第4章 太阳能光伏发电与控制技术PPT讲稿.ppt

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1、第4章 太阳能光伏发电与控制技术第1页，共112页，编辑于2022年，星期二机械工业出版社机械工业出版社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第2页，共112页，编辑于2022年，星期二4.1 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械工业

2、出版社机械工业出版社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第3页，共112页，编辑于2022年，星期二44.1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 太太阳阳是是太太阳阳系系的的中中心心天天体体，是是离离地地球球最最近近的的一一颗颗恒恒星，是炽热的气态球体。星，是炽热的气态球体。太太阳阳内内部部持持续续进进行行着着氢氢聚聚合合成成氦氦的的核核聚聚变变反反应应，不不断断释释放放巨巨大大的的能能量量，并并以

3、以辐辐射射和和对对流流的的方方式式由由核核心心向向表表面面传传递递热热量量，温温度度也从中心向表面逐渐降低。也从中心向表面逐渐降低。第4页，共112页，编辑于2022年，星期二5 地地面面辐辐射射的的时时空空变变化化特特点点是是：全全年年以以赤赤道道获获得得的的辐辐射射最最多多，极极地地最最少少。这这种种热热量量不不均均匀匀分分布布，必必然然导导致致地地表表各各纬纬度度的的气气温温产产生生差差异异，在在地地球球表表面面出出现现热热带带、温温带带和和寒寒带带气气候候；太太阳阳辐辐射射夏夏天天大大冬冬天天小小，它它导致夏季温度高而冬季温度低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

4、区太阳平均辐射强度kWh/(m2d)W/m2 热带、沙漠56210250温带35130210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（0.4um）分别占分别占50%、43%和和7%，即集中于短波波段，因此太阳辐射称为短波辐射，即集中于短波波段，因此太阳辐射称为短波辐射第5页，共112页，编辑于2022年，星期二6地球上的能流地球上的能流机

5、械工业出版社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图图4-4 4-4 地球上的能流地球上的能流 据测算，经过大气层削弱到达地据测算，经过大气层削弱到达地球的总辐射能高达球的总辐射能高达173000TW，即，即每秒钟照射到地球的能量相当于每秒钟照射到地球的能量相当于500万万t煤，地球上的生物依赖煤，地球上的生物依赖这些能量生存。这些能量生存。广义上讲：地球上的风能、水能、海洋广义上讲：地球上的风能、水能、海洋温差能、生物质能等都来源于太阳温差能、生物质能等都来源于太阳能，即使煤、石油等化石燃料也可能，即使煤、石油等化石燃料也可以说是远古储存的太阳能。以说

6、是远古储存的太阳能。狭义上讲：太阳能限于太阳辐射狭义上讲：太阳能限于太阳辐射的光热、光电和光化学的直接的光热、光电和光化学的直接转换转换第6页，共112页，编辑于2022年，星期二74.2 4.2 太阳能的技术应用太阳能的技术应用机械工业出版社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1太阳能采集太阳能采集（1）平板集热器）平板集热器 平板吸热，热损耗大平板吸热，热损耗大（2）真空管集热器）真空管集热器 吸热体封闭在真空管吸热体封闭在真空管内，提高热性能内，提高热性能（3）聚光集热器）聚光集热器 光学原理聚光，需要光学原理聚光，需要 跟踪太阳跟踪太阳第7页，

7、共112页，编辑于2022年，星期二8机械工业出版社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2太阳能的转换太阳能的转换（1）太阳能）太阳能热能转换热能转换 选择合适涂层使其吸收性能好且向外辐射小。选择合适涂层使其吸收性能好且向外辐射小。（2）太阳能）太阳能电能转换电能转换 方便能量的利用、传输和分配，太阳能电池效率低方便能量的利用、传输和分配，太阳能电池效率低(20%)（3）太阳能）太阳能氢能转换氢能转换 通过分解水转换成氢能。通过分解水转换成氢能。（4）太阳能）太阳能生物质能转换生物质能转换 通过光合作用将二氧化碳和水合成有机物。通过光合作用将二氧化碳和

