新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)太陽(yáng)能樊

新能源轉(zhuǎn)換與控制技術(shù)太陽(yáng)能樊1機(jī)械工業(yè)出版社第1頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五2機(jī)械工業(yè)出版社第2頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五3機(jī)械工業(yè)出版社4.3光伏發(fā)電系統(tǒng)的MPPT控制技術(shù)1、光伏電池最大功率點(diǎn)圖4-24不同光照強(qiáng)度下的光伏電池最大功率點(diǎn)

第3頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五4機(jī)械工業(yè)出版社MPPT本質(zhì)上是一個(gè)尋優(yōu)過程。通過測(cè)量電壓、電流和功率，比較它們之間的變化關(guān)系，決定當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值點(diǎn)的位置關(guān)系，然后控制電流（或電壓）向當(dāng)前工作點(diǎn)與峰值功率點(diǎn)移動(dòng)，最后控制電流（或電壓）在峰值功率點(diǎn)附近一定范圍內(nèi)來回?cái)[動(dòng)。機(jī)械工業(yè)出版社第4頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五5機(jī)械工業(yè)出版社常用的最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法（1）固定電壓跟蹤法（2）擾動(dòng)觀察法（3）增量電導(dǎo)法（4）功率反饋法（5）模糊邏輯控制（6）滯環(huán)比較法（7）神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制法（8）最優(yōu)梯度法2、最大功率點(diǎn)跟蹤控制算法第5頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五6機(jī)械工業(yè)出版社

原理：對(duì)最大功率點(diǎn)曲線進(jìn)行近似，求得一個(gè)中心電壓，并通過控制使光伏陣列的輸出電壓一直保持該電壓值，從而使光伏系統(tǒng)的輸出功率達(dá)到或接近最大功率輸出值。（1）固定電壓跟蹤法（CVT）圖4-24不同光照強(qiáng)度下的光伏電池最大功率點(diǎn)

第6頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五7機(jī)械工業(yè)出版社

優(yōu)點(diǎn)：使用方便、控制簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)等；

缺點(diǎn)：控制精度差，忽略了環(huán)境溫度對(duì)光伏陣列開路電壓的影響。圖4-25不同環(huán)境溫度下的光伏電池伏安特性曲線和輸出功率曲線第7頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五8機(jī)械工業(yè)出版社

原理：周期性地?cái)_動(dòng)光伏陣列輸出電壓，測(cè)得光伏陣列擾動(dòng)后的輸出功率為，而被存儲(chǔ)的前一時(shí)刻輸出功率被記憶為，若，則；若，則。（2）擾動(dòng)觀察法第8頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五9機(jī)械工業(yè)出版社

優(yōu)點(diǎn)：跟蹤方便簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)；

缺點(diǎn)：初始值及跟蹤步長(zhǎng)的給定對(duì)跟蹤精度和速度有較大影響。

原理：當(dāng)輸出功率為最大時(shí)，即處的斜率為零；得：。即通過比較光伏陣列的電導(dǎo)和瞬間電導(dǎo)來控制輸出電壓，進(jìn)而保證光伏陣列運(yùn)行在最大功率點(diǎn)。

（3）增量電導(dǎo)法

優(yōu)點(diǎn)：控制精度高，響應(yīng)速度快，適用于大氣條件變化較快的場(chǎng)合；

缺點(diǎn)：對(duì)傳感器等硬件的精度要求高，整體造價(jià)較高。第9頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五10機(jī)械工業(yè)出版社

光伏陣列的安裝有兩個(gè)角度參量：傾角和方位角。傾角：光伏陣列組件平面與水平地面的夾角；方位角：光伏陣列組件垂直面與正南方向的夾角。

太陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)：光伏陣列隨太陽(yáng)的運(yùn)行而自動(dòng)跟蹤移動(dòng)，使其表面一直朝向太陽(yáng)，增加光伏陣列接受的太陽(yáng)輻射量。自動(dòng)跟蹤裝置包括單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)。3、太陽(yáng)光跟蹤系統(tǒng)第10頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五11機(jī)械工業(yè)出版社4.4

獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)

光伏發(fā)電系統(tǒng)一般包括：◎光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）控制器◎蓄電池充放電控制器◎直流升壓或降壓型變換器◎離網(wǎng)逆變器4.4.1

獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理圖4-26獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

第11頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五12機(jī)械工業(yè)出版社4.4.2

獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲(chǔ)能與充放電控制技術(shù)1、最大功率點(diǎn)跟蹤控制器

對(duì)于獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率輸出其實(shí)是實(shí)現(xiàn)注入蓄電池的功率最大。因此，蓄電池的充電特性曲線和光伏陣列的伏安特性曲線要始終相交于光伏電池的最大輸出功率曲線上。圖4-27不同光照強(qiáng)度同一環(huán)境溫度下的光伏電池最大功率曲線

第12頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五13機(jī)械工業(yè)出版社

降壓變換器實(shí)現(xiàn)MPPT適配器的功能。在光伏陣列特性曲線的每個(gè)最大功率點(diǎn)處，、固定，蓄電池的充電電壓和充電電流可檢測(cè)到，通過控制降壓變換器的開關(guān)改變其占空比，即可實(shí)現(xiàn)光伏陣列的最大功率跟蹤。2、降壓及升壓變換器（DC-DCConverter）圖4-28降壓變換器第13頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五14機(jī)械工業(yè)出版社

升壓變換器主要應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)向配電房直流輸電，或?qū)⒐夥姵鼗蛐铍姵氐牡碗妷航?jīng)升壓變換后輸出，向高壓用電器供電。圖4-29升壓變換器第14頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五15機(jī)械工業(yè)出版社

