太阳能光伏发电技术讲座

1、太阳能光伏发电技术苏建徽合肥工业大学能源研究所2009年12月6日 我国现有能源结构我国已探明的煤炭将在81年内采光石油将在15年左右枯竭天然气也将在30年用尽根据中国电力科学院预测，我国电力供应缺口在2010年和2020年分别为3700万千瓦和1亿千瓦 发展可再生能源是未来能源发展的必由之路小水电和风电已经达到了商业化发电的水平，但它们的资源量毕竟有限，即使全部开发也可能满足不了未来的需要，太阳能光伏发电是最有潜力的电力来源。 目前我国太阳能资源分布太阳能在三分之二的国土上，年辐射量超过60万焦耳平方厘米，每年地表吸收的太阳能大约相当于17万亿吨标准煤的能量，开发利用前景广阔 太阳能也是能源

2、可持续发展的战略选择之一 以煤为主的能源结构面临越来越大的环境压力燃煤产生的烟尘占全国烟尘排放量的70%燃煤产生的so2占全国so2排放量的90%；酸雨国土面积40%；每年煤炭开采形成的塌陷土地面积1.5-2万公顷，其中耕地占30%；另：我国每年co2排放量占全球的13%（非全煤生成），仅次于美国。据国家电力部统计，每生产一度电，大约需要350克左右的煤光伏发电对环境污染小，可大量减排CO 2等气体计算指标一：光伏系统在当地每发电1kWh 相当于减少大约0.814kg 数量的CO 2排放量计算指标二：按照最佳倾角和垂直安装两种并网光伏系统的情况进行统计分析，可计算出每安装1kW 光伏系统总共减

3、案例：378kW 光伏发电系统节能减排效果表 光伏发电主要是以半导体材料为基础，利用光照产生电子-空穴对，在PN 结上可以产生光电流和光电压的现象（光伏效应），从而实现太阳能光电转换的目的。太阳能电池的基本工作原理是光电效应。太阳能独立光伏发电系统光伏组件蓄电池充放电控制器逆变器AC(或DC 负载太阳能独立光伏发电系统组成图 农村电气化光伏应用(村落电站、户用电源、光伏水泵等） 通信和工业应用(通信、铁路、气象、阴极保护、航标等） 光伏产品和商品(太阳能路灯、草坪灯、交通信号灯、太阳能电车、广告牌、电子产品等） 太阳能并网光伏发电系统 光伏发电低压侧并网概念直接接入低压配电网400V自发自用分

4、为可逆流/不可逆流系统节省部分配电成本、全部变压器成本充分利用了原变压器容量，分摊了变压器损耗可实现快速的设计、施工、调试、并网光伏发电低压侧并网：是近期光伏发电系统接入电网的主要方式 光伏发电低压侧并网结构图 直接逆变系统的优点由于省去了笨重的工频变压器，重量轻、结构简单特高的效率（98%左右）直接逆变系统的缺点太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压，对人身安全不利直流侧MPPT 电压需要大于350V 。对于太阳电池组件乃至整个系统的绝缘有较高要求，容易出现漏电现象 单相工频隔离系统的组成 单相工频隔离系统的优点由于使用工频变压器进行电压变换和电气隔离，系统结构简单、可靠性高

5、抗冲击性能好、安全性能良好直流侧MPPT 电压等级一般在220V -600V单相工频隔离系统的缺点系统效率相对较低体积较大，笨重 高频隔离系统的组成 高频隔离系统的优点同时具有电气隔离和重量轻的优点系统效率在93左右高频隔离系统的缺点由于隔离DC/AC/DC的功率等级一般较小，所以这种拓朴结构集中在2KW 以下高频DC/AC/DC的工作频率较高，一般为几十KHz, 或更高，系统的EMC 比较难设计系统的抗冲击性能差 高频不隔离（Boost 升压）系统的组成 高频不隔离系统的优点和第(1种拓朴结构类似，由于省去了笨重的工频变压器，具有高效率、重量轻的优点同时加入了Boost 电路用于DC/DC直

6、流输入电压的提升，太阳电池阵列的直流输入电压范围可以很宽 高频不隔离系统的缺点同样，太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压使用了高频DC/DC，EMC 设计难度加大可靠性较低 系统的组成优点同高频不隔离系统由于具有多个DC -DC电路，适合多个不同倾斜面阵列接入，即阵列1n 可以具有不同的MPPT 电压，十分适合应用于光伏建筑缺点同高频不隔离系统 系统的组成优点：注入电网的直流分量较小、电路简单缺点：功率器件利用率低 10MW系统 系统的组成 150MW系统 系统工作方式早晨弱光时由几台逆变器中随机一台开始工作。当第一台满功率时接入第二台逆变器，依次投入。傍晚弱光时逐台退出。优

