光伏发电并网技术(2章)

第二章光伏系统基础知识主讲人：郭文君邮箱：guowenjun@QQ:310876367目录2.1光伏电池原理与应用设计2.2逆变器功率器件2.3光伏并网系统的体系结构2.1光伏电池原理与应用设计组成部分：光伏阵列；功率转换器；功率消耗负载（电网或本地负载）。2.1.1光伏电池的基本原理2.1.2光伏电池的应用设计2.1.1光伏电池原理的基本原理光伏电池是利用光生伏特效应（PhotovoltaicEffect，简称光伏效应）把光能转变为电能的器件。发电工程上广泛使用的光电转换器件主要是硅光伏电池。硅光伏电池单晶硅（效率最高，成本高，工艺技术成熟，普遍应用）多晶硅（硅使用量少，无效率消退问题，成本低，前景好）非晶硅（较高的转化效率，较低的成本，重量轻，有着极大潜力；稳定性不高，影响大规模使用）2.1.1光伏电池的基本原理光生伏特效应（PhotovoltaicEffect）光生伏特效应原理图关键因素(1)光伏电池内部具有PN结，在两种半导体相互接触部位具有空间电荷区，形成内电场。(2)光子的吸收能够在半导体内部产生电子空穴对（EHP）。(3)电子空穴对能够在内部静电场的作用下产生分离，由少数载流子变为多数载流子，使光伏电池板的外接触面产生电势差。光的照射在半导体材料中产生电子空穴对，这些电子空穴对在pn结的电场作用下产生分离运动，其中电子能够移向N区，空穴能够移向P区，导致在外部端子上呈现电压并可通过外部电路产生电流，这就是光生伏特效应。2.1.1光伏电池的基本原理光伏电池数学模型图中，Isc代表在光伏电池中激发的电流，这个量取决于辐照度、电池面积和本体温度T。IVD为通过PN结的总扩散电流，其方向与Isc相反，表达式如式2-1。Rs是串联电阻，Rsh是旁路电阻，一般光伏电池串联电阻Rs很小，并联电阻Rsh很大。注解（2-1）（1）式中，q为电子电荷，1.6*10-19C；K为玻尔兹曼常数，1.38*10-23J/K;A为常数因子（正偏电压大时A值为1，正偏电压小时为2）。（2）Rs主要是由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻与硅表面间接接触电阻所组成。Rsh是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起的。（3）（2-2）（2-3）2.1.1光伏电池的基本原理光伏电池数学模型（2-4）（2-5）式（2-3）（2-6）太阳能电池输出I-U特性随日照温度的变化开路电压Uoc随辐照度的变化不明显，而短路电流Isc则随辐照度有明显变化。开路电压Uoc线性地随温度变化，短路电流Isc随温度有微弱的变化。2.1.1光伏电池的基本原理光伏电池数学模型太阳能电池输出P-U特性随日照温度的变化温度保持不变，最大功率点功率随光照浮动有明显变化，具体表现为光照降低最大功率点功率下降；光照保持不变，最大功率点功率随温度也有很大变化，具体表现为，温度降低最大功率点功率升高。光伏电池板的外部特性曲线，直观地反映了光伏电池板的性能参数，对系统设计具有应用价值。从特性曲线上可以看出光伏电池随辐照度和温度变化的趋势，且可以看出光伏电池既非恒流源，也非恒压源，而是一个非线性的直流电源。在应用光伏电池板时，总希望在一定光照与温度下获取光伏电池板的最大输出功率Pm，该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im，该点所对应的电压，称为最大功率点电压Um。寻找最大功率点的这一过程，我们称其为最大功率点跟踪MPPT。2.1.2光伏电池应用设计光伏组件使用前测试1、光伏电池组件的电性能测试一般应该在规定光源的光谱（AM1.5）、标准辐照度（1000W/s2）以及一定的电池温度（25oC）条件下，使用专用仪器对开路电压、短路电流、伏安特性曲线和最大输出功率等进行测量。没有专用仪器时，可使用万用表对光伏电池组件进行粗测，即在户外较好阳光下，用电压档直接接正负极测其开路电压，用电流档测器短路电流。2、耐高压绝缘测试用500V或者1000V绝缘电阻表来测量。绝缘电阻表一段接在电极上，一端接在组件的金属框架上，绝缘电阻表显示的电阻值应该不小于50MΩ而接近无穷大。3、光伏电池组件的环境试验两种试验方法：一是实地试验法；二是环境模拟试验法；实地试验法即把组件长期暴露在自然环境中，定期观察和测量电性能参数，检查元件、材料的老化和电性能的衰降情况。环境模拟试验法是用人工方法创造自然环境中的各种典型条件，对组件进行试验和性能检查。2.1.2光伏电池应用设计光伏系统一般设计方法按照用户要求和负载的用电量及技术条件计算光伏电池组件的串、并联数。串联数由光伏阵列的工作电压决定，应考虑蓄电池的浮充电压、线路损耗以及温度变化对光伏电池的影响等因素。在光伏电池组件的串联数确定之后，即可按照气象台提供的太阳年辐射总量或日照时数的10年平均值计算确定光伏电池组件的并联数。基本公式如下：光伏组件和阵列设计的修正1）将光伏电池组件输出降低10%：实际应用中，受环境因素影响，如泥土、灰尘覆盖，光伏组件输出会降低。同时，组件老化也会使输出降低。2）将负载增加10%以应付蓄电池的库伦效应：在蓄电池充放电过程中，铅酸蓄电池会电解水，产生气体溢出，这也就是说光伏电池组件产生的电流中将有一部分不能转化储存起来而是耗散掉了。完整计算公式如下：2.2逆变器功率器件目录2.1光伏电池原理与应用设计2.3光伏并网系统的体系结构2.2电力电子器件2.2.1电力二极管——最简单的电力电子器件2.2.2电力场效应晶体管——PowerMOSFET2.2.3绝缘栅双极晶体管——IGBT2.2.1电力二极管Δ电力二极管（PowerDiode）自20世纪50年代初期就获得应用，其结构和原理简单，工作可靠，直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。Δ在采用全控型器件的电路中电力二极管往往是不可缺少的，特别是开通和关断速度很快的快恢复二极管和肖特基二极管，具有不可替代的地位。2.2.1电力二极管电力二极管的外形、结构和电气符号a)外形b)基本结构c)电气图形符号■电力二极管是以半导体PN结为基础的，实际上是由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成的。■从外形上看，可以有螺栓型、平板型等多种封装。电力二极管工作原理2.2.1电力二极管

