光伏發(fā)電并網(wǎng)技術(2章)

第二章光伏系統(tǒng)基礎知識主講人：郭文君郵箱：guowenjun@QQ:310876367目錄2.1光伏電池原理與應用設計2.2逆變器功率器件2.3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的體系結構2.1光伏電池原理與應用設計組成部分：光伏陣列；功率轉換器；功率消耗負載（電網(wǎng)或本地負載）。2.1.1光伏電池的基本原理2.1.2光伏電池的應用設計2.1.1光伏電池原理的基本原理光伏電池是利用光生伏特效應（PhotovoltaicEffect，簡稱光伏效應）把光能轉變?yōu)殡娔艿钠骷?。發(fā)電工程上廣泛使用的光電轉換器件主要是硅光伏電池。硅光伏電池單晶硅（效率最高，成本高，工藝技術成熟，普遍應用）多晶硅（硅使用量少，無效率消退問題，成本低，前景好）非晶硅（較高的轉化效率，較低的成本，重量輕，有著極大潛力；穩(wěn)定性不高，影響大規(guī)模使用）2.1.1光伏電池的基本原理光生伏特效應（PhotovoltaicEffect）光生伏特效應原理圖關鍵因素(1)光伏電池內(nèi)部具有PN結，在兩種半導體相互接觸部位具有空間電荷區(qū)，形成內(nèi)電場。(2)光子的吸收能夠在半導體內(nèi)部產(chǎn)生電子空穴對（EHP）。(3)電子空穴對能夠在內(nèi)部靜電場的作用下產(chǎn)生分離，由少數(shù)載流子變?yōu)槎鄶?shù)載流子，使光伏電池板的外接觸面產(chǎn)生電勢差。光的照射在半導體材料中產(chǎn)生電子空穴對，這些電子空穴對在pn結的電場作用下產(chǎn)生分離運動，其中電子能夠移向N區(qū)，空穴能夠移向P區(qū)，導致在外部端子上呈現(xiàn)電壓并可通過外部電路產(chǎn)生電流，這就是光生伏特效應。2.1.1光伏電池的基本原理光伏電池數(shù)學模型圖中，Isc代表在光伏電池中激發(fā)的電流，這個量取決于輻照度、電池面積和本體溫度T。IVD為通過PN結的總擴散電流，其方向與Isc相反，表達式如式2-1。Rs是串聯(lián)電阻，Rsh是旁路電阻，一般光伏電池串聯(lián)電阻Rs很小，并聯(lián)電阻Rsh很大。注解（2-1）（1）式中，q為電子電荷，1.6*10-19C；K為玻爾茲曼常數(shù)，1.38*10-23J/K;A為常數(shù)因子（正偏電壓大時A值為1，正偏電壓小時為2）。（2）Rs主要是由電池的體電阻、表面電阻、電極導體電阻與硅表面間接接觸電阻所組成。Rsh是由硅片的邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的。（3）（2-2）（2-3）2.1.1光伏電池的基本原理光伏電池數(shù)學模型（2-4）（2-5）式（2-3）（2-6）太陽能電池輸出I-U特性隨日照溫度的變化開路電壓Uoc隨輻照度的變化不明顯，而短路電流Isc則隨輻照度有明顯變化。開路電壓Uoc線性地隨溫度變化，短路電流Isc隨溫度有微弱的變化。2.1.1光伏電池的基本原理光伏電池數(shù)學模型太陽能電池輸出P-U特性隨日照溫度的變化溫度保持不變，最大功率點功率隨光照浮動有明顯變化，具體表現(xiàn)為光照降低最大功率點功率下降；光照保持不變，最大功率點功率隨溫度也有很大變化，具體表現(xiàn)為，溫度降低最大功率點功率升高。光伏電池板的外部特性曲線，直觀地反映了光伏電池板的性能參數(shù)，對系統(tǒng)設計具有應用價值。