并网型光伏发电系统.docx

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并网型光伏发电系统

江西工程学院

环境与能源工程学院

毕业设计

（2016届）

题目并网型光伏发电系统

专业光伏发电及技术应用

班级13级光伏5班

学号2013204152

学生姓名施宇航

指导教师张忠山

摘要

随着人类社会的不断发展，传统能源被不断的消耗，同时也带来了严重的环境问题。

为了减少环境的污染，保证能源的可持续利用，就必须改变现有

的能源结构，重视新能源的开发和利用。

从长远发展的角度看，可再生资源是人类未来的主要能源来源，因此，世界上很多国家都开始重视太阳能等新能源的开发利用。

在这些可再生资源中，光伏发电的发展速度最快，而太阳能光伏发电已经成为可再生能源领域中继风力发电之后产业化发展最快、最大的产业。

世界各国都非常重视太阳能光伏产业的发展，我国拥有丰富的太阳能资源，对太阳能的开采具有很大的优势，因此，太阳能光伏发电成为我国开发新能源的重要内容。

太阳能作为一种新型的可再生能源近年来得到了广泛的应用，光伏并网技术成为有效利用太阳能发电的核心和关键。

本文分析光伏发电在普通家庭的应用要求，提出了一种基于家庭用户需求的光伏发电解决方案，并进行实验测试和验证。

并以传统的独立太阳能光伏发电技术为基础，研究和设计了并网型太阳光伏发电

关键词：

太阳能；光伏发电；并网；逆变器 

目录

第1章 绪论........................................................................................4

1.1 课题背景与选题意义....................................................................4

1.1.1 全球能源危机与环境问题.........................................................4

 1.1.2 太阳能的开发与利用................................................................6

1.2 国内外研究综述............................................................................8

1.2.1 光伏发电的历史.........................................................................8

1.2.2 国内研究综述.............................................................................9

1.2.3 国外研究综述.............................................................................12

1.3 本文主要工作................................................................................16

第2章 太阳能光伏发电系统简介

2.1太阳能光伏发电系统的组成.......................................................16

2.2 太阳能光伏系统的分类...............................................................17

2.3 太阳能光伏发电系统的应用.......................................................18

2.4 光伏发电尚存在的问题................................................................18

2.5光伏组件方阵...............................................................................20

3、并网型太阳能光伏发电控制系统简介 

1 太阳能电池板的应用......................................................................20

2 模拟光源跟踪控制系统.................................................................21

3 并网逆变器........................................................................................33

绪论

1.1 课题背景与选题意义 

1.1.1 全球能源危机与环境问题 

能源是维持整个人类社会运营和发展的动力，对人类社会起着至关重要的作用。

在本世纪初进行的关于世界化石能源储量的调查研究数据显示：

以当前人类的能源消耗速度，石油还可以开采约40年，煤炭为22年，天然气为61年。

而我国化石能源的储量情况更加严峻，严重制约了经济的发展。

此外，由于化石能源的大量使用，对环境造成了严重的污染，对生态造成了巨大的破坏。

例如，由于化石燃料的燃烧，大气中的颗粒物和二氧化流浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造成损失；工业废水和生活污水的排放，使人体质量恶化，危及水生生物的生存，给生态系统造成直接的破坏和影响。

