太阳能发电系统最大功率分析

第五组倪晨晓李 渊胡鹏展支峥峥太阳能发电系统最大功率分析光伏发电系统中最大功率分析光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能的发电系统。 它的主要部件是太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器。其特点是可靠性高、使用寿命长、不污染环境、能独立发电又能并网运行，受到各国企业组织的青睐，具有广阔的发展前景。光伏发电系统是将太阳能转换成电能的发电系统，利用的是光生伏打效应 . 光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。一．通信用太阳能供电系统组成离网型太阳能供电系统由太阳能电池方阵、太阳能控制器、蓄电池组、直流 /交流逆变器等组成。其原理框图如图 1所示。图 1 通信用太阳能供电系统原理框图二．通信用太阳能控制器原理分析通信用太阳能控制器可分三大类，逐级投入型控制器、简单开关 PWM型控制器和 DC/DC变换稳压型控制器。原理分析如下 。1 逐级投入型控制器逐级投入型控制器是一种利用蓄电池组作为系统稳压器件、 蓄电池组电压作为控制参量的闭环控制系统。 它通过检测蓄电池组电压的高低调控接入蓄电池组的太阳能子阵的个数， 从而调整对蓄电池组的充电电流， 进而调控了蓄电池组的电压。 系统的输出电压直接取自蓄电池组两端， 负载由此得到相对稳定的支流电压。逐级投入型太阳能控制器结构框图如图 2 所示。图 2 逐级投入型太阳能控制器原理框图太阳能方阵被分成若干组， 通过由单片机控制的电子开关逐个连接到系统的蓄电池组上。 电子开关的接、 断由单片机检测到的蓄电池组电压来调控。 当蓄电池电压接近规定的充电电压上限值时， 控制器开始逐个断开接入到系统蓄电池组的太阳能子阵。 以降低输入到蓄电池组的充电电流， 减缓蓄电池组电压上升， 直至断开全部太阳能子阵。 当蓄电池组电压下降到规定的充电电压值时， 控制器逐个接合已断开的太阳能子阵， 以增大对蓄电池组的充电电流， 提高蓄电池组的电压。从整个太阳能供电系统的电路图可知太阳能电池与蓄电池组构成了一个串连分压型稳压电路。 蓄电池组在本质上调节了外接负载的大小， 而太阳能电池的内阻起着电压调节作用。其工作的等效电路图如图 3 所示。图 3 逐级投入型控制器等效电路图由图 3 可知， 太阳能方阵通过电子开关 ETF直接连接在蓄电池组上。 因此太阳能方阵的输出电压和蓄电池组电压完全相同。 即太阳能电池的工作电压， 也就是蓄电池组的工作电压。 为了研究太阳能方阵的输出特性， 本文首先对太阳能电池片的特性进行分析。 太阳能电池片功率特性曲线如图 4 所示。 由图 4 可知， 在常温状态下太阳能电池片输出最大功率时对应的输出电压为 0.49V，输出最大功率如绿色功率曲线所示。图 4 常温下太阳能电池片输出功率特性曲线在实际通信供电系统中蓄电池组的浮充电压在 52.8V54.5V 范围之内。即对应的太阳能电池片电压为 0.37V0.38V。如图 4 中的红色功率曲线所示，在该系统中太阳能电池片无法工作在最大功率点上。综上所述， 使用逐级投入型太阳能控制器的太阳能供电系统中的太阳能方阵的电压、 蓄电池组电压与负载电压是完全一致的。 流出太阳能电池的电流与流入蓄电池组和负载的电流始终相等。 利用蓄电池存储电能的容量特性， 使负载在蓄电池组的两端得到了相对稳定的输出电压。蓄电池的光伏系统中 MPPT充电效果理论分析在光伏系统中都希望太 I5 闩电池在同样的 LI 照、温度条件下输出 可能多的电能，这 ci 王就是理论和实践上提出太阳电池最大功率跟踪的必要性。目前 MPPT技术一般用在大型光伏电站， 尤其适用并网发电系统。 巾于 MPPT控制器的采用可以降低光伏系统的太阳电池组件配置功率， 从而降低系统成本， 使其性能价格比得到有效提高，冈此 MPPI 技术必将在光伏系统中得到广泛应用。如图 l 所示， 常用光伏系统没汁中 ， 蓄电 池充电曲线在光伏电池性能曲线最大功率点附近，闳此一般都没有没置 MPPT电路，而 f{1太阳电池直接给蓄电池充电。