用电器也是直流负载，但负载功率比较大，整个系统的规模也比较大，需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。系统的规模也比较大，需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村集中供电站，航标灯塔、路灯常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村集中供电站，航标灯塔、路灯等领域。如在我国的西部地区部分乡村光伏电站使用了这种类型的光伏系等领域。如在我国的西部地区部分乡村光伏电站使用了这种类型的光伏系统，中国移动和中国联通公司在偏僻无电地区的通信基站等。统，中国移动和中国联通公司在偏僻无电地区的通信基站等。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发

19、电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术图图4-13 大型太阳能供电系统大型太阳能供电系统 39 该系统的特点是系统中同时含有直流负载和交流负载，整个系统结该系统的特点是系统中同时含有直流负载和交流负载，整个系统结构比较复杂，整个系统的规模也比较大，同样需要配备较大的太阳能光构比较复杂，整个系统的规模也比较大，同样需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。如在一些同时具有交流和直流负载的通信基伏阵列和较大的蓄电池组。如在一些同时具有交流和直流负载的通信基站或其他一些含有交流和直流负载的光伏电站中使用了这种类型的光伏站或其他一些含有交流和直流负载的光伏电站中使用了这种类型的光伏系统。系统。（4

20、）交流、直流供电系统（）交流、直流供电系统（AC/DC）机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术图图4-14 交流、直流供电系统交流、直流供电系统 40（5）并网系统（）并网系统（Utility Grid Connect）这种系统的最大特点是太阳能电池阵列转换产生的直流电经过三相逆变这种系统的最大特点是太阳能电池阵列转换产生的直流电经过三相逆变器（器（DC/AC）转换成为符合公共电网要求的交流电并直接并入公共电网，）转换成为符合公共电网要求的交流电并直接并入公共电网，供公共电网用电设备使用和远程调配。这种系统中所用的逆变器必需是专供公共电网用电设备使用和远

21、程调配。这种系统中所用的逆变器必需是专用的并网逆变器，以保证逆变器输出的电力满足公共电网的电压、频率和用的并网逆变器，以保证逆变器输出的电力满足公共电网的电压、频率和相位等性能指标的要求。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能电池阵相位等性能指标的要求。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能电池阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率；而在夜晚或列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率；而在夜晚或阴雨天气，本地交流负载的供电可以从公共电网获得。阴雨天气，本地交流负载的供电可以从公共电网获得。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术图图

22、4-15 并网发电系统并网发电系统 讨论讨论 如果太阳能发电给交流负载供电，则采用独立发电形式和并网发电形式电路结构有何区别？控制方式有何区别？42图图4-10 典型的光伏发电系统典型的光伏发电系统 6.太阳能太阳能光伏发电系统的典型结构光伏发电系统的典型结构机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术432.系统组成系统组成（1）太阳能电池组件：由太阳能电池（也称光伏电池）按照系）太阳能电池组件：由太阳能电池（也称光伏电池）按照系统的需要串联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下统的需要串联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下将太阳能转换成电能，它是光

23、伏发电的核心部件。将太阳能转换成电能，它是光伏发电的核心部件。（2）充放电控制器、逆变器控制）充放电控制器、逆变器控制 本部分除了对蓄电池或其他本部分除了对蓄电池或其他中间蓄能元件进行充放电控制外，一般还要按照负载电源的中间蓄能元件进行充放电控制外，一般还要按照负载电源的需求进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一需求进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用。般的用电设备使用。（3）蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备）蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备 蓄电池或其他蓄能元蓄电池或其他蓄能元件如超导、超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能件如超导、超级电容器等是将太阳

24、能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照时也能够连续并且稳定的输出电能，储存起来，以使无光照时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。满足用电负载的需求。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.4.1 4.4.1 光伏阵列的组成与输出特性光伏阵列的组成与输出特性机械工业出版社44第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.4 MPPT光伏发电变换与控制技术光伏发电变换与控制技术1光伏电池的电特性光伏电池的电特性光伏电池的等效电路如图光伏电池的等效电路如图4-18.45 电流电流I为太阳能电池输出电流，为太阳能电池输出

25、电流，Id等效为光电池的暗电流，等效为光电池的暗电流，IRsh 为为漏电流，漏电流，ILG为光电池电流源，为光电池电流源，Rsh为光伏电池的并联等效电阻；为光伏电池的并联等效电阻；Rs：光伏电池的串联等效电阻。光伏电池的串联等效电阻。图图4-18 4-18 光伏电池等效电路图光伏电池等效电路图机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术46光伏电池的输出特性方程：光伏电池的输出特性方程：式中：式中：并联电阻并联电阻RshRsh越大，不会影响短路电流的数值。所以下面设计中忽略越大，不会影响短路电流的数值。所以下面设计中忽略RshRsh，得到简化的光伏电池输出特性

