電力電子技術(shù)在光伏發(fā)電中的應(yīng)用及原理

1、電力電子技術(shù)在光伏發(fā)電中的應(yīng)用及原理2011年4月21日Your site hereLOGOv 1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展v 2、光伏發(fā)電的基本原理v 3、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成v 4、光伏直流變換電路 v 5、光伏發(fā)電逆變電路v 6、光伏發(fā)電中電力電子技術(shù)的發(fā)展Your site hereLOGO1 1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展 現(xiàn)今世界能源結(jié)構(gòu)正在發(fā)生巨大的變革。以資源有限、污染嚴(yán)重的石化能源為主的能源結(jié)構(gòu)將逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐再Y源無(wú)限，清潔干凈的可再生能源為主的多樣性，復(fù)合型的能源結(jié)構(gòu)。太陽(yáng)能作為一種新興的綠色能源，以其永不枯竭、無(wú)污染、不受地域資源限制等優(yōu)點(diǎn)，正得到迅速的推廣應(yīng)用

2、。 隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電應(yīng)用的發(fā)展，太陽(yáng)能光伏發(fā)電已經(jīng)不再只是作為偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)的能源供應(yīng)，而是向逐漸取代常規(guī)能源的方向發(fā)展。在國(guó)外，并網(wǎng)發(fā)電逐漸成為太陽(yáng)能光伏發(fā)電的主要應(yīng)用領(lǐng)域，太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)逐漸形成，并持續(xù)高速發(fā)展。Your site hereLOGO1 1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展 1.1 國(guó)外光伏發(fā)電的發(fā)展 目前國(guó)外并網(wǎng)逆變器技術(shù)發(fā)展十分迅速。目前的研究主要集中在svpwm技術(shù)、數(shù)字鎖相控制技術(shù)、數(shù)字dsp控制技術(shù)、最大功率點(diǎn)跟蹤和孤島檢出技術(shù)，以及綜合考慮以上方面的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)等。國(guó)外的有些并網(wǎng)逆變器還設(shè)計(jì)同時(shí)具有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行功能。其光伏市場(chǎng)市場(chǎng)占有率快速增長(zhǎng)

3、。最近幾年，全球的光伏總裝機(jī)容量更是以指數(shù)的形式攀升。2001年-2010年全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量Your site hereLOGO1 1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展 2008年全球光伏并網(wǎng)系統(tǒng)裝機(jī)總?cè)萘考s5.8GW ；根據(jù)最新的市場(chǎng)數(shù)據(jù)，2009年全球光伏系統(tǒng)裝機(jī)總?cè)萘浚ú⒕W(wǎng)+離網(wǎng)）約為6.43GW。 盡管全球的光伏發(fā)電總裝機(jī)容量大幅攀升，但這些數(shù)據(jù)主要是通過(guò)發(fā)達(dá)國(guó)家支撐起來(lái)的，他們?cè)谌蚬夥b機(jī)容量中占有很大的比例2009年全球主要光伏市場(chǎng)分布圖從圖中可以看出僅德國(guó)一國(guó)就占了全球裝機(jī)容量一半以上。而我國(guó)的裝機(jī)量所占的比重還很少。Your site hereLOGO1 1、光

4、伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展1.2 我國(guó)光伏發(fā)電的現(xiàn)狀 根據(jù)中國(guó)電力科學(xué)院預(yù)測(cè)，我國(guó)電力供應(yīng)缺口在2010年和2020年分別為3700萬(wàn)千瓦和1億千瓦發(fā)展可再生能源是未來(lái)能源發(fā)展的必由之路.盡管我國(guó)光伏裝機(jī)容量不大，但近幾年也是緊跟國(guó)際形勢(shì)，發(fā)展異常迅速。 歷年裝機(jī)和累計(jì)裝機(jī)情況Your site hereLOGO1 1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展 目前國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能光伏應(yīng)用仍以獨(dú)立供電系統(tǒng)為主，但并網(wǎng)系統(tǒng)近年來(lái)也是異軍突起。Your site hereLOGO1 1、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展、光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及發(fā)展 我國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電與歐洲等國(guó)家以“分散開(kāi)發(fā)、低電壓就地接

