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1、 太阳能光伏发电原理及关键设备 （中环工程公司新能源事业部 史君海） 2009年 10月24日 光伏电池、逆变器与跟踪器——引言 ü首先探讨光伏电池原理，重点掌握光伏电池伏安特 性。 ü在此基础上，学习光伏并网逆变器原理，重点把握波 形控制、MPPT原理和反孤岛控制。 ü在掌握光电池原理基础上，讨论跟踪器工作原理，重 点把握各类跟踪器提高光伏发电量的作用。 目 录
2、 一、太阳能光伏发电原理 二、光伏并网逆变器 三、太阳能跟踪器 一、太阳能光伏发电原理 1. 典型并网光伏发电系统原理 2. 光伏电池原理 3. 光伏电池电气特性 太阳能光伏发电原理 与建筑结合的并网光伏发电系统（BIPV） 特点： 1、并网点在配电侧； 2、采用“可逆流”并网 方式（电流是双向 的，可以从电网取 电，
3、也可以向电网送 电）； 3、分“上网电价”并网 方式（双价制）和“净 电表计量”方式（平价 制）。 ①太阳电池 ②开关/保护/防雷 ③电缆 ④并网逆变器 ⑤电度表（光伏电量） 并网光伏发电站 1、光伏电池 太阳能光伏发电原理 2、跟踪器 3、汇流箱 4、直流屏 5、逆变器 6、升压站 7、其它设备 太阳能光伏发电原理 o工作过程: 太阳电池(solar cell)是以半导体制成的，将太阳光照射在其 上，太阳电池吸收太阳光后，能透过p型半导体及n型半导体使其产生电子(负) 及 空穴(正
4、)，同时分离电子与空穴而形成电压降，再经由导线传输至负载 太阳能光伏发电原理 1. 光能到电能转换只有在P-N结界面活性层 发生。并且一个光子只能激发出一个电子- 空穴对。 2. 具有足够能量的光子进入P-N结区附近才 能激发电子-空穴对。（硅电池，光波长小 于1.1um可见光） 3. 温度升高，P-N结界面活性层变薄，造成 电池电压降低、光能到电能转换能力降低 太阳能光伏发电原理 2.光伏电池原理(电池\组件\阵列) 3.光伏电池组件电气特性 –预备知识
5、光伏并网逆变器 直流电是指方向不随时间发生改变的 电流，但电流大小可能不固定，而产 生波形。 太阳能光伏发电原理 太阳电池的I-V特性及功率曲线 太阳能光伏发电原理 3.光伏电池组件电气特性 太阳能光伏发电原理 标准测试条件 STC (AM=1.5, P0=1000W/m2,T=25°C) 转换效率 k=Pm/Pa=(Im*Um)/(P0*Aa), 填充因子 FF= Pm/Pc=(Im*Um)/(
6、Isc*Voc), 太阳能光伏发电原理 3.光伏电池组件电气特性 二、光伏并网逆变器 1. 从“名字”谈起 2. ‘逆变器’重要么？ 3. 相关交流电知识 4. 并网逆变器系统 5. 逆变原理（波形控制） 6. ＭＰＰＴ原理 7. 反孤岛效应 8. 逆变器技术指标 １.从“名字”谈起
7、 光伏并网逆变器 逆变器 是把直流电能逆变为交流电能的电力电 子设备。 并网 逆变器输出侧接入电网，要求逆变器输 出电流波形符合电网要求 光伏 光伏电能输入逆变器，要求逆变器跟踪 光伏电池最大功率点（ＭＰＰＴ） 光伏并网逆变器 ２.逆变器重要么？ 光伏并网逆变器 ２.逆变器重要么？ 光伏并网逆变器 ２.逆变器重要么？ 结论：具有逆变、并网、光伏MPPT、监 测控制、网络通信等功能,工作特性决定 电站性能，非常重
8、要，是光伏并网发电 系统核心部件,具有很高经济价值。 光伏并网逆变器 交流电也称“交变电流” ，简称“交流”。一般指 大小和方向随时间作周 期性变化的电压或电流 。 锯齿形波 (sawtooth wave) 正弦波 (sine wave) 方形波 (square wave) 光伏并网逆变器 u(t) = 2U sin(2p ft + q ) 对任意交流电压频率
9、固定，例如： f = 50Hz . U = U Ðq 同样，对任意交流电流，频率固定： . (t) = 2I sin(2p ft + q ) = Im sin(2p ft + q ) Û I = IÐq 光伏并网逆变器 U˙ = RI˙ 光伏并网逆变器 XL = wL = 2p fL 光伏并网逆变器 1 1 XC = wC = 2p f
