太阳能光伏发电与控制技术-经典课件.ppt

1、第第4章章太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术机械工业出版社2第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.1 太阳的辐射及太阳能简介太阳的辐射及太阳能简介 4.2 太阳能的转换与应用太阳能的转换与应用4.3 太阳能太阳能电池与光伏发电原理电池与光伏发电原理4.4 MPPT光伏变换与控制技术光伏变换与控制技术4.5 光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略4.6 光伏发电的制约因素与经济技术评价光伏发电的制约因素与经济技术评价本章主要内容本章主要内容机

2、械工业出版社3第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术44.1太阳的辐射及太阳能简介太阳的辐射及太阳能简介 4.1.1太阳简介太阳简介图图4-1 4-1 太阳的结构太阳的结构机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 太阳是太阳系的中心太阳是太阳系的中心天体，是离地球最近的天体，是离地球最近的一颗恒星，是炽热的气一颗恒星，是炽热的气态球体。态球体。太阳内部持续进行着太阳内部持续进行着氢聚合成氦的核聚变反氢聚合成氦的核聚变反应，不断释放巨大的能应，不断释放巨大的能量，并以辐射和对流的量，并以辐射和对流的方式由核心向表面传递方式由核心向表

3、面传递热量，温度也从中心向热量，温度也从中心向表面逐渐降低。表面逐渐降低。5 地面辐射的时空变化特点是：地面辐射的时空变化特点是：全年以赤道获得的辐射最全年以赤道获得的辐射最多，极地最少。这种热量不均匀分布，必然导致地表各纬度的多，极地最少。这种热量不均匀分布，必然导致地表各纬度的气温产生差异，在地球表面出现热带、温带和寒带气候；气温产生差异，在地球表面出现热带、温带和寒带气候；太太阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低。4.1.2 太阳辐射太阳辐射地区太阳平均辐射强度kWh/(m2d)W/m2 热带、沙漠56210250温带35130

4、210阳光较少地区（北欧）23 80130 不同地区太阳平均辐射强度不同地区太阳平均辐射强度机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术太阳辐射能量在可见光（太阳辐射能量在可见光（0.4-0.76um）、红外线（）、红外线（0.76um）和紫外线）和紫外线（Imax采 集 蓄 电 池电 压 Vbat、电 流IbatVbatVmaxNVbatIminYYFLAG_M PPT=1YImax=ItrickleNImax=k*ImaxYFLAG_M PPT=0FLAG_M PPT=1直 接 电 流 控 制最 大 功 率 点 跟 踪Y减 小 占 空 比N4.5 4.5

5、光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略机械工业出版社64第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构1电压源型光伏阵列的逆变并网电压源型光伏阵列的逆变并网图图440 光伏阵列并网的电压源型电路结构光伏阵列并网的电压源型电路结构机械工业出版社65第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4

6、.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构2电流源型光伏阵列的逆变并网电流源型光伏阵列的逆变并网图图441 光伏阵列电流源型并网逆变电路拓扑光伏阵列电流源型并网逆变电路拓扑机械工业出版社66第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构3单级式并网逆变器单级式并网逆

7、变器图图442单级式并网逆变器的电路拓扑单级式并网逆变器的电路拓扑机械工业出版社67第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4两级式并网逆变器两级式并网逆变器图图443 两级式并网逆变器的电路拓扑两级式并网逆变器的电路拓扑机械工业出版社68第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的

8、结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构图图444 一种改进型两级式并网逆变器拓扑一种改进型两级式并网逆变器拓扑机械工业出版社69第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构5多级式并网逆变器多级式并网逆变器图图445 多级式并网逆变器的电路拓扑多级式并网逆变器的电路拓扑机械工业出版社70第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技

9、术4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构光伏阵列并网逆变器的结构4.5.2 光伏阵列并网逆变器的控制策略光伏阵列并网逆变器的控制策略1并网波形的跟踪与控制策略并网波形的跟踪与控制策略具体有五个条件：具体有五个条件：波形相同；波形相同；幅值相同；幅值相同；频率相同；频率相同；相序相同；相序相同；相位相同。相位相同。由于由于C1的容量较小，流过的容量较小，流过C1的工频电流很小可以忽略，的工频电流很小可以忽略，则逆变则逆变H桥输出基波电压和工频电网电压可表示为：桥输出基波电压和工频

10、电网电压可表示为：grid12invabUIjLLU=（）grid12invabUIjLLU=（）并网控制策略并网控制策略3仿真（参见示例）仿真（参见示例）4软硬件设计软硬件设计1.主电路主电路2.处理器处理器3.驱动设计驱动设计4.电源设计电源设计5.信号采集信号采集信号采集信号采集其中其中R82=R89=R;R87=R83=2R程序设计程序设计1）电压变化控制策略(脉冲产生)；DC/DC,DC/AC2）控制算法（离散PI控制）3）小数点控制（Q值）（电压、电流）3并网系统的保护与光伏发电并网的孤岛问题并网系统的保护与光伏发电并网的孤岛问题电网电压S1S2本地负载DG2S4本地负载DG1电网

