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光伏发电技术 1 .光伏电池的基本原理和等效电路 1 . 1 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。 1 .光伏电池的基本原理和等效电路 1 . 1 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。 1 .光伏电池的基本原理和等效电路 1 . 1 光伏发电基本原理 1 .光伏电池的基本原理和等效电路 1 .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 （ ell) 。单体电池的电压电流很小（0.45~0.50V 、 20 25mA/cm2) ， 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 . • • 1 .光伏电池的基本原理和等效电路 1 .2光伏电池阵列 • • Iph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。 • ID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。 • RS 、RSH均为光伏电池本身固有电阻 。 因RS很小、 RSH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 • 等效电路如图所示 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ISC • 与光伏电池的面积有关 ， 1cm2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UOC • 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 .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： • ( 2 - 1） • • ( 2 - 2 ) • ( 2 - 3） 为光伏电池内部等效二极管 P N 结反向饱和电流 为等效二极管端电压； 为热力学温度； 为 P N 结曲线 • U D • T • A 2 光伏电池的数学模型 • 2 .3实用方程 • 忽略RS 、RSH,则Iph≈ISC UD≈U,式(2-2)可化简为 : • • ( 2 - 4） 。 式中, • • • 2 光伏电池的数学模型 • 2 .3实用方程 • 在最大功率点处 ， 有IL= Im ,U=Um ， 可解出C1 • • ( 2 - 5） • 开路时 ， 有IL=0 ,U=UOC ， 可解出C2 • ( 2 - 6） • 由式(2-5) 、 (2-6)计算出C1 、C2即可由(2-4)确定光 伏电池的伏安特性曲线 光伏电池的数学模型 • 2 .4 伏安特性曲线 光伏电池的数学模型 • 2 .5 填充系数 • • • S 为光照强度 • Aall 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。 2 光伏电池的数学模型 • 2 .6 光伏电池的转换效率及其影响因素 2 光伏电池的数学模型 • 2 .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 。 2 光伏电池的数学模型 • 2 .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Im∝ISC∝S 。 则有 • • Um∝UOC∝lnS • pds 2 光伏电池的数学模型 • 2 .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。 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 光伏电池的分类 • • • 4光伏系统的组成 • 4. 1独立光伏系统 • • • 4光伏系统的组成 4. 1 独立光伏系统 • • 4光伏系统的组成 •4. 2 并网光伏系统 • 1)最小并网光伏系统 • • 4光伏系统的组成 2 )直流母线式并网光伏系统 • • 4光伏系统的组成 3 )交流母线式并网光伏系统 • 支路式 • • 集中式 • • • 4光伏系统的组成 3)交流母线式并网光伏系统 • • 交流模块式 • • 4光伏系统的组成 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 • • 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 Inverter s, Converters, Controllers, • and Interconnection System Equipment for Use With • Distributed Energy Resources • 4.EN 50530 : 2010 Overall efficiency of grid connected • Photovoltaic inverter s • IEC 61683 • IEC 61727 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 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/ Simu link 干扰观测法MPPT控制仿线 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
