光伏发电基础.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光伏发电技术,.,光伏发电基本原理,太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成电能,能将光能转换成电能的能量转换器之一，就是光伏电池。,光伏电池的物理基础是由两种不同半导体材料构成的大面积,PN,结，以及非平衡少数载流子在,PN,结内电场作用下形成的漂移电流。,.,光伏电池的基本原理和等效电路,.,光伏发电基本原理,太阳光照射到由,P,、,N,型两种不同半导体材料构成的太阳能电池上时，一部分光线被反射，一部分光线被吸收，还有一部分光线透过电池片。,被吸收的光能激发被束缚的电子，产生“电子,-,空穴”对，在,PN,结内电场作用下，电子、空穴相互运动，若在电池两端接上负载，负载上就有电流流过。当光线一直照射时，负载上源源不断地有电流流过。,单片太阳能电池就是一个薄片状的半导体,PN,结。标准光照条件下，额定输出电压为,0.5V,左右。,.,光伏电池的基本原理和等效电路,.,光伏发电基本原理,.,光伏电池的基本原理和等效电路,.2,光伏电池阵列,由一片单晶硅片构成的太阳能电池称为单体,（,Cell),。单体电池的电压电流很小,（,0.45,0.50V,、,20,25mA/cm,2,),，,一般不能单独作电源使用，需将它们串、并联封装后，构成光伏电池组件,(,模块,Module),使用，一个组件上光伏电池的标准数量是,36,40,个,(10cmX10cm),。,当应用场合需要较高的电压和电流，可把多个组件再经过串并联安装在支架上，构成了光伏电池阵列,（,Array),，满足负载所需的功率要求,.,光伏电池的基本原理和等效电路,.2,光伏电池阵列,.,光伏电池的基本原理和等效电路,2.1,单体光伏电池的等效电路,等效电路如图所示,I,ph,为光生电流，其值正比于光伏电池的面积和入射光的辐照度。,I,D,为暗电流，是指在无光照时，由外电压作用下,PN,结内流过的单向电流。,R,S,、,R,SH,均为光伏电池本身固有电阻。因,R,S,很小、,R,SH,很大，所以进行理想计算时，它们都可以忽略不计。,2.,光伏电池数学模型,2.1,单体光伏电池的等效电路,描述光伏电池特性的两个重要参数分别是,1.,短路电流,I,SC,与光伏电池的面积有关，,1cm,2,光伏电池的短路电,流约为,16,30mA,，且与入射光谱辐射照度成正比。,2.,空载电压,U,OC,与入射光谱辐射照度的对数成正比，与光伏电池,的面积无关。在每平方厘米,100MW,太阳光谱辐照度，空,载电压约为,450,600mV,最大可达,690mV,。,2.,光伏电池数学模型,.2,单体光伏电池的电量方程,等效电路中各变量的方程式如下：,（,1,）,（）,（,3,）,式中,I,为光伏电池内部等效二极管,结反向饱和电流；,U,为等效二极管端电压；,为热力学温度；,为,结曲线常数。,2.,光伏电池数学模型,光伏电池的数学模型,.3,实用方程,忽略,R,S,、,R,SH,则,I,ph,I,SC,U,D,U,式,(2-2),可化简为,:,（,4,）,式中,;,。,光伏电池的数学模型,.3,实用方程,在最大功率点处，有,I,L,=,I,m,U=U,m,，,可解出,C,1,（,5,）,开路时，有,I,L,=0,U=U,OC,，,可解出,C,2,（,6,）,由式,(2-5),、,(2-6),计算出,C,1,、,C,2,即可由,(2-4),确定光伏电池的伏安特性曲线。,2.,光伏电池数学模型,.4,伏安特性曲线,光伏电池的数学模型,.5,填充系数,光伏电池的数学模型,光伏电池的数学模型,.6,光伏电池的转换效率及其影响因素,S,为光照强度,A,all,为电池总的光照总面积,影响效率最为重要的三个因素为,:,光谱响应、光,照特性和温度特性。