光伏发电系统的组成原理和应用Word格式.docx
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1.1选题背景
随着全球工业化进程的逐步展开，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤炭、石油和天然气三大化石能源日渐枯竭，全球将再一次面临能源危机。
在中国，按目前的石油消耗速度，中国的现有能源储量至多可以使用50年。
根据专家预测，到2020年，中国石油消费量将突破4亿吨，其中一半以上将依赖进口，天然气的需求量将达到200亿立方米。
同时，大量使用化石能源会对生态环境造成严重的破坏。
根据相关资料显示，目前人类使用化石燃料己经为人类生存环境带来了严重的后果，由于大量使用化石能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，已经造成极为严重的大气污染，同时使得地球表面气温逐年升高;
近若干年来全球CO2排放量迅速增长，如果不加控制，温室效应将使南、北两极的冰山融化，这可能会使海平面上升几米，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。
能源、环境与发展已成为当今世界急待解决的问题，因此开发利用可再生能源和各种绿色能源以实现可持续发展是人类必须采取的措施。
虽然目前人类可利用的太阳能、风能、地热能、水能等能源形式都是无污染能源，但从能源的稳定性、数量、利用条件等诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想的绿色能源。
全球能源专家们认定，太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。
自20世纪50年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光伏集成建筑，世界光伏产业已经走过了近半个世纪的历史。
由于太阳能资源分布相对广泛、蕴藏丰富，光伏发电系统具有清洁、安全、寿命长以及维护量小等诸多优点，光伏发电被认为将是21世纪最重要、最具活力的新能源。
在世界各国尤其是美、日、德等发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋顶计划的刺激和推动下，光伏产业近几年保持着年均30%以上的高速增长。
其中，以光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场已经超过独立光伏应用，近几年的增长速度都在40%以上，成为世界光伏产业的最主要发动机。
并网光伏发电经成为光伏发电领域研究和发展的最新亮点。
1.2光伏发电的发展
1.2.1国外光伏发电产业的现状
化石能源资源的有限性和环境保护压力的增加，使世界上许多国家加强了对绿色能源和可再生能源技术发展的大力支持。
技术方面，经过几十年的发展，澳大利亚新南威尔士人研制的单品硅光伏电池效率己达23.7％，多品硅电池效率突破19.8％。
同时，研究人员正在探索用切薄硅片、扩大平面面积或者使用聚光的方法，力争把硅片的成本降低到0.8美元/WP。
据预测，在今后15-20年间利用这几种方法有望把硅片的成本降低到0.5美元/WP，这样，光伏系统的价格可以降低到接近3美元/WP。
薄膜电池是在廉价衬底上采用低温设备技术沉积半导体薄膜的光伏器件，材料与器件设备同时完成，工艺技术简单，便于大面积连续化生产；
设备能耗低，缩短了回收期。
太阳能电池实现薄膜化，大大节省了昂贵的半导体材料，具有大幅度降低成本的潜力，是当前国际上研究开发的主要方向。
除了光伏电池以外，当前国际上最新的研发热点主要集中在低成本、高效率、高稳定性的光伏逆变器件和光伏建筑集成应用系统等方面，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的高性能逆变器。
产业化方面，光伏发电发展的初期主要是依靠各国政府在政策及资金方面的大力支持，现在己逐步商业化，进入了一个新的发展阶段。
光伏发电的市场前景吸引了一批国际知名企业或企业财团介入光伏电池制造业。
这些大公司的介入，使产业化进程大大加快。
预计今后10年，光伏组件的生产将以每年增长20％-30％甚至更高的递增速度发展，到2010年将可能达到4600MW/年的生产量，总装机容量将可能达到18GW。
国际光伏产业在过去10年中的平均年增长率为20％，1998年世界太阳能电池组件生产量为155MW，2000年增长到288MW，2002年达到540MW。
截止到2006年底，世界光伏发电累计总装机容量达到了1300MW。
目前全球太阳能光伏电池产业的销售收入超过20亿美元。
预计到2050年左右，太阳能光伏发电将达到世界总发电量10％-20％，成为人类的基本能源之一。
