太阳能光伏发电应用技术-第7章

太阳能光伏发电应用技术第7章光伏发电系统部件第7章光伏发电系统部件7.1

光伏方阵

7.2二极管7.3储能设备7.4锂离子储能系统7.5光伏并网逆变器主要内容7.1光伏方阵光伏方阵，又称光伏阵列，是由若干块光伏组件，在机械和电气上按一定的串、并联方式组装在一起，并且有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。子方阵，如果一个光伏方阵中有不同的光伏组件或不同的光伏组件的连接方式，其中结构和连接方式相同的部分称为子方阵。组件连接方式，需要根据系统电压及电流的要求，来决定串、并联的方式。应该将最佳工作电流相近的光伏组件串联在一起，目前光伏方阵中常用的是先串后并的连接方式。7.2

二极管

在光伏方阵中，二极管是很重要的元件，常用的二极管有两类。1．阻塞（防反充）二极管

在光伏方阵和储能蓄电池或逆变器之间，常常需要串联一个阻塞二极管，起单向导通的作用。在实际的系统设计中，如果能够保证直流母线不会向光伏方阵倒送电，也可以不配置阻塞二极管，从而降低系统损耗和成本。一般使用的硅整流二极管，其管压降为0.6～0.8V大容量硅整流二极管的管压降可达1～2V肖特基二极管，当系统的电压较低（如直流100V以下）时可以采用，其管压降为0.2～0.3V，但耐压和电流容量相对较小，选用时要加以注意7.2

二极管

2．旁路二极管

当光伏组件串联成光伏方阵时，需要在每个光伏组件两端都并联一个或数个二极管，称为旁路二极管。

当其中某个光伏组件被阴影遮挡或出现故障而停止发电时，在二极管两端可以形成正向偏压，实现电流的旁路，保护正常光伏组件的发电，同时也保护被遮挡光伏组件避免承受到较高的正向偏压或由于“热斑效应”发热而损坏。

内置2个旁路二极管的光伏组件接线盒7.3

储能设备7.3.1主要储能技术

大规模储能技术按照储存的介质进行分类，常见的主要分为三类：机械储能、电化学储能、电磁储能。抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能机械储能铅酸电池、钠硫电池、液流电池、钠/氯化镍电池、锂离子电池、钠离子电池电化学储能超导电磁储能、超级电容器储能电磁储能储能技术路线7.3

储能设备7.3.1主要储能技术——机械储能/抽水储能优点：规模大、能量储存集中，技术成熟负荷响应速度快，调节能力好效率一般为65%—75%，最高可达80%—85%原理：电站中配备上、下游两个水库，负荷低谷时段抽水储能设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存。负荷高峰时抽水储能设备工作于发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电。缺点：需要具备上池和下池建造依赖地理条件，有一定难度和局限性与负荷中心有一定距离，需要长距离输电7.3

储能设备7.3.1主要储能技术——机械储能/飞轮储能优点：几乎没有摩擦损耗、风阻小、寿命长、对环境影响小设备寿命长（循环次数达105～107）效率可达90%原理：将能量以动能形式储存在高速旋转的飞轮中，系统由高强度合金和复合材料的转子、高速轴承、双馈电动机、电力转换器和真空安全罩组成。电能驱动飞轮高速旋转，电能转变成动能储存。飞轮减速，电动机作为发电机运行，飞轮的加减速实现了充放电。缺点：能量密度比较低保证系统安全性方面的费用很高，在小型场合无法体现其优势维护困难7.3

储能设备7.3.1主要储能技术——机械储能/压缩空气储能优点：技术成熟成本低可大规模应用原理：由两个循环构成：充气压缩循环、排气膨胀循环。压缩时，双馈电动机起电动机作用，多余电力驱动压缩机，将高压空气压入地下储气洞。在电网负荷高峰时，双馈电动机起发电机作用，存储的压缩空气先经过回热器预热，再使用燃料在燃烧室内燃烧，进入膨胀系统中做功发电。缺点：效率低需要较大的储气空间7.3

