光伏发电系统

有功无功综合控制 当逆变器只向电网输出有用功率而无无用功率注入， 恶化交流系统的功率因数
瞬时无功补偿理论； 扰动器补偿：增加一个扰动器，产生不同于逆变器输出的偏 离，同时输出到电网，即有无功功率注入网络
能量管理
控制光伏阵列在最大功率点（MPP）出运行； 在离网系统中，对蓄电池的充放电进行管理 预测负载情况；评估光伏综合系统电池状态；实现光伏电力在蓄电池和 多种负载间的合理调配 负荷调控 电器性负荷：照明、多种电子产品 电动机动力负荷：通过调压和供电频率调节，具有变频器的光伏水泵， 变频器具有DC/AC 性能，光伏系统直接供其直流。变频器采用调频的方 式调节交流负荷 蓄电池充电负荷 调节负载时刻调节电流实现电池板的最大功率点匹配
双轴跟踪系统 1、水平轴跟踪系统：阵列绕垂直轴改变方位角，绕水平轴 改变仰角，跟踪太阳高度 2、赤道轴跟踪系统：平行天轴（地轴）极轴，平行于天赤 道的赤纬轴。极轴成南北向，倾角成当地纬度，调整水平， 等于太阳赤纬度，阵列对准太阳，以15度/转动
负载特性
接入负载要求：要严格计算和限制接入的负载；选用节能型负载；合理安排用电
负载实际耗电：一般额定总负载功率>发电系统额定功率（负载不是同时工作） 负载动态特性：负载启动特性产生的浪涌电流对系统产生冲击
变换器
直流变换器：将直流电压电流→不同等级的电流电压 交流变换器（逆变器）：直流→交流
离网系统
Array
工作点控制 器 电源变换器 负载
蓄电池
户用光伏系统：几十~几百瓦，白天发电蓄电，夜晚用电小型系统 独立光伏电站：阵列、蓄电池、变换器、能量管理器、配电、输电系统 白天蓄电池充电，负载供电；夜晚，蓄电池逆向放电，实现对负载供电 能量管理器：实现同时给多个负载用电与蓄电池充电之间能量分配； 可调节负载：为匹配阵列的最大功率点，负载中有可调节性负载（蓄电池 充电负荷，变频器带动的光伏泵）
不同照度
I
U
温度影响
当温度升高 系统开路电压下降 短路电流则略有升高
I
T 100,60,30C
当温度升高Leabharlann Baidu系统最大功率下降
U
P
T 100,80,60,30C
U
功率点控制
不同照度下，阵列最大功率点在Um线上 负载特性曲线L 与阵列特性曲线交点——负载工作点 工作点与最大功率点差——阻抗失配引起的功率损失 工作点接近最大功率点——阻抗匹配
硅光伏电池输出
输出电流：I I ph I0 (eqU / kT 1)
考虑并联电阻Rsh：电池表面及边沿漏 串联电阻Rs:扩散区电池体、上下电极电阻
输出电流：I I ph I d I r I ph 0.001SI sc CT (T Tref ) q (U IRs ) I d I 0 {exp[ ] 1} nkT I r (U IRs ) Rsh S 光照度；I sc短路电流；CT 温度系数；Tref 参考温度；T电池温度； T2 带隙Eg 1.16 7.02 10 ； I d 0二极管反向电流； T 1108
L min
U dc U m sin t I m cos t
t控制周期内电流最大波动i U dc U m U dc U m sin t L min i / t I m cos t 可确定出阵列向电网输电的电抗器电感L
并网逆变器
采用桥式电路，输出并入电网 调节桥式电路输出相位与幅度，送出有功电流，实现并网
光伏水泵
光伏发电系统
变频器调节功率平衡
水泵系统
蓄电池 变频器： 1、光伏发电较高时，控制水泵在高速运行，较低时，水泵低速运行 2、实现光伏发电最大功率点跟踪与控制 3、阵列最大工作点电压=变频器额定直流工作电压
充电 扬水
充电扬水
扬水
充电
蓄电池+光伏电池选择 1、蓄电池+光伏电池容量较大， 出早晚时段，中午也可以充电 2、蓄电池+光伏电池容量略小， 中午不能充电，蓄电池作为电 源稳定器和光能存储器