除此之外，污染物的积累和迁移转化还会引起多种衍生的环境效应，给生态系统和人类社会造成间接的危害。

例如，温室效应、酸雨和臭氧层的破坏就是由大气污染衍生出的环境效应。

随着经济和贸易的全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就是这方面的突出表现。

如何在使用能源的同时，保护好整个地球的生态环境已经成为全球各个国家面临的重要问题。

改善现阶段的能源结构，大规模开发利用一些可再生的清洁能源已成为了解决能源问题的主要方向。

1.1.2 太阳能的开发与利用 

一.太阳能的优势 

    太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比利用最大，是最理想的可再生能源。

因为它具有以下的特点：

（1）数量巨大：

每年到达地球表面能供人类利用的太阳辐射相当于一颗原子弹爆炸时所发出的能量； 

（2）时间长久：

用之不竭，太阳按目前功率辐射能量其时间约可持续100亿年； 

    （3）普照大地：

取之不尽，不需要开采和运输； 

（4）清洁无污染：

无任何物质的排放，既不会留下污染物，也不会向大气中排放废气。

1.1.2 太阳能的开发与利用

   太阳能的开发利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形式。

目前，以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，因为光伏发电具有以下明显优点：

（1）结构简单，体积小且轻。

能独立供电的太阳能电池组件和方阵结构都比较简单，输出50W的晶体硅太阳能电池组件，体积约为450mm×985mm×45mm，质量为7kg。

（2）容易安装运输，建设周期短。

只要将太阳能电池支撑并面向太阳即可发电，宜于制成小功率移动电源；一个6.SMW的太阳能电池发电站，占地约802）（km，不足10个月便可建成发电。

    （3）维护简单，使用方便。

如遇风雨天，只需检查太阳电池表面是否被粘污、接线是否可靠、蓄电池电压是否正常即可。

大型光伏电站使用计算机控制运行，运行费用很低。

    （4）清洁、安全、无噪声。

光伏发电本身不向外界排放废物，没有机械噪声，是一种理想的能源。

    （5）可靠性高，寿命长，并且应用范围广。

晶体硅太阳能电池的寿命可以长达20至35年，在光伏系统中，只要设计合理、选型适当，蓄电池的寿命可以达到10多年；太阳能几乎无处不在，太阳能电池在中国大部分范围内都能作为独立的电源。

3．太阳能开发潜力 

    在中国，太阳能资源较好的地区占国土面积2/3以上，主要集中在西部地区，尤其是西北和青藏高原，年平均日照在2200小时以上，中国陆地每年接收的太阳辐射量约合24000亿吨标准煤。

太阳能发电虽受昼夜、晴雨、季节的影响，但可以分散的进行，所以它适于各家各户分别进行发电，而且可以连接到供电网络上，使得各个家庭在电力富裕时可将其卖给电力公司，不足时又可以从电力公司买入。

分布式光伏发电并网系统将可能是今后住宅和办公用电的主要模式。

太阳能发电有更加激动人心的计划。

一是利用地面上的沙漠和海洋面积进行发电，并通过超导电缆将全球太阳能发电站连成统一电网以便向全球供电。

据测算，到2050年和2100年，即使全用太阳能发电供给全球用电，占地也不过为186.79万平方公里和829.19万平方公里。

829.19万平方公里才占全部海洋面积的2.3%或全部沙漠的51.2%，甚至才是撒哈拉沙漠的91.5%。

另一方案是天上发电。

早在1980年美国宇航员和能源部就提出在空间建设太阳能发电站设想，准备在同步轨道上放一个长10公里、宽5公里的大平板，上面布满光伏电池，这样便可提供5×610KW电力。

但这一方案需解决向地面无线输电问题。

现已提出用微波束、激光束传输等方案。

1.2 国内外研究综述

1.2.1 光伏发电的历史

光伏发电技术的发展时间不长，迄今仅有100多年的历史。

1839年，法国著名物理学家安东尼·亨利·贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel）在实验中意外地发现，当阳光照射伏打电池时，能够产生额外的伏打电势，这就是“光生伏打效应”（photovoltaic effect），通常简称为“光伏效应”。

英国科学家威廉·史密斯（Wilough B.Smith）早在1873年就发现了对光敏感的材料一一硒，并进行了大胆预测，在阳光照射下，随着光通量的增加硒材料的导电能力也会随之增加。

1980年，美国科学家查尔斯·弗里茨（Charles Fritts）开发出第一块以硒材料为基础的太阳能电池。

由于太阳能电池是利用光伏效应的原理来工作的，因而，自此以后，人们将能产生“光伏效应”的器件统称为“光伏器件”。

20世纪中期，超薄单晶硅光伏电池又被陆续开发出来；1961年至1971年间，光伏电池的研究侧重于提高电池的抗辐射能力与降低电池的开发升本上，其技术上没有得到显著的改变与进步；在1972年至1976年间，空间用光伏电池被成功研发出来并得到了初步的应用。

