光伏发电介绍..

第一章 概 述第一节 世界太阳能光伏发电发展现状与未来展望太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分， 被认为是当前世界上最有发展前景的新能源技术，各发达国家均投人巨额资金竞相研究开发，并积极推进产业化进程，大力开拓市场应用。世界光伏工业 1997 年至 2001 年， 5 年的平均年增长率达 35 ． 5％。 2004 年世界光伏电池组件的生产量达到 1194MW ，比 2003 年的 744 ． 26MW 增长 60 ． 46 ％。到2004 年底，世界光伏发电的累计装机容量达到 4330MW 。在产业化方面，光伏企业的生产规模从 10 ～ 50MW ／ a，发展到 50 一 100MW ／ a，并正在向 100 ～ 400MW ／ a 的规模扩大。商品化晶体硅光伏电池的效率，从 10 ％～ 13 ％提高到 13 ％一 17 ％。近年来，世界光伏电池组件的生产成本降低 l／ 3 左右，为 2 ． 5～ 3 ． o 美元／ W，，目前国际市场光伏电池组件售价在 3 ． 5 ～ 3 ． 9 美元／ Wp 。美国光伏系统电价的成本目标是： 2005 年光伏系统安装成本 3 美元／ Wp ，成本电价 u 美分／ kW· h ； 2010 年安装成本下降为 1． 5 美元／ Wp ，成本电价 6 美分／ kW ． h 以下。印度的光伏产业在发展中国家发展快速。目前有 80 多个公司从事光伏产品生产，其中有 6 个光伏电池制造厂、 12 个光伏组件封装厂， 1997 年至 1998 年间生产光伏电池 8 ． 2MW ，生产光伏组件 11MW ；预计 2020 年将达到年生产光伏电池及组件 50MW 。截至 1998 年底，印度光伏系统安装容量为 35MW ；计划 1998 年至 2002 年安装 150MW 。新世纪伊始，众多国家纷纷制定雄心勃勃的发展规划，推动光伏技术和产业的发展。 日本通产省第二次新能源分委会提出， 2010 年光伏发电装机达到 5GW 欧盟可再生能源白皮书及相伴随的 “ 起飞运动 ” 2010 年的目标是，光伏发电装机达到 3GW 美国能源部国家光伏规划的目标是， 光伏发电装机达到 4． 7GW 澳大利亚提出， 2010 年光伏发电装机达到 o． 75GW 。如果再加发展中国家近年一直保持占世界光伏组件总产量 10 ％左右的装机量， 预计到 2010 年世界光伏系统累计安装容量将达到 15GW 。这意味着未来 5 年，世界光伏产业将以 28 ％左右的年平均速度发展，成为世界上发展最快的一个产业。各国可再生能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计划、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的发展提供了良好的基础。光伏发电的应用领域将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。预测到 21 世纪中叶，太阳能光伏发电将达到占世界总发电量的 10 ％一 20 ％，成为人类的基础能第 1 页源之一。紧紧围绕降低光伏发电成本的各种研究开发工作一直在发达国家紧张地进行，其中以晶体硅材料为基础的高效电池和各种薄膜电池为基础研究工作的热点课题。 高效单晶硅电池效率已达24 ． ?％， 高效多晶硅电池效率达到 19 ． 8 ％。 薄膜电池的研究工作主要集中在非晶硅薄膜电池、CdTe 系电池、 CIS 系电池和多晶硅薄膜电池上。非晶硅薄膜电池主要是通过双结和三结叠层电池克服衰降和提高效率。 经过努力， 已有许多新的突破， 目前的实验室效率已经超过 15 ％。 CdTe系电池效率已达到 16 ． 4 ％， CIS 系电池效率已达到 19 ． 2％，而且都已有了电池效率约 10 ％的中试生产线。多晶硅薄膜电池的实验室效率已超过 17 ％，成为世界关注的新热点。光伏发电与建筑相结合，是目前世界上大规模利用光伏技术发电的研究开发热点，美国、日本和欧盟各国都在作为重点项目积极地进行，除在屋顶安装光伏电池外，并已推出把光伏电池装在瓦片内的产品和光伏幕墙等。 2001 年以来世界光伏电池的年装机量有一半左右为各种类型的与建筑相结合的联网发电系统。近年，国际能源市场出现了以新能源和可再生能源为内容的一些热点。其中太阳能商品住宅市场的迅速崛起是最为突出的热点。据调查，从 1991 年至 1996 年，美国、西欧和日本在发展太阳能住宅方面的投资累计已达 500 多亿美元，其中 75 ％用于完善生产手段和扩大生产，表明太阳能建筑已进入商品化生产时期。