风能和光伏发电讲解

1、光伏电池的等效电路图 太阳能光伏发电技术 n光伏电池特性： 0 () exp1 ss ph sh q UR IUR I III nKTR 其中：I太阳能电池板的输出电流； U为太阳能电池板的输出电压； q为单位电子所带的电荷量（1.6e-19C）； K为玻尔兹曼常数（1.38e-23J/K）； T为太阳能电池板表面温度； n为太阳能电池板的理想因数（取n=15）； 为表示太阳能电池板暗饱和电流； Iph为光电流；Rsh为电池的并联电阻； Rs为电池的串联电阻。 0 I 太阳能光伏发电技术 太阳能光伏发电技术 n根据太阳能电池的特性，照射幅度主要影响太 阳能电池的短路电流，照射幅度越大，短路电

2、流越大。而温度主要影响太阳能电池的开路电 压，温度越高，开路电压越低。因此，在特定 光照和温度条件下，太阳能电池存在最大功率 点。 太阳能电池最大功率 n右图是太阳能电池组特性 曲线和负载的特性曲线。 其交点为太阳能电池的工 作点。当其交点为太阳能 电池组的最大功率点时， 太阳能电池所发出的电能 才能被充分利用。 太阳能电池的最大功率跟踪 n固定电压法： n忽略温度的影响，根据同温不同光照下，太阳能电池的特性 可知，各种光照强度下，最大功率点的位置几乎都在同一电 压下。因此，只需固定电压即可锁定最大功率点。此方法简 单，比较适用于精度要求不 高的场合。 n导纳增量法： n在一定温度条件下，太阳

3、 能电池的功率曲线为右图 所示： 太阳能电池的最大功率跟踪 n由图可以看出，在最大功率点的时候dP/dU=0；而P=U*I，得 出dI/dU=-1/U。当dI/dU-1/U时，太阳 能电池工作在最大功率点左边，此时因增大输出电压。此方 法精度较高，是常用的一种寻找最大功率点的方法，缺点是 电压在最大功率点附近来回摆动，为了消除这种现象，应该 引入一个误差量E，当|dI/dU+1/U|E时，认为已经找到了最 大功率点。 太阳能电池的最大功率跟踪 n扰动观测法： n通过周期性的给太阳能电池输出电压施加微小的扰动量，测量由此带来的输 出功率的变化，若输出功率增加，则表示扰动方向正确；反之，扰动方向错

4、 误，应该朝反方向改变控制量。同导纳增量法，需要引入一个误差量。 n防止误判断的措施： n在多云天气，太阳能电池板上光照强度变化剧烈，容易使扰动观测法和导纳 增量法的跟踪方向误判，不利于最大功率点的跟踪。 n为了防止发生误判，解决的一个办法是引入判断因子，当环境突变时保持原 有工作状态，不进行最大功率跟踪，判断出环境稳定后再进行最大功率跟踪。 对于多云天气情况，这种方案可以很方便地解决跟踪紊乱的问题，根据以上 思路将增量导纳法进行适当的修改，采取同时采样3个点的电流值，再进行比 较来实现。 太阳能电池最大功率跟踪器 太阳能电池最大功率跟踪器 n通过控制DC/DC变换器的占空比，使得太阳能电池组

5、 在变化的负载和外部环境下，始终保持在最大功率点。 n一般DC/DC变换器采用Boost电路构成 太阳能电池最大功率跟踪器 n根据其基本原理，可知输出电压 和输入电压 可表示为： 其中，D为占空比。 由功率平衡可知， Boost变换器的等效阻抗 占空比越大，等效输入阻抗越小。 通过调整占空比D改变输入阻抗的大小，使其与太阳能电池 组的阻抗相匹配，即实现了最大功率的跟踪。 o U i U 1 i o U U D /(1) io IID 2 (1) L RRD 风力发电 n风力发电在并网发电中，一般可分为恒速恒频（CSCF） 和变速恒频（VSCF）两种调节方式。 nCSCF结构简单，成本低。但风能

