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1、太阳能光伏发电系统,光伏发电系统,光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行。,光伏发电的原理,太阳电池工作过程：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。,光伏电池原理(电池组件阵列),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电流，但电流大小可能不固定，而产生波形。,光伏电池组
2、件电气特性,电池能够产生的最大功率（PMAX）出现在最大电流（IMAX）和电压（VMAX）点，曲线下方的面积表示不同电压下电池能够产生的最大输出功率该曲线给出了PV电池的典型正偏特性，其中最大功率（PMAX）出现在最大电流（IMAX）和最大电压（VMAX）的交叉点。,光伏发电系统形式,主要有两种：1.独立光伏发电系统（离网系统）2.并网光伏发电系统 在近几年的光伏发电体系中，并网光伏发电系统是主要的发展方向，它既可以节省蓄电池的费用，通过研究理想的最大功率追踪控制技术，也可以降低太阳电池发电的成本。,独立光伏发电系统结构,并网光伏发电系统结构示意图,并网光伏发电系统结构示意图,光伏并网电站规模
3、等级划分,根据装机容量确定光伏电站的等级,根据国际能源机构（IEA）的分类：小规模（100kW 以下）中规模（100kW-1MW）大规模（1MW-10MW）超大规模（10MW以上）,根据电压等级确定光伏电站的等级,根据国家电网发展（2009）747号文件分类：小型光伏电站接入电压等级为0.4kV低压电网的光伏电站中型光伏电站接入电压等级为10-35kV电网的光伏电站大型光伏电站接入电压等级为66kV及以上电网的光伏电站,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、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
4、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）,光伏组件选型,光伏组件类型 光伏组件通常分为晶体硅组件和非晶硅组件（薄膜组件）。晶体硅组件又可以分为单晶硅组件和多晶硅组件。光伏组件的技术性能相比，晶体硅光伏组件技术成熟，且产品性能稳定，使用寿命长，故障率极低，运行维护最为简单。商业用化使用的光伏组件中，单晶硅组件转换效率最高，多晶硅其次，但两者相差不大，最后是薄膜组件。,光伏组件选型,薄膜组件具有与建筑结合良好的适应性、更强的弱光响应，更优异的高温性能、更低的成本以及对更强的抗遮挡能力。,单晶硅组件,多晶硅组件,薄膜组件,1.典型并网光伏发电系
5、统原理,1、光伏电池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,光伏汇流箱,光伏方阵汇流箱 PV array combiner box：光伏组件和并网逆变器间的电气连接，将太阳电池发出的直流电汇流后提供给光伏并网逆变器的装置。包含直流保护、防雷设备。以下简称汇流箱。,光伏汇流箱,光伏汇流箱,光伏阵列防雷汇流箱的电气原理框图,光伏方阵汇流箱 技术要求,光伏组串过流保护 1.对不装组串过流保护装置的汇流箱，光伏组件反向电流额定值Ir应大于可能发生的反向电流，直流电缆的过流能力应能承受来自并联组串的最大故障电流，即不小于1.25倍的Isc（STC）。2.对装有组串过流保护装置（如
6、熔丝）的汇流箱，组串过流保护装置应，不小于1.25倍的Isc（STC）。3.对装有隔离二极管的汇流箱，隔离二极管的反向电压应不低于Uoc（STC）的2倍。,注1：Isc（STC）为标准测试条件下光伏组件的短路电流。注2：Uoc（STC）为标准测试条件下光伏组件的开路电压。,光伏方阵汇流箱 技术要求,防雷 汇流箱输出端应配置防雷器，正极、负极都应具备防雷功能。规格应满足如下要求：a)最大持续工作电压（Uc）:Uc1.3Uoc(STC)b)最大放电电流(Imax):Imax(8/20):40kA，标称放电电流In:In(8/20):20kA c)电压保护水平（Up）:Up是在标称放电电流In下的测
7、试值，具体应用要求见表1 d)防雷器应具有脱离器和故障指示功能,光伏方阵汇流箱 技术要求,光伏方阵汇流箱 技术要求,外壳防护等级 室内型不低于IP20,室外型不低于IP54绝缘电阻在电路与裸露导电部件之间，每条电路对地标称电压的绝缘电阻应不小于1000/V,光伏方阵汇流箱 技术要求,绝缘强度 汇流箱的输入对地、输出对地应承受50Hz的正弦交流电压1min，试验电压的均方根值见表1,光伏方阵汇流箱 技术要求,电气间隙和爬电距离,光伏方阵汇流箱 技术要求,接地要求,除非电路中电压有效值小于25VAC或60VDC或可接触导电部件与带电部件采用双重/加强绝缘隔开的情况，汇流箱中可接触的导电部件都要接到
