5kW并网型可调度式光伏发电系统设计概论.docx
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5kW并网型可调度式光伏发电系统设计概论
辽宁工业大学
光伏发电技术课程设计（论文）
题目：
5kW并网型可调度式光伏发电系统设计
院（系）：
专业班级：
学号：
121806015
学生姓名：
指导教师：
（签字）
起止时间：
2015.12.14-2015.12.25
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：
新能源学院教研室：
电气教研室
学号
121806015
学生姓名
白雪峰
专业班级
电气光伏121
课程设计（论文）题目
5kW并网型可调度式光伏发电系统设计
课程设计（论文）任务
并网型可调度式光伏发电系统包括发电、储存、逆变、输出并网五环节，每个环节根据需要可独立或与其它部分组合成一体。
最大发电功率5kW，储能达10度电，输出电压220V。
设计过程中，需要计算的要有计算依据和过程。
主要设计内容：
1.太阳能电池板设计及选择
2.储能蓄电池设计及选择
3.逆变器设计及选择
4.汇流设备设计及选择
5.并网方法及设备设计
进度计划
第1天查阅收集资料
第2天总体设计方案的确定
第4天太阳能电池板设计及选择
第5天储能蓄电池设计及选择
第6天逆变器设计及选择
第7天并网方法及设备设计
第8天汇流设备设计及选择
第9、10天设计说明书完成
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时40%论文质量60%以百分制计算
摘要
近些年来，能源问题迫使世界各国对新能源开发和利用。
太阳能因其自身的优势成为最有前途的一种新能源。
将太阳能转换为电能越来越多的成为人们关注的焦点，只要成功，前途无量。
但太阳能光伏发电仍旧存在着一些缺点，如成本高、能量转换率低，需要不断地改良，优化。
对于光伏发电而言，并网模式是将其效率最大化最为理想的方式，因此要做好并网光伏发电系统的设计优化，才能满足电网对发电质量的要求，以及本身的安全运行。
本文先对光伏发电进行了回顾，而后重点介绍了并网光伏发电系统，并提出了并网光伏发电系统设计的优化建议。
关键词：
无线传感器网络；室内定位；RSSI；加权质心；混合定位
第1章绪论1
1.1光伏发电系统概况1
1.2本文研究内容2
第2章光伏发电系统总体设计3
第3章发电系统设备选择及设计4
3.1太阳能电池板的选择4
3.2蓄电池参数计算及选择5
3.3逆变器设计6
3.4汇流箱设计9
3.5并网逆变器控制保护设计11
第4章总结13
参考文献14
附录A光伏并网系统结构图16
附录B并网发电系统原理图17
第1章绪论
1.1光伏发电系统概况
地球表面每年接受太阳辐射能量高达5.4*1024J，若能将其中的十万分之一转化为电能，就可以满足目前全世界的能耗需求，因此，太阳能发电对缓解日益严重的环境和能源危机具有特别重要的意义，太阳能发电主要指光伏发电。
据统计资料显示，目前光伏发电系统中，接近99%的安装容量为并网应用，这是因为并网应用相对独立光伏系统有成本低和免维护等优势，并网式光伏发电系统式当今发展方向，全世界并网式光伏系统年增长率约为25~30%。
并网逆变器作为光伏电池与电网的接口装置，将光伏电池的电能转换成交流电能并传输到电网上，在光伏并网发电系统中起着至关重要的作用，现代逆变技术为光伏并网发电的发展提供了强有力的技术和理论支持。
并网逆变器正朝着高效率、高功率密度、高可靠性、智能化的方向发展。
并网逆变器性能的改进对于提高系统的效率、可靠性，提高系统的寿命、降低成本至关重要。