7、点低空载损耗，充分利用了太阳能。逆变器轮流工作，延长寿命。缺点：光伏阵列全部并联，并联损耗较大，且只能用一种型号 n%1MWp设备效率数据1009998979695949392919089020P DC %406080P N %100PCU %85 92 96 96.5 97,0 97,3 97.4 97.5 三台逆变器一天中的运行状况图 50100MW系统 优化直流母线电压、升压变压器配置和变比，避免重复升压，提高系统效率优先考虑当地用电负荷，避免过多电能的远距离传送 绝缘、隔离技术尽量选择配有输出隔离变压器的逆变设备注意非晶、薄膜组件的耐压（一般为600V ）直流、交流侧隔离开关 电能质量

8、逆变效率：最大效率不小于94%并网电流谐波：逆变器在运行时不应造成电网电压波形过度畸变和注入电网过度的谐波电流，以确保对连接到电网的其他设备不造成不利影响 功率因数(PF：当逆变器的输出大于其额定输出的20%，平均功率因数应不小于0.85（超前或滞后），当逆变器的输出大于其额定输出的50%，平均功率因数应不小于0.95（超前或滞后） 工作电压：逆变器交流输出端单相电压的允许偏差为额定电压的+10%、-15%，三相电压的允许偏差为额定电压的10%工作频率：逆变器并网时应与电网同步运行。逆变器交流输出端频率的允许偏差为0.5Hz ，电网额定频率为50Hz直流分量：并网运行时，逆变器向电网馈送的直流

9、电流分量应不超过其输出电流额定值的0.5%或5mA ，应取二者中较大值电压不平衡度：公共连接点的负序电压不平衡度应不超过2%，短时不得超过4%；逆变器引起的负序电压不平衡度不超过1.3%，短时不超过2.6% 孤岛效应保护技术孤岛效应：是指当电网的部分线路因故障或维修而停电时，停电线路由所连的并网发电装置继续供电，并连同周 围负载构成一个自给供电的孤岛的现象孤岛效应发生的机理光伏并网发电系统的功率流图 孤岛效应现象会产生比较严重的后果孤岛中的电压和频率无法控制，可能会用电设备造成损坏孤岛中的线路仍然带电，会对维修人员造成人身危险当电网恢复正常时有可能造成非同相合闸，导致线路再次跳闸，对光伏并网逆

10、变器和其他用电设备造成损坏孤岛效应时，若负载容量与光伏并网器容量不匹配，会造成对逆变器的损坏因此从用电安全与电能质量考虑，孤岛效应是不允许出现的；孤岛效应发生时，并网逆变器应在2s 内停止向电网供 电，同时发出警示信号, 由此引出了对于孤岛效应进行检测控 制的研究 孤岛效应的检测技术被动式检测：利用电网电压的幅值、频率和相位等监测状态作为判断电网是否故障的依据。当电网失电时，会在电网电压的幅值、频率和相位参数上，产生跳变信号，通过检测跳变信号来判断电网是否失电主动式检测：指对电网参数产生小干扰信号，通过检测反馈信号来判断电网是否失电，其中一种方法就是通过在并网电流中注入很小的失真电流。通过测量

11、逆变器输出的电流的相位和频率，采用正反馈的方案，加大注入量。从而在电网失电时，能够很快地检测出异常值 光伏阵列的最大功率点跟踪(MPPT技术太阳电池的伏安特性：光伏方阵具有类似于“电流源”特性。在不同的日照强度下，它与负载特性L 的交点，如a 、b 、c 、d 、e 等为当前的工作点。然而这些工作点并不正好落在方 阵可能提供的最大功率点(MPP上，如a 、b 、c、d 、e 上，这就不能充分利用在当前日照下方阵所能提供的最大功率 太阳电池伏安特性曲线影响最大功率点的主要因素除材料工艺外，还有环境温度，以常规单晶硅太阳能电池为例，当环境温度每升高1摄 氏度，其开路电压下降率约为0.35%0.45

12、%由于光伏方阵的最大功率点是一个变量，因而采用自寻优算法进行最大功率点跟踪（MPPT ）。这种算法对方阵当前 电磁兼容(EMC技术电网对逆变器产生的干扰：电压闪变，电气噪声，浪涌、高频分量等。要求逆变器不能损坏逆变器对于电网产生的干扰：电流谐波，电压波动、电压闪变、无功功率、电网阻抗、干扰叠加等，必须达标逆变器对于其他用电设备的干扰：传导干扰，空间辐射干扰等。特别是低压并网系统容易对其它电器设备产生干扰。必须符合相关标准 应对电磁兼容问题需要考虑的方面隔离变压器EMI 滤波器控制算法拓扑结构正确良好接地主动抑制技术 并网逆变器的保护功能过/欠压保护电压（逆变器交流输出端）V 0.5V 标称50% V 85% V 85% V标称85% V标称V 110% V标称110% V标称V 135% V标称V 135% V标称最大跳闸时间0.1s 2.0s 继续运行2.0s 0.05s最大跳闸时间是指异常状态发生到逆变器停止向电网供电的时间。主控与监测电路应切实保持与电网的连接，从而继续监视电网的状态，使得“恢复并网”功能有效。 过/欠频保护：逆变器并网时应与电网同步运行。逆变器交流输出端频率的允许偏差为0.5Hz ，电网额定频率为50Hz 。