,光伏电池的数学模型,.6,光伏电池的转换效率及其影响因素,光谱响应,太阳光谱中，不同波长的光不同的能量，所含的光子数目也不相同。因此，光伏电池接受光照射所产生的光子的数目也就不相同。,光伏电池在入射光中每一种波长的光能作用下所收集到的光电流，与相对于入射到电池表面的该波长的光子数之比，叫做光伏电池的光谱响应。,能够产生光生伏特效应的太阳能辐射波长范围一般在,0.4,1.2,，最大灵敏度在,0.8,0.95,之间。,光伏电池的数学模型,.6,光伏电池的转换效率及其影响因素,光照特性,由伏安特性曲线可知，短路电流受光照强度的影响较大，而开路电压受光照强度的影响较小。,如果进行较粗略的简化，可以设,I,m,I,SC,S,。,则有,U,m,U,OC,lnS,光伏电池的数学模型,.6,光伏电池的转换效率及其影响因素,温度特性,空载电压线性地随电池温度变化,且呈现负温度系数；而短路电流则呈现正温度系数,但随温度变化很小。光伏电池温度越高，其所输出的最大功率越小，效率越低。,3,光伏发电运行失配现象及机理,3.1,失配现象,由于局部光照强度的减弱（树、云层、建筑物的阻,碍造成的阴影等）或生产工艺的问题，造成模块中某个,单体光伏电池的电流小于其他单体光伏电池的电流，该,电池可能在某一情况下带上负电压，变成负载消耗其他,正常电池产生的功率，模块性能骤降，这就是失配现,3.2,失配的原因,（,1,）,产品问题,（,2,）,环境问题,（,3,）,阴影问题,（,4,）,模块老化问题,3,光伏发电运行失配现象及机理,3.3,减轻功率失配损失的措施,对多个串联电池配置一个或几个旁路二极管，如图。旁路二极管会在某个串联模块受到阴影影响的情况下产生作用。当被遮蔽部分带有负电压而且其大小达到二极管导通电压时，旁路二极管可以把遮蔽部分短路，从而避免失配现象带来的功率损失。,3,光伏发电运行失配现象及机理,3.3,减轻功率失配损失的措施,电池并联运行时，若太阳辐射不一致，电池板的电,流和温度均会出现差异，从而导致两块并联模块的电压,不同，有可能使某一模块变成负载。为了改善这一现象，可以在每个串联支路串联一个阻断二极管，以防止由强电流支路流向弱电流支路。,光伏电池的分类,按结构分类,同质结光伏电池,异质结光伏电池,肖特基结光伏电池,薄膜光伏电池,叠层光伏电池,湿式光伏电池,按结构分类,硅光伏电池电池,非硅半导体光伏电池,有机光伏电池,4,光伏系统的组成,4.1,独立光伏系统,4.,独立光伏系统,4,光伏系统的组成,4.,并网光伏系统,),最小并网光伏系统,4,光伏系统的组成,),直流母线式并网光伏系统,4,光伏系统的组成,),交流母线式并网光伏系统,集中式,支路式,4,光伏系统的组成,交流模块式,4,光伏系统的组成,),交流母线式并网光伏系统,4),交直流混合母线式并网光伏系统,4,光伏系统的组成,5),光伏系统与分布式发电系统,4,光伏系统的组成,5,光伏逆变器并网相关的国内外标准,国内标准,1.,GB/T 19939-2005.,光伏系统并网技术要求。,2.,GB/Z 19964-2005.,光伏发电站接入电力系统技术规定。,3.,GB/T 20046-2006.,光伏,(PV),系统电网接口特性。,4.,GB/T 20046-2006.,光伏系统功率调节器效率测量程序。,5.,国家电网公司光伏电站接入电网技术规定。