太阳能学会培训(0811)

光伏发电系统的运行特性清华大学深圳研究生院电力系统国家重点实验室深圳研究室徐 政2008年 11月 16日深圳市太阳能学会技术培训课程内容提要背景太阳能扬水系统的运行特性光伏并网发电系统的运行特性影响发电效率的要因分析系统应用面临的问题内容提要背景太阳能扬水系统的运行特性光伏并网发电系统的运行特性影响发电效率的要因分析系统应用面临的问题光伏发电系统的应用计算器、钟表、收音机 照明灯 通讯中转站背景航标灯塔海上养殖 边远地区供电、供水及浇灌光伏发电系统的应用背景14kW 光伏扬水滴灌试验系统（新疆哈德地区）2001年 9月 2004年 11月集中式并网发电户用发电光伏发电系统的应用背景日本京瓷公司总部我国光伏发展的不平衡现象水力 (300)，生物质能 (30)， 风能 (30) 太阳能 (1.8)光伏电池年产量位居世界第一 光伏市场仅占全球的 0.71%实施项目以边远地区的离网系统为主 并网系统仅占 6%并网系统以集中式大功率系统为主 小功率分布式系统难以推广示范或实验系统中以进口控制器为主 国产控制器被采用的比例低大量生产和销售低端控制器产品 缺乏成熟的高端控制器产品重 轻背景每千瓦光伏发电系统的建设成本是多少？光伏发电系统的投资回收需要多少年？每千瓦光伏发电系统一年能发多少度电？光伏发电系统实际发电能力的影响因素当地的气候条件，主要是其所能接收到的日照量光伏电池的特性系统设计、安装和运行条件系统控制特性实际系统的运行数据 !!8千美元（ 6.5 万元） 2.8万元 两年后 2万元 三年后 1.5万元基本问题背景深圳气候14411969108186 169295159 157 1622061640501001502002503003501 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1215.619.5 20.1 21.526.4 28.329.7 28.2 27.925.620.5 19051015202530351 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12平均气温 : 26.7℃年日照数 : 2000 h相对湿度 : 75%69 7178 76 74 81 74 7967 6355630204060801001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12太阳能扬水系统的运行特性建成时间： 2004年 7月设立地点： 深圳市大学城清华校区峰值功率： 4.4kW （多晶硅光伏电池，转换效率 13%）系统配置： 1.5kW 潜水泵 2台，扬水管道 2套Solartech电池阵列 逆变器 水泵直流电 三相交流电输出电流光照强度输出功率最大功率点跟踪特性太阳能扬水系统的运行特性输出与跟踪特性技术创新·采用拥有自主知识产权的混成最大功率点跟踪（多重判据 +常压）控制法，响应速度快，运行稳定性好，解决了传统 MPPT方法在日照强度快速变化时跟踪效果差、运行不稳定甚至造成水锤危害的问题。不同算法在多云天气下稳定性对比2004.11.303: 9多重判据法: ICT 法2004.12.31: 24多重判据法: PAO法试验时间中断次数对比算法太阳能扬水系统的运行特性为了实现系统的低成本、高可靠性和免维护的目的系统中不采用蓄电池等储能单元及充放电装置实验结果晴天 多云276180280 272 316240423346 329428 4203740.00100.00200.00300.00400.00500.001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 122005年全年累计发电 3880度，平均每峰值瓦电池发电 0.89 度扬水 31200立方米（扬程 11米）月发电量（ kWh）太阳能扬水系统的运行特性建成时间： 2006年 12月设立地点： 深圳市大学城清华校区 J栋楼顶峰值功率： 11.4kW ，其中 8.82kW 用于 2007年运行数据采集光伏并网发电系统的运行特性三种类型太阳能电池单晶硅电池1．资源丰富，没有污染2．技术成熟，成本较高3．转换效率 15％左右4．特性稳定，寿命长CIS电池1． 不需要高纯度硅2．生产成本低， 1/3～ 1/23．薄膜化，均一黑色外观4．转换效率 9％左右HIT 电池1．非晶硅与单晶硅叠层2．低温制作，生产成本低3．结特性好，温度系数低4．光吸收特性好5．转换效率 17％左右光伏并网发电系统的运行特性光伏并网发电系统的运行特性系统结构6 并网通道 & 14 独立串联支路逆变器 1 逆变器 2 逆变器 3 逆变器 4 逆变器 5 逆变器 6电表 1 电表 2 电表 3 电表 4 电表 5 电表 6NTSR电网CIS电池 单晶硅电池 HIT 电池S1 S2 S3 S4 S5 S6In phase grid current control Leading phase grid current control (π /9 radian) 采用混成电压调制法，运行模式灵活，谐波低、效率高采用自主开发的双重正反馈主动频率偏移法检测孤岛运行，速度快，干扰小全自动运行和长期运行数据存储2.97%2.06%0.13s0.10s双重 AFDPF3.37%2.44%0.26s0.14s平方 AFDPF3.41%2.55%0.40s0.34s线性 AFDPF2.93%2.01%──无检测实验仿真实验仿真并网电流 