同时，世界光伏市场发生了很大变化，开始由主要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航标等特殊应用领域解决供电问题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供电方向及商业化应用方向发展。
从上世纪70年代起，许多国家掀起了太阳能光伏发电热潮，美国、日本、欧盟、印度等国家纷纷制定雄心勃勃的中长期发展规划推动光伏技术和光伏产业的发展，推动这一新能源产业的发展。
目前，世界光伏产业正以31.2％的平均年增长率高速发展，是全球增长率最高的产业，己成为当今世界最受关注、增长幅度最快的能源产业之一。
自上个世纪90年代以来，国外发达国家掀起了发展“屋顶光伏发电系统”的研发高潮，屋顶光伏发电系统不单独占地，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光伏并网发电，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。
1993年，德国首先开始实施由政府补贴支持的“2000个光伏屋项计划”，同时制定了“可再生能源电力供应法”，极大地刺激了光伏发电市场。
日本在光伏发电与建筑相结合的市场方面己经做出了十几年的努力，预计到2010年光伏屋顶发电系统总容量达到7600MW。
日本光伏屋顶发电系统的特点是：
太阳电池组件和房屋建筑材料形成一体，如“太阳电池瓦”和“太阳电池玻璃幕墙”等，这样太阳电池就可以很容易地被安装在建筑物上，也很容易被建筑公司所接受。
1997年6月，美国前总统克林顿宣布实施“百万个太阳能屋顶计划”，计划到2010年安装100万套太阳能屋顶。
许多其他发达国家也都有类似的光伏屋项发电项目或计划，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，50万套太阳能屋顶发电系统。
新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。
太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。
在新世纪中，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。
据资料预测显示，到2010年，全世界光伏产业将累计达到14-15GW，这表明世界光伏产业发展有着巨大的发展空间。
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。
预计到2030年，光伏发电在世界的总发电量中将占到5％-20％。
国外并网型逆变器己经是种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专用逆变器市场中就有SMA，西门了等众多的公司具有市场化的产品，其中SMA在欧洲市场中占有的50％份额。
除欧洲外，美国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及亚洲的日本在并网型逆变器方面也都已经产品化。
综上所述，目前国外光伏并网逆变器产品的研发主要集中在最大功率跟踪和逆变环节集成的单级能量变换上，功率主要为几百瓦到五千瓦的范围，控制电路主要采用数字控制，注重系统的安全性、可靠性和扩展性，均具有各种完善的保护电路。
1.2.2我国光伏产业的发展
技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池技术不断进步，与发达国家相比有差距，但差距在不断缩小。
光伏电池转换效率不断提高，目前单晶硅电池实验室效率达20％，批量生产效率为14％，多晶硅实验室效率为12％。
在2000年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，其效率与发达国家相比，差距在不断缩小。
产业化方面，2000年以后，我国光伏产业进入快速发展期，但整体发展水平仍然落后于国际先进水平，参与国际竞争有一定的难度。
2003年国内光伏电池的生产能力约20MW，但光伏组件的封装能力约50MW，远大于光伏电池的生产能力。
虽然到2002年底，我国己有近20MW的光伏电池生产能力，但实际生产量仅为4MW左右，占世界光伏电池实际生产量的1％左右。
在2002-2003年国家实施的总装机容量20MW的“光明工程”项目中，国内生产的光伏电池的应用量不足10％，错过了这一市场时机。
近期内我国光伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力，但也有局限性。
2001年及以前，我国光伏产品的年销售量均保持在3-4MW，其中单品硅产品占80％，非单品硅产品占20％。
2005年，光明工程项目使市场年销售量猛增到20MW，光伏系统保有量达到40MW左右。
