光伏课程设计---光伏发电.doc

新能源课程设计 设计题目：光伏发电姓 名： 班 级： 电气101 学 号： 指导教师： 韩老师 成绩评定： 2013年12月23日一 光伏发电原理光伏发电系统主要由三大部分组成：太阳能电池板组件、控制器、逆变器。其中在光伏发电过程中，太阳能电池板起到核心作用，它是光-电的桥梁。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池板组件通过收集光、太阳能，然后转换成电能，之后通过太阳能控制器和逆变器把电输送到用电设备。太阳能电池发电的主要原理是半导体的光电效应。硅原子有4个电子，如果在纯硅中掺入有5个电子的原子如磷原子，就成为带负电的N型半导体；若在纯硅中掺入有3个电子的原子如硼原子，形成带正电的P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P-N结后，空穴由N极区往P极区移动，电子由P极区向N极区移动，形成电流。制作时，多晶硅经过铸锭、破锭、切片等程序后，制作成待加工的硅片。在硅片上掺杂和扩散微量的硼、磷等，就形成P-N结。然后采用丝网印刷，将精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂一层防反射涂层，电池片就至此制成。电池片排列组合成电池组件，就组成了大的电路板。一般在组件四周包铝框，正面覆盖玻璃，反面安装电极。有了电池组件和其他辅助设备，就可以组成发电系统。为了将直流电转化交流电，需要安装电流转换器。发电后可用蓄电池存储，也可输入公共电网。发电系统成本中，电池组件约占50%，电流转换器、安装费、其他辅助部件以及其他费用占另外50%。二 行业现状这个行业，曾经被投资者疯狂追捧，一度诞生了中国首富；这个行业，各国政府高度重视，每年斥巨资发放补贴，扶持发展，被誉为前景最为光明的行业，而2007年中国的产量占了全球的三分之一；还是这个行业，近来出现一波接一波的破产潮，甚至连昔日的行业龙头也难逃灭顶之灾！这就是光伏产业，在短短三年之中，经历了景气度的繁荣高峰与衰退低谷间的大起大落，众多企业感受到从“烈火烹油”到“冰寒刺骨”的滋味。然而，正当国内企业还挣扎在存亡边际，从华尔街却传来了全新的讯息：一方面，美股光伏龙头股价轮番暴涨，最具代表性的Sunpower（NASDAQ:SPWR）今年股价涨幅超过300%；另一方面，“股神”巴菲特携25亿美元收购光伏电站，世界上最赚钱的公司“苹果”也投资光伏产业。作为世界上最有效的资本市场，股价的上涨是人们用资金在投票，巴菲特、苹果公司在行业低谷期竞相投资太阳能领域，这意味着什么？股价靓丽表现的同时，行业基本面也正发生着变化。美国、中国等新兴市场正在发生剧变，产业政策集中出台，上网与补贴发放更具确定性和可操作性，光伏电站中长期规划被大幅提高，巨大的装机需求一触即发。更为重要的是，随着光伏转换率逐年提高，成本逐年下降，优势企业的发电成本即将与火电持平，而一旦突破这一“临界点”，平价上网的时代即将来临，光伏发电替代传统火电的大幕随即拉开，人类的能源消费结构也会随之改变。非晶硅薄膜电池从20世纪80年代初开始商业化生产，但由于效率低且有衰减，使用寿命较晶体硅电池短，市场份额增加不快。另外，结晶缺陷所带来的效率损失需要通过复杂工艺弥补，比如多晶硅是通过PECVDSNx来实现，获得了很大成功。但其他薄膜电池，如非晶硅和其他薄膜电池至今尚未获得满意结果，这也是薄膜电池发展比人们预想得慢的主要原因。晶体硅太阳能电池是目前国际光伏市场的主流产品，占世界光伏电池产量的85%以上，因此可以预见的是未来1015年仍然以晶体硅为主。三 光伏发电的类型特点依据全世界对光伏发电系统的清晰认识，光伏行业人士一般将光伏发电系统分为三大类： 一、独立光伏发电系统 独立光伏发电系统：根据字体含义，我们可以直观的说是单独的发电站，通过光伏发电获得的电量不会连接到国家的电网。 二、并网光伏发电系统 并网光伏发电系统：相对于独立光伏发电系统来说，并网光伏发电系统是指通过光伏发电所得的电量，通过国家的电网相连，把多余的电力输送到国家电网中。 三、混合光伏发电系统 从名称得知，混合光伏发电系统是独立和并网光伏发电系统的结合，它弥补了两者的缺点，结合了两者的优点。