■二极管的基本原理——PN结的单向导电性◆当PN结外加正向电压（正向偏置）时，在外电路上则形成自P区流入而从N区流出的电流，称为正向电流IF，这就是PN结的正向导通状态。

◆当PN结外加反向电压时（反向偏置）时，反向偏置的PN结表现为高阻态，几乎没有电流流过，被称为反向截止状态。

◆PN结具有一定的反向耐压能力，但当施加的反向电压过大，反向电流将会急剧增大，破坏PN结反向偏置为截止的工作状态，这就叫反向击穿。

☞按照机理不同有雪崩击穿和齐纳击穿两种形式。

☞反向击穿发生时，采取了措施将反向电流限制在一定范围内，PN结仍可恢复原来的状态。

☞否则PN结因过热而烧毁，这就是热击穿。

电力二极管工作原理2.2.1电力二极管

■PN结的电容效应◆称为结电容CJ，又称为微分电容。◆按其产生机制和作用的差别分为势垒电容CB和扩散电容CD

。

☞势垒电容只在外加电压变化时才起作用，外加电压频率越高，势垒电容作用越明显。在正向偏置时，当正向电压较低时，势垒电容为主。

☞扩散电容仅在正向偏置时起作用。正向电压较高时，扩散电容为结电容主要成分。

◆结电容影响PN结的工作频率，特别是在高速开关的状态下，可能使其单向导电性变差，甚至不能工作。电力二极管工作原理2.2.1电力二极管电力二极管的伏安特性图■静态特性◆主要是指其伏安特性◆正向电压大到一定值（门槛电压UTO），正向电流才开始明显增加，处于稳定导通状态。与IF对应的电力二极管两端的电压即为其正向电压降UF。◆承受反向电压时，只有少子引起的微小而数值恒定的反向漏电流。电力二极管基本特性2.2.1电力二极管aIFUFtFt0trrtdtft1t2tURdiFdtdiRdtubUFPiiFuFtfrt02V

