太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能變換與控制技術學習心得

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能變換與控制技術太陽能屬于再生綠色能源，可以說是“取之不盡，用之不竭”。太陽能光伏發(fā)電技術利用半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能，被認為是當今世界上最具發(fā)展前景的新能源技術。我國于1958年開始研究光伏電池，1972年首次成功地將光伏電池用于地面，1979年開始生產(chǎn)單晶硅太陽能電池。中國的光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有2次跳躍，第一次是在上世紀80年代末，我國的改革開放正處于蓬勃發(fā)展時期，國內(nèi)先后引進了多條太陽能電池生產(chǎn)線，使我國的太陽能電池生產(chǎn)能力由原來的3個小廠的幾百千瓦一下子上升到6個廠的4.5MW，引進的太陽電池生產(chǎn)設備和生產(chǎn)線的投資主要來自中央政府、地方政府、國家工業(yè)部委和國家大型企業(yè)。第二次光伏產(chǎn)業(yè)的大發(fā)展在2000年以后，主要是受到國際大環(huán)境的影響、國際項目/政府項目的啟動和市場的拉動；例如：2002年由國家法改委負責實施的“光明工程”送電到鄉(xiāng)和即將實施的送電到村工程均采用了太陽能光伏發(fā)電技術。由于我國西部人口密度小，居住分散，同時又擁有豐富的太陽能資源。太陽能光伏發(fā)電是即廉價又清潔的能源選擇。近20年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已初具規(guī)模，但在總體水平上我國同國外相比還有很大差距。我國目前尚有約30000個村莊，700萬戶，3000萬農(nóng)村人員還沒有用上電，60%的有電縣嚴重缺電，光伏市場潛力巨大。專家預測2006年我國太陽能電池生產(chǎn)能力將超過300MW。在今后的十幾年中，太陽電池的市場走向?qū)l(fā)生很大的改變，到2010年以前中國太陽電池多數(shù)是用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)，從2011年到2020年，中國光伏發(fā)電的市場主流將會由獨立發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，包括沙漠電站和城市屋頂發(fā)電系統(tǒng)。2005年2月28日，第十屆全國人代表大會常務委員會第十四次會議通過《中華人民共和國可再生能源法》，于2006年1月1日起正式實施?？稍偕茉捶ㄒ?guī)定國家將可再生能源開發(fā)利用的科學技術研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展列為科技發(fā)展與高技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展的優(yōu)先領域，納入國家科技發(fā)展規(guī)劃和高技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，并安排資金支持可再生能源開發(fā)利用的科學技術研究、應用示范和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，促進可再生能源開發(fā)利用的技術進步，降低可再生能源產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。此次通過對《太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能變換與控制技術》課件的學習，更加深了我對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的電能變換與控制技術的理解和認識。一使我更進一步了解光伏發(fā)電系統(tǒng)原理，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心部件是太陽能電池，又稱光伏電源。其發(fā)電原理是“光生伏打效應”，即當太陽光照射到太陽能電池上時，電池吸收光能，產(chǎn)生光生電子一空穴對，在電池內(nèi)建電場作用下，光生電子和空穴被分離，電池兩端分別出現(xiàn)正、負電荷的積累，即產(chǎn)生光生電壓。若在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負載，則負載就有光生電流流過，獲得功率輸出。這樣，太陽的光能就變成可以被利用的電能。二光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制要求：光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制主要體現(xiàn)在對充電器和逆變器的控制上。由于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)包含光伏獨立系統(tǒng)的功能，因此以光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)為例分析其控制技術。獨立光伏系統(tǒng)的技術性能指標有太陽能電池額定功率、蓄電池額定容量、逆變器輸出電壓、頻率范圍及電源總諧波畸變率、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的總效率（包括電池組件的PV轉(zhuǎn)換率、控制器的效率、蓄電池的效率、逆變器的效率）等。三為了能夠得到向220V/50HZ的電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電，相應的并網(wǎng)逆變器所需的直流輸入電壓幅值一般最低為400V。然而，太陽能電池輸出的端電壓比較低，一塊普通太陽能電池陣列的開路電壓（圖3-1中的Vpv）在40V左右，為了將其發(fā)出的電能回饋到電網(wǎng)上，就需要DC-DC升壓變換器（對應于圖3-1中的新型BOOST電路），將太陽能電池陣列輸出的40V左右的開路電壓轉(zhuǎn)換為所需的直流400V等級的電壓值（對應于圖3-1中的單相全橋逆變環(huán)節(jié)的輸入端口）。