從特性曲線上可以看出光伏電池隨輻照度和溫度變化的趨勢，且可以看出光伏電池既非恒流源，也非恒壓源，而是一個非線性的直流電源。在應用光伏電池板時，總希望在一定光照與溫度下獲取光伏電池板的最大輸出功率Pm，該點所對應的電流，稱為最大功率點電流Im，該點所對應的電壓，稱為最大功率點電壓Um。尋找最大功率點的這一過程，我們稱其為最大功率點跟蹤MPPT。2.1.2光伏電池應用設計光伏組件使用前測試1、光伏電池組件的電性能測試一般應該在規(guī)定光源的光譜（AM1.5）、標準輻照度（1000W/s2）以及一定的電池溫度（25oC）條件下，使用專用儀器對開路電壓、短路電流、伏安特性曲線和最大輸出功率等進行測量。沒有專用儀器時，可使用萬用表對光伏電池組件進行粗測，即在戶外較好陽光下，用電壓檔直接接正負極測其開路電壓，用電流檔測器短路電流。2、耐高壓絕緣測試用500V或者1000V絕緣電阻表來測量。絕緣電阻表一段接在電極上，一端接在組件的金屬框架上，絕緣電阻表顯示的電阻值應該不小于50MΩ而接近無窮大。3、光伏電池組件的環(huán)境試驗兩種試驗方法：一是實地試驗法；二是環(huán)境模擬試驗法；實地試驗法即把組件長期暴露在自然環(huán)境中，定期觀察和測量電性能參數(shù)，檢查元件、材料的老化和電性能的衰降情況。環(huán)境模擬試驗法是用人工方法創(chuàng)造自然環(huán)境中的各種典型條件，對組件進行試驗和性能檢查。2.1.2光伏電池應用設計光伏系統(tǒng)一般設計方法按照用戶要求和負載的用電量及技術條件計算光伏電池組件的串、并聯(lián)數(shù)。串聯(lián)數(shù)由光伏陣列的工作電壓決定，應考慮蓄電池的浮充電壓、線路損耗以及溫度變化對光伏電池的影響等因素。在光伏電池組件的串聯(lián)數(shù)確定之后，即可按照氣象臺提供的太陽年輻射總量或日照時數(shù)的10年平均值計算確定光伏電池組件的并聯(lián)數(shù)?；竟饺缦拢汗夥M件和陣列設計的修正1）將光伏電池組件輸出降低10%：實際應用中，受環(huán)境因素影響，如泥土、灰塵覆蓋，光伏組件輸出會降低。同時，組件老化也會使輸出降低。2）將負載增加10%以應付蓄電池的庫倫效應：在蓄電池充放電過程中，鉛酸蓄電池會電解水，產(chǎn)生氣體溢出，這也就是說光伏電池組件產(chǎn)生的電流中將有一部分不能轉化儲存起來而是耗散掉了。完整計算公式如下：2.2逆變器功率器件目錄2.1光伏電池原理與應用設計2.3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的體系結構2.2電力電子器件2.2.1電力二極管——最簡單的電力電子器件2.2.2電力場效應晶體管——PowerMOSFET2.2.3絕緣柵雙極晶體管——IGBT2.2.1電力二極管Δ電力二極管（PowerDiode）自20世紀50年代初期就獲得應用，其結構和原理簡單，工作可靠，直到現(xiàn)在電力二極管仍然大量應用于許多電氣設備當中。Δ在采用全控型器件的電路中電力二極管往往是不可缺少的，特別是開通和關斷速度很快的快恢復二極管和肖特基二極管，具有不可替代的地位。2.2.1電力二極管電力二極管的外形、結構和電氣符號a)外形b)基本結構c)電氣圖形符號■電力二極管是以半導體PN結為基礎的，實際上是由一個面積較大的PN結和兩端引線以及封裝組成的?！鰪耐庑紊峡矗梢杂新菟ㄐ?、平板型等多種封裝。電力二極管工作原理2.2.1電力二極管