8、接地端子上。接地电路中的任何一点到接地端子之间的电阻应不超过0.02。保护地导线的电气连接应采用下列连接方法：（1）通过金属直接接触连接；（2）通过其他安装固定的可接触导电部件连接；（3）通过专门的保护接地导线连接；（4）通过汇流箱中的其他金属零部件连接。保护地电路中不应包含开关器件、过流保护器件和电流检测器件。接地标志用黄绿色表示，在外接电缆的端子处标示PE。接地保护电路的阻抗应足够低，使得在汇流箱正常工作状态下，可接触导电部件与接地导线的接地点之间的电压不超过5VAC或12VDC。,光伏方阵汇流箱 技术要求,若接地导线和相导线所用材料一致，接地导线的截面积按照表3选取。否则，在提供机械防护
9、的情况下，接地导线的截面积应不小于2.5mm2；无机械防护时，应不小于4mm2。,光伏控制器,光伏控制器是独立光伏发电系统中非常重要的部件。控制光伏阵列对蓄电池组进行充电，并控制蓄电池组对后负载的放电，实现蓄电池组的过充和过放保护，对蓄电池进行温度补偿，并监控蓄电池组的电压和启动相关辅助控制。,光伏控制器,光伏控制器是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负 载供电的自动控制设备。光伏控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得PV站的工作信息，又可详细积累PV
10、站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充分的依据。此外，光伏控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。,光伏控制器的功能,（1）高压（HVD）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。（2）欠压（LVG）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制器应能自动发出声光告警信号。（3）低压（LVD）断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压报警代替自动切断。
11、（4）保护功能：防止任何负载短路的电路保护。防止充电控制器内部短路的电路保护。防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。（5）温度补偿功能：当蓄电池温度低于时，蓄电池应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。,光伏控制器的主要参数,1 太阳电池输入路数：112路2 最大充电电流：3 最大放电电流：4 控制器最大自身耗电不得超过其额定充电电流的1%5 通过控制器的电压降不得超过系统额定电压的5%6 输入输出开关器件：继电器或MOSFET模块7 箱体结构：台式、壁挂式、柜式
12、8 工作温度范围：15C-55 9 环境湿度：90,光伏控制器的分类,光伏控制器基本上可分为五种类型：并联型、串联型、脉宽调制型、智能型和最大功率跟踪型。并联型控制器：当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。因为这种方式消耗热能，所以一般用于小型、低功率系统，例如电压在伏、安以内的系统。这类控制器很可靠，没有如继电器之类的机械部件。串联型控制器：利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容易制造连续通电电流在安以上的串联控制器。脉宽调制型控制器：它以PWM脉冲
13、方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。,光伏控制器的分类,智能型控制器：采用带CPU的单片机（如 Intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离/接通控制。对中、大型光伏电源系统，还可通过单片机的RS232接口配合MODEM调制解调器进行远距离控制。最大功率跟踪型控制器：将太阳电池的电压U和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳电池此时的输出功
