（电力系统及其自动化专业论文）光伏发电系统电压稳定控制技术的研究.pdf

华j h 电力人学硕十学住论文摘要 摘要 由于太阳能资源的利用具有随机性的特点，使得光伏发电系统电压稳定性 较差。本文以超级电容器作为储能本体，设计了双向p w m 控制的d c a c d c 变换器，并对其中的各部分建立了相应的数学模型，针对光伏发电系统直流母 线电压不同的运行状态，对变换器电路进行了控制策略设计。通过控制能量在 超级电容器与直流母线之间的相互传递，直流母线电压的稳定性可以得到有效 控制。通过m a t l a b s i m u l i n k 仿真研究，验证了设计电路的正确性和控制策略的 有效性。本文所设计的超级电容器储能系统对光伏发电系统的电压稳定性的提 高可以起到良好的控制作用。 关键词：超级电容器储能，光伏发电，电压稳定性，双向d c a c d c 变换器 a b s t r a c t t h eu t i l i z a t i o no fs o l a re n e r g ys o u r c e ，w h i c hm a k e st h ev o l t a g eo fp h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o ns y s t e mu n s t a b l e ，i sr a n d o m t h ea p p r o a c hp r e s e n t e di nt h i sp a p e rm a k e s f h l lu s eo fan o v e ld u a l - d i r e c t i o n a lh i g h p o w e rd c a c d cc o n v e n e rb a s e do ns u p e r c a p a c i t o rs t o r a g es y s t e mt oi m p r o v et h ev o l t a g es t a b i l i t yo fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o n s y s t e m f i r s t l y t h ep r i n c i p l eo fm a i nc i r c u i to ft h ec o n v e r t e ri sa n a l y z e d m e a n w h i l e t h em a t h e m a t i c a lm o d e l i se s t a b l i s h e d 。a c c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n to p e r a t i n gm o d eo f t h ed cb u s ，t h ec o n t r o ls t r a t e g yi sp u tf o n a r d t h et r a n s f e ro fe n e r g yb e t w e e n s u p e rc a p a c i t o ra r r a ya n dt h ep h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e mc a nb ea c c o m p l i s h e d i no r d e rt oe n h a n c et h ev o l t a g es t a b i l i t y ：a t1 a s t ，t h ep r o c e s si ss i m u l a t e db y m a t l a b s i m u l i n k i ti sv e r i f i e dt h a tt h ed u a l - d i r e c t i o n a ld c a c d cc o n v e r t e r c i r c u i td e s i g n e di so fc o r r e c t n e s sa n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yi so fh i g hv a l i d i t ya n d o p e r a t i o nn e x i b 订i ty t h es u p e rc a p a c i t o re n e r g ys t o r a g ec a ni m p r o v et h ev o l t a g e s t a l b i “t yo fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m w a n gp e i b o ( p o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o fz h a n gj i a n c h e n g k e yw o r d s ： s u p e rc a p a c i t o re n e r g ys t o r a g e ， p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o