THD检测速度性能比较技术创新光伏并网发电系统的运行特性并网电流波形200W1000W1400W-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-10-8-6-4-20246810-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-6-4-20246-0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025-1.5-1-0.500.511.5世界著名品牌逆变器自主开发逆变器光伏并网发电系统的运行特性光伏并网发电系统的运行特性实验结果月发电量（ kWh）2007年全年累计入网电量 10008度，平均每峰值瓦电池发电 1.14 度月日照量（ h）144 11969108186 169295159 157 1622061640501001502002503003501 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12793 7255697179257491147815 901 92198876002004006008001000120014001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12光伏并网发电系统的运行特性太阳能电池运行特性的比较各种电池的比功率月发电量（度 /kW）2007年全年累计比功率发电量（度）：单晶硅： 1195 ； CIS： 1188 ； HIT ： 12580204060801001201401601 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12单晶硅CISHIT发电能力比较每峰值瓦光伏电池平均年发电量约 1.2度单晶硅 : CIS : HIT = 1 : 0.994 : 1.053单位面积光伏电池的发电能力比单晶硅 : CIS : HIT = 1 : 0.688 : 1.184光照与温度的影响-0.04-0.0200.020.040.060.080.11 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12CISHIT各种电池的月发电量相对偏差光伏并网发电系统的运行特性影响发电效率的要因分析01234567891 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12单位日照量对应的比功率 月 发电量（度）3月 21日：春分 9月 23日：秋分光伏并网发电系统固定倾斜角 22.6°太阳能扬水系统可变倾斜角： 10.9° 22.6° 34.3°系统设计与安装一定要重视方位和倾斜角的影响非均匀日照的影响影响发电效率的要因分析020040060080010008 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18time (o clock)irradiation(W/m2)no shadingshading大功率光伏发电系统需要将许多电池组件进行串并联由于安装角度的不一致或部分遮影会造成日照不均匀局部阴影的影响随天气和时间变化。晴天时造成入射光照强度下降60%~80%；多云时造成入射光照强度下降 50%~70%。影响发电效率的要因分析电流电压100%电流电压100%日照不均匀会造成整体发电能力大幅下降电流电压100%→ 87%→ 79% → 89%→ 87%→ 76% → 81%→ 64%→ 50%→ 68% → 62%实验结果0.40.50.60.70.80.911.10 2 4 6 8 10 12 14 16Total number of shaded moduleMax.power(p.u.)Best result of {16 × 3} array Worst result of {16 × 3} arrayBest result of {6 × 8} array Worst result of {6 × 8} array最大输出功率随局部阴影的大小及其分布而变化，最大可相差 35%。改变太阳能电池组件接线 优化阴影分布 改善输出特性影响发电效率的要因分析光伏阵列的优化设计温度的影响电池板温度上升 1度，输出功率约下降 0.5%。功率温差功率差影响发电效率的要因分析污秽的影响时间： 2005年 6月 8日040080012001600200014:30 15:30 16:30 17:30功率（W）有灰系统干净系统影响发电效率的要因分析结 论日照量是决定光伏发电系统实际发电能力的主要因素，深圳地区（年日照量约 2000小时）每峰值瓦光伏电池平均年发电量扬水系统：约 0.9度 并网系统：约 1.2度不同类型的光伏电池在南方湿热地区的表现有所差别，HIT 电池全年平均比单晶硅电池多发电约 5.3%光伏电池阵列方位和倾斜角的影响不容忽视，尤其是部分遮影会引起输出功率大幅降低高温和污秽会导致输出功率一定程度的降低光伏发电系统在城市中心区的应用有待开发系统应用面临的问题成本过高是光伏系统推广应用的瓶颈。在无电地区，光伏系统对基础设施要求低，具有竞争优势。在市区内，独立的照明系统不需要挖沟铺线，具有可行性。与建筑一体化，代替部分建材，是降低成本的有效手段。以太阳能代替市电的系统，如果仅靠节约的电费来回收投资，回收期大大超过使用寿命，无法推广。寻找有综合考核指标的项目政府示范工程，重大活动的配套工程，节能减排的指标性工程开拓有市场化前景的项目争取合理的上网电价并网与应急电源相结合兼顾投资方、运营方和消费者的利益太阳能扬水系统的新市场