由网 2所示，太阳电池的工作电压随着温度升高『 lEIj 下降， 而蓄电池的充放电电压随充电电流升高而增加， 在太阳电池组件中为 保证夏天高温天气能对蓄电池正常充电，组件的标准峰值工作电压一般比较大，从而使太阳电池通常有较大一段 . 逆变器的最大功率分析太阳能交流发电系统是由阳能电池板、充电控制器、逆变器和蓄电池共同组成；太阳能直流发电系统则不包括逆变。逆变器是一种电源转换装置，逆变器按激励方式可分为自激式振荡逆变和他激式振荡逆变。主要功能是将蓄电池的直流电逆变成交流电。通过全桥电路，一般采用 SPWM处理器经过调制、滤波、升压等，得到与照明负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供系统终端用户使用。有了逆变器，就可使用直流蓄电池为电器提供交流电。多样性由于建筑的多样性，势必导致太阳能电池板安装的多样性，为了使太阳能的转换效率最高同时又兼顾建筑的外形美观，这就要求我们的逆变器的多样化，来实现最佳方式的太阳能转换。现在世界上比较通行的太阳能逆变方式为集中逆变器、组串逆变器，多组串逆变器和组件逆变，现将几种逆变器运用的场合加以分析。集中逆变集中逆变一般用与大型光伏发电站（ 10kW）的系统中，很多并行的光伏组串被连太阳能逆变器示意图到同一台集中逆变器的直流输入端，一般功率大的使用三相的 IGBT 功率模块，功率较小的使用场效应晶体管，同时使用 DSP 转换控制器来改善所产出电能的质量，使它非常接近于正弦波电流。最大特点是系统的功率高，成本低。但受光伏组串的匹配和部分遮影的影响，导致整个光伏系统的效率和电产能。同时整个光伏系统的发电可靠性受某一光伏单元组工作状态不良的影响。最新的研究方向是运用空间矢量的调制控制，以及开发新的逆变器的拓扑连接，以获得部分负载情况下的高的效率。在 SolarMax 索瑞麦克）集中逆变器上，可以附加一个光伏阵列的接口箱，对每一串的光伏帆板串进行监控，如其中有一组串工作不正常，系统将会把这一信息传到远程控制器上，同时可以通过远程控制将这一串停止工作，从而不会因为一串光伏串的故障而降低和影响整个光伏系统的工作和能量产出。组串逆变组串逆变器已成为现在国际市场上最流行的逆变器。组串逆变器是基于模块化概念基础上的，每个光伏组串（ 1kW-5kW）通过一个逆变器，在直流端具有最大功率峰值跟踪，在交流端并联并网 。许多大型光伏电厂使用组串逆变器。优点是不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，从而增加了发电量。技术上的这些优势不仅降低了系统成本，也增加了系统的可靠性。同时，在组串间引入“主 - 从”的概念，使得在系统在单串电能不能使单个逆变器工作的情况下，将几组光伏组串联系在一起，让其中一个或几个工作，从而产出更多的电能。最新的概念为几个逆变器相互组成一个“团队”来代替“主 - 从”的概念，使得系统的可靠性又进了一步。目前，无变压器式组串逆变器已占了主导地位。多组串逆变多组串逆变是取了集中逆变和组串逆变的优点，避免了其缺点，可应用于几千瓦的光伏发电站。在多组串逆变器中，包含了不同的单独的功率峰值跟踪和直流到直流的转换器，这些直流通过一个普通的直流到交流的逆变器转换成交流电，并网到电网上。光伏组串的不同额定值（如不同的额定功率、每组串不同的组件数、组件的不同的生产厂家等等）、不同的尺寸或不同技术的光伏组件、不同方向的组串（如东、南和西）、不同的倾角或遮影，都可以被连在一个共同的逆变器上，同时每一组串都工作在它们各自的最大功率峰值上。同时，直流电缆的长度减少、将组串间的遮影影响和由于组串间的差异而引起的损失减到最小。组件逆变组件逆变器是将每个光伏组件与一个逆变器相连，同时每个组件有一个单独的最大功率峰值跟踪，这样组件与逆变器的配合更好。通常用于 50W到 400W的光伏发电站，总效率低于组串逆变器。由于是在交流处并联，这就增加了交流侧的连线的复杂性，维护困难。