电力二极管的动态过程波形

a)正向偏置转换为反向偏置

b)零偏置转换为正向偏置

■动态特性

◆因为结电容的存在，电压—电流特性是随时间变化的，这就是电力二极管的动态特性，并且往往专指反映通态和断态之间转换过程的开关特性。◆由正向偏置转换为反向偏置

☞电力二极管并不能立即关断，而是须经过一段短暂的时间才能重新获得反向阻断能力，进入截止状态。

☞在关断之前有较大的反向电流出现，并伴随有明显的反向电压过冲。☞延迟时间：td=t1-t0

电流下降时间：tf=t2-t1

反向恢复时间：trr=td+tf

恢复特性的软度：tf

/td，或称恢复系数，用Sr表示。t0:正向电流降为零的时刻t1:反向电流达最大值的时刻t2:电流变化率接近于零的时刻IRPURP电力二极管基本特性2.2.1电力二极管电力二极管的动态过程波形零偏置转换为正向偏置

◆由零偏置转换为正向偏置

☞先出现一个过冲UFP，经过一段时间才趋于接近稳态压降的某个值（如2V）。

☞正向恢复时间tfr

☞出现电压过冲的原因:电导调制效应起作用所需的大量少子需要一定的时间来储存，在达到稳态导通之前管压降较大；正向电流的上升会因器件自身的电感而产生较大压降。电流上升率越大，UFP越高。

电力二极管基本特性2.2.1电力二极管■正向平均电流IF(AV)◆指电力二极管长期运行时，在指定的管壳温度（简称壳温，用TC表示）和散热条件下，其允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。

◆IF(AV)是按照电流的发热效应来定义的，使用时应按有效值相等的原则来选取电流定额，并应留有一定的裕量。■正向压降UF◆指电力二极管在指定温度下，流过某一指定的稳态正向电流时对应的正向压降。■反向重复峰值电压URRM

◆指对电力二极管所能重复施加的反向最高峰值电压。◆使用时，应当留有两倍的裕量。

电力二极管主要参数2.2.1电力二极管电力二极管主要参数■最高工作结温TJM

◆结温是指管芯PN结的平均温度，用TJ表示。

◆最高工作结温是指在PN结不致损坏的前提下所能承受的最高平均温度。

◆TJM通常在125～175C范围之内。■反向恢复时间trr■浪涌电流IFSM

◆指电力二极管所能承受最大的连续一个或几个工频周期的过电流。2.2.2电力场效应晶体管Δ

电力场效应晶体管分为结型和绝缘栅型，通常主要指绝缘栅型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET），简称电力MOSFET（PowerMOSFET）。Δ驱动电路简单，需要驱动的功率小；开关速度快，工作频率高；电流容量小，耐压低，多用于功率不超过10kW的电力电子装置中。2.2.2电力场效应晶体管

◆电力MOSFET的种类

☞按导电沟道可分为P沟道和N沟道。☞当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟

道的称为耗尽型。

☞对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道的称为增强型。

☞在电力MOSFET中，主要是N沟道增强型。

电力MOSFET的结构和工作原理2.2.2电力场效应晶体管电力MOSFET的结构

☞是单极型晶体管。

☞结构上与小功率MOS管有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，而电力MOSFET大都采用了垂直导电结构，所以又称为VMOSFET（VerticalMOSFET），这大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。

☞电力MOSFET也是多元集成结构。电力MOSFET的结构和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)电气图形符号2.2.2电力场效应晶体管电力MOSFET的工作原理☞截止：当漏源极间接正电压，栅极和源极间电压为零时，P基区与N漂移区之间形成的PN结J1反偏，漏源极之间无电流流过。

