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1、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、逆变器与跟踪器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，讨论跟踪器工作原理，重 点把握各类跟踪器提高光伏发电量的作用。目录一、太阳能光伏发电原理二、光伏并网逆变器 三、太阳能跟踪器一、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太阳能光伏发电原理与建筑结合的并网光伏发电系统（BIPV）特点： 1、并网点在配电侧；2、
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）。太阳电池 开关/保护/防雷 电缆 并网逆变器 电度表（光伏电量）并网光伏发电站1、光伏电池太阳能光伏发电原理2、跟踪器3、汇流箱4、直流屏5、逆变器6、升压站7、其它设备2.光伏电池原理太阳能光伏发电原理o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，再经由导线传输至负载太阳能光伏发电原理
3、1.光能到电能转换只有在P-N结界面活性层 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太阳能光伏发电原理2.光伏电池原理(电池组件阵列)3.光伏电池组件电气特性 预备知识光伏并网逆变器直流电是指方向不随时间发生改变的 电流，但电流大小可能不固定，而产 生波形。3.光伏电池组件电气特性太阳能光伏发电原理太阳电池的I-V特性及功率曲线太阳能光伏发电原理3.光伏电池组件电气特性太阳能光伏发电原理标准测试条件 ST
4、C (AM=1.5, P0=1000W/m2,T=25C)转换效率 k=Pm/Pa=(Im*Um)/(P0*Aa), 填充因子 FF= Pm/Pc=(Im*Um)/(Isc*Voc),太阳能光伏发电原理3.光伏电池组件电气特性二、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.原理7.反孤岛效应8.逆变器技术指标.从“名字”谈起光伏并网逆变器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（）光伏并网逆变器.逆变器
5、重要么？光伏并网逆变器.逆变器重要么？光伏并网逆变器.逆变器重要么？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.相关的交流电知识光伏并网逆变器交流电也称“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。锯齿形波 (sawtooth wave)正弦波 (sine wave)方形波 (square wave)光伏并网逆变器u(t) =2U sin(2pft + q )对任意交流电压频率固定，例如： f= 50Hz.U = U q同样，对任意交流电流，频率固定：.(t)
6、 =2I sin(2pft + q ) =Im sin(2pft + q ) I= Iq光伏并网逆变器U =RI光伏并网逆变器XL= wL= 2p fL光伏并网逆变器11XC = wC=2p fCCU = -jXI= - 90oXcI90o= U 0oRU = U+ U+ ULC光伏并网逆变器= RI +jXL I -jXC I= RI += ZIj( XL- XC )Ij = arctanX L - XCR）光伏并网逆变器将电压三角形的各个边乘以电流I，就可得到功率三角形。PUR IS cos j（W）QQLQC=S sinj（var）PSU IP 2 + Q 2（VAcosj阻抗三角形、电
7、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。功率因数： l=PS=cosj4.光伏并网逆变器系统光伏并网逆变器光伏并网逆变器5.逆变原理（输出电流波形控制）光伏并网逆变器图逆变器简化原理图光伏并网逆变器图逆变器等效电路图等效电路图矢量分析光伏并网逆变器图交流电生成光伏并网逆变器用一系列等幅不等宽的脉冲来代替 一个正弦半波u正弦半波N等分，可看成N个彼此相a)连的脉冲序列，宽度相等，但幅值Owt不等ub)用矩形脉冲代替，等幅，不等宽，中点重合，面积（冲量）相等宽度按正弦规律变化Owt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
