2023分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)

分布式發(fā)電系統(tǒng)中的

光伏發(fā)電技術(shù)

目錄

第1章緒論.............................................................1

1.1分布式發(fā)電系統(tǒng)的研究概況.....................................................1

1.1.1分布式發(fā)電系統(tǒng)的基本概念................................................1

1.12分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀.................................................2

12分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)...............................................3

12.1我國太陽能資源及光伏發(fā)展?jié)摿?............................................3

12.2分布式發(fā)電系統(tǒng)中光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)......................................5

13本書的主要內(nèi)容................................................................6

第2章光伏發(fā)電基礎(chǔ)...................................................8

2.1米伏電池的基本原理和等效電路.................................................8

2.1.1光伏效應(yīng)...................................................................8

2.1.2單體光伏電池的等效電路和電量方程........................................8

2.1.3光伏電池陣列.............................................................10

22光伏電池的數(shù)學(xué)物理模型和伏安特性曲線.......................................11

2.2.1光伏電池的數(shù)學(xué)物理模型..................................................11

2.2.2光伏電池的伏安特性曲線和填充因數(shù).......................................12

23光伏電池的轉(zhuǎn)換效率及其影響因素..............................................13

2.3.1光伏電池的轉(zhuǎn)換效率......................................................13

2.3.2光譜響應(yīng)..............................................13

2.3.3光照特性...............................................14

2.3.4溫度特性.............................................15

2.3.5環(huán)境因素對光伏電池數(shù)學(xué)物理模型的修正...................................15

24陰影條件下光伏陣列的輸出特性................................................16

2.4.1熱斑現(xiàn)象分析..........................................17

2.4.2多峰現(xiàn)象分析..........................................18

2.4.3引起光伏陣列多峰輸出特性的因素...........................................19

25光伏電池的分類...........................................22

2.5.1按結(jié)構(gòu)分類...........................................23

2.5.2按材料分類...........................................23

2.6光伏系統(tǒng)的組成...........................................24

VIII

分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第2版

2.6.1獨立光伏系統(tǒng)..........................................24

2.6.2并網(wǎng)光伏系統(tǒng)..........................................25

2.6.3光伏系統(tǒng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)................................................28

第3章光伏發(fā)電技術(shù)中的電力電子技術(shù).................................30

3.1DC-DC變換電路的拓撲結(jié)構(gòu)及控制策略........................................30

3.1.1單象限直接DC-DC變換電路..............................................30

3.1.2多象限直接DC-DC變換電路..............................................34

3.1.3隔離型DC-DC變換電路...................................................38

3.1.4DC-DC變換電路的控制技術(shù)...............................................43

3.2DC-AC變換電路的拓撲結(jié)構(gòu)...................................................46

3.2.1逆變電路基本結(jié)構(gòu).........................................................47

3.2.2高頻鏈逆變器..........................................48

3.2.3多電平逆變器..........................................55

3.2.4逆變器的串聯(lián)與并聯(lián)......................................................61

33逆變器的調(diào)制技術(shù).............................................................62

3.3.1SPWM技術(shù)...............................................................63

3.3.2空間矢量調(diào)制（SVM）技術(shù)...............................................72

3.3.3諧波注入PWM技術(shù).......................................................77

3.3.4優(yōu)化PWM技術(shù)..........................................................80

3.3.5多電平變流器和多重化變流器的PWM技術(shù)................................89

3.4并網(wǎng)光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的新進展..............................................92

3.4.1并網(wǎng)光伏逆變器拓撲結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀.......................................92

3.4.2Z源逆變器..............................................................93

3.4.3組合型逆變器.............................................................98

第4章直流母線分布式光伏發(fā)電技術(shù)...................................105

4.1直流母線分布式光伏發(fā)包系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)......................................105

4.1.1微型直流光伏系統(tǒng).......................................................105

4.1.2獨立直流光伏母線供電系統(tǒng)...............................................106

4.1.3并網(wǎng)混合系統(tǒng)............................................................107

4.2直流母線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與交流電網(wǎng)的接口...............................107

4.3直流母線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制方法......................................108

4.3.1下垂特性控制............................................................108

4.3.2電壓水平信號法..........................................................110

4.3.3直流母線信號法..........................................................111

第5章交流母線分布式光伏發(fā)電技術(shù)...................................H3

5.1交流母線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)......................................113

5.2逆變器并網(wǎng)技術(shù)..............................................................115

5.2.1光伏逆變器并網(wǎng)相關(guān)的國際標準...........................................115

IX

目錄

5.2.2光伏并網(wǎng)逆變器的交流側(cè)濾波器結(jié)構(gòu)......................................117

5.2.3光伏并網(wǎng)逆變器的控制模式...............................................118

5.2.4分布式光伏并網(wǎng)逆變器的功率調(diào)節(jié)技術(shù)....................................121