n ， v o l t a g es t a b i l i t y b i d i r e c t i o n a ld c ，a c d cc o n v e r t e r 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文光伏发电系统电压稳定控制 技术的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的 研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：至谴选日期：塑：竺乡彭 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借 阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：阻导师签名： 华北电力人! 学硕。 ：学位论文 第一章绪论昂一早珀t 匕 1 1 本课题的研究意义 随着全球工业化进程的逐步展j r ，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤炭、 石油、天然气三大化石能源r 渐枯竭，全球再一次面临能源危机。同时，大量使用 化石能源对生态环境造成了同益严重的破坏，如资源枯竭、全球变暖、环境污染、 地质灾害等。能源、环境与发展己成为当今世界亟待解决的问题，因此采用新能源 和可再生能源以逐渐减少和替代化石能源的使用，是保护生态环境、走经济社会可 持续化发展之路的重大措施，这对于世界尤其是我国是十分迫切的。在今后的2 0 3 0 年罩，全球的能源结构将发生根本性的变化。专家预测，在下5 0 年里，可再生能 源在整个能源构成中会占到5 0 。虽然目前人类可利用的太阳能、风能、地热能、 水能、海洋能等能源形式都可以满足缓解能源及环境危机，但从能源的稳定性、数 量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能资源丰富、分布广泛、可以再生、 不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。可以预计，在下个世纪，太阳能将 成为能源的重要来源，因此开发利用太阳能受到越来越普遍的重视，成为目前各国 都在研究的重大课题【l o j 。 太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水 能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。太阳能作为可再 生能源，是指太阳能的直接转化和利用具有可持续性。太阳能的利用主要有以下三 种形式：1 太阳能的热利用2 太阳能的光化学利用3 太阳能的光伏利用。光热利 用具有低成本、方便、利用效率较高等优点，但不利于能量的传输，一般只能就地 使用，而且输出能量形式不具备通用性。光化学转换在自然界中以光合作用的形式 普遍存在，但目前人类还不能很好的利用。光伏发电利用以电能作为最终表现形式， 具有传输极其方便的特点，在通用性、可存储性等方面具有前两者无法替代的优势， 并且由于光伏电池的原料硅的储量十分丰富、光伏电池转换效率的不断提高、生产 成本的不断下降，都促使太阳能光伏发电在能源、环境和人类社会未来发展中占据 重要地位，它是可再生能源和新能源的重要组成部分，被认为是当今世界上最有发 展前景的新能源技术1 4 l 。 根据光生伏打效应原理，利用光伏电池将太阳光能直接转化为电能的光伏发电 技术是一项非常重要的技术，能够实现人类向可持续的全球能源系统转变。国际上 普遍认为，在长期的能源战略中，太阳能光伏发电在可再生能源中具有更重要的地 位。预计到2 0 3 0 年光伏发电在世界的总发电量中将占到5 2 0 。光伏发电技术是 当今世界光伏发电的趋势，代表了2 1 世纪最具吸引力的能源利用技术，光伏发电 华北电力人学硕十学位论文 技术正在全世界获得越来越广泛的应用【5 6 1 。 超级电容器储能( s c e s ) 系统的应用发展，给分布式发电技术的储能带来了新的 发展机遇1 2 乱28 1 。超级电容器作为储能装置，应用于光伏发电系统，可以对系统起到 瞬时功率补偿的作用，并可以在发电中断时作为备用电源，以提高供电的稳定性和 可靠性。超级电容器储能系统的应用范围不断地在拓展，从小容量的特殊储能系统 到大规模的电力储能系统，超级电容器储能系统都展示出了其独特的优越性。将超 级电容器储能系统在光伏发电技术中，不但可以改善光伏发电系统的供电可靠性， 还可以为超级电容器储能系统的发展打开市场之门，意义深远。 本文的选题就是在以上背景下丌展的，进行了超级电容器储能系统在光伏发电 技术中的应用研究，此课题为“国家自然科学基金项目( 5 0 6 7 7 0 l8 ) 基于柔性储能技 术的可再生能源发电系统广义动量补偿控制研究 的一部分。 1 2 光伏发电技术 “太阳能光伏发电”( 光伏发电) 是直接将太阳光转换为电能的一种发电形式， 其它光电转换原理还有“光感应发电”、“光化学发电”及“光生物发电”等。