构建350V，20A光伏阵列 20个最大工作点电压为17.5V电池板串联，（每 个板容量120W或75W）构成工作点电压350V； （1）3串20组串联、容量120W组件并联 120/17.5=6.8A 6.8*3=20.4A （2）5串20组串联，容量为75W组件并联 75/17.5=4.28A 4.28*5=21.2A
二极管： （1）屏蔽蓄电池或逆变器向光伏电池送电； （2）串联组件上并联二极管，某组件被遮挡不影响别的组件； （3）每串中串联二极管，在并联，防止某串遮挡而影响其他，隔离二极管 （4）稳压管：在阵列终端
阵列安装
1、入射角：尽量小，光线准直入射阵列 2、倾角：需每个季度调整倾角，通常在当地纬度加5度 3、一年调整两次，春分当地倾角减11度45分，秋分开始当地纬度+11度45分 4、方位角：太阳偏离东西方向的角度，太阳每小时移动15度24分，24小时移动 360度。 5、正南方确定：立竿见影，最短的杆影对应的太阳方向为正南 固定安装阵列，接收能量因子2/π=0.637，即损失约36.3的能量。 昼夜变化影响因子：0.5 赤道上无云遮挡太阳辐射1kw/m2，则当地1m2的阵列一天接收太阳辐射
接入保护
防止线路故障与功率失稳，阵列影响电网，电网影响阵列； 低压保护、过压保护、低频保护、过频保护、过流保护、孤 岛保护
孤岛效应
阵列与电网的链接断开后，逆变器失去电网的参考电压， 光伏阵列成为孤岛，之后再接通时可能产生功率适配使 连接变得复杂
孤岛检测
功率调节器检测孤岛效应，并实现电压的自动调整
256( k 1) 256 k 1
8：00 10：00 16：00 18：00
风-光互补发电系统
风力发电 光伏发电 夜间风力较大，补充光伏发电的不足，不稳定能源 白天发电，补充风力较小，较稳定能源
光伏发电
稳定的用电负载
风力发电
蓄电池
燃气发电机
设计原则
1、充分调研风能-光能资源——评估 2、适当选择蓄电池和燃气电机容量——负载评估 3、运行及供电方式，要考虑系统可维护性——控制及管理策略
Reactor Array MPPT
DC/DC convertor
~
Driver PWM Control PT
并网电抗调节阵列输出电流变化，电感L越大，系统输出电流变化越小
要阵列输出电流ia能跟踪电网电流i I m sint dia dt di dt
U dc U m sin t I m cos t L
Pm
L
CVT（constant voltage tracking) 采用阻抗变换，使工作点电压保持在Um附近，输 出功率为最大功率 直接匹配与CVT的功率差值 =负载线与最大功率点曲线线之间面积
CVT不足 阵列温度升高，最大功率点移动，输出功率产生较大功率损失
I
U
Um
MPPT（最大功率点跟踪）
系统运行在最大功率点A 当阵列特性曲线由1→2 为保持最大输出， 负载特性也应由L1 → L2， 使系统仍运行在最大功率点B处
1kW 1m2 0.5 0.637 24h 7.6kWh
占地计算：以多晶硅15%效率计算，电池板150W p/m2，+支架+倾角等， 100W p/m2，1MW阵列占地10000m2 =15亩 电池板功率选择：用电最大负荷、平均最大日用电，当地四季平均日照。再 考虑备用电源，逆变器。
MPPT：当最大功率点变化后，跟踪变 化使工作点也相应变化 CVT可以很好的控制输出电压波动 MPPT能有效地提升输出功率 实验得到MPPT较CVT能提高9%的输出能量 I 1 2 B B‘ L2 A’
L1
A
U
MPPT稳态特性
在P U曲线上，功率最大值满足：dP / dU 0
采用一阶差分，对阵列输出电压电流采样
uac
电感，电容调节输出电流波形
L
idc C 电流（压）源逆变器
并网控制
最大功率点控制
Maximum power point tracking (MPPT)实时控制系统工作状态， 跟踪阵列最大功率点，实现最大输出功率
波形跟踪和控制