5.3逆變器并聯(lián)技術(shù)...............................................................125

5.3.1逆變器并聯(lián)的控制方法..................................................125

5.3.2逆變器并聯(lián)的環(huán)流及其抑制...............................................131

5.3.3功率計算方法.............................................................135

5.4逆變器控制策略...............................................................138

5.4.1控制策略概述.............................................................138

5.4.2坐標變換法線性控制.....................................................139

5.4.3非坐標變換法線性控制...................................................145

5.4.4非線性控制..............................................................154

5.4.5并網(wǎng)逆變器直流側(cè)控制...................................................165

第6章光伏發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤.................................170

6.1光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤技術(shù)的基本原理.................................170

62恒定電壓控制................................................................171

6.3最大功率點跟蹤算法..........................................................172

6.3.1擾動觀察法...............................................................172

6.3.2三點比較法...............................................................175

6.3.3電導(dǎo)增量法.............................................................177

6.3.4二次插值法...............................................................179

6.3.5自適應(yīng)模糊控制法......................................................181

6.4計及陰影的最大功率點跟蹤方法...............................................182

6.4.1傳統(tǒng)方法改進的MPPT技術(shù)................................................183

6.4.2添加硬件電路實現(xiàn)的MPPT技術(shù)............................................184

6.4.3智能算法.................................................................185

第7章分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能后備元件及系統(tǒng)臭成.................188

7.1蓄電池儲能系統(tǒng)..............................................................188

7.1.1鉛酸蓄電池特性分圻.....................................................189

7.1-2蓄電池充放電控制方法...................................................191

7.1.3光伏系統(tǒng)中的充放電技術(shù).................................................194

72超級電容儲能系統(tǒng)............................................................196

7.3燃料電池后備系統(tǒng)............................................................197

7.3.1燃料電池的基本原理....................................................198

7.3.2燃料電池的輸出特性....................................................198

7.3.3燃料電池的數(shù)學(xué)模型....................................................199

7.3.4燃料電池的控制實現(xiàn)....................................................200

7.4光伏發(fā)電系統(tǒng)集成............................................................202

X

分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第2版

7.4.1光伏發(fā)電系統(tǒng)集成概況...................................................202

7.4.2多端口DC-DC變換器....................................................204

7.4.3SST單元介紹............................................................213

第8章分布式發(fā)電系統(tǒng)的綜合管理...........................................217

8.1直流母線分布式發(fā)電系統(tǒng)的能量優(yōu)化管理......................................217

8.1.1DBS能量優(yōu)化管理........................................................217

8.1.2變換器控制結(jié)構(gòu).........................................................218

8.1.3控制實現(xiàn)............................................................220

8.2含光伏直流微電網(wǎng)系統(tǒng)琮合管理...............................................221

8.2.1系統(tǒng)控制...............................................................223

8.2.2獨立運行模式與模式切換................................................224

8.2.3變流器單元控制........................................................225

8.3直流混合網(wǎng)絡(luò)能量的優(yōu)化管理.................................................227

8.3.1數(shù)據(jù)中心電力系統(tǒng)能量優(yōu)化管理..........................................227

8.3.2中心直流微電網(wǎng)的操作方式...............................................229

8.3.3自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計...................................................232

第9章分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的其他關(guān)鍵技術(shù).................................235

9.1光伏并網(wǎng)逆變器的直流分量及共模漏電流問題.................................235

9.1.1直流分量注入的危害、成因及其解決方法.................................235

9.1.2共模漏電流的危害'成因及其解決方法...................................240

9.2孤島效應(yīng)及其檢測技術(shù).......................................................248

9.2.1并網(wǎng)逆變系統(tǒng)孤島檢測分析...............................................249

9.2.2無源檢測方法............................................................250

9.2.3有源檢測方法.............................................................253

9.2.4混合孤島檢測方法........................................................256

9.3分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析.................................................260

9.3.1阻抗分析研究............................................................261

9.3.2影響阻抗的因素..........................................................262

9.3.3系統(tǒng)穩(wěn)定性測量..........................................................265

參考文獻..........................................................................268

第1章緒論

能源是人類生產(chǎn)、生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，能源的利用推動了社會經(jīng)濟的進步和人民

生活水平的提高。傳統(tǒng)的能源結(jié)構(gòu)以化石燃料為主。隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展.化石燃

料的儲量日益萎縮，面臨枯竭的危險。有報告預(yù)測，現(xiàn)有的石油和天然氣儲量將在

50年內(nèi)耗盡，煤的使用也只能維持120年。同時，化石燃料也對環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生