另一需要解决的是怎样更有效的与电网并网，简单的办法是直接通过普通的交流电插座进行并网，这样就可以减少成本和设备的安装，但往往各地的电网的安全标准也许不允许这样做，电力公司有可能反对发电装置直接和普通家庭用户的普通插座相连。另一和安全有关的因素是是否需要使用隔离变压器（高频或低频），或者允许使用无变压器式的逆变器。这一逆变器在玻璃幕墙中使用最为广泛。能逆变器的效率太阳能逆变器的效率指由于对可再生能源的需求，太阳能逆变器 光电逆变器 的市场正在不断增长。而这些逆变器需要极高的效率和可靠性。对这些逆变器中采用的功率电路进行了考察，并推荐了针对开关和整流器件的最佳选择。光电逆变器的一般结构如图 1 所示，有三种不同的逆变器可供选择。太阳光照射在通过串联方式连接的太阳能模块上，每一个模块都包含了一组串联的太阳能电池 Solar Cell 单元。太阳能模块产生的直流 DC 电压在几百伏的数量级，具体数值根据模块阵列的光照条件、电池的温度及串联模块的数量而定。这类逆变器的首要功能是把输入的 DC 电压转换为一稳定的值。 该功能通过升压转换器来实现，并需要升压开关和升压二极管。在第一种结构中，升压级之后是一个隔离的全桥变换器。全桥变压器的作用是提供隔离。输出上的第二个全桥变换器是用来从第一级的全桥变换器的直流 DC变换成交流 AC 电压。其输出再经由额外的双触点继电器开关连接到 AC电网网络之前被滤波，目的是在故障事件中提供安全隔离及在夜间与供电电网隔离。第二种结构是非隔离方案。其中， AC交流电压由升压级输出的 DC电压直接产生。第三种结构利用功率开关和功率二极管的创新型拓扑结构，把升压和 AC交流产生部分的功能整合在一个专用拓扑中尽管太阳能电池板的转换效率非常低，让逆变器的效率尽可能接近 100 却非常重要。在德国，安装在朝南屋顶上的 3kW串联模块预计每年可发电 2550 kWh。若逆变器效率从95 增加到 96， 每年便可以多发电 25kWh。 而利用额外的太阳能模块产生这 25kWh的费用与增加一个逆变器相当。 由于效率从 95 提高到 96 不会使到逆变器的成本加倍，故对更高效的逆变器进行投资是必然的选择。对新兴设计而言，以最具成本效益地提高逆变器效率是关键的设计准则。至于逆变器的可靠性和成本则是另外两个设计准则。更高的效率可以降低负载周期上的温度波动，从而提高可靠性，因此，这些准则实际上是相关联的。模块的使用也会提高可靠性。结合上述太阳能控制器，蓄电池，和逆变器三个组成光伏发电系统最大功率太阳能光伏发电的能量转换器是太阳能电池，又称光伏电池。太阳能电池发电的原理是光生伏打效应。 当太阳光照射到太阳能电池上时， 电池吸收光能，产生电子 -空穴对。在电池内建电场作用下，电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的累积，即产生 “ 光生电压 ” ，这就是 “ 光生伏打效应 ” 。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载， 负载就有 “ 光生电流 ” 流过， 从而获得功率输出。 这样，太阳能就变成了可以付诸实用的电能。通过太阳能电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能电池发电系统（又称太阳能光伏发电系统） 。地面太阳能光伏发电系统的运行方式，主要可分为离网运行和联网运行两大类。 未与公共电网连接的太阳能光伏发电系统称为离网太阳能光伏发电系统， 又称独立光伏发电系统， 主要应用于远离公共电网的无电区和一些特殊处所。 与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为联网太阳能光伏发电系统， 它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、 成为电力工业组成部分之一的重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。 特别是光伏电池与建筑结合联网屋顶太阳能光伏发电系统， 是众多发达国家竞相发展的热点，发展迅速，市场广阔，前景诱人。