光伏发电系统.ppt

光伏发电系统构成,Array,控制器,蓄电池,逆变器,交流负载,直流负载,组件串联要求各组件具有相同电流容量，输出电压为各组件之和组件并联各组件具有相同电压输出，阵列输出电流为各族简直和,一个电池额定电压0.45V，一个板由3640个电池串联，总输出1618V，可为12V蓄电池充电,阵列组成,各板串联后再并联依据逆变器工作点电压和电流与电池板最大功率点电压和电流相匹配原则,构建350V，20A光伏阵列20个最大工作点电压为17.5V电池板串联，（每个板容量120W或75W）构成工作点电压350V；（1）3串20组串联、容量120W组件并联120/17.56.8A6.8*320.4A（2）5串20组串联，容量为75W组件并联75/17.54.28A4.28*521.2A,二极管（1）屏蔽蓄电池或逆变器向光伏电池送电；（2）串联组件上并联二极管，某组件被遮挡不影响别的组件；（3）每串中串联二极管，在并联，防止某串遮挡而影响其他，隔离二极管（4）稳压管在阵列终端,阵列安装,1、入射角尽量小，光线准直入射阵列2、倾角需每个季度调整倾角，通常在当地纬度加5度3、一年调整两次，春分当地倾角减11度45分，秋分开始当地纬度11度45分4、方位角太阳偏离东西方向的角度，太阳每小时移动15度24分，24小时移动360度。5、正南方确定立竿见影，最短的杆影对应的太阳方向为正南,固定安装阵列，接收能量因子2/π0.637，即损失约36.3的能量。昼夜变化影响因子0.5赤道上无云遮挡太阳辐射1kw/m2，则当地1m2的阵列一天接收太阳辐射,占地计算以多晶硅15效率计算，电池板150Wp/m2，支架倾角等，100Wp/m2，1MW阵列占地10000m215亩电池板功率选择用电最大负荷、平均最大日用电，当地四季平均日照。再考虑备用电源，逆变器。,太阳跟踪系统,对光伏系统影响1、25度角入射阵列比垂直入射输出降低102、理想跟踪系统提高能量收集效率30已上聚光40倍的系统，0.5度跟踪偏差→输出效率下降10；跟踪偏差大于5.5度→聚光点偏离电池，输出功率降为零,双轴跟踪系统,1、东西水平轴跟踪系统；2、南北水平轴跟踪系统3、极轴跟踪系统方位角0，倾斜角当地纬度，在极轴上的阵列以地球自转角速度转动（15度/h）,单轴跟踪系统,1、水平轴跟踪系统阵列绕垂直轴改变方位角，绕水平轴改变仰角，跟踪太阳高度,2、赤道轴跟踪系统平行天轴（地轴）极轴，平行于天赤道的赤纬轴。极轴成南北向，倾角成当地纬度，调整水平，等于太阳赤纬度，阵列对准太阳，以15度/转动,负载特性,接入负载要求要严格计算和限制接入的负载；选用节能型负载；合理安排用电,负载评估1、静态评估实际额定电流、电压、额定有功功率、额定无功功率、日耗电2、动态评估负载实际用电时间特性、负载启动特性、负载动态频率特性,最大功率点匹配使负载工作点接近阵列最大工作点，阵列输出最大,阻性负载伏安特性为电阻特性感性负载电阻与电感组合，开关时有感应引起的浪涌电流容性负载电阻与电容组合，开关时有充放电的时间延续,负载实际耗电一般额定总负载功率发电系统额定功率（负载不是同时工作）负载动态特性负载启动特性产生的浪涌电流对系统产生冲击,变换器,直流变换器将直流电压电流→不同等级的电流电压交流变换器（逆变器）直流→交流,太阳能最大功率点控制器调节负载功率，使阵列输出电压在最大功率点处，达到阵列输出最大蓄电池充电控制器DC/DC变换，控制直流电压电流，达到不同方式对蓄电池充电（恒流或恒压）升降压变换器DC/DC变换，升压变换器、降压变换器交流逆变器DC/AC变换，无源逆变器作为离网工作光伏电站；有源逆变器作为并网光伏电站,离网系统,Array,工作点控制器,电源变换器,负载,蓄电池,户用光伏系统几十几百瓦，白天发电蓄电，夜晚用电小型系统,独立光伏电站阵列、蓄电池、变换器、能量管理器、配电、输电系统白天蓄电池充电，负载供电；夜晚，蓄电池逆向放电，实现对负载供电,能量管理器实现同时给多个负载用电与蓄电池充电之间能量分配；可调节负载为匹配阵列的最大功率点，负载中有可调节性负载（蓄电池充电负荷，变频器带动的光伏泵）,光伏照明系统,光伏储能系统天白光伏电池对蓄电池充电储能，晚间蓄电池对用电器释放能量,光伏照明系统输出照明系统的额定电压不是固定的220V，具体视负载而定升压电路将蓄电池电压升到220V市电,光伏工作点控制最大功率点跟踪控制（MPPT）需芯片实时跟踪和控制光伏电池输出率点恒电压工作点控制（CVT）只需模拟电路控制输出电压工作点MPPT较CVT复杂，但CVT比MPPT多损失5-10的功率。