10、C C U˙ = - jX I˙ = Ð - 90o XcIÐ90o = U Ð0o R U˙ = U˙ + U˙ + U˙ L C 光伏并网逆变器 = RI˙ + jXL I˙ - jXC I˙ = RI˙ + = ZI˙ j( XL - XC )I˙ j = arctan X L - XC R ） 光伏并网逆变器 将电压三角形的各个边乘以电流I，就可得到功率三角形。 P＝UR I＝S cos j
11、 （W） Q＝QL－QC=S sinj （var） P S＝U I＝ P 2 + Q 2 ＝ （VA cosj 阻抗三角形、电压三角形和功率三角形是分析计算 R、L、C串联或其中两种元件串联的重要依据。 功率因数： l = P S = cos j 光伏并网逆变器 光伏并网逆变器 光伏并网
12、逆变器 图 逆变器简化原理图 光伏并网逆变器 图 逆变器等效电路 图 等效电路图矢量分析 光伏并网逆变器 图 交流电生成 光伏并网逆变器 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替 一个正弦半波 u –正弦半波N等分，可看成N个彼此相a) 连的脉冲序列，宽度相等，但幅值 O wt 不等 u b) –用矩形脉冲代替，等幅，不等宽， 中点重合，面积（冲量）相等 –宽度按正弦规律变化
13、 O wt 用PWM波代替正 弦半波 ØSPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等 效的PWM波形 Ø要改变等效输出正弦波幅值，按同一比例改变各脉冲 宽度即可 u uc ur 光伏并网逆变器 正弦波PWM调制方式(单极性) O wt uo uo 当ur>0 ug1=1 T1通 U d ug2=0 T2断 uof 控制电压的分 布： 电路中，T1、 当ur<0 ug2 =1 T2通 O wt -Ud T2为频控臂： ug1=0
14、 T1断 即ug1和ug2互为反相，并受ur极性控制。其频率为调制信号的频率。 5.逆变原理（输出电流波形控制） 光伏并网逆变器 结论：通常通过PWM调节开关桥路输出交流电压v,控制电抗L的电 流i，即逆变器输出电流，使得逆变器向电网注入正弦波电流， 并且与电网电压e同频同相，达到并网发电目的。 注：逆变器输出电流实际上是含有谐波的交流电流，可以用电流 ¥ 总谐波谐波系数描述。 ¥ 实际电流i(t) = 1 2 å n=1,2,3,4…
15、… In sin(2np ft + q n) 总谐波系数THD = 1 ⎛ I 2 ⎞ ⎜ å n ⎟ I1 ⎝ n=2,3,4…… ⎠ 注：总THD系数表征了实际波形同其基波分量差异的程度。输出为理想波形时，THD为零 6.MPPT原理 结论：为了从光 光伏并网逆变器 伏电池中获取更 多的电能，充分 利用光伏电池组 件能量，希望光 伏组件尽可能地 工作在最大功率 点。使用 MPPT 技术可以达到这 个要求 两点认识：1）在光伏组件、接收的太阳辐射量固定，在光伏组件不同工 作点（电压与电流）输出功率不同，其中存在一个输出功率最大的
16、工作 点，即最大功率点MPP 2）在光伏组件或接收的太阳辐射量变化时，在光伏组件输出电气特性曲 线变化，最大功率点移动。 光伏并网逆变器 MPPT－Maximum Power Point Tracking（最大功率点 跟踪）技术是充分利用光伏电池组件能量必备的技术 ，通过不断对PV的电压（电压控制）或电流（电流控 制）进行小幅度的扰动，实时计算其输出功率的变化 ，从而逐渐实现最大功率点的跟踪。 光伏并网逆变器 MPPT实时运行数据
17、 孤岛效应是指 光伏并网逆变器 分布式并网逆 变器构成的局 部电网从主电 网脱离出来， 并且在此局部 电网中分布式 并网逆变器持 续给负载供电 的一种电气现 象。 局部电网与主电网的连接 孤岛的危害： 光伏并网逆变器 1.孤岛情况下电网无法控制电压和频率，可能造成电 网、分布式发电设备和用电设备发生输入电压幅值和 频率失控； 2.孤岛效应对人身安全造成威胁，干扰电网的维护工 作； 3.孤岛发生时，当电网恢复正常有可能造成非同相合