近几年，随着西班牙、德国、美国、日本对本国光伏产业的政策扶持，全球光伏发电逆变器的销售额逐年递增，光伏发电用逆变器进入了一个快速增长的阶段。
但目前全球光伏逆变器市场基本被国际几大巨头瓜分，欧洲式全球光伏市场的先驱，具备完善的光伏产业链，光伏逆变器技术处于世界领先地位。
SMA是全球最早也是最大的光伏逆变器生产企业（德国市场占有率达50%以上），约占全球市场份额的三分之一，第二位是Fronius。
全球前七位的生产企业占领了近70%的市场份额。
目前国内光伏并网逆变器市场规模较小，国内生产逆变器的厂商众多，但专门用于光伏发电系统的逆变器制造商并不多，但是不少国内企业已经在逆变器行业已经研究多年，已经具备一定的规模和竞争力，但在逆变器技术质量、规模上与国外企业仍具有较大差距，目前具有较大规模的厂商有合肥阳光、北京科诺伟业、北京索英、志诚冠军、南京冠亚、上海英伟力新能源科技有限公司等企业。
目前这些企业用于光伏系统的产量呈逐年上升的趋势。
国内市场规模虽然较小，但未来光伏电站市场的巨大发展空间和发展潜力给国内企业带来发展的历史机遇。
目前国内光伏逆变器主要被阳光电源、艾思玛、KACO等品牌所占领，国外企业多数通过代理渠道进入国内市场，由于售后服务提供难度大整体市场占有率不高。
2008年统计数字显示，合肥阳光电源公司占据70%以上的光伏逆变器市场份额，国内重点光伏项目大功率产品几乎全部选用国内产品。
从技术方面来看，国内企业在转换效率、结构工艺、智能化程度、稳定性等方面与国外先进水平仍有一定差距，目前我国在小功率逆变器技术上与国外处于同一水平，在大功率并网逆变器上，大功率并网逆变器仍需进一步发展。
1.2本文研究内容
本文对光伏并网发电的现状进行了全面的调查分析，就光伏并网发电系统中面临的主要问题进行了详细的分析研究，并设计一种小功率光伏并网发电装置。
介绍了光伏逆变器中应用的各种拓扑结构，并分别进行了分析比较，确定设计装置的主电路及整体控制结构。
探讨了最大功率点跟踪的几种方法和在系统中的具体实现方式。
分析研究了光伏并网发电系统中的防孤岛效应，并在本文设计的系统中得了验证。
介绍了并网逆变的几种控制方法并对其优缺点进行了分析比较，并就一种方法在本文设计的系统中进行了实现。
最后对并网逆变器的设计过程进行了阐述，并给出了实验波形。
第2章
光伏发电系统总体设计
根据设计要求
图2.1总体设计方案图
光伏系统具有以下的特点：
没有转动部件，不产生噪音；没有空气污染、不排放废水；没有燃烧过程，不需要燃料；维修保养简单，维护费用低；运行可靠性、稳定性好；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；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0.3～2W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。
第3章发电系统设备选择及设计
3.1太阳能电池板的选择
基本材料为P型单晶硅，厚度为0.3—0.5mm左右。
上表面为N+型区，构成一个PN＋结。
顶区表面有栅状金属电极，硅片背面为金属底电极。
上下电极分别与N＋区和P区形成欧姆接触，整个上表面还均匀覆盖着减反射膜。
当入发射光照在电池表面时，光子穿过减反射膜进入硅中，能量大于硅禁带宽度的光子在N+区，PN＋结空间电荷区和P区中激发出光生电子——空穴对。
各区中的光生载流子如果在复合前能越过耗尽区，就对发光电压作出贡献。
光生电子留于N＋区，光生空穴留于P区，在PN＋结的两侧形成正负电荷的积累，产生光生电压，此为光生伏打效应。
当光伏电池两端接一负载后，光电池就从P区经负载流至N＋区，负载中就有功率输出。
