新能源转换与控制技术太阳能樊.ppt

新能源转换与控制技术太阳能樊1机械工业出版社机械工业出版社现在学习的是第1页，共28页2机械工业出版社机械工业出版社现在学习的是第2页，共28页3机械工业出版社机械工业出版社4.3 光伏发电系统的光伏发电系统的MPPT控制技术控制技术 1、光伏电池最大功率点、光伏电池最大功率点图图4-24 不同光照强度下的光伏电池最大功率点不同光照强度下的光伏电池最大功率点 现在学习的是第3页，共28页4机械工业出版社机械工业出版社 MPPT本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，然后控制电流（或电压）向当前工作点与峰值功率点移动，最后控然后控制电流（或电压）向当前工作点与峰值功率点移动，最后控制电流（或电压）在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。制电流（或电压）在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。机械工业出版社现在学习的是第4页，共28页5机械工业出版社机械工业出版社常用的最大功率点跟踪控制算法常用的最大功率点跟踪控制算法（1）固定电压跟踪法）固定电压跟踪法（2）扰动观察法）扰动观察法（3）增量电导法）增量电导法（4）功率反馈法）功率反馈法（5）模糊逻辑控制）模糊逻辑控制（6）滞环比较法）滞环比较法（7）神经元网络控制法）神经元网络控制法（8）最优梯度法）最优梯度法 2、最大功率点跟踪控制算法、最大功率点跟踪控制算法现在学习的是第5页，共28页6机械工业出版社机械工业出版社 原理：原理：对最大功率点曲线进行近似，求得一个中心电压，并对最大功率点曲线进行近似，求得一个中心电压，并通过控制使光伏阵列的输出电压一直保持该电压值，从而通过控制使光伏阵列的输出电压一直保持该电压值，从而使光伏系统的输出功率达到或接近最大功率输出值。使光伏系统的输出功率达到或接近最大功率输出值。（1）固定电压跟踪法（）固定电压跟踪法（CVT）图图4-24 不同光照强度下的光伏电池最大功率点不同光照强度下的光伏电池最大功率点 现在学习的是第6页，共28页7机械工业出版社机械工业出版社 优点：优点：使用方便、控制简单、易实现等；使用方便、控制简单、易实现等；缺点：缺点：控制精度差，忽略了环境温度对光伏阵列开路电压的影控制精度差，忽略了环境温度对光伏阵列开路电压的影响。响。图图4-25 不同环境温度下的光伏电池伏安特性曲线和输出功率曲线不同环境温度下的光伏电池伏安特性曲线和输出功率曲线现在学习的是第7页，共28页8机械工业出版社机械工业出版社 原理：原理：周期性地扰动光伏阵列输出电压，测得光伏阵列扰动后的输周期性地扰动光伏阵列输出电压，测得光伏阵列扰动后的输出功率为出功率为 ，而被存储的前一时刻输出功率被记忆为，而被存储的前一时刻输出功率被记忆为 ，若，若 ，则，则 ；若；若 ，则，则 。（2）扰动观察法）扰动观察法现在学习的是第8页，共28页9机械工业出版社机械工业出版社 优点：优点：跟踪方便简单，容易实现；跟踪方便简单，容易实现；缺点：缺点：初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响。响。原理：原理：当输出功率当输出功率 为最大时，即为最大时，即 处的斜率为零；处的斜率为零；得：得：。即通过比较光。即通过比较光伏伏 阵列的电导和瞬间电导来控制输出电压，进而保阵列的电导和瞬间电导来控制输出电压，进而保 证光伏阵列运行在最大功率点。证光伏阵列运行在最大功率点。（3）增量电导法）增量电导法 优点：优点：控制精度高，响应速度快，适用于大气条件变化较快的控制精度高，响应速度快，适用于大气条件变化较快的场合；场合；缺点：缺点：对传感器等硬件的精度要求高，整体造价较高。对传感器等硬件的精度要求高，整体造价较高。现在学习的是第9页，共28页10机械工业出版社机械工业出版社 光伏阵列的安装有两个角度参量：光伏阵列的安装有两个角度参量：倾角倾角和和方位角方位角。倾角：倾角：光伏阵列组件平面与水平地面的夹角；光伏阵列组件平面与水平地面的夹角；方位角：方位角：光伏阵列组件垂直面与正南方向的夹角。光伏阵列组件垂直面与正南方向的夹角。太阳光跟踪系统：太阳光跟踪系统：光伏阵列随太阳的运行而自动跟踪移动，光伏阵列随太阳的运行而自动跟踪移动，使其表面一直朝向太阳，增加光伏阵列接受的太阳辐射量。使其表面一直朝向太阳，增加光伏阵列接受的太阳辐射量。自动跟踪装置包括自动跟踪装置包括单轴跟踪系统单轴跟踪系统和和双轴跟踪系统双轴跟踪系统。