日本有 100 多家建筑公司自 20 世纪 90 年代开始转产以发展太阳能住宅为主。美国已成为世界上最重要的太阳能住宅构件和设备的出口国。据分析，厂商热衷于投资发展太阳能住宅，其背景是许多国家接二连三地推出普及太阳能商品住宅的计划。据已公布的资料， 2010 年以前，北美、西欧和日本将建成至少 200 万幢太阳能商品住宅，如果加上发展中国家，届时全球的太阳能住宅将达 300 万幢以上，相应形成的市场规模可达 2000 亿美元之巨。此外，近些年来，美国、日本和俄罗斯等国均投人大量资金进行空间太阳能电站的研究试验，以期大规模利用太阳能为人类提供源源不断的电力，其前景十分诱人。第二节 中国太阳能光伏发电发展现状与未来展望中国于 1958 年开始研制太阳能电池， 1959 年第一块有实用价值的太阳能电池诞生。 中国于 1971 年 3 月首次应用太阳能电池作为科学实验卫星的电源，开始了太阳能电池的空间应用。中国于 1973 年首次在灯浮标上进行应用太阳能电池供电的试验， 开始了太阳能电池的地面应用。一、发展现状(一 ) 产业及产品经过 40 多年的努力，中国的光伏发电技术已具有一定的水平和基础。到第二章 太阳能光伏发电工作原理、运行方式及系统组成第一节 太阳能光伏发电的工作原理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 ( 或其他光 ) 照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生电子 —— 奎穴对。在电池内建电场作用下，光生电子和空穴被分离，电池两端出现异号电荷的积累，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， 则负载就有 “ 光生电流 ” 流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。可把上述太阳能电池将光能转换成电能的工作原理概括为如下 3 个主要过程：①太阳能电池吸收一定能量的光子后，半导体内产生电子一空穴对，称为 “ 光生载流子 ” ，两者的电性相反，电子带负电， 空穴带正电；②电性相反的光生载流子被半导体 p-n 结所产生的静电场分离开；③光生载流子电子和空穴分别被太阳能电池的正、负极所收集，并在外电路中产生电流，从而获得电能。第二节 太阳能光伏发电的运行方式通过太阳能电池 (又称光伏电池 ) 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 ) 。太阳能光伏发电目前工程上广泛使用的光电转换器件晶体硅太阳能电池，生产工艺技术成熟，已进人大规模产业化生产，广泛应用于工业、农业、科技、文教、国防和人民生活的各个领域。预计 21 世纪中叶，太阳能光伏发电将发展为重要的发电方式，在世界可持续能源结构中占有一定的比例。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。未与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统称为离网太阳能光伏发电系统， 又称为独立太阳能光伏发电系统，主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊处所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、牧区、海岛、高原、荒漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等的基本生活用电，为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象台站、公路道班以及边防哨所等特殊处所提供电源。与公共电网相联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。特别是其中的光伏电池与建筑相结合的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。为给农村不通电乡镇及村落广大农牧民解决基本生活用电和为特殊处所提供基本工作电源，经过 30 多年的努力，离网太阳能光伏发电系统在我国已有一定的发展，到 2004 年底光伏电池总装机容量约达 65MW 左右， 井将继续快速发展。 但联网太阳能光伏发电系统在我国却尚处于试验示范的起步阶段，远远落后于美、欧、日等发达国家和地区。我们应制订规划，采取措施，积极加以发展。第三节 太阳能光伏发电系统的组成一、离网太阳能光伏发电系统的组成离网太阳能光伏发电系统根据用电负载的特点， 可分为直流系统、 交流系统和交直流混合系统等几种。