26、方程：得到简化的光伏电池输出特性方程：I：光伏电池输出电流；：光伏电池输出电流；V：光伏电池输出电压；：光伏电池输出电压；IOS：光伏电池暗饱和电流：光伏电池暗饱和电流；T：光伏电池的表面温度；：光伏电池的表面温度；k：波尔兹曼常数：波尔兹曼常数(1.38*10-23 J/K)；q：单位电荷：单位电荷(1.6*10-19C)；K1：短路电流的温度系数；：短路电流的温度系数；ISCR：标准测试条件（光伏电池温：标准测试条件（光伏电池温度度25，日照强度为，日照强度为1000W/m2）下，光伏电池的短路电流；）下，光伏电池的短路电流；ILG：光电流；：光电流；EGO：半导体材料的禁带宽度；：半导体

27、材料的禁带宽度；Tr：参考温度：参考温度(301.18。K)；Ior：Tr下的暗饱和下的暗饱和电流；电流；A,B：理想因子，一般介于：理想因子，一般介于1和和2之间之间 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术47光伏电池模型光伏电池模型机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术参考文献：参考文献：茆美琴，余世杰，苏建徽.带有MPPT 功能的光伏阵列Matlab 通用仿真模型J.系统仿真学报.2005.17（5）:1248-1251.48机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术2光伏

28、电池的伏安特性光伏电池的伏安特性2光伏电池的伏安特性光伏电池的伏安特性图图420 光伏电池的伏光伏电池的伏安特性安特性 机械工业出版社49第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 当负载当负载RL从从0变化到无穷大时，即可得到如图所示太阳能变化到无穷大时，即可得到如图所示太阳能电池输出特性曲线。调节负载电阻电池输出特性曲线。调节负载电阻RL到某一值到某一值Rm时，在曲时，在曲线上得到一点线上得到一点M，其对应的工作电压和工作电流之积最大，其对应的工作电压和工作电流之积最大，即即Pm=Im*Vm，将此，将此M点定义为最大功率输出点（点定义为最大功率输出点（MPP）。）。光

29、伏电池的输出特性图光伏电池的输出特性图 50 MPPT本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，比较它本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，然后控制电们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，然后控制电流（或电压）向当前工作点与峰值功率点移动，最后控制电流（或电压）流（或电压）向当前工作点与峰值功率点移动，最后控制电流（或电压）在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。图图4-22 不同光照强度下的光伏电池最大功率点不同光照强度下的光伏电池最大功率点 机械工业出版社第第4章章 太阳

30、能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.4.1 光伏阵列的组成与输出特性光伏阵列的组成与输出特性 3MPPT工作原理工作原理51 在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，也就是让光伏电池工作在最大功率点，从而提高光伏电池的也就是让光伏电池工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率。转换效率。MPPT就是一个不断测量和不断调整以达到最优就是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程，它不需要知道光伏阵列精确的数学模型，而是在运的过程，它不需要知道光伏阵列精确的数学模型，而是在运行过程中不断改变可控参数的整定值，使得当前工作

31、点逐渐行过程中不断改变可控参数的整定值，使得当前工作点逐渐向峰值功率点靠近，使光伏系统运作在峰值功率点附近。向峰值功率点靠近，使光伏系统运作在峰值功率点附近。机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术常用的常用的MPPTMPPT控制算法控制算法1、定电压跟踪法：先求得或设置某一中心电压，通过控制使光伏阵列的输出电压一直保持该电压，从而使光伏系统输出功率达到或接近最大功率输出值。2、扰动观察法：3、增量电导法 根据光伏阵列的P/U曲线，当输出功率为P最大时，即Pmax处的斜率为零。可得：4、模糊逻辑控制法：根据温度、光照等参数进行逻辑推算。5、最优梯度法：以梯

32、度算法为基础的多维无约束最优化问题的数值计算方法。544.4.2 光伏发电充电控制策略光伏发电充电控制策略机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术1 铅酸蓄酸蓄电池工作原理池工作原理 蓄蓄电池的两池的两组极板都浸在稀硫酸溶液里，如果通以适极板都浸在稀硫酸溶液里，如果通以适当当电流，流，则正极板上的硫酸正极板上的硫酸铅就就变成棕褐色的二氧化成棕褐色的二氧化铅（PbO2，也称，也称过氧化氧化铅），），负极板上的硫酸极板上的硫酸铅变成灰色成灰色的海的海绵状状铅（Pb）。）。放放电时，正，正负极板上的活性物极板上的活性物质都吸收硫酸，逐都吸收硫酸，逐渐变成成硫酸硫