,高压气体放电照明系统150W、250W、400W，直流生压电路、高频逆变电路、电子镇流与起辉电路,蓄电池充电策略合适的充电方法可以延长电池寿命，提高充电效率考虑电压温度系数CT，蓄电池浮充电压UpUp0（T-T0）CT蓄电池要选择通常达不到浮充，在快充阶段的容量，每日放电深度4050,光伏水泵,光伏发电系统,变频器调节功率平衡,水泵系统,蓄电池,变频器1、光伏发电较高时，控制水泵在高速运行，较低时，水泵低速运行2、实现光伏发电最大功率点跟踪与控制3、阵列最大工作点电压变频器额定直流工作电压,蓄电池光伏电池选择1、蓄电池光伏电池容量较大，出早晚时段，中午也可以充电2、蓄电池光伏电池容量略小，中午不能充电，蓄电池作为电源稳定器和光能存储器,,,扬水,充电,充电,扬水,充电扬水,1000,1600,1800,800,风-光互补发电系统,风力发电,光伏发电,夜间风力较大，补充光伏发电的不足，不稳定能源,白天发电，补充风力较小，较稳定能源,稳定的用电负载,光伏发电,风力发电,蓄电池,燃气发电机,设计原则,1、充分调研风能-光能资源评估2、适当选择蓄电池和燃气电机容量负载评估3、运行及供电方式，要考虑系统可维护性控制及管理策略,,风光互补发电系统,并网系统,不用考虑负载供电稳定性；光伏电池运行在最大功率点；省略储能蓄电池,组成光伏阵列、逆变器、控制器控制器控制跟踪阵列最大功率点；控制逆变器并网电流波形与功率；控制电网转送功率与阵列最大功率平衡,Array,,MPPT,DC/DCconvertor,,Driver,PWMControl,,,,,PT,,Reactor,并网电抗调节阵列输出电流变化，电感L越大，系统输出电流变化越小,并网逆变器,,idc,采用桥式电路，输出并入电网调节桥式电路输出相位与幅度，送出有功电流，实现并网,uac,L,C,电感，电容调节输出电流波形,电流（压）源逆变器,,,,并网控制,最大功率点控制MaximumpowerpointtrackingMPPT实时控制系统工作状态，跟踪阵列最大功率点，实现最大输出功率波形跟踪和控制波形跟踪PWM，将阵列电流跟踪电网参考电流，控制电流波形变化接入保护防止线路故障与功率失稳，阵列影响电网，电网影响阵列；低压保护、过压保护、低频保护、过频保护、过流保护、孤岛保护,孤岛效应阵列与电网的链接断开后，逆变器失去电网的参考电压，光伏阵列成为孤岛，之后再接通时可能产生功率适配使连接变得复杂,孤岛检测功率调节器检测孤岛效应，并实现电压的自动调整,有功无功综合控制当逆变器只向电网输出有用功率而无无用功率注入，恶化交流系统的功率因数,瞬时无功补偿理论；扰动器补偿增加一个扰动器，产生不同于逆变器输出的偏离，同时输出到电网，即有无功功率注入网络,能量管理,控制光伏阵列在最大功率点（MPP）出运行；在离网系统中，对蓄电池的充放电进行管理,预测负载情况；评估光伏综合系统电池状态；实现光伏电力在蓄电池和多种负载间的合理调配,负荷调控电器性负荷照明、多种电子产品电动机动力负荷通过调压和供电频率调节，具有变频器的光伏水泵，变频器具有DC/AC性能，光伏系统直接供其直流。变频器采用调频的方式调节交流负荷,蓄电池充电负荷调节负载时刻调节电流实现电池板的最大功率点匹配,硅光伏电池输出,通过最小二乘法拟合，可以确定各个参数,阵列输出特性,在忽略光电池分布效应；照射不均产生的温度梯度；阴影遮挡；遮挡造成的恒流条件下对输出电压的限制,U,P,高压区，电流很小，内阻大，具有恒压源特性低压区，电流很大，内阻小，具有恒流源特性电压源和电流源的交点处就是功率最大点光伏电池作为电压源可接电压型负载，作为电流源可接电流型负载,不同照度,不同照度,温度影响,,,,,,,,,,U,U,I,P,当温度升高系统开路电压下降短路电流则略有升高,当温度升高系统最大功率下降,功率点控制,,,,,,U,I,,,Pm,L,不同照度下，阵列最大功率点在Um线上,Um,负载特性曲线L与阵列特性曲线交点负载工作点工作点与最大功率点差阻抗失配引起的功率损失工作点接近最大功率点阻抗匹配,CVT（constantvoltagetracking采用阻抗变换，使工作点电压保持在Um附近，输出功率为最大功率,直接匹配与