8、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uucur光伏并网逆变器正弦波PWM调制方式(单极性)Owtuouo当ur0ug1=1 T1通 Udug2=0 T2断uof控制电压的分布： 电路中，T1、当ur0ug2=1 T2通Owt-UdT2为频控臂：ug1=0 T1断即ug1和ug2互为反相，并受ur极性控制。其频率为调制信号的频率。5.逆变原理（输出电流波形控制）光伏并网逆变器结论：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
9、的交流电流，可以用电流总谐波谐波系数描述。实际电流i(t) =1 2 n=1,2,3,4In sin(2npft + q n)总谐波系数THD = 1 I 2 n I1 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原理结论：为了从光光伏并网逆变器伏电池中获取更 多的电能，充分 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
10、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原理光伏并网逆变器MPPTMaximum Power Point Tracking（最大功率点 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。光伏并网逆变器MPPT实时运行数据7.反孤岛效应孤岛效应是指光伏并网逆变器分布式并网逆 变器构成的局 部电网从主电 网脱离出来， 并且在此局部 电网中分布式 并网逆变器持 续给负载供电 的一种电气现 象。局部电网与主电网的连接孤
11、岛的危害：光伏并网逆变器1.孤岛情况下电网无法控制电压和频率，可能造成电 网、分布式发电设备和用电设备发生输入电压幅值和 频率失控；2.孤岛效应对人身安全造成威胁，干扰电网的维护工 作；3.孤岛发生时，当电网恢复正常有可能造成非同相合 闸，导致线路再次跳闸，对光伏并网逆变器和其他用 电设备造成损坏；4.孤岛效应时，若负载容量与光伏并网器容量不匹配，会造成对逆变器的损坏。7.反孤岛效应反孤岛效应：通过光伏并网逆变器研究孤岛现象发生 过程中，电参数的 变化，判断是否发 生孤岛现象，并且 采取相应的处理措 施图 逆变器与电网图 等效电路图7.反孤岛效应条件: 认为K切换前后瞬间光伏并网逆变器输出交流
12、电无变化，即 幅值、频率与相位无变化。光伏并网逆变器K闭合：U z= UPPV= UzIPVPL +jQL=Uz*Uz/ZPL +jQL=P +jQ+PPVK断开：U z= IPVZPL +jQL=IPV* IPVZPPV +jQPV= PL +jQLP +jQ=07.反孤岛效应光伏并网逆变器7.反孤岛效应被动检测方法光伏并网逆变器通过检测电网参数确定是否发生孤岛效应。注意：被动检测在逆变器与负载功率匹配并且是纯阻性 负载时会失去效果，此时，从电网流向负载的功率为零，电压、电流或谐波在孤岛时基本无变化。主动检测方法 通过主动引入小幅度扰动的方式（比如对无功有功，频 率等）形成正反馈，利用累计效
13、应来推断是不是发生孤 岛，主动方法对逆变器的输出性能有一定影响。结论： 被动检测方法与主动检测方法结合使用，可以获得满意 的反孤岛效应控制效果。光伏并网逆变器8. 逆变器技术指标三、自动跟踪系统1.太阳能跟踪系统原理与分类2.单轴跟踪系统3.双轴跟踪系统GCL ngin=.e inq太阳能跟踪系统提出光伏电池输出特性与接收太阳 辐射度的关系接收太阳辐射度与入射角的关系光伏电池接收的太阳辐射度与太阳光入 射角（太阳光与光伏电池平面的夹角） 有关，入射角增加，光伏电池接收辐射 能增加，进而光伏电池最大输出功率增 加。在光伏发电系统中，使用太阳能跟 踪器，使得太阳光入射角增大，进而光 伏电池最大输出
14、功率增大，提高光伏发 电系统发电量。地平坐标跟踪系统太阳电池方阵可以固定向南安 装，也可以安装成不同的向日 跟踪系统。自动跟踪系统分为 地平坐标系和赤道坐标系。1、地平坐标跟踪系统以地平面为参照系，跟踪的是 2个参数：太阳高度角（太阳射线 与地平面的夹角）和太阳方位角（太阳射线在地面上的投影与正 南方向的夹角）。地平坐标跟踪分为： 方位角跟踪(单轴跟踪)和全跟踪(双轴跟踪) 。赤道坐标跟踪系统赤道坐标跟踪系统以赤道平面为 参照系，跟踪的是2个 参数：太阳赤纬角（太阳射线与赤道平 面的夹角）和太阳时 角（地球自转的角 度，正午为零，上午 为正，下午为负）。赤道坐标跟踪分为极轴跟踪(太阳时角)、全
