毕业设计论文太阳能并网光伏发电系统方案Word文档下载推荐.docx

1、逆变器第一章 太阳能光伏产业绪论一.1 光伏发电的意义太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的 安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和维护性、资源的充足性及潜在的经济 性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位并且得到广泛的应用。随着人类社会的不断发展，人们的经济及文化活动需要大量的能源。目前，人类利用的电能主要有三种，即火电、水电和核电。但是由于化石燃料的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济、社会发展的需要，并且由于蕴藏量有限，矿物能源正面临着枯竭的危险。另外，由于燃烧煤、石油等化工燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排向天空，使大气环

2、境遭到严重污染，同时由于大量排放二氧化碳等温室气体而使地球产生明显的温室效应，引起全球气候变化；水力发电受到水力资源的限制和季节的影响，并且有时会破坏当地的生态平衡；核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样十分严重，并且核废料的处理直至今天仍然是一个全球性待解决的问题。因此，随着社会的进步和经济的发展，以及人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源己经是当前人类面临的迫切课题。太阳能以其清洁、无污染，并且取之不尽、用之不竭等优点越来越得到人们的关注。全球能源专家一致认定:太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。据欧洲JRC预测，到未来的2100年时，太阳能在整个能源结构中将占68%

3、的份额。20世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大突破:一是在光伏利用方面，1954年美国贝尔实验室研制出效率为6%的实用型单晶硅电池；二是在光热利用方面，1955年以色列的Tabor提出选择性吸收面表概念和理论，并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项突破既是人类利用太阳能进入高技术阶段的标志，也是又一代新能源变革的划时代标志。随着太阳电池研究的快速进程和转换效率的不断提高，发电成本已经呈现快速下降趋势，可以预料，太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。一.2 光伏并网发电一.2.1 并网发电是太阳能光伏利用的发展趋势光伏发电有离网和并网两种工作方式。过去，由于太阳电池

4、的生产成本居高不下，光伏发电多数被用于偏远的无电地区，而且以户用及村庄用的中小系统居多，都属于离网型用户。但是近年来，光伏产业及其市场发生了极大的变化，开始由边远农村地区逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进，太阳能己经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是下一代“替代能源”。1998年7月6日1O日在奥地利维也纳召开的“第二届国际太阳能光伏会议”上，有关光伏发电的论文共313篇，其中专门论述“光伏并网发电系统”的论文竟达161篇，占论文总数的51.44%，由此也可窥见一斑，光伏并网发电系统的研究已经成为世界之热点和需要，表明太阳能并网发电技术己经进入了一个新的历史阶段，它同时也是光伏

5、发电领域研究的前沿。光伏发电的这种迅猛发展是必然的，只有进入电力系统的规模应用，才能真正对于缓解能源紧和抑制环境污染起到积极的作用。同时，光伏产业的规模发展还将为社会提供可观的社会就业机会。一.2.2 国外光伏并网发电的发展和现状光伏并网发电开始于80年代初，美国、日本、德国、意大利都为此作出了努力。按照当时认识，建造的都是较大型的光伏并网电站，规模从1OOKW到1MW不等，而且都是政府投资的试验性电站。试验结果在发展相应的技术方面是成功的，但在经济性方面却并不十分令人鼓舞，主要是由于太阳电池成本过高，虽然具有明显的减排等环境效益，但其发电成本却很难让电力公司接受。90年代以来，国外发达国家重

6、新掀起了发展光伏并网系统的研发高潮，这次的重点并未放在建造大型并网光伏电站方面，而是侧重发展“屋顶光伏并网系统”.人们认为，屋顶光伏并网系统不单独占地，将太阳电池安装在现成的屋顶上，非常适应太阳能能量密度较低的特点，而且其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，有利于普及，有利于战备和能源安全，所以受到了各国的重视。许多其他发达国家也都有类似的光伏屋顶并网发电项目或计划，如荷兰、瑞士、芬兰、奥地利、英国、加拿大等。属于发展中国家的印度也在1997年12月宣布到2020年将建成150万套太阳能屋顶并网发电系统。许多统计资料表明，近几年世界光伏并网发电市场发展迅速，光伏并网发电的装机容量从199