CVT的功率差值负载线与最大功率点曲线线之间面积,CVT不足阵列温度升高，最大功率点移动，输出功率产生较大功率损失,MPPT（最大功率点跟踪）,,,,,,1,2,,L2,L1,B‘,A’,A,B,系统运行在最大功率点A当阵列特性曲线由1→2为保持最大输出，负载特性也应由L1→L2，使系统仍运行在最大功率点B处,U,I,MPPT当最大功率点变化后，跟踪变化使工作点也相应变化,CVT可以很好的控制输出电压波动MPPT能有效地提升输出功率实验得到MPPT较CVT能提高9的输出能量,MPPT稳态特性,采用一阶差分，对阵列输出电压电流采样,MPPT算法,MPPT动态特性,MTTP算法轨迹在最大功率点附近摆动,,,,,,U,I,,Pm,Um,,,,,,电压型逆变器功率恒定特性输入电压降低时，电流增大，使功率稳定不利导致阵列在低电压下，电流源区域成为不稳定工作区,,A,C,B,,,,A点为最大功率点，当光照↑，等功率点有B和C当有干扰使功率有减小变化时C点电压↓→电流↑，但电流变化电压变化，补偿功率减小。回到干扰前状态B点是稳定工作区,MPPT能自主动态寻优，但在电压型逆变器负载，低电压稳定性较差,改进MPPT,VoltagevarietyspeedlimitedMPPT电压受限MPPTVVSL-MPPT结合CVT的MPPT算法，改进MPPT对阵列电压变化速率进行监控，控制阵列端电压在一定范围变化，防止崩溃,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,VVSL-MPPT算法控制模型,由PSIM6.0仿真软件进行系统仿真，光照降低→阵列端电压突变→变步长→减轻负载,干扰观测法,Perturbobservealgorithms,系统周期性用小步长改变阵列输出，方向可加可减干扰比较干扰周期前后的输出功率，确定下一周期干扰方向功率↑，干扰方向不变。功率↓，干扰反向工作点在最大功率点附近往复，步长大跟踪快,,,,,,,,,,,,N,Y,,,,在最大功率点附近振荡；步长对精度和速度影响；,电导增量法Incrementalconductance,当输出电导的变化负的输出电导，输出功率最大,开始,结束,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,N,Y,Y,Y,Y,N,N,N,N,,,Y,控制精度响应速度较高；对硬件要求高,模糊逻辑控制fuzzylogiccontrol,开始,,结束,,,,,,,,,,,采用DSP执行；可对多个因素综合考虑,确定模糊控制器的输入和输出变量归纳总结模糊控制器控制规则确定模糊化和逆模糊化方法选择域并确定参数,实现MPPT方法,滞环比较法光照强度变化并不比控制速率快光照强度快速变化时并不跟随快速移动工作点光照稳定后再跟踪到最大功率点神经元网络控制、,最优梯度法gradient基于多维无约束最优化问题的数值计算选取目标函数的负（或正）梯度方向作为每步迭代的跟踪方向逐步逼近函数最值,神经元网络控制阀,并网发电拓扑,单级式并网逆变器拓扑bi-directionalfly-backinverter,在一个功率变换环节实现升压、最大功率点跟踪、逆变、阵列与电网电隔离缺点电网频率50Hz，电池母线电容100Hz纹波电压较大，减小纹波徐更大母线电容,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,阵列,,,,,,,,,,,,,,,Uout,Grid,,Uin,Nsec,Npn,C,两级式并网逆变器拓扑,阵列,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,逆变电路,DC/DC谐振变换器,,,分为软开关DC/DC变换和自换相或电网换相逆变两级DC/DC变换后直流母线并联一电容可实现能量解耦,多级式并网逆变器拓扑,多级拓扑增加并网逆变器复杂度提高成本可以实现多种功能逆变桥低压开关频率；DC/DC变换正弦半波直流输出；光伏电池与电网间能量解耦等降低能量损耗实现最大功率点跟踪,光伏能量存储蓄电池,蓄电池结构,正极活性物质获得电子进行还原反应负极活性物质失去电子进行氧化反应电解质提供离子导电介质隔膜保持正负极物质不接触最小距离,蓄电池参数,电动势蓄电池理论上输出能量的度量开路电压数值上电动势工作电压负载电压容量能放出电量总和