33、酸铅（PbSO4）。当大部分活性物）。当大部分活性物质变成硫酸成硫酸铅（PbSO4）后，蓄）后，蓄电池的池的电压就下降到不能再放就下降到不能再放电了。了。蓄蓄电池到了池到了这个个时候就需要充候就需要充电，使硫酸，使硫酸铅重新恢复重新恢复为正极的二氧化正极的二氧化铅和和负极的海极的海绵状状铅，供，供继续放放电使用。使用。正极板正极板 负极板极板 2 铅酸蓄酸蓄电池充池充电过程分析程分析3 铅酸蓄酸蓄电池充池充电控制策略控制策略 缺点：由于光伏缺点：由于光伏电池池输出特性依出特性依赖于外界于外界环境，境，实际应用中往往不能使用中往往不能使光伏光伏电池池输出最大出最大电流，从而延流，从而延长充充电时

34、间。光伏发电蓄电池充电策略光伏发电蓄电池充电策略 1）充电开始阶段，设置最大充电电流为C/10，此时只要充电电流不超过最大允许充电电流，进行最大功率点跟踪，光伏电池输出最大功率给蓄电池充电，如果由于光照强度较大引起充电电流大于最大允许充电电流，则退出最大功率点跟踪控制，此时以最大允许充电电流给蓄电池充电；一旦光照强度减弱导致充电电流小于最大允许充电电流，此时重新进行最大功率点跟踪控制，使光伏电池输出最大功率。2）充电过程中，一旦蓄电池两端电压上升到某一设定值，逐步减小最大允许充电电流，如图中曲线C2、C3、Cn所示。以不同充电速率重复上面充电过程，经过若干次循环后，最大允许充电电流下降到C/1

35、00，此时蓄电池完全充满。4 充充电控制器控制器电路路设计 uk充充电控制器主控制器主电路路 工作原理 开关管开关管Vr导通期通期间 开关管开关管Vr截止期截止期间基于DSP的充电电路结构4.5 4.5 光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略机械工业出版社64第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构1电压源型光伏阵列的逆变并网电压源型

36、光伏阵列的逆变并网图图440 光伏阵列并网的电压源型电路结构光伏阵列并网的电压源型电路结构机械工业出版社65第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构2电流源型光伏阵列的逆变并网电流源型光伏阵列的逆变并网图图441 光伏阵列电流源型并网逆变电路拓扑光伏阵列电流源型并网逆变电路拓扑机械工业出版社66第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列

37、并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构3单级式并网逆变器单级式并网逆变器图图442单级式并网逆变器的电路拓扑单级式并网逆变器的电路拓扑机械工业出版社67第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4两级式并网逆变器两级式并网逆变器图图443 两级式并网逆变器的电路拓扑两级式并网逆变器的电路拓扑机械工业出版社68第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 光伏光

38、伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构图图444 一种改进型两级式并网逆变器拓扑一种改进型两级式并网逆变器拓扑机械工业出版社69第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构5多级式并网逆变器多级式并网逆变器图图445 多级式并网逆变器的电路拓扑多级式并网逆变器的电路拓扑机械工业出版社70第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术

39、太阳能、光伏发电与控制技术 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.2 光伏阵列并网逆变器的控制策略光伏阵列并网逆变器的控制策略1并网波形的跟踪与控制策略并网波形的跟踪与控制策略具体有五个条件：具体有五个条件：波形相同；波形相同；幅值相同；幅值相同；频率相同；频率相同；相序相同；相序相同；相位相同。相位相同。由于由于C1的容量较小，流过的容量较小，流过C1的工频电流很小可以忽略，的工频电流很小可以忽略，则逆变则逆变H桥输出基波电压和工频电网电压可表示为：桥输出基波电压和工频电网电

40、压可表示为：并网控制策略并网控制策略3仿真（参仿真（参见示例）示例）4软硬件硬件设计1.主主电路路2.处理器理器3.驱动设计4.电源源设计5.信号采集信号采集信号采集信号采集其中其中R82=R89=R;R87=R83=2R程序设计程序设计1）电压变化控制策略(脉冲产生)；DC/DC,DC/AC2）控制算法（离散PI控制）3）小数点控制（Q值）（电压、电流）3并网系并网系统的保的保护与光伏与光伏发电并网的孤并网的孤岛问题孤岛下发电系统继续运行存在的问题1)对人身安全的危害，用户或线路维修人员不一定意识到分布式发电系统的存在；2)供电质量，没有大电网的支持，分布式发电系统的供电质量难以符合各方面的

41、需求，例如电压波动、频率波动以及谐波等技术指标；3)分布式发电系统(指逆变系统)为了提高逆变器的效率而设定单位功率因数输出，但是本地负载总是有对无功功率的需求，这就导致在孤岛运行时负载无功需求不能满足，系统电压和频率可能发生波动甚至崩溃；4)电力公司对电网的管理要求，由于孤岛状态意味着脱离了电力管理部门的监控而独立运行，是不可控和高隐患的操作；5)对于利用太阳能或者风力发电的分布式供电系统存在输出功率不稳定(尤其是发电系统本身没有储能设备时)的问题，甚至在某一段时间内有可能无功率输出；6)电网恢复时分布式发电系统重新并网会遇到困难，非同步并网会引起大的电流冲击。主要的孤岛检测方法：电力系统端检