其主要区别是系统中是否带有逆变器。一般来说，离网太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池方阵、控制器、蓄电池组、直流／交流逆变器等部分组成。离网太阳能光伏发电系统的组成框图，如图 2— 1 所示。1 ．太阳能电池方阵太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为 2cmX 2cm 到 15cmX15cm 不等。太阳能电池单体的工作电压约为 0． 45~0. 5V ，工作电流约为 20 ～ 25mA ／ cm^2 ，一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联并封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联并装在支架上，就构成第三章 太阳能电池第一节 半导体物理知识为便于读者了解太阳能电池的工作原理，本节首先简要介绍一些有关半导体的物理知识。一、半导体及其主要特性固体材料按照它们导电能力的强弱，可分为超导体材料、导体材料、绝缘体材料和半导体材料等类。导电能力强的物体叫导体， 如金、 银、 铜、 铁、 铝等， 其电阻率在 10^-8 ～ 10^- 6Ω·m的范围内。导电能力弱或基本不导电的物体叫绝缘体，如橡胶、塑料、木材、玻璃等，其电阻率在10^8 一 10^20 Ω·m 的范围内。导电能力介于导体和绝缘体之间的物体， 则叫做半导体， 如锗、 硅， 砷化镓、 硫化镉等，其电阻率为 10^-5 ～ 10^7Ω·m 。半导体的主要特点， 不仅仅在于其电阻宰在数值上与导体和绝缘体不同， 而且还在于它在半导体性能上具有如下两个显著的特点。(1) 电阻率的变化受杂质含量的影响极大 例如，纯硅中磷杂质的浓度在1026 ～ ]019m-3 范围内变化时，它的电阻率就会从 10^- 5Ω·m 变到 10^4 Ω·m ；室温下在纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就会从 2． 14X10^3 Ω·m 减小到 0 ． 004Ω·m左右。如果所含杂质的类型不同，导电类型也不同。(2) 电阻率受光和热等外界条件的影响很大 温度升高或光照时， 均可使半导体材料的电阻率迅速下降。例如，锗的温度从 200 ℃ C 升高到 300 ℃，其电阻率就将降低一半左右。一些特殊的半导体，在电场和磁场的作用下，其电阻率也会发生变化。半导体材料的种类很多，按其化学成分，可分为元素半导体和化合物半导体；按其是否含有杂质，可分为本征半导体和杂质半导体。杂质半导体按其导电类型，又分为 n 型半导体和 p 型半导体。此外，根据其物理特性，还有磁性半导体、压电半导体、铁电半导体、有机半导体、玻璃半导体、气敏半导体等。目前获得广泛应用的半导体材料有锗、硅、硒、砷化镓、磷化镓、硫化镉、锑化铟等，其中以锗、硅材料的半导体生产技术最为成熟、应用得最多。为便于大家了解半导体材料的特性， 下面将一些典型半导体材料的晶体结构、 晶格常数d、热胀系数、禁带宽度 ze、能带类型、电子迁移率 ue 和空穴迁二、半导体硅的晶体结构自然界物质存在的形态有气态物质、 液态物质和固态物质。 固态物质可根据它们的质点 ( 原子、离子和分子 ) 排列规则的不同，分为晶体和非晶体两大类。具有确定的熔点的固态物质称为晶体，如硅、砷化镓、冰及一般金属等；没有确定的熔点、加热时在某一温度范围内就逐渐软化的固态物质称为非晶体，如玻璃、松香等。所有晶体都是由原子、分子、离子或这些粒子集团在空间按一定规则排列而成的。这种对称的、有规则的排列，叫晶体的点阵或晶体格子，简称为晶格。最小的晶格，称为晶胞。晶胞的各向长度，称为晶格常数。将晶格周期地重复排列起来，就构成为整个晶体。晶体又分为单晶体和多晶体。整块材料从头到尾都按同一规则作周期性排列的晶体，称为单晶体。整个晶体由多个同样成分、同样晶体结构的小晶体 ( 即晶粒 ) 组成的晶体，称为多晶体。在多晶体中，每个小晶体中的原子排列顺序的位向是不同的。非晶体没有上述特征，组成它们的质点的排列是无规则的，而是 “ 短程有第 19 页第四章 铅酸蓄电池蓄电池的功能是贮存太阳能电池方阵受光照时所发出电能井可随时向负载供电。 太阳能光伏发电系统对蓄电池的基本要求是：①自放电率低；②使用寿命长；③深放电能力强；④充电效率高；⑤少维护或免维护；⑥工作温度范围宽；⑦价格低廉。目前我国与光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池、特别是阀控式密封铅酸蓄电池，因此下面的介绍以此为重点。