从此，光伏发电技术不断得到提高与完善，并逐步降低开发成本，光伏发电技术进一步规范化、产业化，并成为当前全世界主要的绿色可持续资源之一。

1.2.2 国内研究综述

迄今为止，太阳能光伏发电还存在一些有待攻克的弱点，例如光电转化率低，所需光照要求复杂，成本高，最大功率跟踪技术不完善等。

中国光伏电池的主要产品是单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池。

商品单 晶硅电池组件的转换效率为11%—15%。

商品多晶硅光伏电池组件的转换效率为10%—14%。

商品非晶硅光伏电池组件的转换效率为4%—6%。

单晶硅和多晶硅光伏电池组件的售价为35—40元/Wp。

目前，太阳能电池市场85%的市场份额由晶体硅太阳能电池占据，其高昂的晶体硅价格制约了光伏产业的应用发展。

薄膜太阳能电池结构简单、制备成本低廉，尤其钙钛矿型太阳能电池由现成材料制成，具有广泛的应用前景，但该类电池的产业化瓶颈是光电转化效率偏低，现阶段的研究重点是提高其光电转换效率。

中国科学院重点实验室在无空穴传输材料的钙钛矿型薄膜太阳能电池方面研究取得了重要进展，制备的电池光电转换效率率先突破10%，达到了10.47%，是现有国内外公开报道中的最高值。

邹学毅提出将变结构参数模糊控制应用在光伏发电系统MPPT控制中，能够快速响应外界条件的变化，在最大功率点无明显的震荡，具有较好的动态和稳态性能；汪义旺针对常规模糊控制器在光伏发电最大功率点跟踪（MPPT）控制中存在的功率波动、控制精度低和自适应性较差等问题，提出了一种基于变论域自适应模糊控制器的光伏发电MPPT控制，该控制器能根据光伏发电输出功率偏差的变化自动调整变量的论域，从而快速准确地跟踪光伏发电系统的最大功率点，提高了系统的效率和稳定性；白慧杰针对导纳增量法在低光照情况下不易进行最大功率跟踪的缺点，结合线性比例电流法提出了一种线性比例电流法结合导纳增量法的控制策略；为了寻找更好的实现光伏发电系统最大功率点追踪控制方法，在分析已有最大功率追踪方法的基础上，赵立永提出了一种新型的MPPT跟踪方法—改进的电压增f法，使最大功率跟踪更快更准，并通过对后级并网逆变器的控制实现了低谐波含f、高功率因数的并网要求；郭明明针对传统光伏发电DC/DC变换器工作在硬开关状态时，因开关损耗大、开关管所承受的电压电流大等缺点导致的系统效率下降问题，采用了一种软开关Boost变换器，其结构简单，易于控

制，大大减少了变换器工作中的开关损耗，并且降低了开关管所承受的压降，从而提高了光伏发电传输效率；陈进美针对传统MPPT控制算法的缺点，提出了固定参数法与扰动观察法相结合、固定参数法和电导增t法相结合、高斯法与扰动观察法相结合的复合MPPT控制算法，较深入地探讨了这些算法的优点及详细实现方案；光伏并网逆变器对光伏发电系统的动态特性具有决定性作用，因此获得准确的光伏逆变器控制参数是分析光伏发电系统并网影响的基础，沈欣炜提出了一种针对典型光伏并网逆变器双环控制模型的dq轴参数解福辨识策略，并通过仿真算例比较了解福模型在不同噪声水平下的辨识效果，分析了不同类型的扰动数据对辨识的影响规律，讨论了滤波电感参数有偏差时对辨识结果的影响，最后通过参数适用性检验算例验证了所提出辨识方法的有效性；为提高聚光光伏发电的太阳能利用率，孙环阳提出了一种环形轨道式光伏发电双轴跟踪系统的设计方案，DSP控制伺服电机的方法，利用空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）技术，形成了闭环的位置伺服控制，通过Simulink进行了速度环仿真，结果表明该系统运行稳定，具有较好的静态和动态特性。

1.2.3 国外研究综述

 1930年，朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，使太阳能变成电能。

1932年，奥杜博特和斯托拉制成第一块“硫化镉”太阳电池。

1941年，奥尔在硅上发现光伏效应。

1954年美国贝尔实验室研制出6%的实用型单晶硅电池，同年，韦克尔首次发现了砷化镓有光伏效应，并在玻璃上沈积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。