☞导通

√在栅极和源极之间加一正电压UGS，正电压会将其下面P区中的空穴推开，而将P区中的少子——电子吸引到栅极下面的P区表面。

√当UGS大于某一电压值UT时，使P型半导体反型成N型半导体，该反型层形成N沟道而使PN结J1消失，漏极和源极导电。

√UT称为开启电压（或阈值电压），UGS超过UT越多，导电能力越强，漏极电流ID越大。

2.2.2电力场效应晶体管电力MOSFET的基本特性

◆静态特性

☞转移特性√指漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系。

√ID较大时，ID与UGS的关系近似线性，曲线的斜率被定义为MOSFET的跨导Gfs，即

√是电压控制型器件，其输入阻抗极高，输入电流非常小。电力MOSFET的转移特性2.2.2电力场效应晶体管电力MOSFET的基本特性☞输出特性

√是MOSFET的漏极伏安特性。√截止区（对应于GTR的截止区）、饱和区（对应于GTR的放大区）、非饱和区（对应于GTR的饱和区）三个区域，饱和是指漏源电压增加时漏极电流不再增加，非饱和是指漏源电压增加时漏极电流相应增加。

√工作在开关状态，即在截止区和非饱和区之间来回转换。☞本身结构所致，漏极和源极之间形成了一个与MOSFET反向并联的寄生二极管。电力MOSFET的输出特性

2.2.2电力场效应晶体管电力MOSFET的基本特性信号RsRGRFRLiDuGSupiD+UEup为矩形脉冲电压信号源，Rs为信号源内阻，RG为栅极电阻，RL为漏极负载电阻，RF用于检测漏极电流。

(a)(b)电力MOSFET的开关过程a)测试电路b)开关过程波形◆动态特性

☞开通过程

√开通延迟时间td(on)

电流上升时间tr电压下降时间tfv开通时间ton=td(on)+tr+

tfv

☞关断过程

√关断延迟时间td(off)

电压上升时间trv

电流下降时间tfi

关断时间toff=td(off)+trv+tfi

2.2.2电力场效应晶体管电力MOSFET的基本特性☞不存在少子储存效应，因而其关断过程是非常迅速的。☞开关时间在10~100ns之间，其工作频率可达100kHz以上，是主要电力电子器件中最高的。☞在开关过程中需要对输入电容充放电，仍需要一定的驱动功率，开关频率越高，所需要的驱动功率越大。

2.2.2电力场效应晶体管电力MOSFET的主要参数

◆跨导Gfs、开启电压UT以及开关过程中的各时间参数。◆漏极电压UDS

☞标称电力MOSFET电压定额的参数。◆漏极直流电流ID和漏极脉冲电流幅值IDM

☞标称电力MOSFET电流定额的参数。

◆栅源电压UGS

☞栅源之间的绝缘层很薄，UGS>20V将导致绝缘层

击穿。

◆极间电容

☞

CGS、CGD和CDS。◆漏源间的耐压、漏极最大允许电流和最大耗散功率决

定了电力MOSFET的安全工作区。

2.2.3绝缘栅双极晶体管GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较低，所需驱动功率大，驱动电路复杂。而电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。绝缘栅双极晶体管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。2.2.3绝缘栅双极晶体管◆IGBT的结构☞是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。☞简化等效电路表明，IGBT是用GTR与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。

IGBT的结构、简化等效电路和电气图形符号a)内部结构断面示意图b)简化等效电路c)电气图形符号RN为晶体管基区内的调制电阻

IGBT的结构和工作原理2.2.3绝缘栅双极晶体管IGBT的结构和工作原理

◆IGBT的工作原理

☞其开通和关断是由栅极和发射极间的电压UGE决定的。

√当UGE为正且大于开启电压UGE(th)时，MOSFET内形

成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。

√当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。

☞电导调制效应使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。

2.2.3绝缘栅双极晶体管IGBT的基本特性IGBT的转移特性和输出特性a)转移特性

■IGBT的基本特性

◆静态特性

☞转移特性

√描述的是集电极电流

IC与栅射电压UGE之间的关系。

√开启电压UGE(th)是IGBT能实现电导调制而导通的最低栅射电压，随温度升高而略有下降。2.2.3绝缘栅双极晶体管IGBT的基本特性IGBT的转移特性和输出特性b)输出特性