以下是三种光伏发电系统的图形模式：独立光伏发电系统并网光伏发电混合光伏发电系统下面我们以图表方式来突显出独立光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合光伏发电系统的特点。四 典型的实际系统介绍柏林中央火车站BIPV 光伏系统青岛火车站BIPV 项目美国stillwell地铁站光电屋面工程总面积76,000 平方英尺；其中光电板使用面积为50，000平方英尺。发电峰值功率为250；非晶硅电池板块规格：a-Si40W。日本Sanyo太阳光电公司运用简单的建筑意象设计，以圣经上的诺亚方舟神话，完美的表达太阳光电于能源秏竭危机中所扮演的任务及角色。德国奥迪物流中心 400 m 16.4KW 非晶硅光电幕墙厦门太古飞机工程维修中心五期扩建12MWp并网光伏发电工程是财政部、科技部、国家能源局于2009年7月16 13发布的关于实施金太阳示范工程的通知(财建2009397号)中福建省列人的八个项目之一，工程总安装面积14 000 m ，年均发电量约11953万kWh，系统设计寿命为25年。项目业主为厦门太古飞机工程有限公司，由环态源科技发展(深圳)有限公司负责项目技术实施。4.1 技术方案4.1.1 项目建设地太阳能资源本工程项目建设地点位于福建省厦门市高崎国际机场南侧，坐标为东经118。08 10 ，北纬24。3240”，属南亚热带海洋性季风气候。全年平均气温为2l ，夏季较炎热，7、8月气温一般都在30 以上；冬季温度则经常低于l0。全年f3照时问长，阳光充沛。根据当地气象部门资料，当地年平均降雨量1 100 mm，多年平均全年日照时数为2 300 h，年13照百分率51 ，年太阳总辐射量5 250 MJm。，属于我国太阳能资源的第三等级，适合太阳能光伏发电项目建设。4.1.2 工程规模及总体方案本工程光伏电站建设于厦门太古飞机工程有限公司的3 、5 、6 机库的附建楼屋顶，总安装面积14 000 m ，安装单晶硅光伏组件6 669片，总容量为12 MWp。附建楼为多层框架建筑物，东南西侧无较高建筑物遮挡，对安装在屋顶的太阳能光伏方阵受阳光照射无影响。其屋面虽为平屋面，但装有大量线管、空调、水箱等设备。采用钢架在屋顶建立一个架空的钢结构网架，光伏组件阵列在钢架网上。使用桁架一定角度成排安装，以便减少屋顶设备对光伏组件阵列的阴影影响，尽可能提升光伏系统发电效率。本光伏发电系统采用BAPV安装，分为3个大发电单元，每个单元分为34个交流配电柜。每个光伏并网发电单元的光伏组件采用串并联(19串l6并)的方式组成多个光伏组件阵列，经过防雷直流汇流箱汇流后接人直流配电柜，通过国产并网光伏逆变器完成DC到AC的转换。采用分块发电、就近并网、集中监管的方案，将系统分成多个光伏并网发电单元，分别接人各个安装地所在的机库及附建楼配电室内，实现将整个光伏并网系统接入机库380 V低压交流电网进行并网发电的方案。4.2.3系统组成方案本项目所建设的大型建筑光伏并网发电系统主要由光伏阵列(主要由太阳电池组件、光伏防雷汇流箱、光伏防雷配电柜、直流电缆等构成)、并网逆变(主要由并网逆变器构成)、低压输配电(主要由低压交流配电柜、低压交流电缆等构成)、监控(主要由光伏系统监控部分构成)等部分构成。用户侧并网型太阳能光伏电站利用光伏组件将太阳能转换成直流电能，再通过逆变器将直流电逆变成50 Hz、230400 V的三相交流电，逆变器的输出端通过配电柜并人机库的低压配电网。光伏并网发电站所发的电量主要供给用户自己使用，剩余的电量送人电网。本电站无蓄电池储能设备，当夜晚或遇阳光较差时，电网给负载供电。光伏阵列将太阳能辐射能量转换为直流电能，通过汇流箱(直流配电箱)传送到与之相连接的逆变器的直流输入端；逆变器采用MPPT (最大功率跟踪)技术使光伏阵列保持最佳输出状态，同时将直流电转换成为与电网频率和相位均相同的交流电能，符合电网并网发电的要求；逆变器发出的交流电能经过低压配电就近接人建筑物配电网。光伏并网逆变器本身带有数据采集和通讯功能，可以监测光伏阵列的电压、电流等直流侧运行参数，电网的电压、频率、逆变器输出电流、功率、功率因数等交流侧运行参数，以及太阳辐射、风速、温度等环境参数。