从市场份额上石，光伏发电在2000年前的主要应用领域是：
通讯行业占40％-50％，农村电气化行业（主要包括户用光伏系统和乡村级光伏发电）占40％左右，其它领域占10％左右。
但2007年当年农村电气化领域的市场份额占到85％以上。
目前，国内光电池硅片的生产能力己达4.5M瓦，在西藏7个无水无电县中已全部建成了光伏发电，其中功率最大的100KW。
我国的光伏并网发电的关键技术和设备主要依靠进口，国内光伏系统主要采用单位功率因素并网，不具备电能质量控制功能。
因此，研究具有电能质量调节功能的光伏并网系统的研究具有重要意义，其研究主要放在逆变器的控制方法上，相同的拓扑电路，采用不同的控制方法能够产生不同的控制效果。
对逆变器建立模型并进行分析，采用先进的控制策略对于改善光伏并网系统的性能是必不可少的。
同时采用先进的控制算法是提高逆变器效率的方法之一。
综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，如果把我国光伏产业的发展放到国际光伏发展的大环境中考虑，世界光伏产业每年以31％的速度发展，而我国的光伏产业每年只有15％的增长率，光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。
光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。
然而，我国的光伏企业虽然弱小，但经过努力已经有了一定的基础，当前，对光伏企业的发展来说机遇和挑战并存。
另外，我国的太阳能资源非常丰富，据统计，太阳能年辐照总量大于502万千焦/平方米，年日照时数在2200小时以上的地区约占国土面积的2/3以上。
我国《1996-2010年新能源和可再生能源发展纲要》中明确指出，要按社会主义市场经济的要求，加快新能源和可再生能源的发展和产业化的建设，并且将可再生能源的发展计划纳入了我国的“十五”能源规划，要求采取措施调整能源结构，提高清洁能源在能源消费中所占的比重，要求通过技术进步来推动可再生能源事业的发展，鼓励发展利用太阳能；
鼓励改造传统能源利用技术，提高能源利用效率，降低污染排放，并给予税收优惠等支持政策。
综上可知，在我国，光伏发电产业的发展前景是辉煌的；
一方面，我国现在还有很多人生活在无电、缺电的西部边远地区，解决这些地区的用电问题，很大程度上依赖于太阳能及其它新能源的大规模应用；
另一方面，在东部沿海经济比较发达的地区，利用太阳能发电作为补充或替代能源又将会给我国光伏产业的发展提供一个新的发展空间。
1.3光伏发电的趋势
随着电力电子元器件的发展、数字信号处理技术的应用以及先进的控制方法的提出，电力电子能量变换发生了巨大的变化。
智能化将有助于提高系统可靠性；
其次，数字信号处理技术的应用有助于减少并网逆变器输出的直流成分；
快速响应电网瞬态变化。
最后，先进的控制方法将有助于改善输出波形质量，从而减小滤波环节的体积；
提高系统的动态响应性能。
因此，并网型逆变器的发展必将沿着数字化、高频化的方向进行。
第二章光伏系统
2.1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他蓄能和辅助发电设备。
太阳能光伏发电的基本原理就是在太阳光的照射下，将太阳电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电变成交流电。
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0.3～2W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。
图2-1是一个典型的供应直流负载的光伏系统示意图。
其中包含了光伏系统中的几个主要部件：
光伏组件方阵：
由太阳电池组件（或光伏电池组件）按照系统需求串、并联而成，在太阳能的照射下将太阳能转换成电能输出，它是太阳能光伏系统的核心组件。
蓄电池：
将太阳电池组件产生的电能储存起来，当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳电池组件所发的电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求，它是太阳能光伏系统的储能部件。
目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池，对于较高要求的系统，通常采用深放电阀控式密封铅酸蓄电池、深放电吸液式铅酸蓄电池等。
控制器：
它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个系统的核心控制部分。
随着太阳能光伏产业的发展，控制器的功能越来越强大，有将传统的控制部分、逆变器以及监测系统集成的趋势，如AES公司的SPP和SMD系列的控制器就集成了上述三种功能。
逆变器：