通過調(diào)節(jié)充放電器的直流電壓和直流電流輸出值，達(dá)到對(duì)蓄電池充電電流或充電電壓等不同目標(biāo)的控制，實(shí)現(xiàn)不同策略的充電控制。只有良好地應(yīng)用蓄電池的充放電特性，實(shí)施充放電管理，才能有效利用蓄電池，不縮短其壽命。鉛酸蓄電池的充電過程主要包括充電程度判斷、從放電狀態(tài)到充電狀態(tài)的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，以及充電各階段模式的自動(dòng)轉(zhuǎn)換和停止控制等方面。3、蓄電池充放電控制器第15頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五16機(jī)械工業(yè)出版社4.5并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)

并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、控制器和集成的繼電保護(hù)裝置組成。逆變器將光伏電池所發(fā)的電能逆變成正弦電流并入電網(wǎng)中；控制器控制光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤、控制逆變器并網(wǎng)電流的波形和功率，使向電網(wǎng)傳送的功率與光伏陣列所發(fā)的最大功率電能相平衡；繼電保護(hù)系統(tǒng)可以保證光伏系統(tǒng)和電網(wǎng)的安全性。圖4-30并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)第16頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五17機(jī)械工業(yè)出版社

光伏陣列并網(wǎng)逆變器應(yīng)具有以下特點(diǎn)：◎具有較寬的直流輸入電壓范圍◎具有較高的可靠性和可恢復(fù)性◎具有較高的逆變效率◎具有較小的輸出失真度

作為光伏電池和交流電網(wǎng)間進(jìn)行能量變換的逆變器，其安全性、可靠性、逆變效率、制造成本等因素對(duì)發(fā)電系統(tǒng)的整體投資和收益具有具足輕重的地位，因此逆變器是關(guān)鍵部件。第17頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五18機(jī)械工業(yè)出版社

在并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器起著如下作用：◎?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的電能轉(zhuǎn)換◎?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的安全保護(hù)要求，如輸出過載保護(hù)、輸出短路保護(hù)、直流過壓保護(hù)、交流過壓和欠壓保護(hù)、孤島保護(hù)等◎最大功率點(diǎn)跟蹤第18頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五19機(jī)械工業(yè)出版社4.5.1并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器按輸入側(cè)直流儲(chǔ)能元件類型可進(jìn)一步劃分為電壓型逆變和電流型逆變兩類；按拓樸結(jié)構(gòu)又可分為單相半橋逆變電路，單相全橋逆變電路和三相全橋逆變電路三種；按整流逆變的次數(shù)可分為單極或多級(jí)。第19頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五20機(jī)械工業(yè)出版社圖4－31光伏陣列并網(wǎng)的電壓源型電路結(jié)構(gòu)（1）電壓源型光伏陣列的逆變并網(wǎng)第20頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五21機(jī)械工業(yè)出版社（2）電流源型光伏陣列的逆變并網(wǎng)圖4－32光伏陣列電流源型并網(wǎng)逆變電路拓?fù)涞?1頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五22機(jī)械工業(yè)出版社

電流源型逆變器直流側(cè)需要串聯(lián)一個(gè)大電感提供穩(wěn)定的直流輸入，但由于這一大電感往往會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差，因此當(dāng)前世界范圍內(nèi)大部分的并網(wǎng)逆變器均采用電壓源型逆變器。第22頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五23機(jī)械工業(yè)出版社（3）單級(jí)式并網(wǎng)逆變器圖4－33單級(jí)式并網(wǎng)逆變器的電路拓?fù)涞?3頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五24機(jī)械工業(yè)出版社（4）兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器圖4－34兩級(jí)式并網(wǎng)逆變器的電路拓?fù)涞?4頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五25機(jī)械工業(yè)出版社（5）多級(jí)式并網(wǎng)逆變器圖4－35多級(jí)式并網(wǎng)逆變器的電路拓?fù)涞?5頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五26機(jī)械工業(yè)出版社

在單極式并網(wǎng)逆變器中，MPPT控制、逆變控制、相位同步等必須在同一個(gè)變換器中得到實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單，但各參變量之間耦合程度高，控制算法比較復(fù)雜；對(duì)于兩級(jí)式或多級(jí)式并網(wǎng)逆變器，MPPT控制一般在第一級(jí)變換中實(shí)現(xiàn)，而逆變控制、相位同步、并網(wǎng)控制等在后級(jí)變換中實(shí)現(xiàn)，使整個(gè)系統(tǒng)控制的復(fù)雜程度降低，各級(jí)的控制精度都得到提高，但增加了更多的硬件成本。第26頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五27機(jī)械工業(yè)出版社4.6光伏發(fā)電的制約因素與經(jīng)濟(jì)技術(shù)評(píng)價(jià)

成本/價(jià)格年份（USD）光伏電池1990199520002010單晶硅3.25/5.402.40/4.001.50/2.501.20/2.00多晶硅3.00/5.002.25/3.751.50/2.501.20/2.00聚光電池3.00/5.002.00/3.331.20/2.000.75/1.25非晶硅3.00/5.002.00/3.301.20/2.001.00/1.67薄膜硅2.00/3.331.20/2.000.75/1.25CIS2.00/3.331.20/2.000.75/1.25CdTe1.50/2.501.20/2.000.75/1.25表4－2地面用光伏電池組件的成本與價(jià)格（1990～2010年）第27頁(yè)，共28頁(yè)，2023年，2月20日，星期五28