,其他,光伏并网发电专用逆变器技术要求和试验方法,光伏系统并网性能测试方法,光伏系统并网安全要求,5,光伏逆变器并网相关的国内外标准,国外标准,1.,IEEE Std 929-2000,IEEE Recommended Practice for,Utility Interface of Photovoltaic(PV)Systems,2.IEEE Std 1547,系列标准,3.,UL 1741:2005,Inverters,Converters,Controllers,and Interconnection System Equipment for Use With,Distributed Energy Resources,4.EN 50530,:2010,Overall,efficiency of grid connected,Photovoltaic inverters,IEC 61683,IEC 61727,IEC 62116,IEC 62109-1,IEC 62109-2,6,最大功率点跟踪技术,6.1,最大功率点跟踪技术,最大功率点跟踪,（,Maximum Power Point Tracking,MPPT),技术是光伏发电系统中的关键技术之一。,在一定的光照强度、环境温度和其他因素下，光伏,电池可以输出不同的直流电压，但是只是在某一个特定输出电压值时，输出功率,才能达到最大值，这时光,伏电池工作在,P-U,曲线的最,高点，被称为最大功率点。,6,最大功率点跟踪技术,6.1,最大功率点跟踪技术,根据不同的光照强度、环境温度等外部特性来调整,光伏电池的输出工作点，使之始终工作于最大功率点附近，这种技术被称为,MPPT,技术。,6,最大功率点跟踪技术,6.2,各种,MPPT,控制方法,1.,基于参数选择方式的间接控制法,根据预存数据库和具体光伏电池参数，通过数学函,数和经验公式得到近似的,MPPT,。,这类方法没有实现在线实时跟踪与控制，误差相对较大。,1,）,恒电压跟踪法,2,）,开路电压比例系数法,3,）,短路电流比例系数法,4,）,曲线拟合法,5),查表法,6,最大功率点跟踪技术,6.2,各种,MPPT,控制方法,2,.,基于采样数据的直接控制法,此类方法的主要特征是根据电压、电流的检测值经,MPPT,算法直接实现控制。由于采用了电压、电流的实时采样信号，能根据系统运行情况实时,MPPT,控制，满足一般的应用场合要求，因而在实际运用中最为广泛。,1,）,定步长扰动观测法,2,）,变步长扰动观测法,3,）,电导增量法,4,）,实际测量法,5),寄生电容法,6,最大功率点跟踪技术,6.2,各种,MPPT,控制方法,3.,基于现代控制理论的智能控制法,此类方法不依赖于复杂的系统数学模型，由现代控 制理论模型为依据采样数据，再通过控制算法运算得出 控制信号来实现系统控制。该类控制方法适合于难以建 立准确数学模型的大型光伏发电系统，以及外界条件和 杂散参数 影响严重的控制系统。,1,）,模糊逻辑控制法,2,）,神经网络法,3,）,滑模控制法,6,最大功率点跟踪技术,6.3,扰动观测法,1.,工作原理,先让光伏电池工作在一个给定的工作点，随后周期 性地、微小定量地增加或减少光伏电池的输出电压和电流，这一过程称为扰动，扰动电量的增值大小称为步长。,增加扰动的同时实时检测光伏电池输出功率变化趋势，若扰动电量增加后，输出功率增加，说明最大功率点在当前工作点的右边，则继续增加扰动电量，反之则改变扰动方向。,若扰动电量减小后，输出功率增加，说明最大功率点在当前工作点的左边，则继续减小扰动电量，反之则改变扰动方向。如此循环，直到输出功率稳定在设定的一个很小范围内。,6,最大功率点跟踪技术,6.3,扰动观测法,1.,工作原理,6,最大功率点跟踪技术,6.3,扰动观测法,2.,仿真和实验,独立光伏系统电气主电路模型,6,最大功率点跟踪技术,6.3,扰动观测法,2,.,仿真和实验,MATLA/,Simulink,干扰观测法,MPPT,控制仿真模型,6,最大功率点跟踪技术,6.4,MPPT,技术在应用中存在的问题,1,.,误跟踪现象,2,.,缺乏统一的定量评价标准,3.,试验验证困难,4.,对实际状态的考虑不足,5.,多峰值问题,