7、6年的7MWp已上升到2000年14OMWp，光伏并网发电在光伏行业中的市场比例也从1996年的1O%上升到2000年的50%。随着光伏并网发电系统技术的不断完善和经济性的提高，其市场占有率将始终保持在50%左右。据比较权威的世界能源年鉴报道，2000年光伏并网发电占世界光伏产业总产值的比例如图1-1所示。图1-1 2000年光伏并网发电占世界光伏产业总产值的比例在技术方面，专用逆变设备和相关系统的最佳配置涉及到多项技术。美国、德国、荷兰、日本、澳大利亚等国家在光伏屋顶计划的激励下，许多企业和研究机构成功地推出了多种不同拓朴结构的逆变器。据1998年世界可再生能源企业年鉴报道，世界上能提供屋顶

8、光伏并网服务的企业已经超过200家（我国和印度未有企业被列入），其中有如美国的Trace、SOlarex，荷兰ECN和Mastervolt，日本的Kyoeera、Fuji，澳大利亚的AEG，德国的Siemens，意大利的Enel等，这些都明示着光伏并网发电系统产业已经是世界围一个蓬勃发展的高新技术产业，它和光伏器件（主要是太阳电池）同时并列为光伏产业的两大支柱.在光伏并网发电的行业标准方面，虽然现在还没有IEC（国际电工委员会）标准，但各国都颁布了相应的试行标准，如美国SANDIA国家实验室的光伏并网发电系统标准等。总之，从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代能源的角色进入电力市场

9、，而并网发电将是光伏发电进入电力市场的必由之路。一.2.3 我国迫切需要发展光伏并网发电技术我国太阳能资源非常丰富，大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，理论储量达每年1.7万亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。从全国太阳年辐射总量的分布来看，青藏高原和西北地区、华北地区、东北大部以及、等部分低纬度地带均为太阳能资源丰富或较丰富的地区。我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔。第一，我国有荒漠面积100余万平方公里，主要分布在光照资源丰富的西北地区，如果利用荒漠安装并网太阳能发电系统则可以提供非常可观的电量。第二，太阳电池组件不仅可以作为能源设备，还可作为屋面和墙面材料，既供

10、电节能，又节省了建材，具有良好的经济效益。第三，迄今我国边远地区仍有较多居民尚未用电，如果单纯依靠架设电网供电，则成本高，建设周期长，不经济。太阳能发电无需架设输电线路，且建设周期短，可以有效解决边远地区用电的难题。我国政府对太阳能产业也给予了充分的扶持。2006年1月，中华人民国可再生能源法正式实施，此法在资源调查与发展规划、产业指导与技术支持、推广与应用、价格管理与费用分摊、经济激励与监督措施、法律责任等方面做出了规定。随后，国家又陆续出台了可再生能源发展专项资金管理暂行办法、可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法等支持可再生能源发展的实施细则，使国家在可再生能源领域方面的扶持政策日趋明朗

11、化。这一系列法律、政策无疑有力的支持了我国太阳能发电产业的发展。近20年来，我国太阳能发电产业长期维持在全球市场1%左右的份额。2005年后，产业有了突飞猛进的发展，尚德、天威英利、硅业、赛维LDK、新能源、天合、京瓷等公司纷纷进入成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，企业竞争力不断增强。而且，、等地的公司已经开始多晶硅太阳电池的生产或试车，市场上形成了单晶硅和多晶硅两种主打电池产品的局面。目前，我国非多晶硅薄膜电池产业也展现出迅猛发展的势头，很多国公司通过与国外公司的合作已经开始进行或计划进行非多晶硅薄膜电池项目的投资。第二章 太阳能光伏发电系统二.1 太阳能光伏发电简介光伏发电是利用

12、光生伏打效应，使太辐射能转变成电能的发电方式，是当今太发电的主流。太发电是无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式，它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏效应就是当物体受到光照射时，物体的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。早在1839年，法国物理学家贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸人溶液构成的伏打电池，在受到照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。后来有人发现当太或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压，如果使PN结短路，就会产生电流。人们把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。由于半导体PN结器件在下的光

13、电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称光电池或太阳电池。太阳能电池是太阳能光伏发电的核心组件。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，由此诞生了将太能转换为电能的实用光伏发电技术。近年来太阳能电池的转换效率得到提高，光伏发电技术逐渐成熟。二.2 太阳能光伏发电系统的类别太阳能发电系统可区分为两大类别，一是独立系统，二是系统联系系统（或称为与交流电网联系系统）。独立系统是太阳能发电系统的最基本的形式，又称为太阳能发电的原型系统。这种系统多用于远离市区（无人操控）的海上灯塔、浮标、山顶的无线中继电台等，作为供电电源。系统如图2-1所示。