14、率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳电池方阵的输出能量。同时采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。,蓄电池组,蓄电池组是独立光伏系统中的电能储存单元，可以通过单节蓄电池的串、并联组成整个的电池组，太阳能电池产生的直流电通过光伏控制器进入蓄电池储存。电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术十分成熟，其容量的选择受负载功率和连续无日照时间而定。,光伏逆变器,逆变器就是把直流电（例如12VDC）逆
15、变成交流电（例如220VAC）的设备。一般分为独立逆变器和并网逆变器。,光伏逆变器,光伏逆变器,并网逆变器主要功能是实现直流与交流的逆变。按是否带变压器可分为无变压器型和有变压器型。对于无变压器型逆变器，最大效率 98.5%和欧洲效率98.3%；对于有变压器型逆变器，最大效率 97.1%和欧洲效率96.0%。,并网逆变器,500kW,250kW,100kW,50kW,10kW,5kW,光伏逆变器,按组件接入情况划分组串式、多组串式、组件式和集中式。,光伏并网逆变器分类,集中式,组串式,组件式,光伏逆变器,不同接入方式并网逆变器特性对比,光伏逆变器结构与工作原理,光伏逆变器元器件的构成,1、电流
16、传感器 光伏逆变器一般采用霍尔电流传感器来进行电流采样从小功率到大功率所采用的电流传感器形式不一列举一些例子如下：,100KW检测电流是300A左右一般都会采用JCE308-TS7电流传感器 250KW检测电流是500A左右一般都会采用JCE508-TS6电流传感器 500KW检测电流是1000A左右一般会采用JCE1005-FS电流传感器 1MW检测电流是2000A左右一般会采用JCE2005-FS电流传感器 对于电流传感器要求精度高、响应时间快而且耐低温、高温等环境要求,光伏逆变器元器件的构成,2、电流互感器 一般采用BRS系列电流互感器从几百到几千A不等输出信号一般采用0-5A为标准 电
17、流互感器(instrument transformer)是按比例变换电压或电流的设备。其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压(100V)或标准小电流(5A或1A，均指额定值)，以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。同时互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。按比例变换电压或电流的设备。,光伏逆变器元器件的构成,互感器的种类众多，使用环境也不一样，在给光伏逆变器配套使用时需要注意以下相关问题：1)、在选择电流互感器时需要选择耐低温25度的产品，避免在低温条件下的问票系数过大;2)、安装电流互感器时需要将接线端子安装牢固，避免在运输途中有脱落现象;3)
18、、二次绕组必须可靠接地，以防止由于绝缘损坏后，一次侧高电压传入危及人身安全。4)、二次测绝对不容许开路。开路时互感器成了空载状态，磁通高出额定时许多(1.4-1.8T)，除了产生大量铁耗损坏互感器外，还在副边绕组感应出危险的高压，危及人身安全。,光伏逆变器元器件的构成,3、电抗器 逆变器经常会受到来自浪涌电流和浪涌电压的冲击，会严重损坏逆变器的性能和使用寿命，所以要在其前面加装滤波电抗器，用以抑制浪涌电压和浪涌电流，保护逆变器，延长其使用寿命和防止谐波干扰，同时由于逆变器经常会产生高次谐波和产生波形畸变，会影响设备正常使用，为此，须在输出端加装一个输出电抗器，用于滤出谐波电压和谐波电流，改善电
19、网质量。,交流 配电柜,配电柜是控制电源的角色，逆变器和附带的自控、保护设备的保护电源需要交直流电源供电。1.交流配电柜就是把逆变器转换出的交流电送到保护、检测装置上去，主要是为了保护设备，检测设备。如果逆变器装换过来的电压等级、电流等参数符合并网条件的话没问题，但是，逆变器转变过来的电流要通过一个升压变才能并网。2.逆变器输出的电能经过升压后直接送入电网，配电柜将逆变器输出电能的一部分（分支），分配给检测装置和保护装置等用电设备，保证系统可靠运行。,光伏发电系统继电保护配置,光伏并网保护功能有低电压保护、过电压保护、低频率保护、过频率保护、过电流保护。,继电保护装置的组成,继电保护一般由三个
20、部分组成:测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构如下图所示。,举例说明,短路故障时：流过一次设备的电流激增 KA流过的二次电流大于KA动作值 KA接点闭合，KT得电 KT触点闭合 KM线圈得电，其触点闭合 QF的YT线圈得电跳闸 切除故障。,举例,d3点短路：保护6动作，6QF跳闸；若保护6或6QF拒动，5QF跳闸；,d2点短路：保护5动作，5QF跳闸；若保护5或5QF拒动，保护1和保护3动作于1QF、3QF跳闸；,d1点短路：保护1和保护2动作，1QF、2QF跳闸；若保护2或2QF拒动，保护3动作于3QF跳闸；,升压站变压器,光伏发电站升压站主变压器应按下列原则选择：1 应优先选用自冷式、