事实 上，对光伏发电技术的研究始于1 0 0 多年i j i ，1 8 3 9 年，法国物理学家a e 贝克勒尔 ( b e c q u r e l ) 意外地发现，用两片金属浸人溶液构成的伏打电池，光照时会产生额外的 伏打电势，他把这种现象称为“光生伏打效应”( p h o t o v o l t a i ce f f e c t ) 。18 7 3 年英国 科学家w i l o u 曲b ys m i t h 就观察到了对光敏感的硒材料，并推断出在光的照射下硒 导电能力的增加正比于光通量。18 8 0 年c h a r l e sf r i t t s 丌发出以硒为基础的光伏电池。 以后人们即把能够产生光生伏打效应的器件称为“光伏器件”。半导体p n 结器件 在阳光下的光电转换效率最高，通常称这类光伏器件为“光伏电池”( s o l a rc e l l ) 。2 0 世纪3 0 年代尽管光伏电池能量转换效率低，生产成本高，科学家仍努力致力于硒 光伏电池的研究。2 0 世纪5 0 年代初，美国贝尔实验室在为远程通讯系统寻找可靠 的电源时，科学家发现经杂质处理的硅对光敏感，可产生稳定的电压。1 9 5 4 年，在 贝尔实验室恰宾( c h a r b i n ) 和皮尔松，第一次做出了光电转换效率为6 的实用单晶硅 光伏电池，丌创了光伏发电的新纪元。1 9 5 8 年光伏电池首次在地球外层空间应用， 美国宇航局( n a s a ) 在第一个卫星先锋l 号上安装了l0 8 个光伏电池作为卫星的电 源【7 1 。 光伏发电技术早期最常见的应用是为手表、计算器提供电能。在大规模应用方 面具有代表性的是，近年来安装的为县城供电的大型光伏电站、村落集中光伏供电 系统和用于应急设备的后备电源等。由于光伏发电系统不消耗化石燃料，利用清洁 的太阳能产生电能，正在被广泛地用于各个领域【8 。9 j 。 华北电力人学硕十学位论文 现阶段，制约光伏发电发展的主要因素是光伏产品价格还比较昂贵，所以提高 光电转换效率、降低光伏发电成本是推广应用的关键。为此，世界各国不惜投入巨 大的人力和物力对其进行了研究，目前对光伏发电系统的稳定、控制技术的研究主 要集中在光伏电池的研究和光伏发电系统控制、变换装置的研究这两个方面【m 13 】： 1 通过研制高效新型太阳能光伏电池或改进工艺，降低光电池成本的方式，达 到提高电池性能价格比的目的【l6 1 。 2 通过光伏电池最大功率跟踪控制( m p p t ) 及高性能的电能变换器、光伏并网逆 变器等电力电子变换装置的研制来提高光伏发电系统的性能与效率，从而达到降低 系统成本的目的。随着自动控制技术和理论的发展和完善，各种新型、优秀的控制 装置将不断地研制成功。 1 3 超级电容器的研究发展概况 近年来，超级电容器的研究丌发热潮席卷全球，美国、同本、俄罗斯、德国、 韩国等国家都先后投入大量人力、物力对超级电容器及其相关应用进行了研究，并 取得了较为显著的研究成果，在该技术领域处于领先地位。 超级电容器办称双电层电容器，是一种新型的能源元件。超级电容器的极板为 活性炭材料，充放电时不进行化学反应，只有电荷的吸附与解吸附，具有极大的有 效表面积s ，其容量可以达到法拉级，甚至数千法拉【”】。 众所周知，电池是以电化学能的形式储存能量。电化学能在电池的两个极板的 界面处通过电化学反应发生转化。传统物理电容由电极和电介质构成，储存的电能 来源于电荷q 在两块极板上的分离，两块极板被真空( 相对介电常数为1 ) 或一层介 电物质( 相对介电常数) 所隔离。超级电容器填补了电池和传统的物理电容之间的空 白。由于不存在介质，系统为达到电化学的平衡，电荷在电极和电解质的界面之间 自发的分配形成阴阳离子的界面，从而达到保存能量的目的。超级电容器极板为活 性炭，它具有极大的有效表面积s ，所以超级电容器的比电容远大于普通电容。电 池适用于长时间低电流的供电需要，而超级电容器适用于短时闯大电流的放电【2 6 】。 超级电容器储能系统在能量密度( e m ) 、功率密度( p m ) 、使用寿命和效率等方 面都具有非常突出的优点，其具有如下特性：1 其功率密度高，为 7 0 0 0 l8 0 0 0 ( w k g ) 。由于功率密度高，超级电容器储能可以在短时迅速放出能量。 2 循环寿命长，高低温性能好，效率高。其循环寿命大于5 0 0 ，0 0 0 ，效率高于9 5 。 3 超级电容器的充放电速度快，充放电效率高，其充电方式比起其他的储能系统来 说简单多了，控制也相对容易。用超级电容器储能，它的能量是通过逆变器释放出 来。由于它的充电电压可达4 0 0 v 以上，所以可以通过整流装置直接对超级电容器 华北电力人学硕+ 学位论文 充电。4 超级电容器的材料几乎没有毒性，环境友好，而且在使用中无需维护【27 1 。 国际上，超级电容器储能系统的应用研究起步较早，发展很快，取得了显著的 效果，特别是在可再生能源发电，电网或配电网的电力调峰、电能质量改善，以及 分布式发电系统等方面的应用研究同益增多。目前，同本的北见工大已经将超级电 容器储能系统结合到太阳能发电系统的应用中，构成p v - e c s ( p h o t o v o l t a i ce n e r g y c o n t r o ls y s t e m ) 系统，实验结果显示了超级电容器在效率、充放电循环特性等方面 均优于常规化学蓄电池的性能。国内，中国科学院电工研究所于2 0 0 4 年也已经成 功地自主研发了l k w 3 0 0 w h 超级电容器储能系统，在相应的应用方面取得了一定 的实用经验。 