，Ah；实际容量；额定容量保证蓄电池放电的最低容量；标称容量；内阻欧姆电阻（所有接触式电阻）、极化内阻（两级电化反应）、隔膜电阻（电流过隔膜的电阻）,蓄电池能量,,功率与比功率,单位时间输出能量WkW；单位质量的功率是比功率,输出效率,自放电,负极活性物质电势比氢电势低→换氢反应放出氢气,寿命,以全充放电次数计算锌银电池30-500次；铅酸电池300-500次；碱性电池500-1000次,运行,循环充放电制全充全放，电解液消耗多，寿命短连续浮充制蓄电池常有少量充电电流，低于某值即充电定期浮充制部分时间蓄电池供电，其余时间光伏电池供电和充电蓄电池,充电,恒流充电充电时间较长，分段恒流充电恒压充电时间短，对单个电池恒压限流串一电阻调整充电电流快速充电以脉冲方式充电，使电极去极化智能充电跟踪蓄电池可接受充电电流是充电电流与内部极化电流一致，无气体析出，对电池无损伤,酸性蓄电池,酸性水溶液作为电解质的电池铅酸电池正极PbO2；负极金属铅Pb；电解液27-37硫酸水溶液,,,,-,,,,,-,,,,正极,负极,界面双电层,界面双电层,碱性电池,KOH、NaOH水溶液作为电解质的电池镉镍电池，氢氧化镍为正极，镉为负极，镉膜，氢氧化钾水溶液为电解质,镍氢电池比镍镉电池容量增加一倍，充放电次数1000次，无记忆效应,锂电池,一次锂电池，锂金属为阳极，MnO2为阴极；二次锂电池以锂离子和碳材料为阳极，MnO2为阴极；又称为锂离子电池特点容量高、重量轻、无记忆，比能量理论值570Wh/kg，实际达到比能量100Wh/kg，比功率200Wh/kg，寿命12000次，,充电时，正极上生成锂离子经电解液到负极，嵌入层状结构的碳材料负极的微孔中，嵌入锂离子越多，充电容量越高。放电时，嵌入负极的锂离子脱出回到正极，回到正极的锂离子越多，放电容量越高,燃料电池,,,,,,,,,,阴极（氧电极）,阳极（氢电极）,,,-,,,,,,燃料,氧化剂,正离子,电解液,负载,氢氧通过电化学反应生成水能量效率高达80碱性燃料电池（AFC）磷酸燃料电池（PAFC）熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）固体氧化物燃料电池（SOFC）质子交换膜燃料电池（PEMFC）,e-,,在催化剂作用下氢分解为2个氢离子2个电子氢离子通过质子交换膜PEM与电子分开与另一电极的氧反应生成水电子通过外电路输出电流,能量转换效率高，无热机过程只有水生成，零污染排放无机械运动，可靠，无噪声,铅酸电池充放电,放电过程,,正极得到电子，电位降低，负极失去电子，电位升高氧化还原反应使Pb和PbO2→PbSO4沉积在极板,充电过程,电流规律,极化过程,,电池外接电源充电，外接负载放电充电电流要随时间衰减，而非保持恒流外加电源电压要大于蓄电池平衡时的电动势电池极化浓度极化电化学极化欧姆计划,蓄电池充电,过程划分,,主充模式两段充电、变流充电、脉冲充电均充模式浮充模式恒压充电，以蓄电池端电压相等时为止，防止蓄电池过充电,程度判定,检验电池去极化后的端电压，初充时端电压变化率小，中间段变化率大，最后变化率极小检测电池实际容量，与额定容量比较检测端电压是否接近额定电压,停充控制,定时控制温度控制过充时电池温度升高端电压负增量控制电池充足后，端电压负增长,光伏水泵,光伏阵列,直流输入,电机,控制器,水泵,,,,太阳光伏水泵受日照强度影响，水泵输出也随日照变化，早晚弱，中午强,停泵水锤启动，关机时，流速巨变时引起水流压力的巨变,启动条件,光伏水泵电机,由于光伏阵列输出的变化，水泵电机需能调速以适应太阳能的变化光伏系统中用变频调速的交流异步电机,电机机械性能,,,,,n,Te,A,nA,TA,光伏水泵设计,设计原则追求年月日最大平均流量水泵调速范围越宽越好宽范围内的高效率宽范围内的高功率因数电机与泵、控制器一体化设计根据负载特性调节水泵运行点高功率密度,水泵流量与电机匹配,系统流量Q可用系数kh表征,水泵工况点,R管路特性系数，与管路口径、长度、管内表面、管件种类有关,运行工况点管路特性曲线R与水泵特性曲线H的交点A运行工况点决定了水泵的流量QA，扬程HA，功率PA，效率ηA,,,,,由于太阳及天气变化，光伏水泵需要不断调整流量和功率调节功率及流量通过改变转速实现n↑→特性曲线↑→工况点从B→A点→流量QB→QA，扬程HB→HA都升高,水泵调节,,,,,转速增加,