3、太阳光跟踪系统、太阳光跟踪系统现在学习的是第10页，共28页11机械工业出版社机械工业出版社4.4 独立式光伏发电系统独立式光伏发电系统 光伏发电系统一般包括：光伏发电系统一般包括：光伏电池最大功率点跟踪光伏电池最大功率点跟踪（MPPT）控制器）控制器蓄电池充放电控制器蓄电池充放电控制器直流升压或降压型变换器直流升压或降压型变换器离网逆变器离网逆变器4.4.1 独立式光伏发电系统的结构及工作原理独立式光伏发电系统的结构及工作原理图图4-26 独立式光伏发电系统的基本结构独立式光伏发电系统的基本结构 现在学习的是第11页，共28页12机械工业出版社机械工业出版社4.4.2 独立式光伏发电系统的储能与充放电控制技术独立式光伏发电系统的储能与充放电控制技术1、最大功率点跟踪控制器、最大功率点跟踪控制器 对于独立式光伏发电系统要实现光伏阵列的最大功率输出对于独立式光伏发电系统要实现光伏阵列的最大功率输出其实是其实是实现注入蓄电池的功率最大实现注入蓄电池的功率最大。因此，蓄电池的充电特性曲线。因此，蓄电池的充电特性曲线和光伏阵列的伏安特性曲线要始终相交于光伏电池的最大输出功率和光伏阵列的伏安特性曲线要始终相交于光伏电池的最大输出功率曲线上。曲线上。图图4-27 不同光照强度同一环境温度下的光伏电池最大功率曲线不同光照强度同一环境温度下的光伏电池最大功率曲线 现在学习的是第12页，共28页13机械工业出版社机械工业出版社 降压变换器实现降压变换器实现MPPT适配器的功能。在光伏阵列特性曲线适配器的功能。在光伏阵列特性曲线的每个最大功率点处，的每个最大功率点处，、固定，蓄电池的充电电压固定，蓄电池的充电电压 和和充电电流充电电流 可检测到，通过控制降压变换器的开关改变其占空比，可检测到，通过控制降压变换器的开关改变其占空比，即可实现光伏阵列的最大功率跟踪。即可实现光伏阵列的最大功率跟踪。2、降压及升压变换器（、降压及升压变换器（DC-DC Converter）图图4-28 降压变换器降压变换器现在学习的是第13页，共28页14机械工业出版社机械工业出版社 升压变换器主要应用于光伏发电系统向配电房直流输电，或升压变换器主要应用于光伏发电系统向配电房直流输电，或将光伏电池或蓄电池的低电压经升压变换后输出，向高压用电将光伏电池或蓄电池的低电压经升压变换后输出，向高压用电器供电。器供电。图图4-29 升压变换器升压变换器现在学习的是第14页，共28页15机械工业出版社机械工业出版社 通过调节充放电器的通过调节充放电器的直流电压和直流电流输出值直流电压和直流电流输出值，达到，达到对蓄对蓄电池充电电流或充电电压等不同目标的控制电池充电电流或充电电压等不同目标的控制，实现不同策略的，实现不同策略的充电控制。只有良好地应用蓄电池的充放电特性，实施充充电控制。只有良好地应用蓄电池的充放电特性，实施充放电管理，才能有效利用蓄电池，不缩短其寿命。放电管理，才能有效利用蓄电池，不缩短其寿命。铅酸蓄电池的充电过程主要包括充电程度判断、从放电状铅酸蓄电池的充电过程主要包括充电程度判断、从放电状态到充电状态的自动转换，以及充电各阶段模式的自动转换态到充电状态的自动转换，以及充电各阶段模式的自动转换和停止控制等方面。和停止控制等方面。3、蓄电池充放电控制器、蓄电池充放电控制器现在学习的是第15页，共28页16机械工业出版社机械工业出版社4.5 并网式光伏发电系统并网式光伏发电系统 并网式光伏发电系统一般由光并网式光伏发电系统一般由光伏阵列、并网逆变器、控制器和集伏阵列、并网逆变器、控制器和集成的继电保护装置组成。成的继电保护装置组成。逆变器逆变器将将光伏电池所发的电能逆变成正弦电光伏电池所发的电能逆变成正弦电流并入电网中；流并入电网中；控制器控制器控制光伏电控制光伏电池的最大功率点跟踪、控制逆变器池的最大功率点跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率，使向电网并网电流的波形和功率，使向电网传送的功率与光伏阵列所发的最大传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡；功率电能相平衡；继电保护系统继电保护系统可可以保证光伏系统和电网的安全性。以保证光伏系统和电网的安全性。图图4-30 并网式光伏发电系统的基本结构并网式光伏发电系统的基本结构现在学习的是第16页，共28页17机械工业出版社机械工业出版社 光伏阵列并网逆变器应具有以下特点：光伏阵列并网逆变器应具有以下特点：具有较宽的直流输入电压范围具有较宽的直流输入电压范围具有较高的可靠性和可恢复性具有较高的可靠性和可恢复性具有较高的逆变效率具有较高的逆变效率具有较小的输出失真度具有较小的输出失真度 作为光伏电池和交流电网间进行能量变换的逆变器，其安全性、作为光伏电池和交流电网间进行能量变换的逆变器，其安全性、可靠性、逆变效率、制造成本等因素对发电系统的整体投资和收可靠性、逆变效率、制造成本等因素对发电系统的整体投资和收益具有具足轻重的地位，因此逆变器是关键部件。益具有具足轻重的地位，因此逆变器是关键部件。