■二極管的基本原理——PN結的單向導電性◆當PN結外加正向電壓（正向偏置）時，在外電路上則形成自P區(qū)流入而從N區(qū)流出的電流，稱為正向電流IF，這就是PN結的正向導通狀態(tài)。

◆當PN結外加反向電壓時（反向偏置）時，反向偏置的PN結表現(xiàn)為高阻態(tài)，幾乎沒有電流流過，被稱為反向截止狀態(tài)。

◆PN結具有一定的反向耐壓能力，但當施加的反向電壓過大，反向電流將會急劇增大，破壞PN結反向偏置為截止的工作狀態(tài)，這就叫反向擊穿。

?按照機理不同有雪崩擊穿和齊納擊穿兩種形式。

?反向擊穿發(fā)生時，采取了措施將反向電流限制在一定范圍內(nèi)，PN結仍可恢復原來的狀態(tài)。

?否則PN結因過熱而燒毀，這就是熱擊穿。

電力二極管工作原理2.2.1電力二極管

■PN結的電容效應◆稱為結電容CJ，又稱為微分電容?！舭雌洚a(chǎn)生機制和作用的差別分為勢壘電容CB和擴散電容CD

。

?勢壘電容只在外加電壓變化時才起作用，外加電壓頻率越高，勢壘電容作用越明顯。在正向偏置時，當正向電壓較低時，勢壘電容為主。

?擴散電容僅在正向偏置時起作用。正向電壓較高時，擴散電容為結電容主要成分。

◆結電容影響PN結的工作頻率，特別是在高速開關的狀態(tài)下，可能使其單向導電性變差，甚至不能工作。電力二極管工作原理2.2.1電力二極管電力二極管的伏安特性圖■靜態(tài)特性◆主要是指其伏安特性◆正向電壓大到一定值（門檻電壓UTO），正向電流才開始明顯增加，處于穩(wěn)定導通狀態(tài)。與IF對應的電力二極管兩端的電壓即為其正向電壓降UF?！舫惺芊聪螂妷簳r，只有少子引起的微小而數(shù)值恒定的反向漏電流。電力二極管基本特性2.2.1電力二極管aIFUFtFt0trrtdtft1t2tURdiFdtdiRdtubUFPiiFuFtfrt02V

電力二極管的動態(tài)過程波形

a)正向偏置轉換為反向偏置

b)零偏置轉換為正向偏置

■動態(tài)特性

◆因為結電容的存在，電壓—電流特性是隨時間變化的，這就是電力二極管的動態(tài)特性，并且往往專指反映通態(tài)和斷態(tài)之間轉換過程的開關特性?！粲烧蚱棉D換為反向偏置

?電力二極管并不能立即關斷，而是須經(jīng)過一段短暫的時間才能重新獲得反向阻斷能力，進入截止狀態(tài)。

?在關斷之前有較大的反向電流出現(xiàn)，并伴隨有明顯的反向電壓過沖。?延遲時間：td=t1-t0

電流下降時間：tf=t2-t1

反向恢復時間：trr=td+tf

恢復特性的軟度：tf

/td，或稱恢復系數(shù)，用Sr表示。t0:正向電流降為零的時刻t1:反向電流達最大值的時刻t2:電流變化率接近于零的時刻IRPURP電力二極管基本特性2.2.1電力二極管電力二極管的動態(tài)過程波形零偏置轉換為正向偏置

◆由零偏置轉換為正向偏置

?先出現(xiàn)一個過沖UFP，經(jīng)過一段時間才趨于接近穩(wěn)態(tài)壓降的某個值（如2V）。

?正向恢復時間tfr

?出現(xiàn)電壓過沖的原因:電導調(diào)制效應起作用所需的大量少子需要一定的時間來儲存，在達到穩(wěn)態(tài)導通之前管壓降較大；正向電流的上升會因器件自身的電感而產(chǎn)生較大壓降。電流上升率越大，UFP越高。

電力二極管基本特性2.2.1電力二極管■正向平均電流IF(AV)◆指電力二極管長期運行時，在指定的管殼溫度（簡稱殼溫，用TC表示）和散熱條件下，其允許流過的最大工頻正弦半波電流的平均值。

◆IF(AV)是按照電流的發(fā)熱效應來定義的，使用時應按有效值相等的原則來選取電流定額，并應留有一定的裕量?！稣驂航礥F◆指電力二極管在指定溫度下，流過某一指定的穩(wěn)態(tài)正向電流時對應的正向壓降?！龇聪蛑貜头逯惦妷篣RRM