5、入”的發(fā)展方式不同，呈現(xiàn)出“以大規(guī)模集中開(kāi)發(fā)、中高壓接入”與“分散發(fā)低電壓就地接入”并舉的發(fā)展特征。 最近三年每年安裝量都超過(guò)百分之百，但我們不得不承認(rèn)，由于基數(shù)小，總量遠(yuǎn)低于日本，歐洲和美國(guó)等國(guó)。Your site hereLOGO2 2、光伏發(fā)電的基本原理、光伏發(fā)電的基本原理 光伏發(fā)電主要是以半導(dǎo)體材料為基礎(chǔ)，利用光照產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在 PN結(jié)上可以產(chǎn)生光電流和光電壓的現(xiàn)象（光伏效應(yīng)），從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的目的。 太陽(yáng)能電池的基本工作原理是光電效應(yīng) 。Your site hereLOGO3 3、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用 太陽(yáng)能光伏電池所發(fā)出的電能是隨太陽(yáng)

6、光輻照度、環(huán)境溫度、負(fù)載等變化而變化的不穩(wěn)定直流電, 是難以滿(mǎn)足用電負(fù)載對(duì)電源品質(zhì)要求的“粗電”,為此需要應(yīng)用電力電子變流技術(shù)對(duì)其進(jìn)行直流-直流(DC-DC)或直流-交流(DC-AC)變換,以獲得穩(wěn)定的高品質(zhì)直流電或交流電供給負(fù)載或電網(wǎng)Your site hereLOGO3 3、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用 獨(dú)立供電的太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖一般如圖a所示。整個(gè)光伏系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池、蓄電池、負(fù)載和控制器組成。系統(tǒng)各部分容量的選取配合，需要綜合考慮成本、效率和可靠性。在與負(fù)載容量配合時(shí)，應(yīng)該考慮到連續(xù)陰天的情況，對(duì)系統(tǒng)容量留出一定裕度。 與獨(dú)立供電的光伏系統(tǒng)相比，并網(wǎng)系

7、統(tǒng)一般都沒(méi)有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，直接由并網(wǎng)逆變器接太陽(yáng)能電池和電網(wǎng)，如圖b所示。并網(wǎng)逆變器的基本功能是相同的。那就是，在太陽(yáng)能電池輸出較大范圍內(nèi)變化時(shí)，能始終以盡可能高的效率將太陽(yáng)能電池輸出的低壓直流電轉(zhuǎn)化成與電網(wǎng)匹配的交流電流送入電網(wǎng)。太陽(yáng)能電池輸出的大范圍變動(dòng)，主要原因是白天日照強(qiáng)度的變化，范圍在200w/m2到1000w/m2之間。典型光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)Your site hereLOGO3 3、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用 農(nóng)村電氣化光伏應(yīng)用(村落電站、戶(hù)用電源、光伏水泵等）Your site hereLOGO3 3、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成和

8、應(yīng)用通信和工業(yè)應(yīng)用(通信、鐵路、氣象、陰極保護(hù)、航標(biāo)等）Your site hereLOGO3 3、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用、太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的組成和應(yīng)用 光伏產(chǎn)品和商品 (太陽(yáng)能路燈、草坪燈、交通信號(hào)燈、 太陽(yáng)能電車(chē)、廣告牌、電子產(chǎn)品等）Your site hereLOGO4 4、光伏直流變換電路、光伏直流變換電路 光伏直流變換電路的主要功能是：實(shí)現(xiàn)“最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)”。即：隨著天氣(輻照度、溫度)變化,實(shí)時(shí)調(diào)整負(fù)載的伏安特性使其相交于光伏電池伏安特性的最大功率輸出點(diǎn)處,降低負(fù)載失配功率損失。 光伏電池是一種輸出特性迥異于常規(guī)電源的直流電源,對(duì)電壓接受型負(fù)載(如蓄電池)、電流接受型