将光伏电站中的逆变器通讯接口用数据总线连接，逆变器运行数据通过配套的监控设备的汇总和存储，再传送到监控计算机上，通过配套的专用监测软件提供给光伏电站工作人员使用。12 MWp光伏电站光伏发电系统图(单个机库)如图1所示。4.2.4关键设备选型关键设备的选型遵循高效性、先进性、成熟性和稳定性的原则。主要设备均选用通过中国金太阳认证要求的产品。(1) 晶体硅组件。本工程采用国产高效率单晶硅钢化玻璃层压光伏组件，具体参数详见表1。(2) 并网逆变器。逆变器的选型必须符合光伏系统并网技术要求GBT 199392005的规定。本项目将采用通过中国金太阳要求认证的国产光伏并网逆变器SG100K3型11套。其转换效率超过95 ，且所选用的光伏并网逆变器可靠性高，保护功能齐全，具有电网侧高功率因数正弦波电流、无谐波污染供电、防孤岛效应好等特点。并网逆变器主要技术参数详见表2。(3)光伏直流防雷汇流箱。采用光伏专用汇流箱，汇流箱内置接线端子、直流断路器、直流防雷模块及相关附件，采用ABB专用光伏直流1 000V直流防雷模块。光伏阵列集线盒具有以下特点：防护等级IP65满足室外安装的使用要求； 同时可按人l6路太阳电池串列，每路电流最大可达10A；接人最大光伏阵列的开路电压值可达DC900V；熔断器的耐压值不小于DC1 000 V；每路光伏阵列具有二极管防反保护功能；配有光伏专用高压防雷器，正极负极都具备防雷功能。直流防雷汇流箱参数详见表3。4.2.5 倾角设计及阵列间距(1)倾角从气象站得到的资料均为水平面上的太阳能辐射量，需要换算成光伏阵列倾斜面的辐射量才能进行发电量的计算。对于某一倾角固定安装的光伏阵列，所接受的太阳辐射能与倾角有关，较简便的辐射量计算经验公式为：RB：Ssin(仪+p)sina 十D式中：R。为倾斜光伏阵列面上太阳能总辐射量；s为水平面上太阳直接辐射量；D为散射辐射量；为中午时分的太阳高度角；B为光伏阵列倾角。经计算并结合现场情况进行合理优化，光伏阵列倾角为2577。(2)阵歹U间足巨为避免阵列之间遮阴，光伏电池组件阵列问距应不小于D：D=0707Htanarcsin(0648cos一0399sin)式中： 为当地地理纬度，北半球为正，南半球为负；H为阵列前排最高点与后排组件最低位置的高度差。计算得：D=9195 mm。根据现场情况及经验，取光伏电池组件前后排阵列间距为095 m。太阳能光伏阵列布置见图2。五 三相光伏发电系统并网仿真模型光伏发电系统结构框图如图1所示。系统可分为3个部分：光伏电池阵列(PV)、功率变换器和并网控制器，本文侧重针对这三部分在MATLAB仿真环境中建立仿真模型。光伏发电并网系统结构5.1光伏电池阵列模型当前光伏阵列(PV)的仿真建模通常有2种方法 ：基于光伏阵列物理机制和外特性的建模方法。本研究主要基于PV物理机制的数学方程结合其等效电路特点构建光伏阵列的仿真模型单个光伏电池等效电路模型图2(a)所示，经过等效电路变换，即可得任意Np Ns 个光伏电池串、并联所构成的光伏阵列(PV)的电路模型，如图2(b)所示。 图2 光伏阵列方仿真模型(a)单个光伏电池等效电路模型(b) 串、并联所构成的光伏阵列(PV)的电路模型光伏电池模块的输出特性方程： 式中：I为光伏电池的输出电流； IL为PN结电流； I0为反向饱和电流； V为输出电压；T为绝对温度(K)；g是单位电荷，其值为1610-19C；k是玻耳兹曼常数，其值为13810-23JK；A为二极管理想常数，其值常在l2之间变化,np,ns 分别为光伏阵列模块中光伏电池并联和串联的个数.当光伏电池处于开路状态时 I=0； V=Voc,代入式(2.1)可得反向饱和电流的表达式为： 式中： Voc 为光伏电池的开路电压； 为光伏电池的开路电压温度系数。当光伏阵列模块工作在最大功率点时， 由式(2.1)可求得Rs ： 光伏电池外特性是近似由恒流源和恒压源特性组合而成，两者交界点就是最大功率点。基于上述的数学模型，在MATLABSimu1ink环境下建立光伏电池阵列的通用仿真模型，其内部结构如图3所示。创建子系统，并在其内封装Im、Vm 、Isc 、Voc 等参数，这些参数可由厂家给定产品数据中获得。仿真时，可以方便的对不同的光伏电池阵列进行设置。本文仿真参数设置Voc=330V ，Isc=180A, Im=120A,Vm=250V. 