    1955年以色列的Tabor提出选择性吸收表面概念和理论，并研制成功选择性太阳吸收涂层。

同年，吉尼和罗非斯基进行材料的光电转换效率优化设计；第一个光电航标灯问世。

美国RCA研究砷化镓太阳电池。

     1957年硅太阳电池效率达8％。

1958年太阳电池首次在空间应用，装备美国先锋１号卫星电源。

 1959年，第一个单晶硅太阳能电池问世。

     1960年，太阳能首次实现并网运行。

     1969年薄膜硫化镉太阳电池，效率达8％。

    1970年代初期，中东战争引发的能源危机开启了太阳光发电系统地面应用。

     1973年，砷化镓太阳电池效率达15％。

    1974年，COMSAT研究所提出无反射绒面电池，硅太阳电池效率达18％。

      1975年，非晶硅太阳电池问世，同年，电池效率达6％。

      1976年，Carlson制作出第一个非晶薄膜太阳电池。

  同年，多晶硅太阳电池效率达10％。

    1978年美国建成100KW光伏电站，随后太阳能效率不断提高，其中1980年单晶硅太阳能电池效率达到20%，多晶硅为14.5%。

    1980年，美国科学家查尔斯·弗里茨（Charles Fritts）开发出第一块以硒材料为基础的太阳能电池。

1980年消费性薄膜太阳电池的应用。

单晶硅太阳电池效率达20％，砷化镓电池达22.5％，多晶硅电池达14.5％，硫化镉电池达9.15％。

    1983年美国建成１MWp光伏电站；冶金硅（外延）电池效率达11.8％。

     1986年美国建成6.5MWp光伏电站。

    1995年，高效聚光砷化镓太阳电池效率达32％。

      1997年，单晶硅光伏电池效率达25％。

     2000年，建材一体型太阳电池应用（BIPV）。

    2006年，波音子公司Spectrolab研发出转换率41％的砷化镓太阳能      2013年，美国麻省理工学院（MIT）研究人员采用了聚合物涂层来改变其性能，在表面覆盖一层氧化锌纳米线，然后覆盖一层光感材料（铅硫化物量子点），研发出一种基于涂覆一层纳米线的石墨烯薄片的新型太阳能电池。

    自从实用型硅太阳能电池问世以来，太阳能光伏发电很快在全球得到普及。

目前，晶体硅光伏电池仍然主导光伏发电市场，薄膜电池是未来太阳能电池发展的方向。

当前国际上最新的研发热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏器件和光伏建筑集成应用系统等方面，并已取得了可喜的成果。

但是，在光伏器件及制造技术方面，自光伏电池问世以来，晶体硅就作为基本的电池材料一直保持着主导地位，是目前国际光伏市场上的主流产品，在2000年时世界光伏电池产量的80%以上均采用晶体硅材料。

论实验室效率，单晶硅电池最高可23.7%，多晶硅电池最高可达18.6%，工业化产品效率一般在13%—15%。

各种晶体硅电池技术发展情况如下：

（1）澳大利亚新南威尔士大学多晶硅电池效率突破19.8%；     

（2）旧本京都陶瓷公司多晶硅电池效率达到17.1%； 

   （3）澳大利亚新南威尔士大学高效单晶硅电池效率己达23.7%；     

（4）德国ASE公司片状晶体硅电池效率为14.5%； 

  （5）美国Astro Power（AP）公司的带状多晶硅电池效率为10.5%；     

（6）旧本三洋公司的HIT晶体/非晶硅复合电池效率达18%；

（7）美国、日本、德国多晶硅铸锭240kg/炉，已能规模化生产。

     从此，光伏发电技术不断得到提高与完善，并逐步降低开发成本，光伏发电技术进一步规范化、产业化，并成为当前全世界主要的绿色可持续资源之一。

1.3 本文主要工作

1．绪论部分，阐述了课题背景与选题意义，主要包括能源短缺、环境污染及太阳能光伏发电的诸多优点三大方面；其次分别介绍了国内外光伏发电技术的研究。

2．太阳能光伏发电系统简介

3．并网型太阳能光伏发电控制系统简介

第二章 太阳能光伏发电系统概述

2.1 太阳能光伏发电系统的组成

太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。

一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池（组）构成。

    太阳能电池板：

太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。

    太阳能控制器：

太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长 蓄电池的使用寿命;同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电（由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定）。

