《光伏发电基础》PPT课件

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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

2、 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 ， 负 载 上 源 源 不 断 地 有 电 流 流 过 。 单 片 太 阳 能 电

3、 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 ，

4、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)， 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

5、 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 。 I D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

6、 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 。 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 450 600mV,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

7、 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 。 )1(0 AkTqUD DeII shDAkTqUphL RUeIII D )1(0 )1ln( 0 IIqAkTU SCOC 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 , ; 。 )1(1 21 OCU

8、C USCL eCII SCIIC 01 )11ln( 112 CC 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 ， 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 C 1、 C2即 可 由 (2-4)确 定 光 伏 电池 的 伏 安 特 性 曲 线 。OC mUC USCm eIIC 2.1 )1( )1ln( )1(2 scmOCm IIUUC 2.光 伏 电 池 数 学 模 型 .4 伏 安 特 性 曲 线 光 伏 电

9、 池 的 数 学 模 型 .5 填 充 系 数 .SCOC mF IU IUF m 光 伏 电 池 的 数 学 模 型 光 伏 电 池 的 数 学 模 型%100 allmminmm SAIUPIU .6 光 伏 电 池 的 转 换 效 率 及 其 影 响 因 素 S 为 光 照 强 度 A all 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

10、， 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 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 0.4 1.2 ， 最 大 灵 敏 度 在 0.80.95

11、 之 间 。m m 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 Im ISC S。 则 有 U m UOC lnS Sln 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

12、现 负 温 度 系 数 ；而 短 路 电 流 则 呈 现 正 温 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

13、 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 影 影 响 的 情 况 下 产生 作 用 。 当

14、 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

15、 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 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

16、 )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

17、/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 20046-2006. 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

18、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, Converters, Controllers, and Interconnection System Equipment for Use With Distributed Energy Res

19、ources 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, MPPT)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

20、 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

21、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 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

22、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

23、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 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

24、） 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

25、的 右 边 ， 则 继 续 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