14、图中，由太阳能电池阵列输出的直流功率直接供给负荷。如果负荷是交流的，则还须将直流电通过逆变器变换为交流电。此外，输出的直流能量还同时供蓄电池充电。由于负荷的电压经常会产生波动，故还应设置控制器以调节电压。图2-1 太阳能发电系统的基本结构（原型）与电网（系统）联系系统的构造如图2-2所示。该系统的特点是当太阳能电池阵列发出的电功率超过负荷需要时，可以通过自动控制输向交流市电电网，即向电力公司卖出电力。从电力系统的术语来说，称为“逆潮流”运行或通俗地称为“卖电”。反之，对电力公司来说正常运行是向用户供电，称为“正潮流”。系统联系型太阳能发电系统的优点是，当阴雨天气或夜间太阳能发电量不足时，可以通

15、过系统联系直接向市电电网买电。系统联系系统的另一重要优点是可以取消蓄电池，使成本降低，且加强了供电的稳定性和可靠性。图2-2 太阳能发电系统结构图二.3 太阳能光伏发电系统的发电方式太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。 （1）光热电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光热转换过程；后一个过程是热电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵510倍.一座1000MW的太阳能热电站需要投资2025亿美元，

16、平均1kW的投资为20002500美元。因此，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。（2）光电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵（图2-3）了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太

17、阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的太阳能光伏发电方式有两种方式，一种是光热电转换方式，另一种是光电直接转换方式。图2-3太阳能电池方阵二.4 影响太阳能光伏发电的主要因素太阳能的利用主要是利用到达地面的太阳辐射。太阳辐射可分为两种。一种是从光球表面发射出来的光辐射，因为它以电磁波的形式传播光热，所以又叫做电磁波辐射，这种辐射由可见光和不可见光组成。另一种是微粒辐射，它是带正电荷的质子和大致等量的带负电荷的电子以及其他粒子所组成的粒子流，微粒辐

18、射平时较弱，能量也不稳定，在太阳活动极大期最为强烈，对人类和地球高层大气有一定的影响，但是一般来说不等它辐射到地球表面上来，便在漫长的日地遥远的路途中逐渐消失了。为此太阳辐射主要是光辐射。太阳辐射穿过大气层而到达地面时，由于大气中空气分子、水蒸气和尘埃等对太阳辐射的吸收、反射和散射，不仅使辐射强度减弱，还会改变辐射的方向和辐射的光谱分布。因此实际到达地面的太阳辐射通常是由直接辐射和散射辐射两部分组成。直接辐射是指直接来自太阳辐射方向不发生改变的辐射；散射辐射则是被大气反射和散射后方向发生了改变的太阳辐射。由于大气层的存在，真正到达地球表面的太阳辐射能的大小，则受多种因素的影响，一般来说太阳高度

19、、大气质量、大气透明度、地理纬度、日照时间及海拔高度是影响的主要因素。（1）太阳高度即太阳位于地平面以上的高度角。常常用太线和地平线的夹角表示（h）。太阳高度角大，太阳高，太阳辐射强；反之，太阳高度角小，太阳低，太阳辐射弱。太阳高度在一天中是不断变化的。早晨日出时最低，到正午时最高；下午又逐渐减小，到日落时最低。太阳高度在一年中也是不断变化的，这是由于地球不仅在自转，而且又在围绕着太阳公转；地球自转轴与公转轨道平面不是垂直的，而是始终保持着一定的倾角23.5。上半年，太阳从低纬度到高纬度逐渐升高，夏至太阳高度角达到最大，反之，冬至太阳高度角达到最小。对于某一平面来说，当太阳高度低时，光线穿过大