了重要影響，是環(huán)境污染和氣候惡化的元兇。

伴隨著我國經(jīng)濟和社會的持續(xù)發(fā)展，我國能源發(fā)展也面臨能源供需缺口的加大、

石油后備資源不足、環(huán)境污染嚴重等問題。為了實現(xiàn)能源與社會經(jīng)濟、環(huán)境的可持

續(xù)發(fā)展，除了積極實現(xiàn)常規(guī)能源的高效化、優(yōu)質(zhì)化利用，提高能源利用效率外，還

應(yīng)對環(huán)境不產(chǎn)生或很少產(chǎn)生危害的新能源和可再生能源進行大規(guī)模的利用。新能源

與可再生能源既是近期重要的補充能源，又是未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。開發(fā)利用太陽能、

風能、地熱能、海洋能等可再生能源是解決能源危機的重要途徑之一。

由于可再生能源的分散性、多樣性和隨機性，分布式發(fā)電系統(tǒng)成為可再生能源

發(fā)電的必然網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，尤其是對于單機容量較低的光伏發(fā)電系統(tǒng)?；诳稍偕茉?/p>

的分布式發(fā)電系統(tǒng)是國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略和環(huán)境保護戰(zhàn)略的重要組成部分。

1.1分布式發(fā)電系統(tǒng)的研究概況

1.1.1分布式發(fā)電系統(tǒng)的基本概念

分布式發(fā)電(DistributedGeneration,DG)作為電力行業(yè)的第二次物質(zhì)革命展

現(xiàn)在世人面前。應(yīng)該說，目前國內(nèi)外對分布式發(fā)電的具體含義仍沒有準確的定義，

甚至各國的叫法也大不相同：在英國，稱為嵌入式發(fā)電(EmbeddedGenera-tion);

在北美，稱為分散式發(fā)電(DispersedGeneration);在歐洲和亞洲的部分國家，叫做

非集中式發(fā)電(DecentralizedGeneration)o

就一般而言，分布式發(fā)電是指發(fā)電功率在數(shù)千瓦至幾十兆瓦的小型模塊化、分

散式、布置在用戶附近的高效、可靠的發(fā)電單元。分布式發(fā)電可以用來滿足電力系

統(tǒng)和用戶特定的要求，如調(diào)峰、為邊遠用戶或商業(yè)區(qū)和居民區(qū)供電，其特點是電力

就地產(chǎn)生、就地消化，也可與大電網(wǎng)并網(wǎng)運行，具有節(jié)省輸變電投資、易

2分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第2版

于實現(xiàn)電網(wǎng)安全經(jīng)濟高效優(yōu)質(zhì)運行等優(yōu)點。

分布式發(fā)電系統(tǒng)電源位置靈活、分散的特點極好地適應(yīng)了分散的電力需求和資

源分布，延緩了輸、配電網(wǎng)升級換代所需的巨額投資，同時它與大電網(wǎng)互為備用，

也使供電可靠性得以改善。目前，歐美等發(fā)達國家已開始廣泛研究能源多樣化的、

高效的和經(jīng)濟的分布式發(fā)電系統(tǒng)。無疑，分布式發(fā)電系統(tǒng)將成為未來大型電網(wǎng)的有

力補充和有效支撐。

分布式發(fā)電系統(tǒng)與電力系統(tǒng)之間存在如下的四種方式：方式1為分布式發(fā)電

系統(tǒng)獨立運行向附近的用戶哄電；方式2是分布式發(fā)電系統(tǒng)獨立運行，但在分布式

發(fā)電系統(tǒng)與當?shù)仉娋W(wǎng)之間有自動轉(zhuǎn)換裝置；方式3是分布式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)系統(tǒng)

并聯(lián)運行，但分布式發(fā)電系統(tǒng)對當?shù)仉娋W(wǎng)無電能輸出；方式4為分布式發(fā)電系統(tǒng)與

電網(wǎng)系統(tǒng)并聯(lián)運行，且向當?shù)仉娋W(wǎng)輸出電能。不同的運行方式具有不同的特點。

分布式發(fā)電從系統(tǒng)觀點看問題，將發(fā)電機、負載、儲能裝置及控制裝置等結(jié)合,

形成一個單一可控的單元，同時向用戶供給電能。分布式發(fā)電方式中的電源多為微

電源，即含有電力電子接口的小型發(fā)電設(shè)備，包括風力發(fā)電機、微型燃氣輪機、燃

料電池、光伏電池（也稱太陽電池）以及超級電容、飛輪、蓄電池等儲能裝置。它

們接在用戶側(cè)，具有低成本、低電壓、低污染等特點。分布式發(fā)電方式中的微電源

既可與大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運行，也可在電網(wǎng)故障或需要時與主網(wǎng)斷開單獨運行。在接入問

題上，入網(wǎng)標準只針對其與大電網(wǎng)的公共連接點（PCC）,而不針對各個具體的微電

源。這不僅解決了分散電源的大規(guī)模接入問題，充分發(fā)揮了分散電源的各項優(yōu)勢，

還為用戶帶來了其他多方面的效益。

由分布式供能的結(jié)構(gòu)分析可看出，如此靈活的運行方式與高質(zhì)量的供電服務(wù)離

不開完善的控制系統(tǒng)?？刂茊栴}也正是分布式供能研究中的一個難點問題。其中一

個基本的技術(shù)難點在于如果微電源數(shù)量太多，很難要求一個中心控制點對整個系統(tǒng)