本系统的负载总功率为1000W，日平均工作时间为10h,所有负载同时工作的系数为0.3，系统工作电压48v，日耗电量为208Ah，日照峰值时数3.5h，选定125W的太阳能电池组件，其主要参数：
峰值功率125W、峰值工作电压34.2V、峰值工作电流3.65A；（查表可知充电效率系数为0.9，组件损耗系数为0.9，逆变器效率系数为0.8）
电池组件的并联数=负载日平均用电量（Ah）/（组件日平均发电量*充电效率系数*组件损耗系数*逆变器效率系数）=208Ah/（3.5*3.65*0.9*0.9*0.8）=26（块）
电池组件串联数=（系统工作电压*系数1.43）/组件峰值工作电压=（48*1.43）/34.2=2块。
图3.1太阳能电池板
3.2蓄电池参数计算及选择
在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，方阵给蓄电池充电；冬天日照量小，这部分储存的电能逐步放出，在这种季节性循环的基础上还要加上小得多的日循环：
白天方阵给蓄电池充电，晚上负载用电则全部由蓄电池供给，因此要求蓄电池的自放电要小，耐过充放，而且充放电效率要高，当然还要考虑价格低廉，使用方便等因素。
蓄电池的循环寿命主要工艺结构与制造质量所决定。
但是使用过程和维护工作对蓄电池寿命也有很大影响，有时是重大影响。
首先，放电深度对蓄电池的循环寿命影响很大，蓄电池经常深度放电，循环寿命将缩短。
其次，同一额定容量的蓄电池经常采用大电流充电和放电，对蓄电池寿命都产生影响。
大电流充电，特别是过充时极板活性物质容易脱落，严重时使正负极板短路；大电流放电时。
产生的硫酸盐颗粒大，极板活性物质不能被充分利用，长此下去电池的实际容量将逐渐减少，这样使用也会受到影响。
本系统选用的是深圳市旷鑫发展有限公司生产的KS系列采用纳米二氧化硅凝胶电解质的胶体蓄电池，是专为频繁的循环充放电的应用而开发，通过添加的纳米凝胶电解质，防止酸液分层。
此系列适用于光伏储能系统、风力发电系统及其他恶劣环境下场合的应用。
此电池产品特点：
●标称电压：
2V、6V、12V
●额定容量：
24AH~3000AH（20℃）
●工作温度范围：
-40~60℃
●20℃正常使用条件下，浮充寿命长达15年
●特殊的铅钙多元合金配方，减小了板栅被腐蚀能力，延长了使用寿命
●采用气相二氧化硅胶体电解质，减少水份损失，无电解液分层，循环耐久能力更强
●过量电解液，电池热容量大，热消散能力强，不易干涸，有效减少热失控的风险
●采用特殊的密封结构，凝胶电解液无渗漏，使用安全、可靠
●延缓了致密PbSO4结晶层的形成，以及其对负极板表面的覆盖，提高电池低温性能
●温度范围广，适用恶劣环境及高海拔环境中正常工作
●纳米二氧化硅胶体和特殊合金，保证了蓄电池良好的充电接受能力
●胶体电解液的应用，使产品在生产、使用和回收过程中，降低了对环境的影响
●自放电小，可储存一年无需充电即可使用
●循环耐久能力强
产品型号有：
表3.1产品型号
序号
电池型号
额定电压
额定容量
电 池 尺 寸：
mm
重 量
（V）
（AH）
长
宽
高
总高
（Kg）
1
KS6-100
6
100
195
170
207
212
16.5
2
KS6-150
6
150
260
180
247
252
23.5
3
KS6-180
6
180
306
168
220
225
24.4
4
KS6-200
6
200
323
178
226
231
30.0
5
KS6-225
6
225
243
187
253
275
31.0
6
KS12-12
12
12
151
98
95
101
3.6
7
KS12-18
12
18
181
76
168
168
5.4
8
KS12-20
12
20
181
76
168
168
5.9
9
KS12-24
12
24
175