储能设备7.3.1主要储能技术——电化学储能/铅酸电池原理：铅酸电池内的阳极（PbO2）及阴极（Pb）浸到电解液（稀硫酸）中，两极会产生2V的电势。PbO2+2H2SO4+Pb→PbSO4+2H2O+PbSO4(放电反应)PbSO4+2H2O+PbSO4→PbO2+2H2SO4+Pb(充电反应)优点：储能成本低，可靠性好，效率较高（70%～90%）缺点：循环寿命短80%EOL500~1000次能量密度低（30～50W · h/kg）使用温度范围窄，充电速度慢，不可深度充放电过充电容易放出气体，加之铅为重金属，对环境影响大7.3

储能设备7.3.1主要储能技术——电化学储能/锂离子电池原理：内部由正极、负极、电解质及隔膜组成。依靠锂离子在正极和负极之间的移动来工作：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。优点：高能量密度、高能量效率（94%～98%）、循环寿命长（超过6000次）缺点：有衰退现象，与其他充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数无关，而与温度有关安全问题，表现为燃烧甚至爆炸，问题根源在于电池内部的热失控。且过充、火源、挤压、穿刺、短路等一些外部因素也会导致安全性问题7.3

储能设备7.3.1主要储能技术——电化学储能/其它钠硫电池，是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池；其比能量高，可大电流、高功率放电，缺点是材料成本高；工作时需要采用高性能的真空绝热保温技术，这增加了运行成本，同时降低了系统可靠性。液流电池，一般称为氧化还原液流电池，是利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能二次电池。钠/氯化镍电池，是一种在钠硫电池的基础上发展起来的新型储能电池，它和钠硫电池都是用金属钠作为负极，b

“-Al2O3为固体电解质。不同的是，它的正极是熔融过渡金属氯化物加氯铝酸钠，而不是硫。钠离子电池，在充放电过程中，Na+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌，充电时，Na+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，放电时则相反。具有成本低、安全性能高、工作温区宽等特点。7.3

储能设备7.3.1主要储能技术——电磁储能/超导电磁储能优点：功率输送时无须能源形式的转换，具有响应速度快（ms级），转换效率高（不小于96%）、比容量（1～10W · h/kg）/比功率（104～105kW/kg）大等优点原理：超导电磁储能系统（SMES）是利用置于低温环境的超导体制成的线圈储存磁场能量，低温由包含液氮或者液氦容器的深冷设备提供。功率变换/调节系统将储能线圈与交流电力系统相连，并且可以根据电力系统的需要对储能线圈进行充、放电。缺点：应用成本现在仍很昂贵，还没有形成商业化产品7.3

储能设备7.3.1主要储能技术——对比

储能类型典型额定功率额定容量特点应用场合机械储能抽水储能100～2000MW4～10h大规模，技术成熟，响应慢，需要地理资源日负荷调节，频率控制和系统备用压缩空气储能10～300MW1～20h大规模，响应慢，需要地理资源调峰、调频，系统备用飞轮储能5kW～10MW1s～30min比功率较大，成本高，噪声大调峰、频率控制，UPS和电能质量电磁储能超导电磁储能10kW～50MW2s～5min响应快，比功率大，成本高，维护困难输配电稳定，抑制振荡超级电容器储能10kW～1MW1～30s响应快，比功率大，成本高，比能量低定制电力及FACTS电化学储能铅酸电池1kW～50MW几分钟到几小时技术成熟，成本低，寿命短，涉及环保问题电能质量、电站备用、黑启动液流电池5kW～100MW1～20h寿命长，可深放，效率高，环保性好，能量密度稍低电能质量、备用电源、调峰填谷、能量管理、可再生储能、EPS钠硫电池100kW～100MW几小时比能量和比功率较高、高温条件、运输安全问题有待改进电能质量、备用电源、调峰填谷、能量管理、可再生储能、EPS锂离子电池1kW～1000MW几分钟到几小时比能量高，安全问题有待改进电能质量、备用电源、调峰填谷、能量管理、可再生储能、UPS7.3