我国的超级电容器研制工作起步较晚，始于2 0 世纪8 0 年代。电子部4 9 所率先研 制出用于电子电路的容量为法拉级的产品，近年来，清华大学、上海交通大学北京 科技大学、哈尔滨工程大学、中科院电工研究所、华北电力大学、解放军防化研究 院、成都电子科技大学等，都丌展了超级电容器的基础研究和器件研制。其中，成 都电子科技大学研制的基于碳纳米管聚苯胺纳米复合物超级电容器，能量密度达到 了6 9 7 w h k g ，并具有良好的功率特性。在产业化方面，大庆华隆电子有限公司是首 家实现超级电容器产业化的公司，其产品包括3 5 v 、5 5 v 、l l v 等系列。北京金正 平、北京集星、江苏双登、锦州锦容和上海奥威等公司都开展了超级电容器的批量 生产，并己在内燃机的电子启动系统、高压开关设备、电子脉冲设备、电动汽车等 领域得到了应用。我国在超级电容器基础技术上的研究，以及产业化的形成，为开 展超级电容器储能系统的研究和应用，奠定了良好的技术基础和物质条件【3 2 。3 1 。 1 4 论文的主要研究内容 ( 1 ) 超级电容器储能系统主电路结构 超级电容器储能系统的主回路主要包括三部分：超级电容器组件阵列、电能变 换电路和综合控制系统。电能变换系统采用一种p w m 控制的双向d c a c d c 变换 器，以满足光伏发电系统负载的要求。通过该变换器，可以实现能量在超级电容器 与光伏发电系统之间双向流动，从而维持光伏发电系统的直流母线电压稳定。 ( 2 ) 超级电容器储能系统中各部分的数学模型 建立超级电容器储能系统中双向d c a c d c 变换器中各部分( p w m 逆变器、变 压器、p w m 整流器) 的数学模型。 ( 3 ) 超级电容器储能系统提高光伏发电系统电压稳定性的控制策略与仿真研究 在建立的数学模型的基础上，针对光伏发电系统直流母线不同的运行状态，对 超级电容器储能系统提高光伏发电系统电压稳定性的控制策略进行了研究，设计出 4 华北电力人学硕十学何论文 了具体的控制方法。最后对本文研究的超级电容器储能系统和电压稳定控制方法进 行m a t l a b 仿真分析。 1 5 论文的结构 论文一共分五章。 第一章绪论介绍了选题的意义和背景、光伏发电技术和超级电容器的研究发展 概况，最后说明了本文的主要研究内容。 第二章首先对光伏发电技术的基本原理进行了分析，介绍了国内、国外光伏发 电技术的发展现状与发展前景；其次对光伏发电系统的组成部分及主要分类进行了 介绍；最后分析了光伏发电系统存在的优、缺点。 第三章对储能元件进行了分析，介绍了储能系统在光伏发电系统中的作用；对 常见的储能系统进行了分析与比较，分析了超级电容器储能的独特优点；介绍了常 见的超级电容器储能系统的主电路结构，其主要由超级电容器组件、能量转换系统 ( d c d c 变换器) ，及控制系统等三部分组成。 第四章主要是介绍超级电容器储能系统在光伏发电系统中的作用，并对超级电 容器储能系统中的主电路结构进行研究。最后给出超级电容器储能系统的工作原 理。在建立双向d c a c d c 变换器的数学模型的基础上，针对光伏发电系统直流母 线电压不同的运行状态，对超级电容器储能系统提高光伏发电系统电压稳定的方法 进行研究。最后对所设计的超级电容器储能系统主电路与控制策略进行了m a t l a b 仿 真分析。 第五章对全文工作进行总结，对下一步工作进行了展望。 华北电力人学硕十学位论文 第二章光伏发电系统 2 1 光伏发电技术的基本原理 内建i u 场办i 幻 n 一_ + p + + 光r 入射 ( 能最h v ) + 光r 入射 + ( 能量h v ) 十 图2 一l ? ，导体光生伏打电效应原理图 硅，地球上最丰富的元素之一，经“提纯”和“生长”后成为晶体半导体，是 构成光伏电池的基本材料。光伏电池特有的电特性是借助于在晶体硅中掺入某些元 素( 例如：磷或硼等) ，从而在材料的分子电荷里造成永久的不平衡，形成具有特殊 电性能的半导体材料。具有光电转换特性的半导体器件通常由两种分别称为p 型半 导体和n 型半导体的材料结合而成。当光照射到p - n 结上时，产生电子空穴对，在 半导体内部结附近生成的载流子，受到内建电场的吸引到达空间电荷区。电子流入 n 区，空穴流入p 区，结果使n 区储存了过剩的电子，p 区有过剩的空穴，在p n 结 附近形成与势垒方向相反的光生电场。光生电场除了部分抵消势垒电场的作用外， 还使p 区带正电，n 区带负电，在n 区和p 区之间的薄层产生电动势，这就是“光 生伏打效应”【3 j 。 此时，如果将外电路短路，则外电路中就有与入射光能量成正比的光电流流过， 这个电流称作短路电流。另一方面，若将p - n 结两端开路，则由于电子和空穴分别流 人n 区和p 区，使n 区的费米能级比p 区的费米能级高，在这两个费米能级之间就产生 了电位差v 。可以测得这个值，并称为丌路电压。如果在内建电场的两侧引出电极 并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，只要光照不停止，就会不断有电流流 过电路。 6 华北电力人学硕十学何论文 2 2 光伏发电技术的发展现状与前景 2 2 1 国外光伏发电技术的发展现状 世界光伏产业发展迅速，最近l o 年光伏电池组件生产的年平均增长率达到 3 3 ，最近5 年的年平均增长率达到4 3 ，2 0 0 4 年比上年增长6 1 2 ，成为当今发 展最迅速的高新技术产业之一。