但普通的BOOST升壓變換電路的升壓比比較低，一般低于5倍，不能滿足升壓到400V的要求。因此具有高升壓比的DC-DC變換器的研究將非常有意義，本章介紹了三種結(jié)構(gòu)不同的高升壓比DC-DC變換器，分別對它們的結(jié)構(gòu)和工作原理進行了分析，并且對它們各自的優(yōu)缺點進行了比較。四有源逆變器是將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔懿㈦娔芩徒o電網(wǎng)的裝置，根據(jù)控制模式的不同，可將有源逆變器的單元電路分為三種：相位控制逆變器，相移控制逆變器以及PWM逆變器。三種控制模式的逆變器結(jié)構(gòu)及其工作原理進行分析和對比研究。五并網(wǎng)逆變器是將直流側(cè)電能以正弦波電流的方式饋入電網(wǎng)的裝置，它是逆變器應用的另一種形式。并網(wǎng)運行的逆變器應用廣泛，如在交流電子負載、可再生能源大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電的場合都需要逆變器并網(wǎng)運行，將系統(tǒng)內(nèi)的電能回饋全電網(wǎng)中。然而，為了避免質(zhì)量不好的并網(wǎng)電流對電網(wǎng)造成污染，并網(wǎng)電流的波形質(zhì)量有嚴格的要求：電流為與電網(wǎng)電壓同頻反相的正弦波，且滿足國際電工委員會標準。國際上對并網(wǎng)逆變器饋入電網(wǎng)的電流規(guī)定如下：波形為正弦，總諧波畸變率THD小于5%，各次諧波小于3%。根據(jù)不同的工作場合選擇相應的濾波器結(jié)構(gòu)與合適的并網(wǎng)控制策略是決定并網(wǎng)逆變器饋入電網(wǎng)的并網(wǎng)電流質(zhì)量的關鍵。本章以單相并網(wǎng)逆變器為例，以使用不同濾波器拓撲結(jié)構(gòu)：L型，LC型，LCL型的情況具體分析，分析在各種結(jié)構(gòu)中并網(wǎng)逆變器控制策略的性能。本章重點對電網(wǎng)電壓前饋技術，并網(wǎng)電流外環(huán)、電感電流內(nèi)環(huán)的電流雙閉環(huán)控制策略，與并網(wǎng)電流外環(huán)、電容電流內(nèi)環(huán)的并網(wǎng)逆變器控制系統(tǒng)進行了分析與研究。在MATLAB/SIMULINK中分別對以上三種結(jié)構(gòu)的并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)搭建了仿真模型并進行了諧波分析，進一步分析了三種結(jié)構(gòu)的特點與適用場合。太陽能光伏發(fā)電技術被認為是當今世界最具發(fā)展前景的新能源技術。控制技術作為服務于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的技術手段，必然會隨道光伏組件及電子技術和計算機等技術的發(fā)展而不斷更新、優(yōu)化。如何找到最佳的控制策略以最大限度地發(fā)揮光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)越性始終是評價控制技術的出發(fā)點和標準。這一多功能太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有與電網(wǎng)并網(wǎng)發(fā)電、功率因數(shù)校正和電子鎮(zhèn)流器及充/放電功能。在有日照時，全橋逆變器將太陽能轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)同頻率的正弦波電流饋入電網(wǎng)（并網(wǎng)發(fā)電）；當沒有日照且需照明時，此全橋變換器中的一臂則反向操作，作功率因數(shù)校正與鎮(zhèn)流器的功能；此外，在有日照或有電網(wǎng)時，通過充電器對電池充電，而當無日照及無電網(wǎng)且需照明時，可通過放電器將電池的能量取出，再經(jīng)由全橋變換器作電子鎮(zhèn)流器的功能去驅(qū)動氣體放電燈（離網(wǎng)發(fā)電，或稱為獨立供電）。按這種結(jié)構(gòu)規(guī)劃的硬件達到最高的共用效果，而僅需在控制程序上稍加變化即可，這對降低成本有很大的意義?？梢?，太陽能光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)涉及到的技術內(nèi)容非常豐富，有電力電子器件與電能變換及其控制技術、計算機控制技術、系統(tǒng)控制理論與技術、電能質(zhì)量控制技術等等。本課程的宗旨，是使參加培訓的學員接觸到當前國民經(jīng)濟發(fā)展的最新領域一一新能源開發(fā)與利用技術。誠然，除了太陽能以外，新能源（可再生能源，清潔能源）還包括水力和風力、燃料電池、生物質(zhì)能和海洋能等。本課程的目的是通過“光伏發(fā)電系統(tǒng)”這一專題的學習，使學員接觸到“新能源開發(fā)與利用”這一國民經(jīng)濟發(fā)展的新興領域，學習和掌握以下知識點：光伏電池的特性、升壓斬波器與直流變壓技術、逆變器及逆變技術、電流跟蹤控制技術、并網(wǎng)逆變及其控制技術等。能源是人類經(jīng)濟及文化活動的動力來源。在20世紀的一次能源結(jié)構(gòu)中，主要是石油、天然氣和煤炭等化石能源。經(jīng)過人類數(shù)千年，特別是近百年的消費，這些化石能源己近枯竭。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、人口的增加和社會生活水平的提高，未來世界能源消費量將持續(xù)增長，世界上的化石能源消費總量總有一天將達到極限。此外，大量使用化石燃料已經(jīng)為人類生存環(huán)境帶來了嚴重的后果。目前由于大量使用礦物能源，全世界每天產(chǎn)生約1億噸溫室效應氣體，己經(jīng)造成極為嚴重的大氣污染。如果不加控制，溫室效應將融化兩極的冰山，這可能使海平面上升幾米，人類生活空間的四分之一將由此受到極大威脅。當前人類文明的高度發(fā)達與地球生存環(huán)境的快速惡化己經(jīng)形成一對十分突出的