在太阳能光伏供电系统中，如果含有交流负载，那么就要是用逆变器设备，将太阳能电池产生的直流或蓄电池产生的直流转换成负载需求的交流电。
图2-1直流负载的太阳能光伏系统
2.2系统的分类和介绍
般将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。
如果根据光伏系统的应用形式、应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分，可将光伏系统分为如下六种类型：
小型太阳能供电系统（SmallDC）；
简单直流系统（SimpleDC）；
大型太阳能供电系统（LargeDC）；
交流、直流供电系统（AC/DC）；
并网系统（UtilityGridConnect）；
混合供电系统（Hybrid）；
并网混合系统。
下面就每种系统的工作原理和特点进行说明。
图2-2小型太阳能供电系统图2-3简单直流系统
2.2.1小型太阳能供电系统
该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。
其主要用途是一般的户用系统，负载为各种民用的直流产品以及相关的娱乐设备。
如在我国西北边远地区就大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、收录机和电视机等，用来解决无电地区家庭的基本照明问题。
图2-4简单的直流光伏水泵系统
2.2.2简单直流系统
该系统的特点是系统负载为直流负载而且对负载的使用时间没有特别的要求，负载主要是在白天使用，所以系统中没有使用蓄电池，也不需要使用控制器。
系统结构简单，直接使用太阳能太阳电池组件给负载供电，省去了能量在蓄电池中的储存和释放过程所造成的损失，以及控制器中的能量损失，提高了太阳能的利用效率。
其常用于光伏水泵系统、一些白天临时设备用电和旅游设施中。
图4-4显示的就是一个简单直流的光伏水泵系统。
这种系统在发展中国家的无纯净自来水供饮地区得到了广泛的应用，产生了良好的社会效益。
2.2.3大型太阳能供电系统
与上述两种光伏系统相比，这种光伏系统仍适用于直流电源系统，但是这种太阳能光伏系统的负载功率较大，为了保证可靠地给负载提供稳定的电力供应，其相应的系统规模也较大，需要配备较大的太阳能太阳电池组件阵列和较大的蓄电池组，常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村的集中供电站，航标灯塔、路灯等领域。
我国在西部地区实施的“光明工程”中，一些无电地区建设的部分乡村光伏电站就是采用这种形式；
中国移动和中国联通公司在偏僻无电网地区建设的通信基站也采用了这种光伏系统供电。
图2-5大型太阳能供电系统图2-6交、直流供电系统
2.2.4交、直流供电系统
与上述的三种太阳能光伏系统不同的是，这种光伏系统能够同时为直流和交流负载提供电力，在系统结构上比上述三种系统多了逆变器，用于将直流电转换为交流电以满足交流负载的需求。
通常这种系统的负载耗电量也比较大，从而系统的规模也较大。
在一些同时具有交流和直流负载的通信基站和其它一些含有交、直流负载的光伏电站中得到应用。
2.2.5并网系统
这种光伏系统最大的特点就是太阳电池组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电之后直接接入公共电网，并网系统中光伏方阵所产生电力除了供给交流负载外，多余的电力反馈给电网。
在阴雨天或夜晚，太阳电池组件没有产生电能或者产生的电能不能满足负载需求时就由电网供电。
因为直接将电能输入电网，免除配置蓄电池，省掉了蓄电池储能和释放的过程，可以充分利用光伏方阵所发的电力从而减小了能量的损耗，并降低了系统的成本。
但是系统中需要专用的并网逆变器，以保证输出的电力满足电网电力对电压、频率等电性能指标的要求。
因为逆变器效率的问题，还是会有部分的能量损失。
这种系统通常能够并行使用市电和太阳能太阳电池组件阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率。
而且并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。
但并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生一些不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。
图2-7并网供电系统图2-8混合供电系统
2.2.6混合供电系统
这种太阳能光伏系统中除了使用太阳能太阳电池组件阵列之外，还使用了燃油发电机作为备用电源。
使用混合供电系统的目的就是为了综合利用各种发电技术的优点，避免各自的缺点。
比方说，上述几种独立光伏系统的优点是维护少，缺点是能量输出依赖于天气，不稳定。