◆指對電力二極管所能重復施加的反向最高峰值電壓?！羰褂脮r，應當留有兩倍的裕量。

電力二極管主要參數(shù)2.2.1電力二極管電力二極管主要參數(shù)■最高工作結溫TJM

◆結溫是指管芯PN結的平均溫度，用TJ表示。

◆最高工作結溫是指在PN結不致?lián)p壞的前提下所能承受的最高平均溫度。

◆TJM通常在125～175C范圍之內(nèi)?！龇聪蚧謴蜁r間trr■浪涌電流IFSM

◆指電力二極管所能承受最大的連續(xù)一個或幾個工頻周期的過電流。2.2.2電力場效應晶體管Δ

電力場效應晶體管分為結型和絕緣柵型，通常主要指絕緣柵型中的MOS型（MetalOxideSemiconductorFET），簡稱電力MOSFET（PowerMOSFET）。Δ驅動電路簡單，需要驅動的功率??；開關速度快，工作頻率高；電流容量小，耐壓低，多用于功率不超過10kW的電力電子裝置中。2.2.2電力場效應晶體管

◆電力MOSFET的種類

?按導電溝道可分為P溝道和N溝道。?當柵極電壓為零時漏源極之間就存在導電溝

道的稱為耗盡型。

?對于N（P）溝道器件，柵極電壓大于（小于）零時才存在導電溝道的稱為增強型。

?在電力MOSFET中，主要是N溝道增強型。

電力MOSFET的結構和工作原理2.2.2電力場效應晶體管電力MOSFET的結構

?是單極型晶體管。

?結構上與小功率MOS管有較大區(qū)別，小功率MOS管是橫向導電器件，而電力MOSFET大都采用了垂直導電結構，所以又稱為VMOSFET（VerticalMOSFET），這大大提高了MOSFET器件的耐壓和耐電流能力。

?電力MOSFET也是多元集成結構。電力MOSFET的結構和電氣圖形符號a)內(nèi)部結構斷面示意圖b)電氣圖形符號2.2.2電力場效應晶體管電力MOSFET的工作原理?截止：當漏源極間接正電壓，柵極和源極間電壓為零時，P基區(qū)與N漂移區(qū)之間形成的PN結J1反偏，漏源極之間無電流流過。

?導通

√在柵極和源極之間加一正電壓UGS，正電壓會將其下面P區(qū)中的空穴推開，而將P區(qū)中的少子——電子吸引到柵極下面的P區(qū)表面。

√當UGS大于某一電壓值UT時，使P型半導體反型成N型半導體，該反型層形成N溝道而使PN結J1消失，漏極和源極導電。

√UT稱為開啟電壓（或閾值電壓），UGS超過UT越多，導電能力越強，漏極電流ID越大。

2.2.2電力場效應晶體管電力MOSFET的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉移特性√指漏極電流ID和柵源間電壓UGS的關系。

√ID較大時，ID與UGS的關系近似線性，曲線的斜率被定義為MOSFET的跨導Gfs，即

√是電壓控制型器件，其輸入阻抗極高，輸入電流非常小。電力MOSFET的轉移特性2.2.2電力場效應晶體管電力MOSFET的基本特性?輸出特性

√是MOSFET的漏極伏安特性。√截止區(qū)（對應于GTR的截止區(qū)）、飽和區(qū)（對應于GTR的放大區(qū)）、非飽和區(qū)（對應于GTR的飽和區(qū)）三個區(qū)域，飽和是指漏源電壓增加時漏極電流不再增加，非飽和是指漏源電壓增加時漏極電流相應增加。

√工作在開關狀態(tài)，即在截止區(qū)和非飽和區(qū)之間來回轉換。?本身結構所致，漏極和源極之間形成了一個與MOSFET反向并聯(lián)的寄生二極管。電力MOSFET的輸出特性

2.2.2電力場效應晶體管電力MOSFET的基本特性信號RsRGRFRLiDuGSupiD+UEup為矩形脈沖電壓信號源，Rs為信號源內(nèi)阻，RG為柵極電阻，RL為漏極負載電阻，RF用于檢測漏極電流。