做出快速響應(yīng)并進行相應(yīng)控制，往往一旦系統(tǒng)中某一控制元器件故障或軟件出錯，

就可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓。因此，分布式供能的控制應(yīng)注做到能夠基于本地信息對

網(wǎng)絡(luò)中的事件做出自中響應(yīng)，例如，對于電壓跌落、故障、停電等,發(fā)電機應(yīng)當利

用本地信息自動轉(zhuǎn)換到獨立運行方式，而不是像傳統(tǒng)方式中由電網(wǎng)調(diào)度統(tǒng)一協(xié)調(diào)。

具體來講，分布式供能的控制應(yīng)當保證：任何一個微電源的接入不對系統(tǒng)造成影響,

自主選擇運行點，平滑地與電網(wǎng)并列、分離，對有功、無功進行獨立控制，具有校

正電壓跌落和系統(tǒng)不平衡的能力。

1.1.2分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，我國集中式供電網(wǎng)規(guī)模迅速膨脹。這種發(fā)展所

帶來的安全性問題不容忽視，2008年初雪災(zāi)中出現(xiàn)的電力系統(tǒng)事故充分暴露

第I章緒論3

了集中式供電網(wǎng)潛在的安全隱患。另外，由于各地經(jīng)濟發(fā)展不平衡，對于廣大經(jīng)濟

欠發(fā)達的農(nóng)村地區(qū)來說，特別是農(nóng)牧地區(qū)和偏遠山區(qū)，要形成一定規(guī)模的、強大的

集中式供配電網(wǎng)需要巨額的投資和較長的時間周期。因此，能源供應(yīng)嚴重制約著這

些地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展，而分布式發(fā)電技術(shù)則剛好可以彌補集中式發(fā)電的這些局限性。

在我國西北部廣大農(nóng)村地區(qū)風力資源十分豐富，風力發(fā)電應(yīng)用速度迅猛，除自用外，

還可送往其他地區(qū)，這種無污染的綠色能源還可以減輕當?shù)氐沫h(huán)境污染。分布式發(fā)

電系統(tǒng)中的可再生能源除風力發(fā)電外，太陽能光伏電池、中小型水力發(fā)電等都是解

決我國偏遠地區(qū)缺電的良好方法。在我國城鎮(zhèn)，分布式發(fā)電技術(shù)作為集中供電方式

技術(shù)不可缺少的重要補充，將成為我國未來能源領(lǐng)域的一個重要發(fā)展方向。

就全世界范圍來看，能源利用效率越高、環(huán)境保護越好的國家，對于發(fā)展分

布式發(fā)電技術(shù)的推廣應(yīng)用就越熱衷，鼓勵支持政策越明確。全球范圍內(nèi)，已安裝

的兆瓦級分布式發(fā)電裝置超過300萬臺，并且每年以超過80000MW的速度遞增。

美國電力科學(xué)研究院研究表明，至2010年，全球25%的電能由小于2MW的DG

裝置提供，并且DG所占市場份額將達到20席。歐盟發(fā)展委員會也提出到2010

年，歐盟發(fā)電量中“熱電聯(lián)產(chǎn)”所占的比例將由目前的9%增加到18%。印度

到2012年利用再生能源發(fā)電比例也將超過10$。與歐洲國家相比，在美國輻射

狀電網(wǎng)的應(yīng)用很廣泛,這給技術(shù)卜提出了挑戰(zhàn)°這種輻射電網(wǎng)并不適合電力潮流

的反向流動，特別是對小型輸電單位，很難處理分布式發(fā)電入網(wǎng)問題。當有大量

分布式發(fā)電上網(wǎng)時，需要有高額投資來升級配電網(wǎng)。

1.2分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)

1.2.1我國太陽能資源及光伏發(fā)展?jié)摿?/p>

太陽能是最重要的可再生能源之一，光伏發(fā)電技術(shù)也是分布式發(fā)電系統(tǒng)中不可

或缺的重要組成部分C我國是太陽能資源豐富的國家.因此光伏發(fā)電技術(shù)在我國有

著廣闊的市場前景。

太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同的地區(qū)有不同的利用形式?？偟膩碚f，有以下三種：