2 0 0 4 年世界光伏电池组件产量达到1 2 0 0 m w ，其 中r 本生产6 1 0 m w ，超过5 0 8 ；欧洲3 2 0 m w ，占2 6 7 ；美国1 3 5 m w ，占1 1 2 5 ： 其它国家1 3 5 m w ，占1 1 2 5 。 光伏发电技术不断提高，商品化电池效率由上世纪9 0 年代的1 0 。1 4 提高到目 前的1 3 1 7 。生产自动化程度不断提高、生产规模不断扩大。2 0 世纪8 0 年代约 l 一5 m w 年，9 0 年代5 3 0 m w 年，2 0 0 l 2 0 0 5 年达到5 0 4 0 0 m w 年。2 0 0 3 年前l o 名光伏电池组件生产商占据总市场份额的8 5 5 ，说明规模化、集约化生产具有明 显竞争优势。并网发电在光伏发电市场中的份额逐年增加并占据主导地位，2 0 0 3 年 并网发电的市场份额达到5 5 5 。并网发电在光伏市场中的主导地位在人类能源变 革中具有重要意义，它标志着光伏发电由边远地区离网和特殊应用向电网电源发 展，由补充能源向替代能源转变，人类社会丌始建设可持续发展的能源体系。其它 各种应用，如农村离网、通讯和信号、商业应用、大型电站以及消费品等都保持着 稳步发展，并继续发挥光伏发电的独特优势。2 0 0 4 年世界光伏系统的总装机容量超 过4 g w 。 光伏发电成本随着光伏产业的发展成本不断降低，光伏组件成本3 0 年来降低 了2 个数量级。2 0 0 3 年世界重要厂商的成本为2 2 3 美元w p ，售价2 5 3 美元w p 。 最近由于市场膨胀过快，售价有所回升。但随着技术进步、产业规模的不断扩大， 光伏发电的成本将继续不断降低。技术进步是降低成本、促进发展的根本因素。单 晶硅电池的实验室最高效率已经从5 0 年代的6 提高到目前的2 4 7 ，多晶硅电池 的实验室最高效率也达到了2 0 3 。薄膜电池的研究工作也获得了很大成功，非晶 硅薄膜电池、碲化镉( c d t e ) 、铜铟硒( c i s ) 的实验室效率也分别达到了1 3 、1 6 4 和19 5 。其它新型电池，如多晶硅薄膜电池、燃料敏化电池、有机电池等也不断 取得进展，更高效率的新概念电池受到广泛重视被列入研究丌发计划。与此同时， 光伏产业技术和光伏系统集成技术与时俱进，共同促使光伏发电成本不断降低和光 伏市场及产业的持续扩大发展【l6 1 。 世界实力大国都制定了雄心勃勃的到2 0 l o 年光伏发电近期发展规划：日本计 划累计装机容量将达到5 g w 、欧盟为3 g w 、美国为4 7 g w ( 国内3 g w ) ，澳大利亚 为o 7 5 g w ，印度、中国等发展中国家估计为1 5 2 g w 。2 0 0 4 年，世界光伏系统累 计装机容量4 g w 。据统计，到2 0 l o 年，世界光伏系统累计装机容量预计将达到 华北电力大学硕士学位论文 1 4 1 5 g w 。长期发展目标更加宏伟，见表2 1 。 表2 1 世界光伏发电装机容量 国家2 0 1 0 年2 0 2 0 年2 0 3 0 年 日本53 0 7 2 欧盟31 53 0 美国 31 52 5 其他 31 02 3 世界 1 47 01 5 0 2 2 2 国内光伏发电技术的发展现状 我国从1 9 5 8 年起就进行光伏器件研究，7 0 年代初成功地制造出空间光伏电源。 7 0 年代中期后，我国自制的光伏航标灯、太阳灯塔、气象及通讯用光伏电源开始使 用，光伏应用逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。8 0 年代，先后引进了美国 的单晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池生产设备，使中国的光伏工业开始起步。我国 目前有4 个单晶硅光伏电池和组件制造厂及两个非晶硅电池厂：即秦皇岛华美光电 公司、昆明云南半导体器件厂、开封光伏电池厂、宁波光伏电池厂、哈尔滨克罗拉 太阳能电力公司、深圳非晶硅电池厂。总的生产能力约4 5 m w ，2 0 0 0 年实际生产 3 m w 。商业化单晶硅电池的效率在1 1 一1 3 之间，非晶硅电池效率在5 6 之间。 其中昆明和宁波电池厂j 下在向2 m w 能力扩大。 目前我国大约有4 0 多个研究机构和大学参与光伏技术研究与开发活动。研究 领域涉及光伏电池、光伏材料、光伏系统和部件等。光伏系统的研究与开发取得了 很大进展，主要包括1 0 0 0 0 0 w 控制逆变成套设备、1 5 k w 光伏水泵系统、光伏照 明系统、光伏电视系统、光伏通讯系统、气象站光伏电源，集中式光伏电站以及5 k w 光伏并网示范系统等；在部件方面，主要有高效率1 0 k w 、1 5 k w 逆变器及3 0 k w 正 弦波逆变器等：同时还成功地研制出新型光伏电池及组件特性测试系统等。据不完 全统计，至1 9 9 7 年我国安装各类光伏系统总量( 包括进口系统) 已达1 1 m w 。近年来， 太阳能光伏发电技术在我国得到了推广应用，先后建成2 0 k w 以上光伏电站7 座， 其中1 9 9 8 年在西藏安多县海拔4 5 0 0 米处，建成世界最高的光伏电站，功率1 0 0 k w 。 