9、(如永磁直流電動(dòng)機(jī))、純阻性負(fù)載3種不同類(lèi)型的負(fù)載,其匹配特性也迥然相異。 光伏直流變換電路主要有脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖頻率調(diào)制(PFM)兩種方法,其中,PWM為常用控制方法。光伏直流變換器主電路分直接變換(直流斬波器,無(wú)變壓器隔離)和間接變換(開(kāi)關(guān)電源型DC/DC變換器,有變壓器隔離)兩大類(lèi)，如下。Your site hereLOGO4 4、光伏直流變換電路、光伏直流變換電路Buck變換器電路Boost變換器電路 Buck電路中，S、D、L、C 組成降壓斬波器, 調(diào)節(jié)S的開(kāi)通占空比可調(diào)節(jié)負(fù)載電壓, 以調(diào)節(jié)光伏陣列工作點(diǎn)。設(shè)置CS是為了保證光伏陣列輸出電流連續(xù),以免發(fā)電功率損失。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

10、、效率高、易控制。 Boost變換器電路中，L、S、D、C組成升壓斬波器。當(dāng)S開(kāi)通時(shí), L儲(chǔ)能; S關(guān)斷時(shí), L所儲(chǔ)磁能轉(zhuǎn)化成的感應(yīng)電壓與光伏陣列輸出電壓串聯(lián)相加向負(fù)載供電, S的開(kāi)通占空比增大時(shí)輸出電壓增大。適當(dāng)調(diào)節(jié)占空比,可調(diào)整光伏陣列輸出電壓, 使其處于最大功率點(diǎn)電壓,且該電路可將光伏陣列輸出電壓升高。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、易控制,但不能進(jìn)行降壓變換。Your site hereLOGO4 4、光伏直流變換電路、光伏直流變換電路單端正激變換器單端反激變換器 單端正激電路中，在S開(kāi)通時(shí), 光伏陣列經(jīng)變壓器T向C、R饋電, 調(diào)節(jié)占空比或T的變比, 可調(diào)節(jié)輸出電壓, 多用于小容量的降壓電路。需采取

11、磁芯復(fù)位措施。 單端反激電路中，在S關(guān)斷時(shí), 光伏陣列經(jīng)變壓器T向C、R 饋電。具有元件少、易實(shí)現(xiàn)多路輸出的優(yōu)點(diǎn)。但變壓器的勵(lì)磁電流仍為單向。Your site hereLOGO4 4、光伏直流變換電路、光伏直流變換電路 Buck(降壓)、Boost(升壓)主電路是最基本的變換器拓?fù)?由此可派生出多種組合結(jié)構(gòu)。 帶高頻變壓器隔離的多種間接變換器拓?fù)浞謩e派生于各基本DC-DC變換器,亦稱(chēng)為直-交-直變換器,其克服了直流斬波器輸入輸出不隔離、輸入輸出電壓或電流比受限制、不能實(shí)現(xiàn)多路輸出的局限,常用于直流光伏輸電線(xiàn)路、逆變器和負(fù)荷間的電壓匹配變換等場(chǎng)合。表中的全橋、半橋、正激、推挽變換器是基于Buc

12、k的隔離變換器拓?fù)?反激式變換器則是Buck-Boost變換器的隔離方案。Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路 “逆變”是將直流電變換為極性周期改變的交流電,其為“整流”的“逆向”過(guò)程。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器多采用電壓源型逆變器。隨著全控型電力電子器件和脈寬調(diào)制技術(shù)的進(jìn)步, 采用橋式主電路、以標(biāo)準(zhǔn)正弦波作為PWM調(diào)制波的正弦脈寬調(diào)制(SPWM)技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的電壓源逆變器控制技術(shù),為了使逆變器輸出電壓濾波后盡量正弦化, 出現(xiàn)了選擇性消諧波等優(yōu)化的PWM技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步出現(xiàn)了以控制輸出電流正弦化為目標(biāo)的電流瞬時(shí)值滯環(huán)跟蹤PWM控制技術(shù)和針對(duì)三