20、气的路程较长，所以能量被衰减的就较多；同时，又由于光线以较小的角度投影到该地平面上，到达地面的能量也较小。反之，则较多。（2）大气质量太阳辐射穿过大气层的路径长短与太阳辐射的方向有关。参看图2-4所示，A为地球海平面上的一点，当太阳在天顶位置S时，太阳辐射穿过大气层到达A点的路径为OA。太阳位于S点时，其穿过大气层到达A点的路径则为OA。OA与OA之比为“大气质量”。它表示太阳辐射穿过地球大气的路径与太阳在天顶方向垂直入射时的路径之比，通常以符号m表示，并设定标准大气压和O时海平面上太阳垂直入射时，大气质量m1。同时由图可知： （2-1）式中，h为太阳的高度角。图2-4大气质量示意图（3）大气

21、透明度在大气层上界与光线垂直的平面上，太阳辐射强度基本上是一个常数；但是在地球表面上，太阳辐射强度却是经常变化的，主要是由于大气透明程度的不同引起的。大气透明度是表征大气对于太线透过程度的一个参数，在晴朗无云的天气，大气透明度高，到达地面的太阳辐射量就多。在天空中云雾很多或灰尘很多时，大气透明度就低，到达地面的太阳辐射量就少。可见，大气透明度是与天空中云量的多少以及大气中所含灰尘等杂质的多少关系很大的。（4）地理纬度太阳辐射量是由低纬度向高纬度逐渐减弱的。由于不同纬度的地区太到达地面所经过的路程是不同的。纬度越低，太到达地面经过的路径越短，那么到达地面的辐射量就大；反之，纬度越高，太到达地面经

22、过的路径越长，那么到达地面的辐射量就越小。第三章 并网太阳能光伏发电系统组成三.1 并网光伏系统的组成和原理光伏系统由以下三部分组成：太阳电池组件；充、放电控制器、逆变器、测试仪表和计算机监控等电力电子设备和蓄电池或其它蓄能和辅助发电设备。（如图3-1所示）图3-1 光伏并网系统结构图光伏系统具有以下的特点：1没有转动部件，不产生噪音；2没有空气污染、不排放废水；3没有燃烧过程，不需要燃料；4维修保养简单，维护费用低；5运行可靠性、稳定性好；6作为关键部件的太阳电池使用寿命长，晶体硅太阳电池寿命可达到25年以上；7根据需要很容易扩大发电规模。光伏系统应用非常广泛，光伏系统应用的基本形式可分为两

23、大类：独立发电系统和并网发电系统。应用主要领域主要在太空航空器、通信系统、微波中继站、电视差转台、光伏水泵和无电缺电地区户用供电。随着技术发展和世界经济可持续发展的需要，发达国家已经开始有计划地推广城市光伏并网发电，主要是建设户用屋顶光伏发电系统和MW级集中型大型并网发电系统等，同时在交通工具和城市照明等方面大力推广太阳能光伏系统的应用。光伏系统的规模和应用形式各异，如系统规模跨度很大，小到0.32W的太阳能庭院灯，大到MW级的太阳能光伏电站。其应用形式也多种多样，在家用、交通、通信、空间应用等诸多领域都能得到广泛的应用。尽管光伏系统规模大小不一，但其组成结构和工作原理基本相同。（如图3-2所

24、示）图3-2并网发电系统原理图三.2 光伏电池的分类及主要参数三.2.1 光伏电池的分类如图3-3所示，太阳电池根据其使用的材料可分成硅系太阳电池、化合物系太阳电池以及有机半导体系太阳电池等类型。硅系太阳电池可分成结晶硅系太阳电池和非晶硅系太阳电池。而结晶硅系又可分成单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。化合物半导体太阳电池可分为-族化合物（GaAs）太阳电池、-族化合物（CdS/CdTe）太阳电池以及三元（-族）化合物（CulnS受：CIS）太阳电池等。有机半导体太阳能电池可分成色素增感型太阳能电池以及有机薄膜（固体）太阳电池等。根据太阳电池的形式、用途等还可分成民生用、电力用、透明电池、半透明电

25、池、柔软性电池、混合型电池（HIT电池）以及球状电池等。图3-3 太阳能电池的分类太阳电池的特性一般包括太阳电池的输入输出特性、分光特性、照度特性以及温度特性，本文主要讨论太阳能电池的电学特性即输入输出特性。太阳电池的种类多，大小不一。太阳电池到底有多大的能力能将太阳的光能转换成电能，从以下的特性可以得知。图3-4为太阳电池的输入输出特性，也称为太阳电池的电压-电流特性。图中的实线为太阳电池被光照射时的电压-电流特性，虚线为太阳电池未被光照射时的电压-电流特性。图3-4 太阳能电池的U-I特性 图3-5 U-I特性曲线和U-P特性曲线图3-5显示了在光照强度G=1000W/M2、环境温度T=2