166
126
126
7.4
本系统选用的是KS6-200型的蓄电池，该蓄电池最大放电深度为0.6、放电率修正系数为0.85、低温修正系数为0.7，连续阴雨天数为10天，可以算出系统需要蓄电池的容量为4200Ah，所以蓄电池的并联数为4块，蓄电池的串联数为24块，所以，该系统所需要的蓄电池为96块。
图3.2蓄电池
3.3逆变器设计
此次我们选择的是山东博奥斯能源科技有限公司生产的BNSG-2KTL逆变器。
3.3.1产品外观说明
图3.3BNSG-2KTL外形图
3.3.2电气原理框图
如图3.4所示为光伏并网逆变器的主电路结构示意图，该电源将直流电能转换为单相交流电能，并通过滤波器滤波变成正弦波电压并入电网。
图3.4电源电路示意图
3.3.3性能特点
（1）主电路采用美国TI公司生产的DSP芯片、日本三菱IGBT模块、驱动保护为日本三菱机芯,并网输出部分采用隔离变压器,安全可靠；
（2）采用SPWM脉宽调制技术，纯净正弦波输出，自动与电网同步跟踪，功率因数接近1，电流谐波含量低，对公共电网无污染，无冲击；（3）电路结构紧凑、最大效率>97%；（4）室外型不锈钢外壳，全密封安装；防护等级可达到IP65；（5）可选RS485通讯，上位机监控，实现远程数据采集和监视；（6）采用modbus通讯协议。
3.3.4保护设备
（1）防孤岛
当本地电网由于故障或者设备维护而关断时，我们的BNSG系列高频机逆变器将会物理上切断与电网的连接，以保护在电网上工作的操作人员，我们完全符合国家的相关标准。
（2）更多设备保护
逆变器提供更多的保护，以便在任何工作状态下能够安全运行，设备保护包含：
持续监控电网，确保电压和频率在标准规定的范围内；当环境温度超出运行温度范围，逆变器自动限制功率以保证设备不过温等。
3.3.5启动与关闭
（1）启动过程
按照前述的安装过程正确接入直流输入、并网逆变电源和交流电网；启动机器前最好使用万用表检测一下直流侧与交流侧电压是否满足机器启动条件，机器的电压范围参考用户手册的技术参数（注意：
直流侧电压不得超过450V，交流侧线电压不得超过260V，此种情况造成的任何损失，本公司不作质保和承担任何连带责任）；首先闭合直流输入侧断路器；然后闭合电网侧断路器；当满足机器正常运行所需条件时，BNSG-2KTL会自行启动并进行并网发电，用户可以根据用户手册中所说明的液晶面板的显示状态判断并网逆变器是否正常运行；并网逆变器一旦正常运行，无需人为干扰和控制。
其具有故障后自动启动和关机功能。
（2）关机过程
当直流不足以发电时，并网逆变器自动关机。
（3）紧急关机过程
如果需要紧急关机，则必须首先断开电网侧空开，再断直流侧空开，否则可能导致直流断路器损坏和人身危险，此种情况造成的任何损失，本公司不作质保和承担任何连带责任。
3.3.6功能说明
（1）工作模式
在确认直流正、负及接入电网的火、零正确无误后，首先闭合直流侧外接断路器，电源供电正常，液晶显示板亮起，闭合交流侧外接断路器，在直流电压正常的情况下，电源开始判断是否具备并网条件，如果条件不具备，电源处于待机态；条件具备后，2分钟后开始并网发电，电流馈入公共电网。
在运行过程中，电源控制系统会自动判断各项并网条件，不需人为干预。
待机：
所谓的待机模式是指逆变电源准备并网发电，但是还没有并网发电。
此模式下其不断检测直流输入侧是否有足够的能量并网发电，当达到并网发电条件时逆变电源从待机模式转入并网发电模式。
并网发电：
在此模式下，并网逆变器将直流电转换为交流电并入电网。
同时在此模式下逆变电源一直以最大功率点跟踪（MPPT）方式使直流侧输出的能量最大，故并网发电模式一般也称MPPT模式。
当检测到输出功率超过最大允许功率后，限制输出功率为不高于最大允许功率。
故障：
