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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—— 引言 首先探讨光伏电池原理，重点掌握光伏电池伏安特 性。 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。 在掌握光电池原理基础上，讨论工作原理，重 点把握各类提高光伏发电量的作用。 目 录 目 录 一、太阳能光伏发电原理 二、光伏并网逆变器 三、太阳能 一、太阳能光伏发电原理 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 1.典型并网光伏发电系统原理 1.典型并网光伏发电系统原理 与建筑结合的并网光伏发电系统（BIPV） 理 理 原 原 电 电 发 发 伏 伏 光 光 能 能 阳 阳 太 太 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，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） 1.典型并网光伏发电系统原理 1.典型并网光伏发电系统原理 并网光伏发电站 1、光伏电池 理 理 原 原 电 电 发 发 伏 伏 光 光 能 能 阳 阳 太 太 2、 3、汇流箱 4、直流屏 5、逆变器 6、升压站 7、其它设备 2.光伏电池原理 2.光伏电池原理 理 理 原 原 电 电 发 发 伏 伏 光 光 能 能 阳 阳 太 太 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)，同时分离电子与空穴而形成电压降，再经由导线. 光能到电能转换只有在P-N结界面活性层 理 理 原 原 电 电 发 发 伏 伏 光 光 能 能 阳 阳 太 太 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 2.光伏电池原理(电池\组件\阵列) 2.光伏电池原理(电池\组件\阵列) 理 理 原 原 电 电 发 发 伏 伏 光 光 能 能 阳 阳 太 太 3.光伏电池组件电气特性 –预备知识 3.光伏电池组件电气特性 –预备知识 直流电是指方向不随时间发生改变的 器 变 逆 网 并 伏 光 电流，但电流大小可能不固定，而产 器 变 逆 网 并 伏 光 生波形。 3.光伏电池组件电气特性 3.光伏电池组件电气特性 理 理 原 原 电 电 发 发 伏 伏 光 光 能 能 阳 阳 太 太 3.光伏电池组件电气特性 3.光伏电池组件电气特性 太阳电池的I-V特性及功率曲线 理 理 原 原 电 电 发 发 伏 伏 光 光 能 能 阳 阳 太 太 3.光伏电池组件电气特性 3.光伏电池组件电气特性 理 理 原 原 电 电 发 发 伏 伏 光 光 能 能 阳 阳 太 太 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)/(Isc*Voc), 3.光伏电池组件电气特性 3.光伏电池组件电气特性 二、光伏并网逆变器 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 １.从“名字”谈起 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 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） ２.逆变器重要么？ ２.逆变器重要么？ 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 ２.逆变器重要么？ ２.逆变器重要么？ 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 ２.逆变器重要么？ ２.逆变器重要么？ 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 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，非常重要，是光伏并网发电 系统核心部件,具有很高经济价值。 3.相关的交流电知识 3.相关的交流电知识 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 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 正弦波 (sine wave) 。 锯齿形波 (sawtooth wave) 方形波 (square wave) 3.相关的交流电知识 3.相关的交流电知识 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 u(t) 2U sin(2π ft =+θ) 对任意交流电压频率固定，例如： f 50Hz U U=∠θ 同样，对任意交流电流，频率固定： (t) 2I sin(2π ft =+θ) Im sin(2πft =+θ) ⇔I I=∠θ 3.相关的交流电知识 3.相关的交流电知识 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 U RI 3.相关的交流电知识 3.相关的交流电知识 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 X L ωL 2πf L 3.相关的交流电知识 3.相关的交流电知识 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 1 1 X C ωC 2πf C o o o U −jXC I =∠−90 XcI∠90 U=∠0 3.相关的交流电知识 3.相关的交流电知识 =+ + U U U U R L C 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 RI =+jX L I −jX C I RI =+j (X L −X C )I ZI X −X ϕ arctan L C R 3.相关的交流电知识 3.相关的交流电知识 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 将电压三角形的各个边乘以电流I，就可得到功率三角形。 ϕ P ＝U I＝S cos （W） R Q ＝Q －Q S sin （var） L C ϕ P S ＝U I ＝ P 2 +Q2 ＝ （VA） cosϕ 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。 P 功率因数： λ cos ϕ S 4.光伏并网逆变器系统 4.光伏并网逆变器系统 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 4.光伏并网逆变器系统 4.光伏并网逆变器系统 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 5.逆变原理（输出电流波形控制） 5.逆变原理（输出电流波形控制） 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 图 逆变器简化原理图 5.逆变原理（输出电流波形控制） 5.逆变原理（输出电流波形控制） 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 图 逆变器等效电路 图 等效电路图矢量分析 5.逆变原理（输出电流波形控制） 5.逆变原理（输出电流波形控制） 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 图 交流电生成 5.逆变原理（输出电流波形控制） 5.逆变原理（输出电流波形控制） 用一系列等幅不等宽的脉冲来代替 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 一个正弦半波 a) u –正弦半波N等分，可看成N个彼此相 连的脉冲序列，宽度相等，但幅值 O ωt 不等 u –用矩形脉冲代替，等幅，不等宽， b) 中点重合，面积（冲量）相等 O ωt –宽度按正弦规律变化 用PWM波代替正 弦半波 SPWM波形——脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等 效的PWM波形 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 5.逆变原理（输出电流波形控制） 5.逆变原理（输出电流波形控制） u u u c r 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 正弦波PWM调制方式(单极性) O uo ωt u ug1=1 T1通 Uo u d of 当u 0 u =0 T2断 r g2 控制电压的分 O ωt 布： u =1 T2通 电路中，T1、 当u 0 g2 -U r u =0 T1断 d T2为频控臂： g1 即u 和u 互为反相，并受u 极性控制。其频率为调制信号的频率。 g1 g2 r 5.逆变原理（输出电流波形控制） 5.逆变原理（输出电流波形控制） 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 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。 1 2 实际电流i(t) ∑ In sin(2nπ ft =+θn ) 1 ⎛ ∞ 2 ⎞ n 1,2,3,4 总谐波系数THD ⎜ ∑ In ⎟ I 1 ⎝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 6.MPPT原理 结论：为了从光 伏电池中获取更 多的电能，充分 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 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。 6.MPPT原理 6.MPPT原理 MPPT－Maximum Power Point Tracking（最大功率点 器 器 变 变 逆 逆 网 网 并 并 伏 伏 光 光 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。 6.MPPT原理 6.