光伏电池阵列的仿真模型5.2功率变换器功率变换器采用两电平H逆变器结构，功率开关管采用IGBT，如图4所示。本文仿真参数C=4500uf 电抗器L=1mh,R=5m。 并网功率变换器结构5.3并网控制器并网控制器为三环控制，最内层是交流电流闭环控制，控制并网电流，要求响应速度最快;其次是直流电压闭环控制，稳定太阳电池板电压，最外层是功率跟踪控制，响应速度最慢。其中电压环采用PI控制器，控制结构如图5所示。并网控制器结构5.4电流内环控制模型在三相静止对称坐标系数学模型中，逆变器交流侧均为时变交流量，因而不利于控制系统设计。为此，可以通过坐标变换转换成与电网基波频率同步旋转的(d、q)坐标系【4】。这样，经坐标旋转变换后，三相对称静止坐标系中的基波正弦量将转化成同步旋转坐标系中的直流变量，从而简化了控制系统设计。由三电平逆变器在两相同步旋转坐标系下的数学模型，可以得到dq两相电流微分方程为： 式中 、三相逆变器交流输出端基波相电压合成矢量的d轴和q轴分量；、三相电网电压合成矢量的d轴和q轴分量；、三相并网电流合成矢量的d轴和q轴分量；由式（2.4）可知，d、q轴电流除受控制量、的影响外，还受到交叉耦合电压、和电网电压、的扰动。因此，需要对d、q轴电流进行解耦并引入电网电压前馈进行更好的控制。同时，电网电压前馈的引入有利于系统的动态性能得到进一步提高。由此，可以将系统电流内环设计【4】【5】【6】为： 根据上述分析，构造如图6所示的系统控制仿真模型。图6 电流环控制仿真模型5.5功率跟踪控制模型由于太阳能电池的电压与电流并不是线性的关系，且在不同的大气条件下，因日照量与温度不同每个工作曲线都不一样。每一个工作曲线均有一个不同的最大功率点(Pmax)此即为太阳能电池的最佳工作点。为了提高太阳能发电系统的效率并充分的运用太阳能电池，需要一控制法则来使太阳能电池随时操作在最大功率点，此即最大功率点追踪法(MPPT)。 最大功率点跟踪的过程实质上是一个寻优过程，即通过控制太阳能电池端电压来控制最大功率的输出7，常用的方法有：恒压跟踪法(CTV)、扰动观测法、导纳微分法。其中扰动观测回探法既避免了扰动观测法判断失误的可能性，又以其算法简明、测量参数少而优于导纳微分法，太阳能电池输出功率的利用率得到很大提高8，图7是算法流程。Matlab/Simulink现有的模块要实现该算法比较困难，本文通过编写相应的代码，以s函数封装形式来完成该算法模块功能。s函数提供了一个代码和Simulink模块之间的接口，用来实现对模块的编程。其中s函数的代码可以用Matlab语言编写，也可以是C、C+、Ada、Fortran等语言编写。图7 最大功率跟踪流程图图中，I:光伏电池阵列输出的电流；U:光伏电池阵列输出电压；P:光伏电池阵列输出功率；Uref:最大功率跟踪器输出的电压参考值；U:电压扰动值。5.6仿真结果与分析设置仿真时间为0.18s, 在前0.1s功率跟踪控制器输出电压给定值低于最大功率点电压，后0.08s电压给定值大于最大功率点电压。图8是A,B,C相并网电压与电流波形图。第一个周期由于仿真环境采用不等步长仿真，第一个周期点数比较多，所以显得时间比较长，其实就是一个周波，这是给电容充电阶段。整体上该电流与电压是同相的,表明本文设置的并网控制器是有效的。 (a) (b)图8 三相光伏发电并网电流与电压波形(a)A相电压与电流波形(黑体为电流波形);(b) B相电压与电流波形(黑体为电流波形);(c)C相电压与电流波形(黑体为电流波形)图9是直流端电压、电流波形图，在前0.1s,电压波动明显，原因在于该时段最大功率跟踪器输出的电压给定值低于最大功率点电压，此时系统工作在电池阵列的恒流源特性区域，使得稍微调节电流，直流侧电压的变化就比较大，加之电流内环也存在一定的动态调节时间，电流波动也就特别明显。后0.08s,当直流侧电压给定值远大于最大功率点电压，系统始终工作在光伏电池阵列的恒压源特性区域，所以直流侧电压波动比较小。从直流端光伏电池输出电流波形可以看出，在连接电网断路器合上之前，电流基本上就是电容的充电电流，可以看出，初始冲击电流还是比较大的，如何降低初始充电电流对电容的冲击，在工程设计时应当注意。其次可以看出，该电流波形是个脉冲波形，对电流传感器