11、负载S3孤岛下发电系统继续运行存在的问题1)对人身安全的危害，用户或线路维修人员不一定意识到分布式发电系统的存在；2)供电质量，没有大电网的支持，分布式发电系统的供电质量难以符合各方面的需求，例如电压波动、频率波动以及谐波等技术指标；3)分布式发电系统(指逆变系统)为了提高逆变器的效率而设定单位功率因数输出，但是本地负载总是有对无功功率的需求，这就导致在孤岛运行时负载无功需求不能满足，系统电压和频率可能发生波动甚至崩溃；4)电力公司对电网的管理要求，由于孤岛状态意味着脱离了电力管理部门的监控而独立运行，是不可控和高隐患的操作；5)对于利用太阳能或者风力发电的分布式供电系统存在输出功率不稳定(尤

12、其是发电系统本身没有储能设备时)的问题，甚至在某一段时间内有可能无功率输出；6)电网恢复时分布式发电系统重新并网会遇到困难，非同步并网会引起大的电流冲击。主要的孤岛检测方法：电力系统端检测法 1）传输断路器跳闸信号检测孤岛 2）电力线路载波通信检测孤岛电力变换器端检测法 1）被动式孤岛检测 通过监测并网公用连接点PCC(the point of common coupling)的状态（如电压、频率、谐波）来判断是否出现孤岛；2）主动式孤岛检测 在电力变换器内迭加一个干扰，再观察PCC点状态以判断孤岛是否出现。4.6 4.6 光伏发电的制约因素与经济技术评价光伏发电的制约因素与经济技术评价机械工

13、业出版社83第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 成本/价格 年份（USD）光伏电池1990199520002010单晶硅3.25/5.402.40/4.001.50/2.501.20/2.00多晶硅3.00/5.002.25/3.751.50/2.501.20/2.00聚光电池3.00/5.002.00/3.331.20/2.000.75/1.25非晶硅3.00/5.002.00/3.301.20/2.001.00/1.67薄膜硅2.00/3.331.20/2.000.75/1.25CIS2.00/3.331.20/2.000.75/1.25CdTe1.50/2.

14、501.20/2.000.75/1.25表表42 地面用光伏电池组件的成本与价格（地面用光伏电池组件的成本与价格（19902010年）年）机械工业出版社84第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 年份 效率（%）光伏电池199520002010单晶硅151822多晶硅141620聚光电池222530非晶硅791014薄膜硅8101215CIS791214CdTe791215表表43 光伏电池组件的效率光伏电池组件的效率机械工业出版社85第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术光伏阵列发电主要存在以下问题：光伏阵列发电主要存在以下问题：光伏阵列发

15、电效率低光伏阵列发电效率低光伏阵列发电系统的造价成本高光伏阵列发电系统的造价成本高光伏阵列发电系统的运行受气候环境因素影光伏阵列发电系统的运行受气候环境因素影响大响大光伏电池组件的制造需要消耗大量能源光伏电池组件的制造需要消耗大量能源机械工业出版社86第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术 目前大多数的风目前大多数的风光，风光，风光光柴油以及风柴油以及风光光柴柴蓄等脱离大电网的混合局部并网发电系统蓄等脱离大电网的混合局部并网发电系统都具有独立和并网两种工作模式，因而以太阳能光都具有独立和并网两种工作模式，因而以太阳能光伏发电与风力发电进行互补，综合天燃气燃机发电伏发电

16、与风力发电进行互补，综合天燃气燃机发电或柴油发电，而形成大型新能源综合发电是未来重或柴油发电，而形成大型新能源综合发电是未来重要的发展方向。要的发展方向。87机械工业出版社小结小结 本章介绍太阳能光伏发电的相关知识，从太阳能本章介绍太阳能光伏发电的相关知识，从太阳能的利用方面初步了解太阳能电池的基本原理和特性，的利用方面初步了解太阳能电池的基本原理和特性，介绍介绍 了了MPPT及及其控制的原理和方法；并进一步简其控制的原理和方法；并进一步简述的在太阳能应用中常用述的在太阳能应用中常用 的的DCDC变换或变换或DCAC变换，最后列举了一些知名厂商的太阳能逆变器变换，最后列举了一些知名厂商的太阳能

17、逆变器产品。产品。第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术88SUNNY BOY 700 SUNNY BOY 3800 附录附录：光伏逆变器实物及一些重要指标光伏逆变器实物及一些重要指标 SMA公司公司机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术89SUNNY BOY 2100TL SUNNY BOY 2800i 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术90SUNNY MINI CENTRAL 5000A/6000A SUNNY MINI CENTRAL 7000HV 机械工业出版社第第4章章 太阳

18、能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术91Sunny Tower Sunny Central SC350/350HE机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术92DELTA（台逹）公司（台逹）公司Solar Inverter SI 1900机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术93Solar Inverter SI 3300机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术94Central Inverter CI 100机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、

19、光伏发电与控制技术95XANTREX公司公司（加拿大）（加拿大）GT Series Grid Tie Solar Inverter 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术96GT Series Grid Tie Solar Inverter 参数参数 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术97GT30E Inverter 机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术98BP SOLAR公司公司（英国）（英国）GC INVERTER机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术

20、太阳能、光伏发电与控制技术99机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术100sunways公司公司Sunways NT 6000,NT 5000,NT 4000 and NT 2600 Solar Inverters机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术101机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术102Fronius IG 15/20/30Fronius公司公司机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术103机械工业出版社第第4章章 太阳能、

21、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术104Fronius IG 40/60 HV机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术105机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术106Fronius IG Central Inverters机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术107机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术108Fronius IG Plus 35机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术109机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术110机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术111The MS Series Pure Sine Wave Inverter/Charger机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术112机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术