1、太陽能光伏發電技術蘇建徽合肥工業大學能源研究所2009年12月6日 我國現有能源結構我國已探明的煤炭將在81年內采光石油將在15年左右枯竭天然氣也將在30年用盡根據中國電力科學院預測，我國電力供應缺口在2010年和2020年分別為3700萬千瓦和1億千瓦 發展可再生能源是未來能源發展的必由之路小水電和風電已經達到了商業化發電的水平，但它們的資源量畢竟有限，即使全部開發也可能滿足不了未來的需要，太陽能光伏發電是最有潛力的電力來源。 目前我國太陽能資源分布太陽能在三分之二的國土上，年輻射量超過60萬焦耳平方厘米，每年地表吸收的太陽能大約相當于17萬億噸標準煤的能量，開發利用前景廣闊 太陽能也是能源

2、可持續發展的戰略選擇之一 以煤為主的能源結構面臨越來越大的環境壓力燃煤產生的煙塵占全國煙塵排放量的70%燃煤產生的so2占全國so2排放量的90%；酸雨國土面積40%；每年煤炭開采形成的塌陷土地面積1.5-2萬公頃，其中耕地占30%；另：我國每年co2排放量占全球的13%（非全煤生成），僅次于美國。據國家電力部統計，每生產一度電，大約需要350克左右的煤光伏發電對環境污染小，可大量減排CO 2等氣體計算指標一：光伏系統在當地每發電1kWh 相當于減少大約0.814kg 數量的CO 2排放量計算指標二：按照最佳傾角和垂直安裝兩種并網光伏系統的情況進行統計分析，可計算出每安裝1kW 光伏系統總共減

3、案例：378kW 光伏發電系統節能減排效果表 光伏發電主要是以半導體材料為基礎，利用光照產生電子-空穴對，在PN 結上可以產生光電流和光電壓的現象（光伏效應），從而實現太陽能光電轉換的目的。太陽能電池的基本工作原理是光電效應。太陽能獨立光伏發電系統光伏組件蓄電池充放電控制器逆變器AC(或DC 負載太陽能獨立光伏發電系統組成圖 農村電氣化光伏應用(村落電站、戶用電源、光伏水泵等） 通信和工業應用(通信、鐵路、氣象、陰極保護、航標等） 光伏產品和商品(太陽能路燈、草坪燈、交通信號燈、太陽能電車、廣告牌、電子產品等） 太陽能并網光伏發電系統 光伏發電低壓側并網概念直接接入低壓配電網400V自發自用分

4、為可逆流/不可逆流系統節省部分配電成本、全部變壓器成本充分利用了原變壓器容量，分攤了變壓器損耗可實現快速的設計、施工、調試、并網光伏發電低壓側并網：是近期光伏發電系統接入電網的主要方式 光伏發電低壓側并網結構圖 直接逆變系統的優點由于省去了笨重的工頻變壓器，重量輕、結構簡單特高的效率（98%左右）直接逆變系統的缺點太陽電池板與電網沒有電氣隔離，太陽電池板兩極有電網電壓，對人身安全不利直流側MPPT 電壓需要大于350V 。對于太陽電池組件乃至整個系統的絕緣有較高要求，容易出現漏電現象 單相工頻隔離系統的組成 單相工頻隔離系統的優點由于使用工頻變壓器進行電壓變換和電氣隔離，系統結構簡單、可靠性高

5、抗沖擊性能好、安全性能良好直流側MPPT 電壓等級一般在220V -600V單相工頻隔離系統的缺點系統效率相對較低體積較大，笨重 高頻隔離系統的組成 高頻隔離系統的優點同時具有電氣隔離和重量輕的優點系統效率在93左右高頻隔離系統的缺點由于隔離DC/AC/DC的功率等級一般較小，所以這種拓樸結構集中在2KW 以下高頻DC/AC/DC的工作頻率較高，一般為幾十KHz, 或更高，系統的EMC 比較難設計系統的抗沖擊性能差 高頻不隔離（Boost 升壓）系統的組成 高頻不隔離系統的優點和第(1種拓樸結構類似，由于省去了笨重的工頻變壓器，具有高效率、重量輕的優點同時加入了Boost 電路用于DC/DC直

6、流輸入電壓的提升，太陽電池陣列的直流輸入電壓范圍可以很寬 高頻不隔離系統的缺點同樣，太陽電池板與電網沒有電氣隔離，太陽電池板兩極有電網電壓使用了高頻DC/DC，EMC 設計難度加大可靠性較低 系統的組成優點同高頻不隔離系統由于具有多個DC -DC電路，適合多個不同傾斜面陣列接入，即陣列1n 可以具有不同的MPPT 電壓，十分適合應用于光伏建筑缺點同高頻不隔離系統 系統的組成優點：注入電網的直流分量較小、電路簡單缺點：功率器件利用率低 10MW系統 系統的組成 150MW系統 系統工作方式早晨弱光時由幾臺逆變器中隨機一臺開始工作。當第一臺滿功率時接入第二臺逆變器，依次投入。傍晚弱光時逐臺退出。優