6、的利用率低，当风速 升高时，会对机械部件造成损伤。 nVSCF随风速的大小自动调整旋转速度，通过最佳转速 的跟踪，可获得最佳功率输出，风能的利用率高。但 结构复杂，需配备变频器，成本高。 风力发电 n随着电力电子技术的发展，VSCF用的越来越多。它常 用双馈异步发电机或同步发电机。 n目前双馈异步发电机在风力发电中应用较多，技术也 比较成熟。直驱式同步发电机控制较为复杂，目前只 用在小容量风电场，它有双馈异步发电机所不能替代 的优点，比如网端电压突降时，直驱式风力发电机能 比双馈异步发电机简单有效的处理低压穿越的问题。 风力发电 n风力发电系统的两种运行状态： n1）最大风能追踪状态。此状态运

7、行在风速较低时，通过最大 功率跟踪控制，最大限度的捕获风能。 n2）额定功率运行状态。此状态运行在最大风速超过风机额定 风速时，降低风能捕获量，使功率保持在额定值附近。 n下图为恒速恒频异步电机原理图 风力发电 n下图为双馈异步发电机原理图： 风力发电 n直驱型风力发电机组： 风力发电中低压穿越技术 n低压穿越标准： 风力发电中低压穿越技术 n双馈异步发电机由于定子侧和电网直接相连，当电网 电压跌落时，电流急剧增大，导致转子感应电流也增 大，大电流导致电机铁芯饱和、电抗减小，使得电流 进一步增大。很容易损坏电机绝缘。一般在定子侧， 转子侧和直流母线加硬件保护。 n直驱型发电机组由于结构上，发电

8、机和电网没有直接 相连，中间有AC/DC/AC变流器，电网的波动不会直接 影响到电机，只需将变流器上多余的能量消耗掉。 风力发电中低压穿越技术 n目前，具有低压穿越能力的电机都采用了直驱型机组， 并配套有制动功率单元以实现低压穿越。 风能和光伏发电特点 n风能和太阳能是一种清洁能源，具有资源丰富，可再 生等优点。 n风能特点为白天小，夜间大。 n太阳能特点为白天大，晚上小。 n由于以上特点，风能和太阳能直接用来发电，将严重 影响系统的输出功率，对电能质量产生影响。 风能与光伏互补发电原理 n风力发电与太阳能电池发电组成的联合供电系统叫做风光互补发 电系统。采用此种方法，解决了夏季白天风力不足，

9、夜间阳光不 足，克服了随机性、间歇性的缺点，提高了系统的可靠性。 光伏电池阵列 风力发电机整流器蓄电池 直流负载 交流负载 控制器 逆变器 特点：弥补了各自独立发电系统的不足，向电网提供更加稳定的电 能；共用一套变送电设备，降低工程造价。 并网型风光互补发电系统存在的问题 n并网型风光互补发电系统注入电网功率的不可预测性 和波动性会对电网造成不良影响，需要配备一定容量 的储能装置。可以采用蓄电池加超级电容的方式，对 蓄电池和超级电容分别设计DC/DC变换器，独立控制。 n并网逆变器中信号同步一般采用过零比较器、电网电 压衰减和锁相环进行同步。以上三种技术在电压畸变 或者电压不平衡时存在误差。可考虑采用基于瞬时无 功功率理论的同步方法。其思路是：建立标准三相正 弦波，将其作为虚拟电网电流和电网电压一起计算瞬 时有功和瞬时无功，用低通滤波器得到其中的直流分 量，通过反正切运算求得电压相角。 风能与光伏互补发电的发展方向 n发展方向： （1）做好风光互补发电场的风能资源、太阳能光照资源 的勘测统计工作，为风光互补发电场的建设奠定基础； （2）寻找更好的储能方式和备用发电装置，合理配