(a)(b)電力MOSFET的開關過程a)測試電路b)開關過程波形◆動態(tài)特性

?開通過程

√開通延遲時間td(on)

電流上升時間tr電壓下降時間tfv開通時間ton=td(on)+tr+

tfv

?關斷過程

√關斷延遲時間td(off)

電壓上升時間trv

電流下降時間tfi

關斷時間toff=td(off)+trv+tfi

2.2.2電力場效應晶體管電力MOSFET的基本特性?不存在少子儲存效應，因而其關斷過程是非常迅速的。?開關時間在10~100ns之間，其工作頻率可達100kHz以上，是主要電力電子器件中最高的。?在開關過程中需要對輸入電容充放電，仍需要一定的驅動功率，開關頻率越高，所需要的驅動功率越大。

2.2.2電力場效應晶體管電力MOSFET的主要參數(shù)

◆跨導Gfs、開啟電壓UT以及開關過程中的各時間參數(shù)。◆漏極電壓UDS

?標稱電力MOSFET電壓定額的參數(shù)?！袈O直流電流ID和漏極脈沖電流幅值IDM

?標稱電力MOSFET電流定額的參數(shù)。

◆柵源電壓UGS

?柵源之間的絕緣層很薄，UGS>20V將導致絕緣層

擊穿。

◆極間電容

?

CGS、CGD和CDS?！袈┰撮g的耐壓、漏極最大允許電流和最大耗散功率決

定了電力MOSFET的安全工作區(qū)。

2.2.3絕緣柵雙極晶體管GTR和GTO是雙極型電流驅動器件，由于具有電導調(diào)制效應，其通流能力很強，但開關速度較低，所需驅動功率大，驅動電路復雜。而電力MOSFET是單極型電壓驅動器件，開關速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅動功率小而且驅動電路簡單。絕緣柵雙極晶體管（Insulated-gateBipolarTransistor——IGBT）綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點，因而具有良好的特性。2.2.3絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的結構?是三端器件，具有柵極G、集電極C和發(fā)射極E。?簡化等效電路表明，IGBT是用GTR與MOSFET組成的達林頓結構，相當于一個由MOSFET驅動的厚基區(qū)PNP晶體管。

IGBT的結構、簡化等效電路和電氣圖形符號a)內(nèi)部結構斷面示意圖b)簡化等效電路c)電氣圖形符號RN為晶體管基區(qū)內(nèi)的調(diào)制電阻

IGBT的結構和工作原理2.2.3絕緣柵雙極晶體管IGBT的結構和工作原理

◆IGBT的工作原理

?其開通和關斷是由柵極和發(fā)射極間的電壓UGE決定的。

√當UGE為正且大于開啟電壓UGE(th)時，MOSFET內(nèi)形

成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導通。

√當柵極與發(fā)射極間施加反向電壓或不加信號時，MOSFET內(nèi)的溝道消失，晶體管的基極電流被切斷，使得IGBT關斷。

?電導調(diào)制效應使得電阻RN減小，這樣高耐壓的IGBT也具有很小的通態(tài)壓降。

2.2.3絕緣柵雙極晶體管IGBT的基本特性IGBT的轉移特性和輸出特性a)轉移特性

■IGBT的基本特性

◆靜態(tài)特性

?轉移特性

√描述的是集電極電流

IC與柵射電壓UGE之間的關系。

√開啟電壓UGE(th)是IGBT能實現(xiàn)電導調(diào)制而導通的最低柵射電壓，隨溫度升高而略有下降。2.2.3絕緣柵雙極晶體管IGBT的基本特性IGBT的轉移特性和輸出特性b)輸出特性

?輸出特性（伏安特性）

√描述的是以柵射電壓為參考變量時，集電極電流IC與集射極間電壓UCE之間的關系。

√分為三個區(qū)域：正向阻斷區(qū)、有源區(qū)和飽和區(qū)。

√在電力電子電路中，IGBT工作在開關狀態(tài)，因而是在正向阻斷區(qū)和飽和區(qū)之間來回轉換。

2.2.3絕緣柵雙極晶體管IGBT的參數(shù)