13、相橋式電壓型逆變器的電壓空間矢量PWM(SVPWM )技術(shù)。 SVPWM具有直流電壓利用率高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、開(kāi)關(guān)損耗低、輸出電壓波形的總諧波畸變率低等優(yōu)點(diǎn),在三相電壓型逆變器控制中的應(yīng)用日益廣泛。Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路 離網(wǎng)型光伏發(fā)電逆變電路 離網(wǎng)型光伏發(fā)電逆變電路一般采用電壓源型逆變器。下圖為單相橋電壓源型逆變器和三相橋電壓源型逆變器結(jié)構(gòu)示意圖。 離網(wǎng)型三相光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器主要有兩種形式:其一,采用左圖所示的三個(gè)單相全橋逆變器組合(例如并聯(lián))為三相電壓源逆變器, 其存在元器件多、成本高、體積大的缺點(diǎn); 其二,采用三相橋式電壓源型逆變器, 其

14、利用三橋臂構(gòu)成的變換器取替三組單相全橋逆變器, 具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、體積小的優(yōu)點(diǎn), 應(yīng)用廣泛。單相電壓源型逆變器主電路三相橋電壓源型逆變器Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路高頻隔離系統(tǒng)Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路高頻隔離系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：v同時(shí)具有電氣隔離和重量輕的優(yōu)點(diǎn)v系統(tǒng)效率在93左右 高頻隔離系統(tǒng)的缺點(diǎn)： v由于隔離DC/AC/DC的功率等級(jí)一般較小，所以這種拓樸結(jié)構(gòu)集中在2KW以下v高頻DC/AC/DC的工作頻率較高，一般為幾十KHz或更高，系統(tǒng)的EMC（電磁兼容）比較難設(shè)計(jì)v系統(tǒng)的抗沖擊性能差Your site

15、 hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路高頻不隔離系統(tǒng)Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路高頻不隔離系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：v和直接逆變系統(tǒng)拓樸結(jié)構(gòu)類(lèi)似，由于省去了笨重的變壓器， 具有高效率、重量輕的優(yōu)點(diǎn)v同時(shí)加入了Boost電路用于DC/DC直流輸入電壓的提升，太陽(yáng)電池陣列的直流輸入電壓范圍可以很寬高頻不隔離系統(tǒng)的缺點(diǎn)：v太陽(yáng)電池板與電網(wǎng)沒(méi)有電氣隔離，太陽(yáng)電池板兩極有電網(wǎng)電壓v使用了高頻DC/DC，EMC設(shè)計(jì)難度加大v可靠性較低Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路光伏發(fā)電低壓側(cè)并網(wǎng)概念v 直接接入低壓配電網(wǎng)400Vv 自發(fā)自

16、用v 分為可逆流/不可逆流系統(tǒng)v 節(jié)省部分配電成本、全部變壓器成本 v 充分利用了原變壓器容量，分?jǐn)偭俗儔浩鲹p耗 v 可實(shí)現(xiàn)快速的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、并網(wǎng)低壓側(cè)并網(wǎng)技術(shù) 光伏發(fā)電低壓側(cè)并網(wǎng)：是近期光伏發(fā)電系統(tǒng)接入電網(wǎng)的 主要方式Y(jié)our site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路低壓側(cè)并網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路直接逆變系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)v 由于省去了笨重的工頻變壓器，重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單v 特高的效率（98%左右）直接逆變系統(tǒng)的缺點(diǎn): v 太陽(yáng)電池板與電網(wǎng)沒(méi)有電氣隔離，太陽(yáng)電池板兩極有電網(wǎng)電壓，對(duì)人身安全不利v 直流側(cè)MPPT電壓需要大