8、水合成有机物。（5）太阳能机械能转换）太阳能机械能转换 2太阳能的转换太阳能的转换第8页，共112页，编辑于2022年，星期二9机械工业出版社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3太阳能贮存太阳能贮存（1）热能贮热）热能贮热 （2）电能贮存）电能贮存（3）氢能贮存）氢能贮存（4）机械能贮存）机械能贮存第9页，共112页，编辑于2022年，星期二10机械工业出版社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4太阳能传输太阳能传输（1）直接传输（光学原理：反射折射传输）直接传输（光学原理：反射折射传输）（2）间接传输（转为

9、热能、电能等传输。）间接传输（转为热能、电能等传输。）第10页，共112页，编辑于2022年，星期二11机械工业出版社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5.5.太阳能的利用太阳能的利用（1）太阳辐射的热能利用）太阳辐射的热能利用（2）太阳能光热利用）太阳能光热利用 （3）太阳能热发电）太阳能热发电（4）太阳能综合利用）太阳能综合利用 （5）太阳能光伏发电技术）太阳能光伏发电技术第11页，共112页，编辑于2022年，星期二12太阳能的利用太阳能的利用机械工业出版社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第12页，

10、共112页，编辑于2022年，星期二13机械工业出版社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第13页，共112页，编辑于2022年，星期二14机械工业出版社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第14页，共112页，编辑于2022年，星期二15尚德大型太阳能发电幕墙尚德大型太阳能发电幕墙机械工业出版社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第15页，共112页，编辑于2022年，星期二16机械工业出版社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

11、术第16页，共112页，编辑于2022年，星期二17美国最大的光伏发电站美国最大的光伏发电站-1机械工业出版社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第17页，共112页，编辑于2022年，星期二18美国最大的光伏发电站美国最大的光伏发电站-2机械工业出版社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第18页，共112页，编辑于2022年，星期二19机械工业出版社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第19页，共112页，编辑于2022年，星期二20机械工业出版社机械工业出版社第第4

12、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第20页，共112页，编辑于2022年，星期二21机械工业出版社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第21页，共112页，编辑于2022年，星期二22机械工业出版社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第22页，共112页，编辑于2022年，星期二23机械工业出版社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第23页，共112页，编辑于2022年，星期二24机械工业出版社机械工业出版社第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术

13、太阳能、光伏发电与控制技术第24页，共112页，编辑于2022年，星期二25机械工业出版社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第25页，共112页，编辑于2022年，星期二26机械工业出版社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第26页，共112页，编辑于2022年，星期二274.3 太阳能电池与光伏太阳能电池与光伏 发电原理发电原理4.3.1 太阳能电池太阳能电池 太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池（片），太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等种类。单晶有单晶硅、多晶

14、硅、非晶硅和薄膜电池等种类。单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。算器辅助电源等。机械工业出版社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第27页，共112页，编辑于2022年，星期二28太阳能电池原理太阳能电池原理 太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应，将太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应，将太阳辐射直接转换为电能。太阳辐射直接转换为电能。所谓光电效应，就是指物体在吸收光能后，所谓光电效应，就是指物体在吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发其内部能传导电流的载流子

15、分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。在生变化，由此产生出电流和电动势的效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半导体光伏效应的效率最高。导体光伏效应的效率最高。机械工业出版社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第28页，共112页，编辑于2022年，星期二291.半导体的内部结构半导体的内部结构 机械工业出版社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图图4-5 4-5 一般的半导体结构一般的半导体结构第29页，共112页，编辑于2022年，星期二30

16、2.P型半导体的结构型半导体的结构 机械工业出版社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图图4-6 P4-6 P型半导体型半导体第30页，共112页，编辑于2022年，星期二313.N型半导体的结构型半导体的结构 机械工业出版社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图图4-7 N4-7 N型半导体型半导体第31页，共112页，编辑于2022年，星期二324.太阳能电池晶片的组成太阳能电池晶片的组成 机械工业出版社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图图4-8 4-8 太阳电

17、池晶片太阳电池晶片第32页，共112页，编辑于2022年，星期二335.太阳能晶片受光的物理过程太阳能晶片受光的物理过程 机械工业出版社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图图4-9 4-9 太阳能晶片受光的物理过程太阳能晶片受光的物理过程 第33页，共112页，编辑于2022年，星期二34太阳能电池的分类太阳能电池的分类 1.单晶硅太阳能电池单晶硅太阳能电池 效率高（可达效率高（可达20%）2.多晶硅太阳能电池多晶硅太阳能电池 电池含多个不同晶粒组成，效率低（电池含多个不同晶粒组成，效率低（13-15%）但工艺简单，可大规模生成但工艺简单，可大规模生