2 2 3 光伏发电技术的前景 鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了丌发利 用太阳能的热潮，丌发利用太阳能成为各国制定可持续发展战略的重要内容。同本 华北电力人学硕十学位论文 通产省( m i t i ) 第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划，2 0 l o 年光 伏发电装机容量将达到5 g w ；欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是 驱动欧洲光伏发展的里程碑，总目标是2 0 1 0 年光伏发电装机容量达到3 g w ：美国 能源部制定了从2 0 0 0 年1 月l 同丌始的新5 年国家光伏计划和2 0 2 0 2 0 3 0 年的长期 规划，以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。 按照预计的发展速度，2 0 1 0 年美国光伏组件销售将达到4 7 g w 。预测发展中国家的 光伏产业未来1 0 年仍将保持1 0 或稍高的发展水平，达到3 g w 。预计到2 0 1 0 年世 界光伏系统累计安装容量将达到1 4 g w 【1 3 】。 近年来，太阳能光伏建筑集成及并网发电得到快速发展。建筑光伏集成具有多 功能和可持续发展的特征，因此，太阳能光伏系统与建筑的完美结合体，是电力工 业可持续发展的理想范例，国际社会十分重视。许多国家相继制定了本国的屋顶计 划，使得光伏技术如旭日东升，蓬勃发展。 我国经济在最近2 0 多年有了快速发展，但能源问题对经济和环境的影响不容 忽视，在农村则更为突出。我国能源供应中占主导地位的煤，其消耗量占一次能源 总量的7 3 7 5 。煤的直接燃烧己给环境带来严重影响，从环境和能源双重考虑， 我国政府j 下在计划并采取有效措施发展可再生能源技术。我国有丰富的太阳能资 源，2 3 以上国土面积的年总辐照量超过5 g j m 2 ，年平均同照时数超过2 2 0 0 小时， 是开发利用太阳能的有利条件。为此，有些公司正在建立新的光伏电池和组件生产 线。如上海国飞公司正在建立2 m w 电池生产线；保定英利新能源有限公司讵在组 建1 6 m w 电池和组件生产线：无锡尚德太阳能电力公司投资1 8 0 0 万美元建立的 1 0 m w 多晶硅电池生产线，已于2 0 0 2 年投产，计划到2 0 0 7 年生产能力达到3 0 m w 。 综上所述，我国的光伏产业已进入一个大的发展时期【4 】。 另一方面从市场需求看，我国目前仍有大约2 0 0 0 万人生活在无电地区，急需 生活用电。为尽快解决边远无电地区人民的用电问题，国家计委推出了“中国光明 工程 ，计划到2 0 l o 年利用风力发电和光伏发电技术解决2 3 0 0 万边远地区人口的 用电问题，使其达到人均拥有发电容量1 0 0 w 的水平，这是一个巨大的光伏发电市 场。同时，世界银行为开拓中国可再生能源市场的g e f 项目也在执行中。目前，我 国社会、经济的快速发展为光伏市场提供了更好的发展机遇和空间，可以预期并网 屋顶系统及光伏电站也会很快进入市场。在市场和生态环境的驱动下，我国光伏产 业预料会有一个大的发展。光伏发电在改善边远地区人民生活条件方面已发挥着重 要作用，并将在2 l 世纪可持续发展中发挥更大作用。随着光伏电池效率的提高和 光伏系统价格的下降，光伏发电的应用范围愈来愈广，其市场也愈来愈大。使地球 上更多的人从清洁、可靠的太阳能获取电能已为期不远了，光伏发电日益显露出光 明的前景【1 5 】。 9 华北电力人学硕士学位论文 2 3 光伏发电系统的类型 光伏发电系统主要构成部件如下： 1 光伏电池。由硅半导体材料制成的方片、圆片或薄膜，在阳光照射下产生电 压和电流。 2 光伏电池组件( 光伏组件) 。预先排列好的一组光伏电池，被层压在超薄、透 明、高强度玻璃和密封的封装底层之间。光伏电池组件有各种各样的尺寸和形状， 典型组件是矩形平板。 3 光伏电池方阵( 简称“方阵”) 。在金属支架上用导线连在一起的多个光伏组 件的组合体。光伏电池方阵产生所需要的电压和电流。 4 储能装置。如蓄电池超级电容器组，提供存储直流电能的装置。 5 控制器( 系统控制装置) 。通过对系统输入、输出功率的调节与分配，实现对 蓄电池超级电容器组电压的调整，以及系统赋予的其它控制功能。 6 逆变器。以交流为运行为动力的负载，将直流电转变为交流电的电气设备。 7 直流负载。以直流电为动力的装置或设备。 8 交流负载。以交流电为动力的装置或设备。 光伏发电系统主要分为三类：独立光伏发电系统( s t a n d a l o n ep vs y s t e m ) 、并网 光伏发电系统( g r i d c o n n e c t e dp vs y s t e m ) 和混合型光伏发电系统( h y b r i dp v s y s t e m ) ，其相应的组成结构分别如图2 2 至2 4 所示。 