储能设备7.3.2磷酸铁锂电池——原理原理：充放电反应是在LiFePO4和FePO4两相之间进行的。在充电过程中，LiFePO4逐渐脱离出锂离子形成FePO4，在放电过程中，锂离子嵌入FePO4形成LiFePO4。充电：LiFePO4一xLi+xe→FePO4+(1-x)LiFePO4放电：FePO4+xLi+xe→xLiFePO4+(1-x)FePO47.3

储能设备7.3.2磷酸铁锂电池——特点能量密度较高

据报道，2018年量产的方形铝壳磷酸铁锂电池单体能量密度在160W · h/kg左右，2019年优秀的电池厂家大概能做到175～180W · h/kg的水平，个别厂家采用叠片工艺，甚至能做到185W · h/kg。循环寿命长磷酸铁锂电池1C循环寿命普遍达2000次，甚至达到3500次以上，而储能市场要求达到5000次以上，保证8-10年的使用寿命。安全性能好

正极材料的电化学性能比较稳定，在充放电过程中电池的结构不会发生变化，不会燃烧爆炸，并且即使在短路、过充、挤压、针刺等特殊条件下，仍然是非常安全的。

环境适应性良好磷酸盐本身属于惰性的无机化合物，不易发生分解氧化，即使在极端恶劣的工作环境中也能保证稳定的化学性质不变。7.3

储能设备7.3.2磷酸铁锂电池——回收与梯次利用回收利用方式：对符合能量衰减程度的电池进行梯次利用（用作储能、通信基站或低速电动车领域）。对无梯次利用价值的电池进行拆解，回收其中的镍、钴、锰、锂等材料。已有一些具有一定规模的锂离子电池处理厂：托斯寇公司（Toxco）在雀尔的分厂，能处理不同型号、不同化学性质锂电池，并获美国能源部950万美元的支持电动车电池回收利用。国内的回收起步较晚，基本采用手工拆解回收重金属如Co等，拆解后对环境的危害更大。目前尚未建立废旧电池回收体系，占据国内废旧电池回收利用前线的都是一些地下工厂。发达国家废旧电池回收方法，基本上是：立法、责任延伸制、奖罚。根据效果来看，最根本的有两点：立法保护，提高群众保护环境的意识。电池废旧储能废旧电池由电池供应商负责回收动力电池由整车厂负责回收7.3

储能设备7.3.2磷酸铁锂电池——储能市场应用工况转换快、运行方式灵活、效率高、安全环保、可扩展性强。分布式电站对于重要单位和企业，可以减少或避免由于电网故障和各种意外事件造成的断电不受地理条件限制，选址自由，投资少、占地少、维护成本低电网调峰可再生能源安全并网7.3

储能设备7.3.2磷酸铁锂电池——工作特性/开路电压特性电池开路电压OCVOCV（Open-circuitVoltage）是电池在未连入电路、无电流通过时正负极之间测得的电位差。电池的开路电压是电池静态条件下的一个主要特征量，能够较好地反映电池的实际剩余电量。电池的荷电状态SOCSOC（StateofCharge）指的是电池的剩余容量与完全状态时容量的比值。SOC = 1代表电池完全充满，SOC = 0代表电池完全放电7.3

储能设备7.3.2磷酸铁锂电池——工作特性/电池容量特性电池的容量可分为标称容量和实际容量。标称容量又称为额定容量，是指在环境温度为25℃±2℃条件下，电池1C放电倍率放电至终止电压时所应提供的电量；实际容量则受放电倍率和环境温度影响很大。（1）电池充放电倍率电池充放电倍率是电池工作时的重要参数。通常定义电池一小时完全放电或充满电，其充放电倍率为1C。充放电倍率=充放电电流/额定标称充放电电流。（2）磷酸铁锂电池容量的放电倍率特性磷酸铁锂电池的放电容量随放电倍率的增加而降低。（3）磷酸铁锂电池容量的环境温度特性磷酸铁锂电池的放电容量随着环境温度的升高实际放电容量变大。7.3