18、成3.非晶硅太阳能电池非晶硅太阳能电池 主要应用于消费市场，如手表、玩具。效率（主要应用于消费市场，如手表、玩具。效率（5-7）%机械工业出版社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第34页，共112页，编辑于2022年，星期二354.3.2 太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电原理 机械工业出版社机械工业出版社1.太阳能电池阵列太阳能电池阵列2.逆变器逆变器3.用电设备用电设备4.进户计量仪表进户计量仪表第第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第35页，共112页，编辑于2022年，星期二363.光伏系统分类光伏系统分类（1）小型太

19、阳能供电系统（）小型太阳能供电系统（Small DC）该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。如在我国的西北地区大面积推广整个系统结构简单，操作简便。如在我国的西北地区大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、家用电器等，使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、家用电器等，用来解决无电地区家庭的基本照明和供电问题。用来解决无电地区家庭的基本照明和供电问题。机械工业出版社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图图4-11 小型太阳能供电系统小型太阳能

20、供电系统 第36页，共112页，编辑于2022年，星期二37（2）简单直流系统（）简单直流系统（Simple DC）该系统的特点是系统中负载为直流负载，而且负载的使用时间没有该系统的特点是系统中负载为直流负载，而且负载的使用时间没有特别要求，负载主要在日间使用，系统中没有蓄电池，也不需要控制器。特别要求，负载主要在日间使用，系统中没有蓄电池，也不需要控制器。整个系统结构简单，直接使用太阳能电池阵列给负载供电，光伏发电的整个系统结构简单，直接使用太阳能电池阵列给负载供电，光伏发电的整体效率较高。如光伏水泵就使用了这种类型的光伏系统。整体效率较高。如光伏水泵就使用了这种类型的光伏系统。机械工业出版

21、社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图图4-12 简单直流供电系统简单直流供电系统 第37页，共112页，编辑于2022年，星期二38（3）大型太阳能供电系统（）大型太阳能供电系统（Large DC）该系统的特点是系统中用电器也是直流负载，但负载功率比较大，整个系统的规模也比较该系统的特点是系统中用电器也是直流负载，但负载功率比较大，整个系统的规模也比较大，需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。常应用于通信、遥测、监测设备电大，需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村集中供电站，航标灯塔、路灯等领域

22、。如在我国的西部地区部分乡村光伏电站使用源，农村集中供电站，航标灯塔、路灯等领域。如在我国的西部地区部分乡村光伏电站使用了这种类型的光伏系统，中国移动和中国联通公司在偏僻无电地区的通信基站等。了这种类型的光伏系统，中国移动和中国联通公司在偏僻无电地区的通信基站等。机械工业出版社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图图4-13 大型太阳能供电系统大型太阳能供电系统 第38页，共112页，编辑于2022年，星期二39 该系统的特点是系统中同时含有直流负载和交流负载，整个系统结构比较复杂，整个该系统的特点是系统中同时含有直流负载和交流负载，整个系统结构比较复

23、杂，整个系统的规模也比较大，同样需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。如在一些系统的规模也比较大，同样需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。如在一些同时具有交流和直流负载的通信基站或其他一些含有交流和直流负载的光伏电站中使用了同时具有交流和直流负载的通信基站或其他一些含有交流和直流负载的光伏电站中使用了这种类型的光伏系统。这种类型的光伏系统。（4）交流、直流供电系统（）交流、直流供电系统（AC/DC）机械工业出版社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图图4-14 交流、直流供电系统交流、直流供电系统 第39页，共112页，编辑于2022

24、年，星期二40（5）并网系统（）并网系统（Utility Grid Connect）这种系统的最大特点是太阳能电池阵列转换产生的直流电经过三相逆变器（这种系统的最大特点是太阳能电池阵列转换产生的直流电经过三相逆变器（DC/AC）转）转换成为符合公共电网要求的交流电并直接并入公共电网，供公共电网用电设备使用和远换成为符合公共电网要求的交流电并直接并入公共电网，供公共电网用电设备使用和远程调配。这种系统中所用的逆变器必需是专用的并网逆变器，以保证逆变器输出的电力程调配。这种系统中所用的逆变器必需是专用的并网逆变器，以保证逆变器输出的电力满足公共电网的电压、频率和相位等性能指标的要求。这种系统通常能