现在学习的是第17页，共28页18机械工业出版社机械工业出版社 在并网式光伏发电系统中，逆变器起着如下作用：在并网式光伏发电系统中，逆变器起着如下作用：实现高质量的电能转换实现高质量的电能转换实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输出短路保护、实现系统的安全保护要求，如输出过载保护、输出短路保护、直流过压保护、交流过压和欠压保护、孤岛保护等直流过压保护、交流过压和欠压保护、孤岛保护等最大功率点跟踪最大功率点跟踪现在学习的是第18页，共28页19机械工业出版社机械工业出版社4.5.1 并网式光伏发电系统的结构及工作原理并网式光伏发电系统的结构及工作原理 并网式光伏发电系统中的逆变器按输入侧直流储能元件类型并网式光伏发电系统中的逆变器按输入侧直流储能元件类型可进一步划分为可进一步划分为电压型逆变电压型逆变和和电流型逆变电流型逆变两类；按拓朴结构又两类；按拓朴结构又可分为可分为单相半桥逆变电路单相半桥逆变电路，单相全桥逆变电路单相全桥逆变电路和和三相全桥逆三相全桥逆变电路变电路三种；按整流逆变的次数可分为三种；按整流逆变的次数可分为单极单极或或多级多级。现在学习的是第19页，共28页20机械工业出版社机械工业出版社图图431 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（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现在学习的是第20页，共28页21机械工业出版社机械工业出版社（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432 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现在学习的是第21页，共28页22机械工业出版社机械工业出版社 电流源型逆变器直流侧需要串联一个大电感提供稳定的电流源型逆变器直流侧需要串联一个大电感提供稳定的直流输入，但由于这一大电感往往会导致系统动态响应差，直流输入，但由于这一大电感往往会导致系统动态响应差，因此当前世界范围内大部分的并网逆变器均采用因此当前世界范围内大部分的并网逆变器均采用电压源型逆电压源型逆变器变器。现在学习的是第22页，共28页23机械工业出版社机械工业出版社（3）单级式并网逆变器）单级式并网逆变器图图433 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现在学习的是第23页，共28页24机械工业出版社机械工业出版社（4）两级式并网逆变器）两级式并网逆变器图图434 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现在学习的是第24页，共28页25机械工业出版社机械工业出版社（5）多级式并网逆变器）多级式并网逆变器图图435 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现在学习的是第25页，共28页26机械工业出版社机械工业出版社 在单极式并网逆变器中，在单极式并网逆变器中，MPPT控制、逆变控制、相位同步控制、逆变控制、相位同步等必须在同一个变换器中得到实现，系统组成简单，但各参变等必须在同一个变换器中得到实现，系统组成简单，但各参变量之间耦合程度高，控制算法比较复杂；量之间耦合程度高，控制算法比较复杂；对于两级式或多级式并网逆变器，对于两级式或多级式并网逆变器，MPPT控制一般在第一控制一般在第一级变换中实现，而逆变控制、相位同步、并网控制等在后级变级变换中实现，而逆变控制、相位同步、并网控制等在后级变换中实现，使整个系统控制的复杂程度降低，各级的控制精度换中实现，使整个系统控制的复杂程度降低，各级的控制精度都得到提高，但增加了更多的硬件成本。都得到提高，但增加了更多的硬件成本。现在学习的是第26页，共28页27机械工业出版社机械工业出版社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 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2.00/3.331.20/2.000.75/1.25CIS2.00/3.331.20/2.000.75/1.25CdTe1.50/2.501.20/2.000.75/1.25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）现在学习的是第27页，共28页28机械工业出版社机械工业出版社 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现在学习的是第28页，共28页