光伏發(fā)電基礎

光伏發(fā)電基礎第1頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一１.１光伏發(fā)電基本原理太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉換器才能轉換成電能,能將光能轉換成電能的能量轉換器之一，就是光伏電池。光伏電池的物理基礎是由兩種不同半導體材料構成的大面積PN結，以及非平衡少數(shù)載流子在PN結內(nèi)電場作用下形成的漂移電流。

１.光伏電池的基本原理和等效電路第2頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一１.１光伏發(fā)電基本原理太陽光照射到由P、N型兩種不同半導體材料構成的太陽能電池上時，一部分光線被反射，一部分光線被吸收，還有一部分光線透過電池片。被吸收的光能激發(fā)被束縛的電子，產(chǎn)生“電子-空穴”對，在PN結內(nèi)電場作用下，電子、空穴相互運動，若在電池兩端接上負載，負載上就有電流流過。當光線一直照射時，負載上源源不斷地有電流流過。單片太陽能電池就是一個薄片狀的半導體PN結。標準光照條件下，額定輸出電壓為0.5V左右。１.光伏電池的基本原理和等效電路第3頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一１.１光伏發(fā)電基本原理

１.光伏電池的基本原理和等效電路第4頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一１.2光伏電池陣列

由一片單晶硅片構成的太陽能電池稱為單體（Cell)。單體電池的電壓電流很小（0.45~0.50V、20~25mA/cm2)，一般不能單獨作電源使用，需將它們串、并聯(lián)封裝后，構成光伏電池組件(模塊Module)使用，一個組件上光伏電池的標準數(shù)量是36~40個(10cmX10cm)。

當應用場合需要較高的電壓和電流，可把多個組件再經(jīng)過串并聯(lián)安裝在支架上，構成了光伏電池陣列（Array)，滿足負載所需的功率要求．

１.光伏電池的基本原理和等效電路第5頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一１.2光伏電池陣列

１.光伏電池的基本原理和等效電路第6頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2.1單體光伏電池的等效電路

等效電路如圖所示

Iph為光生電流，其值正比于光伏電池的面積和入射光的輻照度。

ID為暗電流，是指在無光照時，由外電壓作用下PN結內(nèi)流過的單向電流。

RS、RSH均為光伏電池本身固有電阻。因RS很小、RSH很大，所以進行理想計算時，它們都可以忽略不計。

2.光伏電池數(shù)學模型第7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2.1單體光伏電池的等效電路描述光伏電池特性的兩個重要參數(shù)分別是1.短路電流ISC與光伏電池的面積有關，1cm2光伏電池的短路電流約為16~30mA，且與入射光譜輻射照度成正比。2.空載電壓UOC與入射光譜輻射照度的對數(shù)成正比，與光伏電池的面積無關。在每平方厘米100MW太陽光譜輻照度，空載電壓約為450~600mV,最大可達690mV。2.光伏電池數(shù)學模型第8頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一２.2單體光伏電池的電量方程

等效電路中各變量的方程式如下：（２－1）

（２－２）

（２－3）式中I０為光伏電池內(nèi)部等效二極管ＰＮ結反向飽和電流；

UＤ為等效二極管端電壓；

Ｔ為熱力學溫度；

Ａ為ＰＮ結曲線常數(shù)。

2.光伏電池數(shù)學模型第9頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一２光伏電池的數(shù)學模型

２.3實用方程忽略RS、RSH,則Iph≈ISCUD≈U,式(2-2)可化簡為:

（２－4）式中,;。

第10頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一２光伏電池的數(shù)學模型

２.3實用方程在最大功率點處，有IL=Im,U=Um

，可解出C1

（２－5）開路時，有IL=0

,U=UOC

，可解出C2

（２－6）由式(2-5)、(2-6)計算出C1、C2即可由(2-4)確定光伏電池的伏安特性曲線。第11頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一2.光伏電池數(shù)學模型第12頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一

２.4伏安特性曲線

２光伏電池的數(shù)學模型第13頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一

２.5填充系數(shù)