2 3 1 独立光伏发电系统 图2 2 独立光伏发电系统的组成结构 图2 2 为独立光伏发电系统的组成结构，系统由光伏阵列、充电控制器 ( c h a r g e r ) 、储能装置、正弦波逆变器( d c a c ) 和系统监控部分等组成，其工作原 华北电力人学硕十学f 市论文 理是：光伏阵列首先将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余 的能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中，在r 照不足时，储存在 储能器件( 蓄电池超级电容器) 中的能量经过全桥逆变器后变成s p w m 波，然后再经 过滤波和工频变压器升压后变成交流2 2 0 v 、5 0 h z 的j 下弦电压供给交流负载使用。 此时，逆变器工作于无源逆变状念，为电压控制型电压源逆变器，相当于一个受控 电压源。独立光伏发电系统包括为边远地区供电的系统、太阳能户用电源系统、通 讯信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有储能装置的可以独立运行的电站。 2 3 2 并网光伏发电系统 图2 3 并网光伏发电系统的组成结构 图2 3 为并网光伏发电系统的组成结构，系统由光伏阵列、高频d c d c 升压电 路、j 下弦波逆变器( d c a c ) 和系统监控部分等组成，其工作原理是：光伏阵列将接 收来的太阳辐射能量经过高频直流变换后变成高压直流电，然后经过逆变器逆变后 向电网输出与电网电压同频同相的正弦交流电流，此时负载为电网，逆变器工作于 有源逆变状态，为电流控制型电压源逆变器，相当于一个受控电流源。并网光伏发 电系统是与电网相连，并向电网馈送电力的光伏发电系统，主要形式有屋顶并网光 伏发电系统、沙漠电站系统。 2 3 3 混合光伏发电系统( 互补光伏发电系统) 华北电力人学硕十学，何论文 图2 4 混合型光伏发电系统 互补发电就是将其它的电源同时接入光伏发电系统，在许多场合下用户要求采 用互补发电方式【4 】。多数互补发电系统使用柴油机发电机，称为光伏柴油机互补发 电系统。将柴油发电机引入光伏系统能够大大减少系统的初始投资。完全用光伏发 电系统来满足用电负载，意味着光伏电池方阵和储能器件( 蓄电池超级电容器) 要在 最差的天气条件下也应支持负载的运行，同时储能器件( 蓄电池超级电容器) 容量要 大到足以带动大功率负载，例如洗衣机、干燥机、动力工具等等。柴油发电机不仅 可提供阴天或比正常用电量大得多的额外功率需求，而且发电机运转时可以同时给 储能器件充电。这样储能器件有了两个独立的充电系统，因而大大增加了供电的可 靠性。 另一个光伏互补发电系统是光伏风力机互补发电系统。当没有同照时，光伏系 统加入一个风力发电机，这在风况较好的场地是很有意义的，只要有风，连续阴天 时供电也不成问题。柴油发电机也可包括在光伏风电互补系统旱。一个光伏风电 发电机互补系统不仅具有光伏发电机互补系统的所有优越性，而且又带来第三个电 源向储能器件充电的额外好处。 2 4 光伏发电系统存在的优、缺点 2 4 1 光伏发电系统的优点 光伏发电系统具有如下优点： ( 1 ) 可靠。在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少产生故障，因此光伏 发电经常被用于要求供电可靠性很高的场合，而且并未因高可靠性而增加系统建设 费用。 ( 2 ) 耐用。目前，绝大多数光伏组件的生产技术都足以保证l o 年以上其性能不 下降，从而有充分理由相信光伏组件可以发电2 5 年或更长的时问。 ( 3 ) 维护费用低。在远离城镇的边远地区，为了维护或修理常规发电设备要将材 料和人员运送到很远的地方，其费用很高。光伏发电系统只需要周期性的检查和很 华北电力人学硕十学位论文 少的维护工作量，因此维护费用比常规发电设备要少得多。 ( 4 ) 无需燃料费用。由于光伏发电系统不需要燃料，从而免去了购买、储存和运 输燃料的费用。 ( 5 ) 减少噪声污染。光伏系统运动部件很少，基本没有噪声。 ( 6 ) 光伏组件积木化。便于用户根据自己的需要选择和调整发电系统的容量大 小，安装时灵活方便。 ( 7 ) 安全。光伏发电系统不需要易燃的燃料，只要设计和安装适当，系统具有很 高的安全性。 ( 8 ) 供电自主性。离网运行的光伏发电系统，具有供电的自主性、灵活性。许多 用户采用光伏发电的动机，是欣赏该系统独立于公用电网的自主性。 ( 9 ) 非集中电网。小型分散的光伏发电站，可减少公用电网故障给用户带来的不 良影响及危害。 ( 10 ) 高海拔性能。在高海拔处由于同照增强，光伏发电系统的功率输出也随之 增加，因此使用光伏发电系统非常有利。相反，在高海拔处运行的柴油发电机，由 于效率降低，输出功率减少很多。 2 4 2 光伏发电系统存在的问题 光伏发电系统存在如下缺点： ( 1 ) 初始投资大。由于光伏发电系统初始投资高，必须对每个系统进行经济性评 估及多种方案比较。如果光伏发电系统的初始投资减少，常规燃料的成本上升，则 在经济方面光伏发电系统将更具有竞争性。 ( 2 ) 同照不稳定。天气对任何太阳能系统的功率输出都有很大影响，气候或场地 条件变化时，系统设计应随之改变。 ( 3 ) 需储能装置。为了夜间或以后某个时间用电，光伏发电系统需使用蓄电池储 能。蓄电池组增加了系统规模、成本及维护工作量。 ( 4 ) 效率有待改进。从投资的有效性出发，要求高效率的使用光伏发电系统资源， 这意味着用户必须更换效率低的负载设备。 ( 5 ) 需技术培训。光伏发电系统使用了很多人们不熟悉的新技术，了解这些技术 的人又不多。