储能设备7.3.2磷酸铁锂电池——工作特性/循环寿命特性磷酸铁锂电池循环寿命的放电倍率特性曲线电池寿命影响因素：1、循环次数电池放电容量整体上随循环次数的增加而降低。2、环境温度与额定工作温度相比，高温或低温条件下的电池循环寿命均有明显下降，建议磷酸铁锂电池在0℃～45℃条件下使用。3、充放电倍率电池循环寿命随放电倍率的增加而降低，使用期间浅充浅放有利于延长电池的循环使用寿命。7.4锂离子储能系统7.4.1磷酸铁锂电池储能系统分析磷酸铁锂电池储能系统（BESS）系统主要组成：磷酸铁锂电池组锂电池管理系统（BMS）直流母线变流装置（PCS）变压器中央监控系统等磷酸铁锂电池储能系统的组成7.4锂离子储能系统7.4.2储能锂电池管理系统（BMS）BMS系统框图BMS是BatteryManagementSystem的缩写，意思为电池管理系统。顾名思义电池管理系统是用来管理电池，以便电池能够维持更好的状态，稳定工作。锂离子电池，存在生产中的不良缺陷和在使用过程中的过充过放情况。一旦过充、过放电，电池就要损坏，容量降低，寿命减少。严重的情况下，还会发生安全事故。BMS主要有下面几个功能：实时状态监测与评估电芯均衡控制保护通信日志记录7.5光伏并网逆变器光伏并网逆变器将光伏方阵输出的直流电能转换为符合电网要求的交流电能再输入电网，是并网光伏系统能量转换与控制的核心设备。近年来，随着各种新型器件、新型拓扑结构和新型控制芯片及控制算法不断涌现，逆变器的各项技术指标不断提升。7.5光伏并网逆变器集中式单机功率：几百千瓦到几兆瓦系统拓扑结构：一般采用DC-AC一级变换功率器件：一般采用大电流IGBT特点：单机功率大、MPPT数量少、每瓦系统成本低，常用于大型地面电站、水面电站及大型屋顶电站组串式单机功率：3～300kW系统拓扑结构：多用DC-DC-AC两级变换特点：单机功率小、应用灵活、MPPT数量较多，主要用于复杂山丘电站及中小型分布式电站微型逆变器单机功率：一般为几百瓦特点：单块光伏组件可MPPT，体积轻，便于安装，系统直流电压低，安全性高。缺点是系统成本较高，数量多，主要应用在户用系统中7.5光伏并网逆变器7.5.1光伏并网逆变器主要技术要求要求逆变器能使光伏方阵工作在最大功率点要求逆变器输出满足电能质量要求要求在光照和温度等因素变化幅度较大的情况下均能高效运行要求逆变器具备一定的无功输出能力要求逆变器能够与储能等其他能源构成多能互补系统要求逆变器具有功率密度高、环境适应性强、可靠性高等特点要求逆变器具备良好的并网性能7.5光伏并网逆变器7.5.2光伏并网逆变器的工作原理单相并网逆变器原理图三相并网逆变器原理图7.5光伏并网逆变器7.5.3主要功能——MPPT控制功能光伏组件的I-V和P-V特性曲线MPPT算法分析示意图光伏组件的输出特性具有非线性特征，输出功率除了与电池内部特性有关外，还与辐照强度、温度和负载的变化有关。在不同的外界条件下，光伏组件可运行在不同且唯一的最大功率点上。光伏并网逆变器通过实时检测光伏阵列的输出功率，通过一定的控制算法，预测当前状况下光伏方阵可能的最大功率输出，从而改变当前的阻抗值，使光伏方阵输出最大功率。7.5光伏并网逆变器7.5.3主要功能——并网功能结合储能实现VSG（光伏并网逆变器除了将光伏方阵输出的直流电转变成与电网电压幅值、频率、相位相同的、电能质量高的交流电接入电网并适应电网电压、频率在一定范围内的变化外，还需要具备一定的电网支撑能力。电网支撑能力结合储能实现VSG电网故障穿越能力无功支撑能力实时动态响应7.5光伏并网逆变器7.5.3主要功能——