２光伏電池的數(shù)學模型第14頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一２光伏電池的數(shù)學模型２.6光伏電池的轉換效率及其影響因素S為光照強度Aall為電池總的光照總面積影響效率最為重要的三個因素為:光譜響應、光照特性和溫度特性。第15頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一２光伏電池的數(shù)學模型２.6光伏電池的轉換效率及其影響因素光譜響應太陽光譜中，不同波長的光不同的能量，所含的光子數(shù)目也不相同。因此，光伏電池接受光照射所產(chǎn)生的光子的數(shù)目也就不相同。光伏電池在入射光中每一種波長的光能作用下所收集到的光電流，與相對于入射到電池表面的該波長的光子數(shù)之比，叫做光伏電池的光譜響應。能夠產(chǎn)生光生伏特效應的太陽能輻射波長范圍一般在0.4~1.2，最大靈敏度在0.8~0.95之間。第16頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一２光伏電池的數(shù)學模型２.6光伏電池的轉換效率及其影響因素光照特性由伏安特性曲線可知，短路電流受光照強度的影響較大，而開路電壓受光照強度的影響較小。如果進行較粗略的簡化，可以設Im∝ISC∝S。則有

Um∝UOC∝lnS

第17頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一２光伏電池的數(shù)學模型２.6光伏電池的轉換效率及其影響因素溫度特性空載電壓線性地隨電池溫度變化,且呈現(xiàn)負溫度系數(shù)；而短路電流則呈現(xiàn)正溫度系數(shù),但隨溫度變化很小。光伏電池溫度越高，其所輸出的最大功率越小，效率越低。

第18頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一3光伏發(fā)電運行失配現(xiàn)象及機理3.1失配現(xiàn)象由于局部光照強度的減弱（樹、云層、建筑物的阻礙造成的陰影等）或生產(chǎn)工藝的問題，造成模塊中某個單體光伏電池的電流小于其他單體光伏電池的電流，該電池可能在某一情況下帶上負電壓，變成負載消耗其他正常電池產(chǎn)生的功率，模塊性能驟降，這就是失配現(xiàn)3.2失配的原因（1）產(chǎn)品問題（2）環(huán)境問題（3）陰影問題（4）模塊老化問題

第19頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一3光伏發(fā)電運行失配現(xiàn)象及機理3.3減輕功率失配損失的措施對多個串聯(lián)電池配置一個或幾個旁路二極管，如圖。旁路二極管會在某個串聯(lián)模塊受到陰影影響的情況下產(chǎn)生作用。當被遮蔽部分帶有負電壓而且其大小達到二極管導通電壓時，旁路二極管可以把遮蔽部分短路，從而避免失配現(xiàn)象帶來的功率損失。

第20頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一3光伏發(fā)電運行失配現(xiàn)象及機理3.3減輕功率失配損失的措施電池并聯(lián)運行時，若太陽輻射不一致，電池板的電流和溫度均會出現(xiàn)差異，從而導致兩塊并聯(lián)模塊的電壓不同，有可能使某一模塊變成負載。為了改善這一現(xiàn)象，可以在每個串聯(lián)支路串聯(lián)一個阻斷二極管，以防止由強電流支路流向弱電流支路。第21頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一光伏電池的分類

按結構分類同質(zhì)結光伏電池異質(zhì)結光伏電池肖特基結光伏電池薄膜光伏電池疊層光伏電池濕式光伏電池

按結構分類硅光伏電池電池非硅半導體光伏電池有機光伏電池第22頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一4光伏系統(tǒng)的組成

4.1獨立光伏系統(tǒng)

第23頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一4.１獨立光伏系統(tǒng)

4光伏系統(tǒng)的組成第24頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一4.２并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

１)最小并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

4光伏系統(tǒng)的組成第25頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一２)直流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

4光伏系統(tǒng)的組成第26頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一３)交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

集中式

支路式

4光伏系統(tǒng)的組成第27頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一

交流模塊式

4光伏系統(tǒng)的組成３)交流母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)第28頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一4)交直流混合母線式并網(wǎng)光伏系統(tǒng)

4光伏系統(tǒng)的組成第29頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一5)光伏系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)

4光伏系統(tǒng)的組成第30頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一

5光伏逆變器并網(wǎng)相關的國內(nèi)外標準

國內(nèi)標準

1.