    逆变器：

逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变成220V交流电，供给交流负载使用。

蓄电池（组）：

蓄电池（组）的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。

在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电;当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。

2.2 太阳能光伏系统的分类

光伏发电是通过利用光伏电池板来实现太阳辐射能转换为电能的一种发电方式。

整个光伏发电系统都是由以下几个部分构成：

光伏电池阵列、控制器、电能变换装置和电能储存装置。

一般情况下，我们可以把光伏发电系统分为独立型系统、并网型系统和混合型系统。

2.3 太阳能光伏发电系统的应用

目前我国光伏发电系统的应用主要在三方面：

1、以采用户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，为200万户偏远地区农牧民（即目前我国三分之一的无电人口）提供最基本的生活用电； 

2、通过借鉴发达国家建设屋顶光伏发电系统的经验，在经济较发达、城市现代化水平较高的大中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明系统中推广使用光伏电源，建设屋顶光伏发电系统； 

3、建立大型的并网光伏系统，以便于在光伏发电成本下降到一定水平时而开展大型并网光伏系统的大规模应用作好准备。

2.4 光伏发电尚存在的问题

目前，光伏发电仍存在下列几个主要问题:

 1．光伏阵列发电效率低 

    光伏阵列是光伏发电的最基本元件。

光伏发电效率指的是光能转化为电能的比率。

一般来讲，晶体硅光伏电池效率为10%～15%左右，非晶体光伏电池效率为5%～8%，薄膜光伏电池目前的转化效率仅为2%～4&左右。

由于光电转换效率太低，从而使光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。

并且由于对光电转化管理不力，真正太阳能的利用率只有50%～70%。

目前，科学家们正在加紧研究，希望能大幅度提高光伏发电转换率。

主要研究工作包括：

在硅体里面增加其他元素，提高价能位置，从而形成更大的P-N结的空间电荷区，得到更大的输出电压；增加受光面的折射度，让太阳光线能够在光伏电池板上多次来回折射，以最大程度将光子能量转换为电子能量；寻找对光感应更敏感的材料代替硅材料，以获得更大的转换效率。

2．系统造价成本高 

由于光伏发电效率低，要发出足够的电则需要许多光伏电池板。

2003年单、双晶硅光伏电池组件的价格约为36～40元/pW，相比于目前的火力和水力发电，光伏发电的成本约为后者的6～20倍。

成本高是当前制约光伏发电市场快速发展的主要原因。

3．发电运行受气候环境因素影响大 

    光伏发电源直接来源于太阳照射，而地球表面的太阳照射受气候的影响时有时无。

另外，由于环境污染的影响，特别是空气中的颗粒物灰尘降落在光伏电池板上，从而阻挡了阳光的照射，减少了光线的投入量，进而减少了光电的转换。

4．制造单晶硅和多晶硅光伏电池需要消耗相当多的能源 

硅是地球上各种元素中含量仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（2SiO，二氧化硅）。

从沙子变成多晶硅和单晶硅要经过多道化学和物理工序，其间，要消耗相当多的能量，这也是他们生产成本高的原因。

制造非晶硅光伏电池所需的能耗少得多，人们正在为提高它的稳定性和工作寿命，降低它的内阻从而提高它的光电转换效率而不懈努力。

5．其他因素 

    由于太阳光存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的特点，因此发电受外界环境的影响较大。

2.5光伏组件方阵

阳能电池组件方阵，由太阳能电池板按系统需求串、并联而成。

它是太阳能发电系统中的核心部件，其作用就是将太阳的辐射能量转换成电能输送到蓄电池中储存或者驱动负载工作。

3、并网型太阳能光伏发电控制系统简介

如图所示，并网型太阳能光伏发电系统最大的特点就是光伏组件方阵产生的直流电（一般为12VDC、24VDC、48VDC）经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电后直接接入公共电网。

当光照充足时，系统产生的电力除了供给负载