18、 闸，导致线路再次跳闸，对光伏并网逆变器和其他用 电设备造成损坏； 4.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。 反孤岛效应：通过 光伏并网逆变器 研究孤岛现象发生 过程中，电参数的 变化，判断是否发 生孤岛现象，并且 采取相应的处理措 施 图 逆变器与电网 图 等效电路图 7.反孤岛效应 条件: 认为K切换前后瞬间光伏并 网逆变器输出交流电无变化，即 幅值、频率与相位无变化。 光伏并网逆变器 K闭合： U˙ z
19、 = U˙ PPV = U˙ z˙IPV PL + jQL=U˙ z*U˙ z/Z PL + jQL=ÄP + jÄQ+PPV K断开： U˙ z = ˙IPVZ˙ PL + jQL=˙IPV * ˙IPVZ˙ PPV + jQPV = PL + jQL ÄP + jÄQ=0 7.反孤岛效应 光伏并网逆变器 7.反孤岛效应 被动检测方法 光伏并网逆变器 通过检测电
20、网参数确定是否发生孤岛效应。 注意：被动检测在逆变器与负载功率匹配并且是纯阻性 负载时会失去效果，此时，从电网流向负载的功率为零 ，电压、电流或谐波在孤岛时基本无变化。 主动检测方法 通过主动引入小幅度扰动的方式（比如对无功有功，频 率等）形成正反馈，利用累计效应来推断是不是发生孤 岛，主动方法对逆变器的输出性能有一定影响。 结论： 被动检测方法与主动检测方法结合使用，可以获得满意 的反孤岛效应控制效果。 光伏并网逆变器 8. 逆变器技术指标 三、自动跟踪系统 1. 太阳能跟踪系统原理与分类 2. 单轴跟踪系统
21、3. 双轴跟踪系统 GCL £ ngin=.e• inq 太阳能跟踪系统提出 光伏电池输出特性与接收太阳 辐射
22、度的关系 接收太阳辐射度与入射角的关系 光伏电池接收的太阳辐射度与太阳光入 射角（太阳光与光伏电池平面的夹角） 有关，入射角增加，光伏电池接收辐射 能增加，进而光伏电池最大输出功率增 加。在光伏发电系统中，使用太阳能跟 踪器，使得太阳光入射角增大，进而光 伏电池最大输出功率增大，提高光伏发 电系统发电量。 地平坐标跟踪系统 太阳电池方阵可以固定向南安 装，也可以安装成不同的向日 跟踪系统。自动跟踪系统分为 地平坐标系和赤道坐标系。 1、地平坐标跟踪系统 以地平面为参照系，跟踪的是 2个参数：太阳高度角（太阳射线 与地平面的夹角）和太阳方
23、位角 （太阳射线在地面上的投影与正 南方向的夹角）。 地平坐标跟踪分为： 方位角跟踪(单轴跟踪)和全跟踪 (双轴跟踪) 。 赤道坐标跟踪系统 赤道坐标跟踪系统 以赤道平面为 参照系，跟踪的是2个 参数：太阳赤纬角 （太阳射线与赤道平 面的夹角）和太阳时 角（地球自转的角 度，正午为零，上午 为正，下午为负）。 赤道坐标跟踪分为极轴跟踪(太阳时角)、全跟踪和水平轴跟踪（太 阳时角）。 极轴坐标跟踪系统原理图 全跟踪 极轴跟踪 极
24、轴跟踪的最大跟踪误差为：±23.5度； COS23.5 = 0.917, 仅有8.3%，全年平均误差：4%。 极轴跟踪系统（前视图） 水平极轴跟踪（前视图） 仅适合于低纬度地区（30度以内）。 地平坐标跟踪系统 不同跟踪方式全年太阳能收益对比 辐射量 (k W h /m 2 /天 ) 纬度：33.43º N， 经度：112.02º E
25、海拔：339米。 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 水平面 固定倾纬度角 单轴水平跟踪 双轴全跟踪 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 月份 固定纬度角：比水平面提高14%；单轴水平跟踪：提高40%； 单轴跟踪倾纬度角：提高51%；双轴高精度跟踪：提高56%。
26、 2、单轴跟踪系统 水平轴跟踪只需要调整太阳电池 方阵主轴旋转角，从而准确跟踪 太阳的时角，并不跟踪太阳赤纬 角，跟踪有固定的赤纬误差（纬 度差）。 机械结构示意图 跟踪系统的经济效益可观 2kW电机可以带动300kW 太阳电池方阵。 单轴跟踪系统的成本与固 定支架基本一致。 3、双轴跟踪系统 作为地平坐标