17、于350V。對(duì)于太陽(yáng)電池組件乃至整個(gè)系統(tǒng)的絕緣有較高要求，容易出現(xiàn)漏電現(xiàn)象單相直接逆變系統(tǒng) Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路單相工頻隔離系統(tǒng) Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路單相工頻隔離系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：v由于使用工頻變壓器進(jìn)行電壓變換和電氣隔離,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高v抗沖擊性能好、安全性能良好v直流側(cè)MPPT電壓等級(jí)一般在220V-600V單相工頻隔離系統(tǒng)的缺點(diǎn)：v系統(tǒng)效率相對(duì)較低v體積較大，笨重Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路多DC-DC（MPPT）單逆變系統(tǒng)Your site h

18、ereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路多DC-DC（MPPT）單逆變系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：v由于具有多個(gè)DC-DC電路，適合多個(gè)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(yīng)用于光伏建筑多DC-DC（MPPT）單逆變系統(tǒng)缺點(diǎn)：v太陽(yáng)電池板與電網(wǎng)沒(méi)有電氣隔離，太陽(yáng)電池板兩極有電網(wǎng)電壓v使用了高頻DC/DC，EMC設(shè)計(jì)難度加大v可靠性較低Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路半橋逆變技術(shù)系統(tǒng)v優(yōu)點(diǎn)：注入電網(wǎng)的直流分量較小、電路簡(jiǎn)單v缺點(diǎn)：功率器件利用率低Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路升降壓DC/DC+工頻

19、逆變Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路三個(gè)單相逆變器組成的三相系統(tǒng)Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路三相逆變技術(shù)Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路多重疊加技術(shù)Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路組件并聯(lián)、逆變器逐個(gè)并聯(lián)方式 系統(tǒng)工作方式：早晨弱光系統(tǒng)工作方式：早晨弱光時(shí)由幾臺(tái)逆變器中隨機(jī)一臺(tái)開(kāi)時(shí)由幾臺(tái)逆變器中隨機(jī)一臺(tái)開(kāi)始工作。當(dāng)?shù)谝慌_(tái)滿(mǎn)功率時(shí)接始工作。當(dāng)?shù)谝慌_(tái)滿(mǎn)功率時(shí)接入第二臺(tái)逆變器，依次投入。入第二臺(tái)逆變器，依次投入。傍晚弱光時(shí)逐臺(tái)退出。傍晚弱光時(shí)逐臺(tái)

20、退出。 優(yōu)點(diǎn)：低空載損耗，充分優(yōu)點(diǎn)：低空載損耗，充分利用了太陽(yáng)能。利用了太陽(yáng)能。 逆變器輪流工逆變器輪流工作，延長(zhǎng)壽命。作，延長(zhǎng)壽命。 缺點(diǎn)：光伏陣列全部并聯(lián)缺點(diǎn)：光伏陣列全部并聯(lián)，并聯(lián)損耗較大，且只能用一，并聯(lián)損耗較大，且只能用一種型號(hào)種型號(hào) Your site hereLOGO5 5、光伏逆變電路、光伏逆變電路共用變壓器低壓側(cè)逆變并網(wǎng)技術(shù)共用變壓器低壓側(cè)逆變并網(wǎng)技術(shù) 優(yōu)化直流母線(xiàn)電壓、升壓變壓器配置優(yōu)化直流母線(xiàn)電壓、升壓變壓器配置和變比，避免重復(fù)升壓，提高系統(tǒng)效率，和變比，避免重復(fù)升壓，提高系統(tǒng)效率，優(yōu)先考慮當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷，避免過(guò)多電能的優(yōu)先考慮當(dāng)?shù)赜秒娯?fù)荷，避免過(guò)多電能的遠(yuǎn)距離傳送遠(yuǎn)距離傳送. .Your site hereLOGO 6 6、光伏發(fā)電中電力電子技術(shù)的發(fā)展、光伏發(fā)電中電力電子技術(shù)的發(fā)展光伏發(fā)電中的多電平逆變器 在交流大功率變換領(lǐng)域,常采用開(kāi)關(guān)器件串/