波形跟踪PWM，将阵列电流跟踪电网参考电流，控制电流波 形变化
风力发电机
GS
控制器
数据采集
DAS
GS
控制器
DAS DAS
充放电 控制器 蓄电池 组 逆变器
负 载
DA/AD
DAS
GS 柴油发电
DAS
风光互补发电系统
并网系统
不用考虑负载供电稳定性； 光伏电池运行在最大功率点； 省略储能蓄电池 组成：光伏阵列、逆变器、控制器 控制器：控制跟踪阵列最大功率点；控制逆变器并网电流波形与功率； 控制电网转送功率与阵列最大功率平衡
2
P
不同照度
Pall N s N p Pcell T Eg N s 1.16 7.02 104 T 1108
U
高压区，电流很小，内阻大，具有恒压源特性 低压区，电流很大，内阻小，具有恒流源特性 电压源和电流源的交点处就是功率最大点 光伏电池作为电压源可接电压型负载，作为电 流源可接电流型负载
光伏照明系统
光伏+储能系统：天白光伏电池对蓄电池充电储能，晚间蓄电池对 用电器释放能量
光伏照明系统：输出照明系统的额定电压不是固定的220V，具体视 负载而定 升压电路：将蓄电池电压升到220V市电
光伏工作点控制： 最大功率点跟踪控制（MPPT）：需芯片实时跟踪和控制光伏电池输出率点 恒电压工作点控制（CVT）：只需模拟电路控制输出电压工作点 MPPT较CVT复杂，但CVT比MPPT多损失5-10%的功率。 高压气体放电照明系统： 150W、250W、400W，直流生压电路、高频逆变电路、电子镇流与起辉电路 蓄电池充电策略：合适的充电方法可以延长电池寿命，提高充电效率 考虑电压温度系数CT，蓄电池浮充电压：Up=Up0+（T-T0）CT 蓄电池要选择通常达不到浮充，在快充阶段的容量，每日放电深度<40~50%
dP / DU d (UI ) / dU UdI / dU IdU / dU 0 UdI IdU 取I UdI U - IdU 最大功率点：U I
对电流电压连续采样取均值 dI (k ) I (k 1) I (k ) 类似dU (k ) 做差分：I (k ) U (k 1)dI (k ) U (k ) I (k 1)dU (k )
最大功率点匹配：使负载工作点接近阵列最大工作点，阵列输出最大
负载评估： 1、静态评估：实际额定电流、电压、额定有功功率、额定无功功率、日耗电 2、动态评估：负载实际用电时间特性、负载启动特性、负载动态频率特性
阻性负载：伏安特性为电阻特性 感性负载：电阻与电感组合，开关时有感应引起的浪涌电流 容性负载：电阻与电容组合，开关时有充放电的时间延续
4
qEg 1 T 3 1 I0 Id 0 ( ) exp[ ( )] Tref nkT Tref T
通过最小二乘法拟合，可以确定各个参数
阵列输出特性
在忽略光电池分布效应； 照射不均产生的温度梯度；阴影遮挡； 遮挡造成的恒流条件下对输出电压的限制
阵列输出 U all N sU cell 所有串联电压和 I all N p I cell 所有并联电流和
太阳跟踪系统
对光伏系统影响： 1、25度角入射阵列比垂直入射输出降低10% 2、 理想跟踪系统提高能量收集效率30%已上 聚光40倍的系统，0.5度跟踪偏差 → 输出效率下降10%； 跟踪偏差大于5.5度 → 聚光点偏离电池，输出功率降为零
单轴跟踪系统 1、东西水平轴跟踪系统； 2、南北水平轴跟踪系统 3、极轴跟踪系统：方位角0，倾斜角=当地纬度， 在极轴上的阵列以地球自转角速度转动（15度/h）
光伏发电系统构成
Array
控制器
逆变器
交流负载
蓄电池
直流负载
组件串联：要求各组件具有相同电流容量，输出电压为各组件之和 组件并联：各组件具有相同电压输出，阵列输出电流为各族简直和 一个电池额定电压0.45V， 一个板由36~40个电池串联，总输出16~18V，可为12V蓄电池充电
阵列组成
各板串联后再并联 依据： 逆变器工作点电压和电流与电池板最 大功率点电压和电流相匹配原则