25、够并行使用市电满足公共电网的电压、频率和相位等性能指标的要求。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能电池阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率；而在夜晚和太阳能电池阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率；而在夜晚或阴雨天气，本地交流负载的供电可以从公共电网获得。或阴雨天气，本地交流负载的供电可以从公共电网获得。机械工业出版社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图图4-15 并网发电系统并网发电系统 第40页，共112页，编辑于2022年，星期二讨论讨论 如果太阳能发电给交流负载供电，则采用独立发电形式和并网发电形式电路结构

26、有何区别？控制方式有何区别？第41页，共112页，编辑于2022年，星期二42图图4-10 典型的光伏发电系统典型的光伏发电系统 6.太阳能太阳能光伏发电系统的典型结构光伏发电系统的典型结构机械工业出版社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第42页，共112页，编辑于2022年，星期二432.系统组成系统组成（1）太阳能电池组件：由太阳能电池（也称光伏电池）按照系统的需）太阳能电池组件：由太阳能电池（也称光伏电池）按照系统的需要串联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下将太阳能转换成要串联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下将太阳能转换成电能，它

27、是光伏发电的核心部件。电能，它是光伏发电的核心部件。（2）充放电控制器、逆变器控制）充放电控制器、逆变器控制 本部分除了对蓄电池或其他中本部分除了对蓄电池或其他中间蓄能元件进行充放电控制外，一般还要按照负载电源的需求间蓄能元件进行充放电控制外，一般还要按照负载电源的需求进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用。电设备使用。（3）蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备）蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备 蓄电池或其他蓄能元件如蓄电池或其他蓄能元件如超导、超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能储存起来，超导、超级电容器等是将太阳

28、能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的以使无光照时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。需求。机械工业出版社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第43页，共112页，编辑于2022年，星期二4.4.1 4.4.1 光伏阵列的组成与输出特性光伏阵列的组成与输出特性机械工业出版社机械工业出版社44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4.4 MPPT光伏发电变换与控制技术光伏发电变换与控制技术1光伏电池的电特性光伏电池的电特性光伏电池的等效电路如图光伏电池的等效电路如图

29、4-18.第44页，共112页，编辑于2022年，星期二45 电流电流I为太阳能电池输出电流，为太阳能电池输出电流，Id等效为光电池的暗电流，等效为光电池的暗电流，IRsh 为漏电流，为漏电流，ILG为为光电池电流源，光电池电流源，Rsh为光伏电池的并联等效电阻；为光伏电池的并联等效电阻；Rs：光伏电池的串联等效电：光伏电池的串联等效电阻。阻。图图4-18 4-18 光伏电池等效电路图光伏电池等效电路图机械工业出版社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第45页，共112页，编辑于2022年，星期二46光伏电池的输出特性方程：光伏电池的输出特性方程：式中

30、：式中：并联电阻并联电阻RshRsh越大，不会影响短路电流的数值。所以下面设计中忽略越大，不会影响短路电流的数值。所以下面设计中忽略RshRsh，得到，得到简化的光伏电池输出特性方程：简化的光伏电池输出特性方程：I：光伏电池输出电流；：光伏电池输出电流；V：光伏电池输出电压；：光伏电池输出电压；IOS：光伏电池暗饱和电流：光伏电池暗饱和电流；T：光伏电池的：光伏电池的表面温度；表面温度；k：波尔兹曼常数：波尔兹曼常数(1.38*10-23 J/K)；q：单位电荷：单位电荷(1.6*10-19C)；K1：短路：短路电流的温度系数；电流的温度系数；ISCR：标准测试条件（光伏电池温度：标准测试条件

31、（光伏电池温度25，日照强度为，日照强度为1000W/m2）下，）下，光伏电池的短路电流；光伏电池的短路电流；ILG：光电流；：光电流；EGO：半导体材料的禁带宽度；：半导体材料的禁带宽度；Tr：参考温度：参考温度(301.18。K)；Ior：Tr下的暗饱和电流；下的暗饱和电流；A,B：理想因子，一般介于：理想因子，一般介于1和和2之间之间 机械工业出版社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第46页，共112页，编辑于2022年，星期二47光伏电池模型光伏电池模型机械工业出版社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