综合使用柴油发电机和太阳电池组件的混合供电系统与单一能源的独立系统相比所提供的能源对天气的依赖性要小，它的优点是：
使用混合供电系统可以达到可再生能源的更好利用。
因为可再生能源是变化的，不稳定的，所以系统必须按照能量产生最少的时期进行设计。
由于系统是按照最差的情况进行设计，所以在其他的时间，系统的容量过大。
在太阳辐照最高峰时期产生的多余能量没法使用而白白浪费了。
整个独立系统的性能就因此而降低。
如果最差月份的情况和其他月份差别很大，有可能导致浪费的能量等于甚至超过设计负载的需求。
具有较高的系统实用性。
在独立系统中因为可再生能源的变化和不稳定会导致系统出现供电不能满足负载需求的情况，也就是存在负载缺电情况，使用混合系统则会大大地降低负载缺电率。
和单用柴油发电机的系统相比，具有较少的维护和使用较少的燃料。
较高的燃油效率。
在低负荷的情况下，柴油机的燃油利用率很低，会造成燃油的浪费。
在混合系统中可以进行综合控制使得柴油机在额定功率附近工作，从而提高燃油效率。
负载匹配更佳。
使用混合系统之后，因为柴油发电机可以即时提供较大的功率，所以混合系统可以适用于范围更加广泛的负载系统，例如可以使用较大的交流负载，冲击载荷等。
还可以更好的匹配负载和系统的发电，只要在负载的高峰时期打开备用能源即可简单的办到。
有时候，负载的大小决定了需要使用混合系统，大的负载需要很大的电流和很高的电压。
如果只是使用太阳能成本就会很高。
但混合系统也有其自身的缺点：
控制比较复杂。
因为使用了多种能源，所以系统需要监控每种能源的工作情况，处理各个子能源系统之间的相互影响、协调整个系统的运作，这样就导致其控制系统比独立系统复杂，现在多使用微处理芯片进行系统管理。
初期工程较大。
混合系统的设计，安装，施工工程都比独立工程要大。
比独立系统需要更多的维护。
油机的使用需要很多的维护工作，比如更换机油滤清器，燃油滤清器，火花塞等，还需要给油箱添加燃油等。
污染和噪音。
因为混合系统中使用了柴油机，这样就不可避免地产生噪音和污染。
很多在偏远无电地区的通信电源和民航导航设备电源，因为对电源的要求很高，都采用混合系统供电，以求达到最好的性价比。
2.2.7并网混合供电系统
随着太阳能光伏产业的发展，出现了可以综合利用太阳能光伏阵列、市电和备用油机的并网混合供电系统。
这种系统通常是控制器和逆变器集成一体化，使用电脑芯片全面控制整个系统的运行，综合利用各种能源，达到最佳的工作状态，并可以配备使用蓄电池。
进一步提高系统的负载供电保障率，例如AES的SMD逆变器系统。
该系统可以为本地负载提供合格的电源，并可以作为一个在线UPS（不间断电源）工作。
它可向电网供电，也可从电网获得电力，是个双向逆变/控制器。
系统工作方式是将市电和光伏电源并行工作，对于本地负载而言，如果太阳电池组件产生的电能足够负载使用，它将直接使用太阳电池组件产生的电能供给负载的需求。
如果太阳电池组件产生的电能超过即时负载的需求还能将多余的电能返回给电网；
如果太阳电池组件产生的电能不够用，则将自动启用市电，使用市电供给本地负载的需求；
而且，当本地负载功耗小于SMD逆变器额定市电容量的60％时，市电就会自动给蓄电池充电，保证蓄电池长期处于浮充状态；
如果市电产生故障，即市电停电或者市电的供电品质不合格，系统就会自动断开市电，转成独立工作模式，由蓄电池和逆变器提供负载所需的交流电能。
一旦市电恢复正常，即电压和频率都恢复到正常状态以内，系统就会断开蓄电池，改为并网模式工作，由市电供电。
有的并网混合供电系统中还可以将系统监控、控制和数据采集功能集成到控制芯片中。
第三章逆变器
3.1光伏逆变器的分类及工作原理
3.1.1分类
逆变器又称电源调整器，根据逆变器在光伏发电系统中的用途可分为独立型电源用和并网用二种。
根据波形调制方式又可分为方波逆变器、阶梯波逆变器、正弦波逆变器和组合式三相逆变器。
对于用于并网系统的逆变器，根据有无变压器又可分为变压器型逆变器和无变压器型逆变器。
3.1.2工作原理
逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把直流电力转换成交流电力。
一般由升压回路和逆变桥式回路构成。
升压回路把太阳电池的直流电压升压到逆变器输出控制所需的直流电压；
逆变桥式回路则把升压后的直流电压等价地转换成常用频率的交流电压。
逆变器主要由晶体管等开关元件构成，通过有规则地让开关元件重复开-关（ON-OFF），使直流输入变成交流输出。
当然，这样单纯地由开和关回路产生的逆变器输出波形并不实用。
一般需要采用高频脉宽调制（SPWM），使靠近正弦波两端的电压宽度变狭，正弦波中央的电压宽度变宽，并在半周期内始终让开关元件按一定频率朝一方向动作，这样形成一个脉冲波列（拟正弦波）。
然后让脉冲波通过简单的滤波器形成正弦波。
3.2光伏逆变器的功能
逆变器不仅具有直交
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