7、點低空載損耗，充分利用了太陽能。逆變器輪流工作，延長壽命。缺點：光伏陣列全部并聯，并聯損耗較大，且只能用一種型號 n%1MWp設備效率數據1009998979695949392919089020P DC %406080P N %100PCU %85 92 96 96.5 97,0 97,3 97.4 97.5 三臺逆變器一天中的運行狀況圖 50100MW系統 優化直流母線電壓、升壓變壓器配置和變比，避免重復升壓，提高系統效率優先考慮當地用電負荷，避免過多電能的遠距離傳送 絕緣、隔離技術盡量選擇配有輸出隔離變壓器的逆變設備注意非晶、薄膜組件的耐壓（一般為600V ）直流、交流側隔離開關 電能質量

8、逆變效率：最大效率不小于94%并網電流諧波：逆變器在運行時不應造成電網電壓波形過度畸變和注入電網過度的諧波電流，以確保對連接到電網的其他設備不造成不利影響 功率因數(PF：當逆變器的輸出大于其額定輸出的20%，平均功率因數應不小于0.85（超前或滯后），當逆變器的輸出大于其額定輸出的50%，平均功率因數應不小于0.95（超前或滯后） 工作電壓：逆變器交流輸出端單相電壓的允許偏差為額定電壓的+10%、-15%，三相電壓的允許偏差為額定電壓的10%工作頻率：逆變器并網時應與電網同步運行。逆變器交流輸出端頻率的允許偏差為0.5Hz ，電網額定頻率為50Hz直流分量：并網運行時，逆變器向電網饋送的直流

9、電流分量應不超過其輸出電流額定值的0.5%或5mA ，應取二者中較大值電壓不平衡度：公共連接點的負序電壓不平衡度應不超過2%，短時不得超過4%；逆變器引起的負序電壓不平衡度不超過1.3%，短時不超過2.6% 孤島效應保護技術孤島效應：是指當電網的部分線路因故障或維修而停電時，停電線路由所連的并網發電裝置繼續供電，并連同周 圍負載構成一個自給供電的孤島的現象孤島效應發生的機理光伏并網發電系統的功率流圖 孤島效應現象會產生比較嚴重的后果孤島中的電壓和頻率無法控制，可能會用電設備造成損壞孤島中的線路仍然帶電，會對維修人員造成人身危險當電網恢復正常時有可能造成非同相合閘，導致線路再次跳閘，對光伏并網逆

10、變器和其他用電設備造成損壞孤島效應時，若負載容量與光伏并網器容量不匹配，會造成對逆變器的損壞因此從用電安全與電能質量考慮，孤島效應是不允許出現的；孤島效應發生時，并網逆變器應在2s 內停止向電網供 電，同時發出警示信號, 由此引出了對于孤島效應進行檢測控 制的研究 孤島效應的檢測技術被動式檢測：利用電網電壓的幅值、頻率和相位等監測狀態作為判斷電網是否故障的依據。當電網失電時，會在電網電壓的幅值、頻率和相位參數上，產生跳變信號，通過檢測跳變信號來判斷電網是否失電主動式檢測：指對電網參數產生小干擾信號，通過檢測反饋信號來判斷電網是否失電，其中一種方法就是通過在并網電流中注入很小的失真電流。通過測量

11、逆變器輸出的電流的相位和頻率，采用正反饋的方案，加大注入量。從而在電網失電時，能夠很快地檢測出異常值 光伏陣列的最大功率點跟蹤(MPPT技術太陽電池的伏安特性：光伏方陣具有類似于“電流源”特性。在不同的日照強度下，它與負載特性L 的交點，如a 、b 、c 、d 、e 等為當前的工作點。然而這些工作點并不正好落在方 陣可能提供的最大功率點(MPP上，如a 、b 、c、d 、e 上，這就不能充分利用在當前日照下方陣所能提供的最大功率 太陽電池伏安特性曲線影響最大功率點的主要因素除材料工藝外，還有環境溫度，以常規單晶硅太陽能電池為例，當環境溫度每升高1攝 氏度，其開路電壓下降率約為0.35%0.45

12、%由于光伏方陣的最大功率點是一個變量，因而采用自尋優算法進行最大功率點跟蹤（MPPT ）。這種算法對方陣當前 電磁兼容(EMC技術電網對逆變器產生的干擾：電壓閃變，電氣噪聲，浪涌、高頻分量等。要求逆變器不能損壞逆變器對于電網產生的干擾：電流諧波，電壓波動、電壓閃變、無功功率、電網阻抗、干擾疊加等，必須達標逆變器對于其他用電設備的干擾：傳導干擾，空間輻射干擾等。特別是低壓并網系統容易對其它電器設備產生干擾。必須符合相關標準 應對電磁兼容問題需要考慮的方面隔離變壓器EMI 濾波器控制算法拓撲結構正確良好接地主動抑制技術 并網逆變器的保護功能過/欠壓保護電壓（逆變器交流輸出端）V 0.5V 標稱50% V 85% V 85% V標稱85% V標稱V 110% V標稱110% V標稱V 135% V標稱V 135% V標稱最大跳閘時間0.1s 2.0s 繼續運行2.0s 0.05s最大跳閘時間是指異常狀態發生到逆變器停止向電網供電的時間。主控與監測電路應切實保持與電網的連接，從而繼續監視電網的狀態，使得“恢復并網”功能有效。 過/欠頻保護：逆變器并網時應與電網同步運行。逆變器交流輸出端頻率的允許偏差為0.5Hz ，電網額定頻率為50Hz 。