27、跟踪系统，双轴跟踪需要 调整太阳电池方阵的倾角和方位角，从 而准确跟踪太阳的高度角和方位角。 图：典型的太阳能双轴跟踪系统 双轴跟踪系统的机电结构 光伏组件 （PV module ） 电动推杆 （Screw jack） 回转驱动装置 （Slewing drive） 电动马达驱动 跟踪系统常用的传动机构 电动推杆 （Screw jack） 回转驱动装置 （Slewing drive） SOLAR
28、 TRACKER APOLO 112 CHARACTERISTICS Trackin axis 2 axes: horizontal and vertical Naximum aurface area of anel 80 m2 10,000 mm x 8 000 mm Vartical and horizonQl an Ie DI rotation Vebical axis: 2520 Horizontal axis: 70“ East - West actuation means of slewin drive NoAh - South actua
29、tion means of screwj¿ck | Trackin Dchnolo Astral ro rammin of PLC I Power of moore 0.6 kW Trackin veloci vertical axia 0.016 r Trackin veIocit¿horizonKI axis 2,3 mm/s Stmcture Galvanized steel. Designed in accordance with the norm MV 103 and CTE, wind 106 km/h w
30、ith inclination of 70D Electrically protected cabinet Plastics, ainight and watertight with locks and totally wired, including electrical rotection. Total weight and weight without 2,200 kg without modules and 3,300 hg modules _ I with_modules Hcigh¿of tracker de&nce positio
31、n l4 in Haight of tmcker with maximum inclination Foundations Dimensions of base 3,500 x 3,500 x 1000 mm; anchoring bolts 2x $ ?0 yg years (structure), 2 years(driving 另外一种双轴跟踪系统 使用工程经验 1、如果太阳能跟踪系统的结构设计合理，其成本与固定支架基 本相当，但却可以有效提高发电量20%-40%，是一条降低光伏发 电成本
32、的有效途径。 2、通过试验样机的运行，采用计算机程序跟踪（盲跟）的设计 误差在1度以内（单轴为时角误差，双轴为入射角误差），实际 误差应当在2度以内。单轴和双轴系统的自耗电均为每日 0.8kWh。 3、相比之下，单轴跟踪系统具有更低的能耗，且占地面积小， 支架成本低，如果适当增加倾角，则发电增益比双轴跟踪并不 会减少太多。因此，单轴跟踪系统用于平板太阳电池和线聚焦 聚光太阳电池具有更大的优势。 设计使用时需注意如下问题： 1）既要能跟踪太阳又要有可靠的抗风能力； 2）必须考虑机械结构的防沙问题； 3）程序控制跟踪要注意消除计算误差； 4）整个控制传动部分要尽可能减少功耗； 5）停电/断电时的自动跟踪系统的保护和来电后的 准确迅速定位； 6）机械传动既要可靠、准确，又要尽可能降低成本 。 Thanks for your attention! 谢 谢！
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