①在荒漠地區(qū)，可以構(gòu)建大型光伏電站；②在發(fā)展較好的地區(qū)，可以發(fā)展太陽能光

伏建筑；③在偏遠地區(qū)，可以構(gòu)建獨立光伏微電網(wǎng)。

1.2.1.1荒漠光伏電站

我國沙漠和沙漠化土地主要分布于內(nèi)蒙古和新疆地區(qū)，沙漠面積約為85萬kmz,

其中主要有塔克拉瑪干沙漠（面積為33.76萬1^1?）,古爾班通古特沙漠（面積

為4.88萬kn?）,巴丹吉林沙漠（面積為4.43萬km?）,柴達木盆地沙漠（面積

4分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第2版

為3.49萬km?）、騰格里沙漠（面積為4.27萬km?）和庫布齊沙漠（面積為

1.61萬km：）等。這些荒漠地區(qū)年總輻射量超過160DkW-hm2。平均下來，

1km2可實現(xiàn)100MWp的產(chǎn)能（Wp是太陽電池輸出功率單位，是標準太陽光照

條件下，即歐洲委員會定義的101標準，在輻射強度為1000Wm2,大氣質(zhì)量為

AM1.5,電池溫度為25℃條件下，太陽電池的輸出功率）。照此推算，lOOOkn?安裝

荒漠光伏電站可達到100GWp,而這只占我國荒漠地區(qū)總面積的0.1%?？梢?，我國

發(fā)展超大規(guī)?；哪娬镜臐摿Ψ浅４?。

荒漠光伏電站已經(jīng)成為我國能源發(fā)展戰(zhàn)略中非常重要的部分。我國規(guī)劃在年

樹前建立2或3座10?20MWp的荒漠先導(dǎo)示范電站，總裝機容量達到30MWp,

以實驗其技術(shù)和經(jīng)濟的可行性。2010?2020年正式啟動我國開闊地

（荒漠）光伏電站計劃，爭取2010?2020年新增光伏電站裝機容量達到

11970MWp.到2020年底累計開闊地（荒漠）光伏電站裝機容量達到12GWpo

從目前我國的國力和政策看，荒漠光伏電站應(yīng)靠近主干電網(wǎng)（最好在50km

以內(nèi)），以減少新增輸電線路的投資。主干電網(wǎng)具有足夠的承載能力，在不改造

的情況下，有能力輸送光伏電站的電力。還應(yīng)靠近距離用電負荷中心在100km

以內(nèi)，以減少輸電損耗；如果附近沒有用電負荷中心，則最好有大型水電站，可

以將光伏電站的電力通過抽水蓄能進行轉(zhuǎn)換。

1.2.1.2太陽能光伏建筑

太陽能光伏發(fā)電在發(fā)達地區(qū)推廣利用的最佳形式就是與公共電網(wǎng)并網(wǎng)，并且與

建筑結(jié)合，即光伏建筑一體化。光伏發(fā)電系統(tǒng)與建筑結(jié)合的早期形式主要就是所謂

的“屋頂計劃”，這是德國率先提出的方案并進行具體實施。目前，光伏建筑已經(jīng)

從單純地將光伏組件安裝在屋頂上，發(fā)展成為將光伏組件作為建筑材料的一部分。

現(xiàn)在通常將光伏組件構(gòu)造成平板狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)過特殊設(shè)計和加工滿足建筑

材料的基本要求。

我國房屋總建筑面積已經(jīng)達到400億房（城市：81億屋頂面積約為8億

r^;農(nóng)村：160億r^,屋頂面積約為32億n?）。若在上述面積的1/5上安裝光伏

發(fā)電，總安裝容量可達到80GWp（約占2004年我國電力總量的1/5,年發(fā)電量約

120TW-h,占全國總發(fā)電量的7.3%）0國家規(guī)劃到2010年累計安裝50MWp,

到2020年達到1GWp。目前，已經(jīng)完成MWp級電站3座。

1.2.1.3偏遠地區(qū)獨立光伏微電網(wǎng)

偏遠地區(qū)遠離城市電網(wǎng),可構(gòu)建獨立光伏微電網(wǎng)。我國還有大約28000個村莊、

700萬戶、3000萬人口無電。這些無電人口大都分布在我國西部地區(qū)和一些海島，

其中一些無電村莊使用柴油發(fā)電機發(fā)電，每日供電2?3ho有些連柴油發(fā)電機也沒

有，只能點酥油燈、煤油燈和蠟燭照明。這些無電地區(qū)有很豐富的太陽能資源，光

伏發(fā)電在這樣的地區(qū)有廣闊的市場前景。

第I章緒論5

如果每個無電村按照10kWp,每個無電戶按照400Wp規(guī)劃，再考慮到已建

電站的擴容，則潛在市場大約是3000MWpo按規(guī)劃，2010年以前爭取全部解決

西部50戶以上的無電村和15%的散居無電戶的用電問題，新增光伏發(fā)電量為

265MWp,累計用于農(nóng)村電氣化的太陽電池達到300MWpo

考慮到光伏發(fā)電的低能量密度和隨機性，光伏發(fā)電系統(tǒng)對邊遠地區(qū)供電，當

容量較小時需配以儲能單元才能獨立運行，或者是幾種能源組成聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，