因此，用户在使用光伏发电系统之前，都需要经过技术培训。 2 5 本章小结 本章介绍了光伏发电系统的各个组成部件，系统总结了光伏发电系统的类型： 独立光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合光伏发电系统，对各种发电类型的发 电原理进行了分析，最后对光伏发电系统存在的优点与存在的问题进行了分析。 华北电力人学硕十学位论文 3 1 储能元件 第三章超级电容器储能系统 3 1 1 储能的提出 迄今为止，由于交流电的特殊性，电力系统缺乏有效的大量存储电能的手段， 发电、输电、配电与用电必须同时完成，这就要求系统始终要处于动态的平衡状态 中，瞬时的不平衡可能导致电力系统的安全稳定问题。而为了达到上述目的，电力 公司必须具有足够的备用容量来应付有时每年仅为数小时甚至更短时间的峰值负 荷，这增加了设备的安装和运行费用，降低了系统的经济性，因此如何解决储能问 题就成为本世纪电力系统所面临的关键课题之一【1 。7 1 。 电能储存技术及应用是电能利用的一项变革性技术多年来备受关注。储能单 元的存在为有功功率的补偿提供了可能。现阶段，储能元件主要有下面几类：蓄电 池储能系统、超导储能系统、飞轮储能系统和超级电容器储能系统等。 3 1 2 储能系统在光伏发电系统中的作用 在光伏发电系统中，由于同照强度、环境温度等自然条件的变化而不能持续地、 稳定地输出电能，导致系统稳定性问题的增加，而且难以很好地跟踪负荷的变化。 因而，在系统中配置一定容量的储能装置，对光伏发电系统具有非常重要的作用【】。 储能装置在光伏发电中的作用主要有以下3 个方面： 1 保证系统持续可靠地供电 当环境因素或外部条件变化较快，分布式发电设备不能稳定地输出电能，系统 中存储装置的能量可以产生一定的能量和功率支撑作用，保证对负载持续、稳定地 供电。光伏发电设备的输出功率会随环境因素变化，在一些特殊情况下，如光伏发 电的夜间，储能装置能够起到过渡的作用，储能装置可以及时地将储存的能量释放 出来，持续向用户供电。保证供电的持续性和可靠性。 2 改善电能质量，使系统的稳定性增强 在光伏发电系统中，能量存储使得系统在发电设备输出功率或负荷功率波动较 大时，仍然能够保持较好的稳定性。在系统出现扰动时，由储能装置释放或吸收短 时峰值功率。应用储能装置是改善发电设备输出电压和频率质量的有效途径，同时 增加了光伏并网运行时的可靠性。可靠的光伏发电单元与储能装置的结合是解决诸 如电压跌落、涌流和瞬时供电中断等动态电能质量问题的有效手段之一【1 9 】。 3 使发电单元具有可调度性 光伏发电系统可以与电网连接，实现向电网的馈电，并可以提供削峰、紧急功 1 4 华北电力人学硕十学位论文 率支持等服务。光伏发电受环境因素的影响较大，因此，无法制订特定的发电规划。 在电力市场的环境下，光伏发电单元与电网并网运行，有了足够的储存电力，使得 发电单元成为可调度的机组单元，发电单元拥有者可以根据不同情况向电力公司卖 电，提供调峰和紧急功率支持等服务，获取最大的经济效益。通过配置能量储存装 置，就可以在特定的时i 日j 提供所需的电能，而不必考虑此时发电单元的发电功率， 只需按照预先制定的发电规划进行发电。储能装置的容量越大，系统的调度就更加 自由，就可以获取更多的经济利益，但需要的投资也就越大，关键在于找到最佳的 经济平衡点。 鉴于光伏发电系统的特点和储能系统的作用，对储能装置的性能特点具有较为 独特的要求。概括起来，包括：能量密度大，能够以较小的体积重量提供较大的能 量；功率密度大，能够提供系统功率突变时所需的补偿功率，具有较快的响应速度； 储能效率高；高低温性能好，能够适应一些特殊环境；以及环境友好等。 3 2 各种常见的储能系统 到目前为止，人们已经丌发了在分和式发电中的应用的多种形式的储能方式， 主要储能方式有：蓄电池储能、超级电容器储能，飞轮储能、超导储能等。 3 2 1 蓄电池储能 根据所使用化学物质的不同，蓄电池可以分为铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、 锂离子电池等。蓄电池储能系统( b e s s ) 由电池、直交逆变器、控制装置和辅助设备 ( 安全、环境保护设备) 等组成，目前在小型分布式发电中应用最为广泛【2 0 1 。 蓄电池是最早的多次利用电源，由于性质、质量和体积的关系在电力系统中没 有受到重视。随着电力电子技术的发展，使蓄电池的直流形式的电能可以转变成交 流电并入电网或供应交流用户。现在一般用蓄电池储能可以解决电力系统高峰负荷 时的电能需求，有时也用蓄电池储能来协助无功补偿装置，有利于抑制电压波动和 c j 4 变。然而蓄电池的充电电压不能太高，要求充电器具有稳压和限压功能。同时要 求蓄电池的充电电流不能过大，要求充电器具有稳流和限流功能，所以它的充电回 路也比较复杂。蓄电池受充放电电流的限制，充电时问长，一般为十几小时，充放 次数仅数百次，因此限制了使用寿命，维修费用高。如果过度充电或短路容易爆炸， 不如超级电容器安全，而且造成环境污染，因为在蓄电池中使用了铅等有害金属。 传统的蓄电池储能存在着初次投资高、寿命短、对环境有污染等诸多问题。值 得注意的锂离子电池是近年来兴起的新型高能量二次电池，由日本的索尼公司在 1 9 9 2 年率先推出。以其工作电压高、体积小、储能密度高( 3 0 0 一4 0