32、术参考文献：参考文献：茆美琴，余世杰，苏建徽茆美琴，余世杰，苏建徽.带有带有MPPT MPPT 功能的光伏阵列功能的光伏阵列Matlab Matlab 通用仿真模型通用仿真模型J.J.系统仿系统仿真学报真学报.2005.17.2005.17（5 5）:1248-1251.:1248-1251.第47页，共112页，编辑于2022年，星期二48机械工业出版社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2光伏电池的伏安特性光伏电池的伏安特性2光伏电池的伏安特性光伏电池的伏安特性图图420 光伏电池的伏光伏电池的伏安特性安特性 第48页，共112页，编辑于2022年

33、，星期二机械工业出版社机械工业出版社49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 当负载当负载RL从从0变化到无穷大时，即可得到如图所示太阳能电池变化到无穷大时，即可得到如图所示太阳能电池输出特性曲线。调节负载电阻输出特性曲线。调节负载电阻RL到某一值到某一值Rm时，在曲线上得时，在曲线上得到一点到一点M，其对应的工作电压和工作电流之积最大，即，其对应的工作电压和工作电流之积最大，即Pm=Im*Vm，将此，将此M点定义为最大功率输出点（点定义为最大功率输出点（MPP）。）。光伏电池的输出特性图光伏电池的输出特性图 第49页，共112页，编辑于2022年，星期二50 MP

34、PT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，然后控制电流（或电压）向当前工作化关系，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，最后控制电流（或电压）在峰值功率点附近一定范围内来回摆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。动。图图4-22 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 机械工业出版社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

35、电与控制技术4.4.1 光伏阵列的组成与输出特性光伏阵列的组成与输出特性 3MPPT工作原理工作原理第50页，共112页，编辑于2022年，星期二51 在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，也就在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，也就是让光伏电池工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率。是让光伏电池工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率。MPPT就是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程，它不需要知就是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程，它不需要知道光伏阵列精确的数学模型，而是在运行过程中不断改变可控参数的道光伏阵列精确的数学模型，而是在运行过程中不

36、断改变可控参数的整定值，使得当前工作点逐渐向峰值功率点靠近，使光伏系统运作在整定值，使得当前工作点逐渐向峰值功率点靠近，使光伏系统运作在峰值功率点附近。峰值功率点附近。机械工业出版社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第51页，共112页，编辑于2022年，星期二常用的常用的MPPTMPPT控制算法控制算法1、定电压跟踪法：先求得或设置某一中心电压，通过控制使光伏阵列的输出电压一直保持该电压，从而使光伏系统输出功率达到或接近最大功率输出值。2、扰动观察法：第52页，共112页，编辑于2022年，星期二3、增量电导法 根据光伏阵列的P/U曲线，当输出功率

37、为P最大时，即Pmax处的斜率为零。可得：4、模糊逻辑控制法：根据温度、光照等参数进行逻辑推算。5、最优梯度法：以梯度算法为基础的多维无约束最优化问题的数值计算方法。第53页，共112页，编辑于2022年，星期二544.4.2 光伏发电充电控制策略光伏发电充电控制策略机械工业出版社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1 铅酸蓄电池工作原理铅酸蓄电池工作原理 蓄电池的两组极板都浸在稀硫酸溶液里，如果通以适当电流，蓄电池的两组极板都浸在稀硫酸溶液里，如果通以适当电流，则正极板上的硫酸铅就变成棕褐色的二氧化铅（则正极板上的硫酸铅就变成棕褐色的二氧化铅（PbO

38、2，也称过，也称过氧化铅），负极板上的硫酸铅变成灰色的海绵状铅（氧化铅），负极板上的硫酸铅变成灰色的海绵状铅（Pb）。）。放电时，正负极板上的活性物质都吸收硫酸，逐渐变成硫酸放电时，正负极板上的活性物质都吸收硫酸，逐渐变成硫酸铅（铅（PbSO4）。当大部分活性物质变成硫酸铅（）。当大部分活性物质变成硫酸铅（PbSO4）后，）后，蓄电池的电压就下降到不能再放电了。蓄电池到了这个时候蓄电池的电压就下降到不能再放电了。蓄电池到了这个时候就需要充电，使硫酸铅重新恢复为正极的二氧化铅和负极的就需要充电，使硫酸铅重新恢复为正极的二氧化铅和负极的海绵状铅，供继续放电使用。海绵状铅，供继续放电使用。第54页，