如風/光聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)、光伏/小型水電站聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)等。

1.2.2分布式發(fā)電系統(tǒng)中光伏發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)

對于以上各種光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)，不論是需要與主干電網(wǎng)并聯(lián)運行的荒漠電站和光

伏一體建筑，還是與儲能設(shè)備和其他能源聯(lián)合發(fā)電的獨立光伏電網(wǎng)，都具有分布式

發(fā)電的特點。

在分布式發(fā)電系統(tǒng)中，與光伏發(fā)電相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)和研究熱點有：

1.適應(yīng)光伏發(fā)電的電力電子變換器

目前常用的并網(wǎng)光伏逆變器大多采用DC-DC-AC的雙級結(jié)構(gòu)。這是因為光

伏陣列提供的直流電壓普遍低于要求的交流輸出電壓，而DC-AC變換電路中，

應(yīng)用最廣泛的全橋逆變器和半橋逆變器均屬于Buck型，瞬時輸出電壓總低于輸

入電壓，只能實現(xiàn)降壓變換。為此，一般在橋式逆變電路前增加一級可升壓變換

的DC-DC變換器，將輸入直流電壓升高。并且，由于光伏陣列的直流電壓典型

值比交流電壓峰值低很多，DC-DC變換器應(yīng)具有高的電壓增益?？梢杂糜懈哳l

隔離的間接DC-DC變換器達到上述要求，這也同時可以滿足電氣隔離要求。當

然，也可以在橋式逆變電路后增加工頻升壓變壓器，在提供電氣隔離的同時，提

高電壓等級。雙級結(jié)構(gòu)的光伏并網(wǎng)逆變器雖然能夠靈活適應(yīng)各種輸入輸出電壓指標,

還具有更高的自由度等級（即有更多的可控變量），可同時實現(xiàn)多種功能

（例如電氣隔離、最大功率點跟蹤、無功功率補償、有源濾波等），但功率級的

數(shù)量增多，將降低整體的效率、可靠性和簡潔程度，增加系統(tǒng)開銷。為此，目前

逆變器研究的一大發(fā)展趨勢，就是直接將多功率級的系統(tǒng)架構(gòu)整合為單級系統(tǒng)，

即所謂單級逆變器。

儲能元件是光伏系統(tǒng)重要的組成部分。針對各種儲能元件的特點，找到合適的

電力電子變換器結(jié)構(gòu)，也是光伏發(fā)電中重要的研究熱點。

研究適應(yīng)光伏發(fā)電的電力電子變換器的重點是使光伏系統(tǒng)在整個工作范圍內(nèi)

均能實現(xiàn)高效率、高功率密度和高可靠性的運行。

2.網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及其優(yōu)化配置

由于包括太陽能在內(nèi)的可再生能源的能量密度低、隨機性強，所以由其構(gòu)成的

分布式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有顯

6分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第2版

著的區(qū)別。此時，應(yīng)根據(jù)對當?shù)乜稍偕茉吹姆植碱A(yù)測、隨機性與可用性評估和負

荷水平評估，提出基于可再生能源的分布式發(fā)電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲；研究分布式發(fā)電

系統(tǒng)中母線電壓的形式（交流或直流）、大小、頻率（對于交流形式）等物理量的

選擇方法；提出該分布式發(fā)電系統(tǒng)中對太陽能光伏發(fā)電單元、風力發(fā)電單元、多元

復(fù)合儲能單元（含飛輪、超級電容和蓄電池）的容量配置方法，以降低系統(tǒng)成本；

研究分布式發(fā)電系統(tǒng)中各種電力電子變換器的配置及其輸入輸出電壓、功率等級的

選擇。

3.分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制

由于分布式發(fā)電系統(tǒng)具有多能量來源、多變流器（主要是逆變器）并網(wǎng)的特點,

因此必須對其并網(wǎng)控制進行研究。這方面包括針對具有多能源多并網(wǎng)逆變器的分布

式發(fā)電系統(tǒng)，研究其并網(wǎng)運行時相互耦合影響的機理和并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制問題；研究獨

立運行時多個逆變器的電壓和頻率的協(xié)調(diào)控制，以實現(xiàn)動態(tài)和穩(wěn)態(tài)負荷的合理分配；

研究合適的并網(wǎng)、獨立控制模式和協(xié)調(diào)一致的切換控制策略；研究柔性并網(wǎng)、暫態(tài)

過程以及分布式發(fā)電系統(tǒng)對電網(wǎng)或本地負荷的沖擊影響等問題；針對具有多能源多

并網(wǎng)逆變器的分布式發(fā)電系發(fā)的特點，開展適合并網(wǎng)逆變器的無盲區(qū)孤島檢測方法

和防偽孤島技術(shù)研究。

4.分布式發(fā)電系統(tǒng)的能量管理

針對分布式能源（DR）的隨機性、分布式發(fā)電單元的投切、負載變化、敏

感負載對供電可靠性和電能責量高要求、分布式發(fā)電系統(tǒng)附近配電線路擁塞、分布

式發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)之間的供購電計劃等問題，應(yīng)研究分布式發(fā)電系統(tǒng)各種運行方式