15、跟踪和水平轴跟踪（太 阳时角）。极轴坐标跟踪系统原理图全跟踪极轴跟踪极轴跟踪的最大跟踪误差为：23.5度；COS23.5 = 0.917, 仅有8.3%，全年平均误差：4%。极轴跟踪系统（前视图）水平极轴跟踪（前视图）仅适合于低纬度地区（30度以内）。地平坐标跟踪系统不同跟踪方式全年太阳能收益对比辐射量 (k W h /m 2 /天 )纬度：33.43 N， 经度：112.02 E，海拔：339米。14.012.010.08.06.04.02.00.0水平面固定倾纬度角 单轴水平跟踪双轴全跟踪123456789101112月份固定纬度角：比水平面提高14%；单轴水平跟踪：提高40%；单轴跟踪倾
16、纬度角：提高51%；双轴高精度跟踪：提高56%。2、单轴跟踪系统水平轴跟踪只需要调整太阳电池 方阵主轴旋转角，从而准确跟踪 太阳的时角，并不跟踪太阳赤纬 角，跟踪有固定的赤纬误差（纬度差）。机械结构示意图跟踪系统的经济效益可观2kW电机可以带动300kW太阳电池方阵。单轴跟踪系统的成本与固 定支架基本一致。3、双轴跟踪系统作为地平坐标跟踪系统，双轴跟踪需要 调整太阳电池方阵的倾角和方位角，从 而准确跟踪太阳的高度角和方位角。图：典型的太阳能双轴跟踪系统双轴跟踪系统的机电结构光伏组件（PV module ）电动推杆（Screw jack）回转驱动装置（Slewing drive）电动马达驱动跟踪
17、系统常用的传动机构电动推杆（Screw jack）回转驱动装置（Slewing drive）SOLAR TRACKER APOLO112CHARACTERISTICSTrackinaxis2 axes: horizontal and verticalNaximum aurface area ofanel80 m210,000 mm x 8 000 mm Vartical and horizonQl an Ie DI rotationVebical axis: 2520Horizontal axis: 70“ East - West actuationmeans of slewindrive N
18、oAh - South actuationmeans of screwjck | Trackin DchnoloAstralro ramminof PLC I Power of moore0.6 kW Trackinvelocivertical axia0.016 r TrackinveIocithorizonKI axis2,3 mm/s StmctureGalvanized steel. Designed in accordancewith the norm MV 103 and CTE, wind 106 km/h with inclination of 70D Electrically
19、 protected cabinetPlastics, ainight and watertight with locksand totally wired, including electrical rotection. Total weight and weight without2,200 kg without modules and 3,300 hg modules_I with_modules Hcighof tracker de&nce positionl4 in Haight of tmcker with maximum inclination FoundationsDimens
20、ions of base 3,500 x 3,500 x 1000 mm; anchoring bolts 2x $ ?0 yg years (structure), 2 years(driving另外一种双轴跟踪系统使用工程经验1、如果太阳能跟踪系统的结构设计合理，其成本与固定支架基 本相当，但却可以有效提高发电量20%-40%，是一条降低光伏发 电成本的有效途径。2、通过试验样机的运行，采用计算机程序跟踪（盲跟）的设计 误差在1度以内（单轴为时角误差，双轴为入射角误差），实际 误差应当在2度以内。单轴和双轴系统的自耗电均为每日 0.8kWh。3、相比之下，单轴跟踪系统具有更低的能耗，且占地面积小， 支架成本低，如果适当增加倾角，则发电增益比双轴跟踪并不 会减少太多。因此，单轴跟踪系统用于平板太阳电池和线聚焦 聚光太阳电池具有更大的优势。设计使用时需注意如下问题：1）既要能跟踪太阳又要有可靠的抗风能力；2）必须考虑机械结构的防沙问题；3）程序控制跟踪要注意消除计算误差；4）整个控制传动部分要尽可能减少功耗；5）停电/断电时的自动跟踪系统的保护和来电后的 准确迅速定位；6）机械传动既要可靠、准确，又要尽可能降低成本。Thanksfor your attention!谢谢！