◆前面提到的各參數(shù)?！糇畲蠹錁O間電壓UCES

?由器件內(nèi)部的PNP晶體管所能承受的擊穿電壓所確定的。

◆最大集電極電流

?包括額定直流電流IC和1ms脈寬最大電流IC。

◆最大集電極功耗PCM

?在正常工作溫度下允許的最大耗散功率。

2.2.3絕緣柵雙極晶體管◆IGBT的特性和參數(shù)特點可以總結如下：

?開關速度高，開關損耗小。

?在相同電壓和電流定額的情況下，IGBT的安全工作區(qū)比GTR大，而且具有耐脈沖電流沖擊的能力。

?通態(tài)壓降比MOSFET低，特別是在電流較大的區(qū)域。

?輸入阻抗高，其輸入特性與電力MOSFET類似。?與電力MOSFET和GTR相比，IGBT的耐壓和通流能力還可以進一步提高，同時保持開關頻率高的特點。

2.3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的體系結構2.2逆變器功率器件目錄2.1光伏電池原理與應用設計2.3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的體系結構2.3.1集中式結構2.3.2交流模塊式結構2.3.3串型結構2.3.4多支路結構2.3.5主從結構2.3.6直流模塊式結構光伏并網(wǎng)體系結構光伏系統(tǒng)與電力系統(tǒng)的關系，一般分為離網(wǎng)光伏系統(tǒng)和光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。離網(wǎng)系統(tǒng)不與電網(wǎng)相連，作為一種移動電源給本地負載供電。并網(wǎng)系統(tǒng)，與電網(wǎng)相連，可為電力系統(tǒng)提供有功和無功電能。主流應用方式是光伏并網(wǎng)發(fā)電方式。光伏系統(tǒng)追求最大的發(fā)電功率輸出，系統(tǒng)結構對發(fā)電功率有著直接的影響：一方面，光伏陣列的分布方式會對發(fā)電功率產(chǎn)生重要影響；而另一方面，逆變器的結構也將隨功率等級的不同而發(fā)生變化。根據(jù)光伏陣列的不同分布以及功率等級，將光伏并網(wǎng)體系結構分為6種：集中式、交流模塊式、串型、多支路、主從和直流模塊式。2.3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的體系結構集中式結構集中式結構示意圖結構：將所有光伏組件通過串并聯(lián)構成光伏陣列，產(chǎn)生一個足夠高的直流電壓，然后通過一個并網(wǎng)逆變器集中將直流轉換為交流并把能量輸入電網(wǎng)。特點：一般用于10kW以上較大功率的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)只采用一臺并網(wǎng)逆變器，結構簡單且逆變器效率較高。缺點：阻塞和旁路二極管使系統(tǒng)損耗增加；抗熱斑和抗陰影能力差，系統(tǒng)功率失配現(xiàn)象嚴重；特性曲線出現(xiàn)復雜多波峰；需要較高電壓的直流母線，降低了安全性，增加了成本；系統(tǒng)擴展和冗余能力差。適合應用于光伏電站等功率等級較大的場合，因此這種結構仍然具有一定的運用價值。2.3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的體系結構交流模塊式結構交流模塊式結構示意圖結構：交流模塊式結構是把并網(wǎng)逆變器和光伏組件集成在一起作為一個光伏發(fā)電系統(tǒng)模塊。優(yōu)點：無阻塞和旁路二極管，光伏組件損耗低；無熱斑和陰影問題；每個模塊有獨立的MPPT設計，最大程度的提高了系統(tǒng)發(fā)電效率；每個模塊獨立運行，系統(tǒng)擴展和冗余能力強；給系統(tǒng)擴充提供了很大的靈活性和即插即用性；沒有直流母線高壓，增加了整個系統(tǒng)工作的安全性。主要缺點：由于采用小容量的逆變器設計，因而逆變器效率相對較低。交流光伏模塊的功率等級較低，一般在50—400W。在同等功率水平條件下，交流模塊式結構的價格遠高于其他結構類型。2.3光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的體系結構串型結構串型結構圖結構：通過串聯(lián)構成光伏陣列給光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)提供能量的系統(tǒng)結構。綜合