下分布式發(fā)電單元、儲能單元與負載之間的能量優(yōu)化，滿足經(jīng)濟運行的要求；針對

分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)和故障解列時的能量變化，應(yīng)研究分布式發(fā)電系統(tǒng)運行方式變

化時的能量調(diào)度策略，滿足分布式發(fā)電系統(tǒng)運行方式切換的要求。

5.光伏發(fā)電系統(tǒng)的安全性和可靠性問題

在分布式發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)并網(wǎng)規(guī)范中，對各發(fā)電單元的端口特性提出了具體的

要求。為此，需要分析分布式發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)及動態(tài)特性，包括不同分布式發(fā)電單

元以及分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)端口特性，穩(wěn)態(tài)情況下主要包括：有功功率、無功功率、

電壓、頻率和諧波等特性?？紤]到分布式發(fā)電高度隨機性，還要研究這些特性隨時

間變化的規(guī)律。具體到光伏發(fā)電系統(tǒng)，目前遇到的安全性和可靠性問題包含以下幾

個方面：并網(wǎng)逆變器的直流分量注入問題、光伏并網(wǎng)單元的對地漏電流問題和孤島

及其檢測技術(shù)問題。

1.3本書的主要內(nèi)容

光伏發(fā)電技術(shù)雖然起源艱早，但真正得到發(fā)展不過是近十幾年的事情，尤其

第I章緒論7

是在我國。特別是作為分布式發(fā)電系統(tǒng)中的重要組成部分的光伏并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)，更

是剛剛開始起步。雖然這方面的研究已經(jīng)取得了一些成果，但還有許多重要的內(nèi)容

仍在研究中。本書的主要內(nèi)容是對分布式發(fā)電系統(tǒng)和光伏發(fā)電領(lǐng)域一些現(xiàn)有成果的

介紹。此外還對那些正在研究中的相關(guān)技術(shù)也有所提及，但限于作者的認知水平，

只能是很膚淺的。

本書首先介紹了光伏發(fā)電的一些基礎(chǔ)知識，包括光伏發(fā)電的基本原理、光伏電

池（包括光伏電池的工作原理、等效電路、數(shù)學(xué)物理模型和發(fā)電效率及其影響因

素）、光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成與功能等。這部分內(nèi)容對后面章節(jié)的展開有一個提綱挈領(lǐng)

的作用。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)與火電、水電等傳統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)一個不同的地方就是大量電

力電子變換器的應(yīng)用。為此，本書對各種適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的常規(guī)電力電子變換

器進行了簡單、概括的介紹。同時結(jié)合目前的研究熱點，介紹了光伏逆變器拓撲結(jié)

構(gòu)的最新研究進展。

考慮到解決偏遠地區(qū)供電問題已經(jīng)成為我國重要的戰(zhàn)略規(guī)劃，本書專辟一章介

紹直流母線分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，并對其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與優(yōu)化、能量管理及分配、交流電

網(wǎng)的連接方式與接口等進行了介紹。

交流母線分布式發(fā)電系統(tǒng)是包括太陽能在內(nèi)的可再生能源發(fā)電的最佳結(jié)構(gòu)。本

書對其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行了介紹和討論。光伏逆變器的并網(wǎng)、并聯(lián)和控制是保證分布式

光伏發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定和安全運行的關(guān)鍵技術(shù)，也是目前相關(guān)研究中的熱點，本書對這

些內(nèi)容進行了著重介紹。

光伏發(fā)電系統(tǒng)具有很強的隨機性和不確定性，其能量形式不是恒定的而是變化

的，為了更有效地利用光伏系統(tǒng)能量，必須采取最大功率跟蹤技術(shù)，這也是本書的

重要內(nèi)容之一。

儲能元件和后備單元是光伏發(fā)電系統(tǒng)重要的組成部分。本書以蓄電池、超級電

容和燃料電池為主，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的儲能和后備單元進行了介紹。

分布式發(fā)電系統(tǒng)必須具備能量優(yōu)化管理、生產(chǎn)調(diào)度、安全預(yù)警及故障診斷等

綜合管理策略。與傳統(tǒng)的集中式發(fā)電系統(tǒng)不同，分布式發(fā)電系統(tǒng)在這方面尚未有

統(tǒng)一的執(zhí)行標準。本書將介紹幾種已經(jīng)在工程實際中得到驗證的綜合管理方案。

分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種新鮮事物，也面臨一些特殊問題，比如直流注入

及對地漏電流問題、孤島及其檢測問題、穩(wěn)定性問題等。這些問題的研究雖然取

得了一些成果，但還在繼續(xù)研究中。本書介紹了這些方面已經(jīng)取得的最新成果。

最后，本書介紹了幾個分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的實例，希望能為工程技術(shù)人員提