当光伏发电系统出现故障时，逆变电源会将交直流侧断开进入保护程序从而保证系统安全。
停止：
所谓停止模式是指人为的干预控制逆变电源关机，其也会将交直流侧的接触器立即断开。
（2）并网发电
BNSG-2KTL并网逆变电源的并网发电过程都是自动的，无需人为干扰和控制。
其会检测交流电网是否满足并网发电条件同时也会检测直流输入侧是否有足够能量。
当一切条件满足后其会进入并网发电模式。
在并网发电过程中，控制板控制直流母线电压始终维持在MPPT点电压，同时时刻检测电网情况。
当出现异常情况，立刻进入保护程序。
若太阳光较弱时，发电量与机内损耗接近时BNSG-2KTL进入待机模式，2分钟后其会再次尝试并网发电。
BNSG-2KTL并网过程简要描述：
逆变器的直流侧有直流输入；BNSG-2KTL进入待机状态；当直流输入电压超过150V,逆变器准备并网；BNSG-2KTL进行并网前的自检，确认是否当满足并网工作所需的所有条件后，开始连接电网，并网发电。
（3）与电网断开
当太阳辐射很弱或到夜晚时，如果直流输入侧没有足够的能量发电并且机内损坏较大时，BNSG-2KTL控制交流接触器与电网断开，但是2分钟后其还会尝试并网发电。
特别当电网出现以下异常时，马上与电网断开。
电网电压超过允许范围：
180V-260V，逆变器将在0.2秒内直接与电网断开；
电网频率超过允许范围：
49.5Hz-50.5Hz，逆变器将在0.2秒内直接与电网断开。
3.4汇流箱设计
1.汇流箱简介
光伏汇流箱用于连接光伏阵列及逆变器，提供防雷及过流保护，并监测光伏阵列的单串电流、电压及防雷器状态、断路器状态。
在太阳能光伏发电系统中，为了减少太阳能光伏电池阵列与逆变器之间的连线，用户可以将一定数量、规格相同的光伏电池串联起来，组成一个个光伏串列，然后再将若干个光伏串列并联接入光伏汇流箱，在光伏汇流箱内汇流后，通过直流断路器输出，与光伏逆变器配套使用从而构成完整的光伏发电系统，实现与市电并网。
而为了提高系统的可靠性和实用性，一般都会在光伏汇流箱里配置光伏专用防雷模块。
2、工作原理
汇流箱接入多个太阳能光伏阵列，通过光伏专用熔断器保护后，接入光伏防反二极管，防止太阳能光伏阵列中串联起来的光伏电池板有逆流的产生，再通过直流断路器，接入到逆变器中，有防雷功能的汇流箱中要加入防雷器（也就是浪涌保护器），当雷击发生时能将过大的电能泄放掉，保证电能的正常输出，从而避免对汇流箱带来的损害。
带有监控的汇流箱里要安装智能采集装置，实现对电流、电压、防雷的通讯、报警等一系列信息的采集，之后上传到PC机上，实现对汇流箱的实时监控。
3、分类
带有监控的智能光伏汇流箱和不带监控的光伏汇流箱。
其中带监控的智能光伏汇流箱就是比不带监控的多了一个汇流光伏采集装置，然后将采集的信号上传到PC机上，起到实时监控的作用。
4、工作原理图：
图3.4汇流箱工作原理图
3.5并网逆变器控制保护设计
并网逆变器是并网光伏系统的重要电力电子设备,其主要功能是把来自太阳能电池方阵输出的直流电转换成与电网电力相同电压和频率的交流电,并把电力输送给与交流系统连接的负载,同时还具有最大限度地发挥太阳能电池方阵性能的功能和异常或故障时的保护功能。
3.5.1孤岛效应的保护
孤岛效应是指电网失电情况下,发电设备仍作为孤立电源对负载供电的一种现象。
孤岛效应对设备和人员的安全存在重大隐患,体现在以下两方面:
一方面是当检修人员停止电网的供电,并对电力线路和电力设备进行检修时,若并网光伏电站的逆变器仍继续供电,会造成检修人员伤亡事故。
另一方面,当因电网故障造成停电时,若并网逆变器仍继续工作,一旦电网恢复供电,电网电压和并网逆变器的输出电压在相位上可能存在较大差异,会在这一瞬间产生很大的冲击电流,导致设备损坏。
孤岛效应的防护措施主要有被动式和主动式两种检测方式。