26、5时典型多晶硅光伏电池板的输出U-I和U-P曲线。三.2.2 光伏电池主要参数由图3-4可得光伏电池主要参数：（1）开路电压开路电压为太阳能电池组件在负载电路开路情况下的端电压，用符号表示。当不存在有效电场时，光伏效应只要靠PN结建静电场提供。而建静电场使光生非平衡电子和空穴各自向反向漂移，因而建静电场越强，半导体材料两端形成的光生电动势就越高，开路电压也就越高。（2）短路电流短路电流为光伏电池在外电路直接短路情况下流经外电路的电流，用符号光照强度决定了光伏电池激发的电子-空穴对数，即一定的光照强度下，其电子-空穴对数也是一定的，使得光电流人的特性像一个恒流源，不受外电路短路与否的影响。（3）

27、最大功率点光伏电池输出U-I特性曲线上，根据负载变化任何一点可以作为工作点。不同的工作点有不同的输出功率，顾名思义，最大功率点就是在曲线上输出功率的最大值对应的工作点，最大功率点对应的电压和电流为最大功率点电压和最大功率点电流对最大功率点进行跟踪，保证电池始终工作在最大功率点附近，能大大提高工作效率，进一步提高对太阳能的利用率。三.3 光伏控制器性能及技术参数三.3.1 光伏控制器性能控制器的作用是控制太阳能发电系统的工作状态，控制器的主要功能是使太阳能发电系统始终处于发电的最大功率点附近，以获得最高效率。对充电的控制通常采用脉冲宽度调制技术即PWM控制方式，使整个系统始终运行于最大功率点Pm

28、附近区域。对放电的控制主要是当电池缺电、系统故障（如电池开路或接反时）切断放电电路。控制器还对蓄电池有过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，控制器还应具备温度补偿的功能。其它如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选功能。光伏控制器是用于太阳能发电系统中，控制多路太阳能电池方阵对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备。光伏控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D模数转换器，是一个微机数据采集和监测控制系统。既可快速实时采集光伏系统当前的工作状态，随时获得PV站的工作信息，又可详细积累PV站的历史数据，为评估PV系统设计的合理性及检验系统部件质量的可靠性提供了准确而充

29、分的依据。此外，光伏控制器还具有串行通信数据传输功能，可将多个光伏系统子站进行集中管理和远距离控制。通过使用创新性的最大功率追踪技术，光伏控制器能保证太阳能阵列全天时、全天候的最大效率的工作，可以将光伏组件工作效率提高30%（平均可提高效率为10%-25%），还包含搜索功能，它在整个太阳能板工作电压围每2个小时搜寻一次绝对最大功率输出点，带温度补偿的三级I-U曲线充电控制可以显著地延长蓄电池的寿命。开路电压高达95V的使用于并网系统中的较低成本的太阳能电池板可以通过光伏控制器使用于独立12V或24V系统中，这可以极大的降低整个系统的成本。3.2.2 光伏控制器技术参数1、系统电压：通常有6个标

30、称电压等级：12V、24V、48V、110V、220V、500V2、最大充电电流：是指太阳能电池组件或方阵输出的最大电流，根据功率大小分为5A、6A、8A、10A、12A、20A、30A、40A、50A、70A、100A、150A、200A、250A、300A等多种规格3、太阳能电池方阵输入路数：小功率光伏控制器一般都是单路输入，而大功率光伏控制器都是由太阳能电池方阵多路输入，一般大功率光伏控制器可输入6路，最多的可接入12路、18路。4、电路自身损耗：也叫空载损耗（静太电流）或最大自身损耗，为了降低控制器的损耗，提高光伏电源转换效率，控制器的电路自身损耗要尽可能低。控制器的最大自身损耗不得超过其额定充电电流的1%或0.4W。根据电路不同自身损耗一般为520mA。5、蓄电池过充电保护电压（HVD）：也叫充满断开或过压关断电压，一般可根据需要及蓄电池类型的不同，设定在14.114.5V（12V系统）、28.229V（24V系统）和56.458V（48V系统）之间，典型值