供一些實用性的幫助。

第2章光伏發(fā)電基礎(chǔ)

光伏發(fā)電的基礎(chǔ)部件就是光伏電池（又稱太陽電池）陣列。太陽光經(jīng)由光伏

電池陣列才能轉(zhuǎn)換為電能。因此.在對光伏發(fā)電技術(shù)及其在分布式發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)

用進行全面介紹之前，本章首先介紹光伏發(fā)電的基礎(chǔ)，主要包括光伏電池的工作

原理、數(shù)學(xué)物理模型及光伏系統(tǒng)的基本構(gòu)成等。

2.1光伏電池的基本原理和等效電路

2.1.1光伏效應(yīng)

太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。這種把光

能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器,就是光伏電池。

光伏電池的物理基礎(chǔ)是由兩種不同半導(dǎo)體材料構(gòu)成的大面積PN結(jié)，以及非

平衡少數(shù)載流子在PN結(jié)內(nèi)建電場作用下形成的漂移電流。用適當波長的光照

射到半導(dǎo)體PN結(jié)時，半導(dǎo)體吸收光能后，使其原子產(chǎn)生電子-空穴對，并在

勢壘區(qū)內(nèi)建電場的作用下，發(fā)生漂移運動而分離，電子被送入N型區(qū)，空穴

被送入P型區(qū)，從而使N型區(qū)有過剩的電子，P型區(qū)有過剩的空穴。這樣，

就在PN結(jié)的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分

與內(nèi)建電場相抵消，其余的使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負電，這種現(xiàn)象被稱為

光生伏特效應(yīng)。這樣，P型區(qū)和N型區(qū)產(chǎn)生的光生載流子在內(nèi)建電場的作用

下，反向穿過勢壘，形成光電流。該電流流過外部電路就會產(chǎn)生一定的輸出功

率，如圖2-1所示。

2.1.2單體光伏電池的等效電路和電量方程

實際中，當受到光照的光伏電池接上負載時，光生電流流經(jīng)負載，并在負載

兩端建立起端電壓，這時光伏電池的工作情況可用圖2-2所示的等效電路來描

述。圖中把光伏電池看成能穩(wěn)定地產(chǎn)生光電流及的電流源（只要光源穩(wěn)定）。

其中，&為串聯(lián)電阻，它主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導(dǎo)體電阻和電

極與硅表面接觸電阻所組成。為旁漏電阻，也稱為跨接電阻，它是由于硅片

邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起的。顯然，二極管的正向電流/D（通過PN結(jié)的總

擴散電流）和旁路電流卻都要靠/L提供，剩余的光電流經(jīng)過心，流出光伏電

池

第2章光伏發(fā)電基礎(chǔ)9

當空穴和電子在PN結(jié)合

面上會合時，即產(chǎn)生電壓,

連接8線時，即產(chǎn)生電流。

導(dǎo)線

圖27光伏電池基本原理一光伏效應(yīng)

而進入負載。

描述光伏電池特性的兩個重要參數(shù)分

別是

I的路由也/

所謂短路翁羲t是將光伏電池置于標

準光源的照射下，在輸出短路時流過光伏

電池兩端的電流。測量短路電流的辦法是

用內(nèi)阻小于1。的電流表接在光伏電池的兩

端。鼠與光伏電池的面積大小有關(guān)，面積

越大，晨值越大。一般來說，Icn?光伏電

池的4約為16?30mA。同一塊光伏電池，圖2-2單體光伏電池的等效電路

其心與入射光譜輻射照度成正比。當環(huán)境溫度升高時，〃值略有上升，一般溫度每

力高1℃,&約上丁|78〃A。

2.空載電壓

所謂空載電壓就是將光狀電池置于標準光源的照射下，在輸出開路時光伏電

10分布式發(fā)電系統(tǒng)中的光伏發(fā)電技術(shù)第2版

池的輸出電壓，其值可用高內(nèi)阻的直流毫伏計測量。光伏電池的空載電壓與光譜輻

照度有關(guān)，與電池面積無關(guān)。在100MWcm2的太陽光譜輻照度下，單晶硅光伏

電池的空載電壓為450?600mV,最高可達690mVo當人射光譜輻照度變化時，光

伏電池的空載電壓與入射光譜輻照度的對數(shù)成正比。環(huán)境溫度升高時，光伏電池的

空載電壓將下降，一般溫度每升高1℃,下降2?3mV。

由上述定義，可列出光代電池等效電路中各變量的方程式如下：

WD

/D=/o(e^-1)(2-1)

II-/~=/-，(e-D-(2-2)