42、测法 1）传输断路器跳闸信号检测孤岛 2）电力线路载波通信检测孤岛电力变换器端检测法 1）被动式孤岛检测 通过监测并网公用连接点PCC(the point of common coupling)的状态（如电压、频率、谐波）来判断是否出现孤岛；2）主动式孤岛检测 在电力变换器内迭加一个干扰，再观察PCC点状态以判断孤岛是否出现。4.6 4.6 光伏发电的制约因素与经济技术评价光伏发电的制约因素与经济技术评价机械工业出版社83第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 成本/价格 年份（USD）光伏电池1990199520002010单晶硅3.25/5.402.40/4.00

43、1.50/2.501.20/2.00多晶硅3.00/5.002.25/3.751.50/2.501.20/2.00聚光电池3.00/5.002.00/3.331.20/2.000.75/1.25非晶硅3.00/5.002.00/3.301.20/2.001.00/1.67薄膜硅2.00/3.331.20/2.000.75/1.25CIS2.00/3.331.20/2.000.75/1.25CdTe1.50/2.501.20/2.000.75/1.25表表42 地面用光伏电池组件的成本与价格（地面用光伏电池组件的成本与价格（19902010年）年）机械工业出版社84第第4章章 太阳能、光伏发电与

44、控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 年份 效率（%）光伏电池199520002010单晶硅151822多晶硅141620聚光电池222530非晶硅791014薄膜硅8101215CIS791214CdTe791215表表43 光伏电池组件的效率光伏电池组件的效率机械工业出版社85第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术光伏阵列发电主要存在以下问题：光伏阵列发电主要存在以下问题：光伏阵列发电效率低光伏阵列发电效率低光伏阵列发电系统的造价成本高光伏阵列发电系统的造价成本高光伏阵列发电系统的运行受气候环境因素影光伏阵列发电系统的运行受气候环境因素影响大响大光伏电池组件的制造需

45、要消耗大量能源光伏电池组件的制造需要消耗大量能源机械工业出版社86第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 目前大多数的风目前大多数的风光，风光，风光光柴油以及风柴油以及风光光柴柴蓄等脱离大电网的混合局部并网发电系统都蓄等脱离大电网的混合局部并网发电系统都具有独立和并网两种工作模式，因而以太阳能光伏具有独立和并网两种工作模式，因而以太阳能光伏发电与风力发电进行互补，综合天燃气燃机发电或发电与风力发电进行互补，综合天燃气燃机发电或柴油发电，而形成大型新能源综合发电是未来重要柴油发电，而形成大型新能源综合发电是未来重要的发展方向。的发展方向。87机械工业出版社小结小结 本章

46、介绍太阳能光伏发电的相关知识，从太阳能本章介绍太阳能光伏发电的相关知识，从太阳能的利用方面初步了解太阳能电池的基本原理和特性，的利用方面初步了解太阳能电池的基本原理和特性，介绍介绍 了了MPPT及及其控制的原理和方法；并进一步简其控制的原理和方法；并进一步简述的在太阳能应用中常用述的在太阳能应用中常用 的的DCDC变换或变换或DCAC变换，最后列举了一些知名厂商的太阳能逆变器变换，最后列举了一些知名厂商的太阳能逆变器产品。产品。第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术88SUNNY BOY 700 SUNNY BOY 3800 附录：附录：光伏逆变器实物及一些重要指标光

47、伏逆变器实物及一些重要指标 SMA公司公司机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术89SUNNY BOY 2100TL SUNNY BOY 2800i 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术90SUNNY MINI CENTRAL 5000A/6000A SUNNY MINI CENTRAL 7000HV 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术91Sunny Tower Sunny Central SC350/350HE机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能

48、、光伏发电与控制技术92DELTA（台逹）公司（台逹）公司Solar Inverter SI 1900机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术93Solar Inverter SI 3300机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术94Central Inverter CI 100机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术95XANTREX公司公司（加拿大）（加拿大）GT Series Grid Tie Solar Inverter 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术

49、太阳能、光伏发电与控制技术96GT Series Grid Tie Solar Inverter 参数参数 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术97GT30E Inverter 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术98BP SOLAR公司公司（英国）（英国）GC INVERTER机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术99机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术100sunways公司公司Sunways NT 6000,NT 5000,

50、NT 4000 and NT 2600 Solar Inverters机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术101机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术102Fronius IG 15/20/30Fronius公司公司机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术103机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术104Fronius IG 40/60 HV机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术105机械工业出版