GB/T19939-2005.光伏系統(tǒng)并網(wǎng)技術要求。

2.

GB/Z19964-2005.光伏發(fā)電站接入電力系統(tǒng)技術規(guī)定。

3.

GB/T20046-2006.光伏(PV)系統(tǒng)電網(wǎng)接口特性。

4.

GB/T20046-2006.光伏系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)器效率測量程序。5.

國家電網(wǎng)公司光伏電站接入電網(wǎng)技術規(guī)定。其他《光伏并網(wǎng)發(fā)電專用逆變器技術要求和試驗方法》《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)性能測試方法》《光伏系統(tǒng)并網(wǎng)安全要求》第31頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一

5光伏逆變器并網(wǎng)相關的國內(nèi)外標準

國外標準

1.IEEEStd929-2000IEEERecommendedPracticefor

UtilityInterfaceofPhotovoltaic(PV)Systems2.IEEEStd1547系列標準

3.UL1741:2005Inverters,Converters,Controllers,andInterconnectionSystemEquipmentforUseWithDistributedEnergyResources4.EN50530:2010Overall

efficiencyofgridconnectedPhotovoltaicinverters

IEC61683

IEC61727IEC62116IEC62109-1IEC62109-2第32頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一6最大功率點跟蹤技術6.1最大功率點跟蹤技術最大功率點跟蹤（MaximumPowerPointTracking,MPPT)技術是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的關鍵技術之一。在一定的光照強度、環(huán)境溫度和其他因素下，光伏電池可以輸出不同的直流電壓，但是只是在某一個特定輸出電壓值時，輸出功率才能達到最大值，這時光伏電池工作在P-U曲線的最高點，被稱為最大功率點。

第33頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一6最大功率點跟蹤技術6.1最大功率點跟蹤技術根據(jù)不同的光照強度、環(huán)境溫度等外部特性來調(diào)整光伏電池的輸出工作點，使之始終工作于最大功率點附近，這種技術被稱為MPPT技術。第34頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一6最大功率點跟蹤技術6.2各種MPPT控制方法1.基于參數(shù)選擇方式的間接控制法根據(jù)預存數(shù)據(jù)庫和具體光伏電池參數(shù)，通過數(shù)學函數(shù)和經(jīng)驗公式得到近似的MPPT。這類方法沒有實現(xiàn)在線實時跟蹤與控制，誤差相對較大。1）恒電壓跟蹤法2）開路電壓比例系數(shù)法3）短路電流比例系數(shù)法4）曲線擬合法5)查表法第35頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一6最大功率點跟蹤技術6.2各種MPPT控制方法2.基于采樣數(shù)據(jù)的直接控制法此類方法的主要特征是根據(jù)電壓、電流的檢測值經(jīng)

MPPT算法直接實現(xiàn)控制。由于采用了電壓、電流的實時采樣信號，能根據(jù)系統(tǒng)運行情況實時MPPT控制，滿足一般的應用場合要求，因而在實際運用中最為廣泛。1）定步長擾動觀測法2）變步長擾動觀測法3）電導增量法4）實際測量法5)寄生電容法第36頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一6最大功率點跟蹤技術6.2各種MPPT控制方法3.基于現(xiàn)代控制理論的智能控制法此類方法不依賴于復雜的系統(tǒng)數(shù)學模型，由現(xiàn)代控制理論模型為依據(jù)采樣數(shù)據(jù)，再通過控制算法運算得出控制信號來實現(xiàn)系統(tǒng)控制。該類控制方法適合于難以建立準確數(shù)學模型的大型光伏發(fā)電系統(tǒng)，以及外界條件和雜散參數(shù)影響嚴重的控制系統(tǒng)。1）模糊邏輯控制法2）神經(jīng)網(wǎng)絡法3）滑?？刂品ǖ?7頁，共42頁，2023年，2月20日，星期一6最大功率點跟蹤技術6.3擾動觀測法1.工作原理先讓光伏電池工作在一個給定的