被动式检测方式是通过实时检测电网电压的幅值、频率和相位。
当电网失电时,会在电网电压的幅值、频率和相位参数上产生跳变信号,通过检测这种跳变信号来判断电网是否失电。
被动式主要有电压相位突变检测方式和频率变化检测方式,其中电压相位突变检测方式最为常用。
主动式检测方式则是先把电网变动因素提供给逆变器,并让变动因素在并网运行时不出现在输出中,而只在单独运行中出现,这样即可检测出电网异常。
主动式主要有频率变动方式、有功功率变动方式、无功功率变动方式和负载变动方式。
其中,频率变动方式最为常用。
此外,在并网逆变器检测到电网失电后,应能够立即停止工作；而当电网恢复供电时,并网逆变器不应立即投入运行,而是应持续检测到电网信号在一段时间（如90s）内完全正常,再重新投入运行。
3.5.2最大功率跟踪（MPPT）
太阳能电池方阵的输出随太阳辐照度和太阳能电池方阵表面温度而变动。
因此需要跟踪太阳能电池的工作点并进行控制,使其始终处于最大输出,并获取最大输出。
MPPT控制就起到了这种作用。
它每隔一定时间将并网逆变器的直流工作电压变动一下,测定此时的太阳能电池方阵输出功率并同前次做比较,始终使并网逆变器的直流电压沿功率变大的方向变化。
这样,最大功率点跟踪控制通过监视输出功率的增减来控制工作点,使其始终处于最大工作点。
对于不同朝向和不同型号的光伏组件,分组串接后,应对每路组件进行最大功率点跟踪,才能使因建（构）筑物挡光引起的组件功率损失降低到最低限度。
3.5.3并网保护措施
（1）并网运行的光伏系统在电网或并网逆变器发生异常时,必须检测故障并迅速停下逆变器保护电网安全。
为此并网逆变器需要设置并网保护装置或具有同等功能的回路。
一般需设置:
过/欠电压保护、过/欠频率保护和短路故障保护等。
（2）对电网频率变压器绝缘方式的并网逆变器,逆变器的直流输入和交流输出之间具有电气隔离功能,直流侧接地故障不会直接影响到电网。
对高频变压器绝缘方式或无变压器方式的并网逆变器,应设置直流接地检测功能,且直流侧的光伏组件阵列应采用“浮地”方式。
这样,正负极与地之间都没有电气连接,逆变器在运行过程中实时检测直流正负极的对地阻抗,从而保证逆变器直流侧的短路故障不会影响到电网。
第4章总结
近年来，随着能源危机变得越来越严重，全世界开始了对新能源的开发与利用。
太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、寿命长、无污染的优点，因而成为最具有前途的一种新能源。
将太阳能应用于发电更是成为人们普遍都关注的焦点，一旦成功，利益无穷。
本文对太阳能光伏并网发电系统做了较全面的研究，主要进行了以下几方面的工作：
介绍了太阳能光伏发电系统的组成和各部件的工作原理，影响太阳能光伏发电诸多因素。
对光伏并网发电系统中逆变器进行简单阐述，介绍了其基本形式和分类、研究现状及方向，以及在并网发电系统中对逆变器的控制方式。
对光伏电池的最大功率点跟踪技术进行了研究，研究了光伏电池的模型和特性，阐述了最大功率点跟踪的原理，接着介绍了几种光伏电池最大功率点跟踪方法，最后对孤岛检测与保护进行了简单的探讨。
对光伏并网发电硬件的设计进行了详细的说明，其中包括光伏阵列的选择，DC/AC电路的设计，控制电路的选择，信号检测电路的设计，PWM信号的隔离与驱动电路的设计，辅助电源的选择，逆变部分保护的要求等。
参考文献
[1]李富生，周逢权，李燕斌.微电网技术及工程应用.北京：
中国电力出版社.2011.
[2]王成山，肖朝霞，王守相.微电网综合控制与分析[J].电力系统自动化.2008,32（7）:
98-103.
[3]王革华.新能源概论[M
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