☞输出特性（伏安特性）

√描述的是以栅射电压为参考变量时，集电极电流IC与集射极间电压UCE之间的关系。

√分为三个区域：正向阻断区、有源区和饱和区。

√在电力电子电路中，IGBT工作在开关状态，因而是在正向阻断区和饱和区之间来回转换。

2.2.3绝缘栅双极晶体管IGBT的参数

◆前面提到的各参数。◆最大集射极间电压UCES

☞由器件内部的PNP晶体管所能承受的击穿电压所确定的。

◆最大集电极电流

☞包括额定直流电流IC和1ms脉宽最大电流IC。

◆最大集电极功耗PCM

☞在正常工作温度下允许的最大耗散功率。

2.2.3绝缘栅双极晶体管◆IGBT的特性和参数特点可以总结如下：

☞开关速度高，开关损耗小。

☞在相同电压和电流定额的情况下，IGBT的安全工作区比GTR大，而且具有耐脉冲电流冲击的能力。

☞通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域。

☞输入阻抗高，其输入特性与电力MOSFET类似。☞与电力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点。

2.3光伏并网系统的体系结构2.2逆变器功率器件目录2.1光伏电池原理与应用设计2.3光伏并网系统的体系结构2.3.1集中式结构2.3.2交流模块式结构2.3.3串型结构2.3.4多支路结构2.3.5主从结构2.3.6直流模块式结构光伏并网体系结构光伏系统与电力系统的关系，一般分为离网光伏系统和光伏并网系统。离网系统不与电网相连，作为一种移动电源给本地负载供电。并网系统，与电网相连，可为电力系统提供有功和无功电能。主流应用方式是光伏并网发电方式。光伏系统追求最大的发电功率输出，系统结构对发电功率有着直接的影响：一方面，光伏阵列的分布方式会对发电功率产生重要影响；而另一方面，逆变器的结构也将随功率等级的不同而发生变化。根据光伏阵列的不同分布以及功率等级，将光伏并网体系结构分为6种：集中式、交流模块式、串型、多支路、主从和直流模块式。2.3光伏并网系统的体系结构集中式结构集中式结构示意图结构：将所有光伏组件通过串并联构成光伏阵列，产生一个足够高的直流电压，然后通过一个并网逆变器集中将直流转换为交流并把能量输入电网。特点：一般用于10kW以上较大功率的光伏并网系统，系统只采用一台并网逆变器，结构简单且逆变器效率较高。缺点：阻塞和旁路二极管使系统损耗增加；抗热斑和抗阴影能力差，系统功率失配现象严重；特性曲线出现复杂多波峰；需要较高电压的直流母线，降低了安全性，增加了成本；系统扩展和冗余能力差。适合应用于光伏电站等功率等级较大的场合，因此这种结构仍然具有一定的运用价值。2.3光伏并网系统的体系结构交流模块式结构交流模块式结构示意图结构：交流模块式结构是把并网逆变器和光伏组件集成在一起作为一个光伏发电系统模块。优点：无阻塞和旁路二极管，光伏组件损耗低；无热斑和阴影问题；每个模块有独立的MPPT设计，最大程度的提高了系统发电效率；每个模块独立运行，系统扩展和冗余能力强；给系统扩充提供了很大的灵活性和即插即用性；没有直流母线高压，增加了整个系统工作的安全性。主要缺点：由于采用小容量的逆变器设计，因而逆变器效率相对较低。交流光伏模块的功率等级较低，一般在50—400W。在同等功率水平条件下，交流模块式结构的价格远高于其他结构类型。2.3光伏并网系统的体系结构串型结构串型结构图结构：通过串联构成光伏阵列给光伏并网发电系统提供能量的系统结构。综合