21、低损耗电力变压器。2 当无励磁调压电力变压器不能满足电力系统调压要求时，应采用有载调压电力变压器。3 主变压器容量可按光伏发电站的最大连续输出容量进行选取，且宜选用标准容量。,升压站变压器,光伏方阵内就地升压变压器应按下列原则选择：1 应优先选用自冷式、低损耗电力变压器。2 升压变压器容量可按光伏方阵单元模块最大输出功率选取。3 可选用高压/低压预装式箱式变电站或由变压器与高低压电气元件等组成的敞开式设备。对于在沿海或风沙大的光伏发电站，当采用户外布置时，沿海防护等级应达到IP65，风沙大的光伏发电站防护等级应达到IP54。4 就地升压变压器可采用双绕组变压器或分裂变压器。5 就地升压变压器宜
22、选用无励磁调压变压器,光伏电站的主变压器选型,光伏电站的主变压器选型时，需要考虑以下几方面：光伏电站区域单元容量：在确定主变压器的额定容量时，需要留有10%的裕度；负载损耗和空载损耗：考虑光伏发电的特殊性即白天发电，不论发电装置是否输出功率，只要变压器接入系统，变压器始终产生空载损耗。要求变压器的负载损耗尽量低，若变压器夜间运行，则要求空载损耗也要低；,光伏电站的主变压器选型,过载能力：根据选择的主变压器形式（干式和油浸式），干式变压器过载能力比较强，油浸式过载能力比较低，可充分利用其过载能力，适当减小变压器容量，使其主运行时间处于满载或短时过载。维护：最好免维护。(5)根据工程实际确定变压器
23、高压、低压进出线方式。从设备可靠性、性价比、节能等方面考虑，大型光伏电站的变压器优先选用干式变压器。,光伏系统的孤岛效应,所谓孤岛效应，即指如并入公共电网中的发电装置，在电网断电的情况下，这个发电装置却不能检测到或根本没有相应检测手段，仍然向公共电网馈送电量.,光伏系统的孤岛效应,孤岛效应的危害,一般来说，孤岛效应可能对整个配电系统设备及用户端的设备造成不利的影响，包括:1)危害电力维修人员的生命安全 2)影响配电系统上的保护开关动作程序 3)孤岛区域所发生的供电电压与频率的不稳定性质会对用电设备带来破坏 4)当供电恢复时造成的电压相位不同步将会产生浪涌电流，可能会引起再次跳闸或对光伏系统、负
24、载和供电系统带来损坏 5)光伏并网发电系统因单相供电而造成系统三相负载的欠相供电问题,孤岛效应的相关标准,在我国的GB/T 19939-2005光伏系统并网技术要求中，对频率偏移、电压异常、防孤岛效应也有明确的要求:光伏系统并网运行时应与电网同步运行，电网额定频率为50Hz，光伏系统并网后的频率允许偏差应符合GB/T15945的规定，即偏差值允许士O.5HZ，当超出频率范围时，应当在0.2S内动作，将光伏系统与电网断开。具体的异常频率响应时间规定见下表,孤岛效应检测方法,孤岛现象的检测方法根据技术特点，可以分为三大类：被动检测方法、主动检测方法和开关状态监测方法(基于通讯的方法).一、被动检测
25、方法 被动式方法利用电网断电时逆变器输出端电压、频率、相位或谐波的变化进行孤岛效应检测。但当光伏系统输出功率与局部负载功率平衡，则被动式检测方法将失去孤岛效应检测能力，存在较大的非检测区域(Non-Detection Zone，简称NDZ)。并网逆变器的被动式反孤岛方案不需要增加硬件电路，也不需要单独的保护继电器,孤岛效应检测方法,二、主动检测方法 主动式孤岛检测方法是指通过控制逆变器，使其输出功率、频率或相位存在一定的扰动。电网正常工作时，由于电网的平衡作用，检测不到这些扰动。一旦电网出现故障，逆变器输出的扰动将快速累积并超出允许范围，从而触发孤岛效应检测电路。该方法检测精度高，非检测区小，
26、但是控制较复杂，且降低了逆变器输出电能的质量。目前并网逆变器的反孤岛策略都采用被动式检测方案加上一种主动式检测方案相结合,孤岛效应检测其他方法,孤岛效应检测除了上述普遍采用的被动法和主动法，还有一些逆变器外部的检测方法。如“网侧阻抗插值法”，该方法是指电网出现故障时在电网负载侧自动插入一个大的阻抗，使得网侧的阻抗突然发生显著变化，从而破坏系统功率平衡，造成电压、频率及相位的变化。还有运用电网系统的故障信号进行控制。一旦电网出现故障，电网侧自身的监控系统就向光伏发电系统发出控制信号，以便能够及时切断分布式能源系统与电网的并联运行。,监控系统,监控系统是监控整个系统的运行状态，设备的各个参数，记录系统的发电量，环境等的数据，并对故障进行报警。,主电气接线图,Thank you!,