39、共112页，编辑于2022年，星期二正极板正极板 负极板负极板 第55页，共112页，编辑于2022年，星期二2 铅酸蓄电池充电过程分析铅酸蓄电池充电过程分析第56页，共112页，编辑于2022年，星期二3 铅酸蓄电池充电控制策略铅酸蓄电池充电控制策略 缺点：由于光伏电池输出特性依赖于外界环境，实际应用中往往不能使缺点：由于光伏电池输出特性依赖于外界环境，实际应用中往往不能使光伏电池输出最大电流，从而延长充电时间。光伏电池输出最大电流，从而延长充电时间。第57页，共112页，编辑于2022年，星期二光伏发电蓄电池充电策略光伏发电蓄电池充电策略 第58页，共112页，编辑于2022年，星期二1）

40、充电开始阶段，设置最大充电电流为C/10，此时只要充电电流不超过最大允许充电电流，进行最大功率点跟踪，光伏电池输出最大功率给蓄电池充电，如果由于光照强度较大引起充电电流大于最大允许充电电流，则退出最大功率点跟踪控制，此时以最大允许充电电流给蓄电池充电；一旦光照强度减弱导致充电电流小于最大允许充电电流，此时重新进行最大功率点跟踪控制，使光伏电池输出最大功率。2）充电过程中，一旦蓄电池两端电压上升到某一设定值，逐步减小最大允许充电电流，如图中曲线C2、C3、Cn所示。以不同充电速率重复上面充电过程，经过若干次循环后，最大允许充电电流下降到C/100，此时蓄电池完全充满。第59页，共112页，编辑于

41、2022年，星期二 4 充电控制器电路设计充电控制器电路设计 uk充电控制器主电路充电控制器主电路 第60页，共112页，编辑于2022年，星期二工作原理 开关管开关管Vr导通期间导通期间 开关管开关管Vr截止期间截止期间第61页，共112页，编辑于2022年，星期二基于DSP的充电电路结构第62页，共112页，编辑于2022年，星期二第63页，共112页，编辑于2022年，星期二4.5 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机械工业出版社机械工业出版社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 光伏光伏阵阵列并网逆列并

42、网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构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第64页，共112页，编辑于2022年，星期二机械工业出版社机械工业出版社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4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.

43、1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构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第65页，共112页，编辑于2022年，星期二机械工业出版社机械工业出版社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 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构3单级式并网逆变器单级式并网逆变器图图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

44、第66页，共112页，编辑于2022年，星期二机械工业出版社机械工业出版社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 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构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第67页，共112页，编辑于2022年，星期二机械工业出版社机械工业出版社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 光伏光伏阵阵列并网逆列并网

45、逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构图图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第68页，共112页，编辑于2022年，星期二机械工业出版社机械工业出版社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 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构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

46、电路拓扑多级式并网逆变器的电路拓扑第69页，共112页，编辑于2022年，星期二机械工业出版社机械工业出版社70第第4章章 太阳能、光伏发电与控制技术太阳能、光伏发电与控制技术4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构4.5.1 光伏光伏阵阵列并网逆列并网逆变变器的器的结结构构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

47、相同。第70页，共112页，编辑于2022年，星期二由于由于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电网电压可表示为：第71页，共112页，编辑于2022年，星期二并网控制策略并网控制策略第72页，共112页，编辑于2022年，星期二第73页，共112页，编辑于2022年，星期二3仿真（参见示例）仿真（参见示例）第74页，共112页，编辑于2022年，星期二4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.信号采集信号采集第75

48、页，共112页，编辑于2022年，星期二第76页，共112页，编辑于2022年，星期二信号采集信号采集其中其中R82=R89=R;R87=R83=2R第77页，共112页，编辑于2022年，星期二程序设计程序设计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）第78页，共112页，编辑于2022年，星期二3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第79页，共112页，编辑于2022年，星期二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

49、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；第80页，共112页，编辑于2022年，星期二5)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

50、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。第81页，共112页，编辑于2022年，星期二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。第82页，共112页，编辑于2022年，星期二4.6 4.6 光伏发电的制约因素与经济技术评价光伏发