第一节 铅酸蓄电池基本知识一、铅酸蓄电池的发展铅酸蓄电池是 1859 年卡斯通和普兰特 (Gaston SI Plante) 试验了大量的二次电池之后发明的。他们用两片铅片作电极，中间隔以橡皮卷成的细螺旋作隔板，浸在 10 ％的硫酸 (HzS04) 溶液 ( 密度 1 ． 06g ／ cm^3) 中，构成一个铅酸蓄电池。他们发现，这种电池可以反复充电和放电，并观察到，这种铅电极装在硫酸溶液中构成的铅酸蓄电池，当切断一次电流 ( 充电电流 ) 后，立即放出强大的电流 ( 二次电流 ) ，比试验的其他材料作电极构成的蓄电池明显优越。 1906 年，普兰特向法国科学院提交了一个由 9 个单体电池构成的铅酸蓄电池，这是世界上第一个铅蓄电池 —— 普兰特电池。由于它的主要原料是铅和酸，因而称为铅酸蓄电池或简称为铅蓄电池。但普兰特电池存在着电极活性物质利用率低、 化成时间相当长、 电池放电容量不大等问题，所以没有获得工业上的应用。尽管普兰特电池制造与性能还有许多缺点，但它显示出可以获得二次电流 ( 即将经过电化学反应获得的一次电流储存起来需要时供给二次电流 )的优点， 以及它将对工业生产和科学发展的巨大贡献，使人们发现了它的光明前途。随着研究的不断深入，发现铅的氧化物和硫酸混合可制成膏剂 —— 铅膏，涂在铅片上可大大缩短化成时间，电极利用率和电池放电容量也大为提高。这促进了铅酸蓄电池的发展。1881 年，富尔 (Faure) 发明了涂膏式极板，但它的一个严重缺陷是铅膏容易从铅板上脱落。为了改善这种情况， 1881 年末，有人提出了栅形板栅的设计，即将整体的平面铅板改成多孔板栅，将铅膏塞在小孔中。这种极板在保持活性物质不脱落方面比整体平面铅板好。 1882 年，出现了以铅锑合金 (Pb-Sb) 作板栅，增强了硬度； 1889 年，改善了板栅的形状，板栅的外形由铅板改为三角断面的条形，这就增加了铅膏与板栅的接触面积，使铅膏紧密结合在板栅上，大大第 63 页提高了铅酸蓄电池的性能和使川寿命。铅粉、铅膏、合金板栅作为现代铅酸蓄电池极板结构就此确定下来。铅酸蓄电池采用的铅氧化物，最初试验了多种，如铅汞、碳酸铅、二氧化铅、红丹 (Pb304) ，黄丹 (PbO) 等，但最终采用了红丹和黄丹，直至新型活性物质的出现。因其外观颜色分为红色和黄色，又以中国炼丹炉方法制得，所以叫做红丹和黄丹。1910 年开始，铅酸蓄电池生产得到充分发展，这主要来源于两个方面： 一是汽车数量的快速增长，带动了用于起动、照明和点火的蓄电池的发展；其次是电话业采用铅酸蓄电池作为备用电源，并要求安全可靠又能使用多年，使得蓄电池开始广泛用于汽车、铁道、通信等工业。随后， 1957 年原西德阳光公司制成胶体密封铅酸蓄电池并投入市场，标志着实用的密封铅酸蓄电池的诞生。 1971 年美国Gates 公司生产出玻璃纤维隔板的吸液式电池，这就是阀控式密封铅酸蓄电池(VRLA 电池 ) 。从对铅酸蓄电池的市场调查和预测可以说明， VRLA 电池商业化应用 30 年来，尽管出现过一些问题，如漏液、早期容量损失、寿命短等，曾一度引起人们对 VRLA 电池的怀疑，但经过多年的努力，其设计技术有了很大的发展。铅酸蓄电池发展至今已有将近 150 年的历史， 仍充满生机和活力。 目前的总产值为全部化学电源总产值的一半，这一份额在未来 20 一 30 年间仍将继续保持下去。二、 VRLA 电池的结构和原理( 一 ) 结构VRLA 电池上要部件由正极板、 负极板、 隔板、 电池槽盖、 硫酸电解质等组成，其结构解剖图如图 4 — 1 所示。( 二 )VRLA 电池主要零部件的作用(1) 板栅 支撑活性物质，传导电流。(2) 极板 正负极板是电化学反应的场所，电池容量的主要制约者。负极板都采用涂膏式。正极板一般有涂膏式 (平板式 ) 和管式。管式正极板一般用于传统富液电池和胶体电池中。(3) 隔板 储存电解液，气体通道，防止活性物质脱落，防止正、负极之间短路。(4) 电解液 铅酸蓄电池一律采用硫酸电解质，是电化学反应产生的必需条件。对于胶体蓄电池，还需要添加胶体，以便与硫酸凝胶形成胶体电解质，此时第五章 控 制 器第一节 控制器的工作原理在独立运行的太阳能光伏发电系统和光伏／风力混合发电系统中， 必须配备贮能蓄电池，蓄电池起着储存和调节电能的作用。当日照充足或风力很人而产生的电能过剩时，蓄电池将多余的电能贮存起来：当系统发电量不足或负载用电量大时，蓄电池向负载补充电能，并保持供电电压的稳定。蓄电池， 尤其是铅酸蓄电池， 需要在充电和放电过程中加以控制， 频繁地过充电和过放电都会影响蓄电池的使用寿命。过充电会使蓄电池大量出气 ( 电解水 ) ，造成水分散失和活性物质的脱落；过放电则容易加速栅板的腐蚀和不可逆硫酸化。为了保护蓄电池不受过充电和过放电的损害，则必须要有一套控制系统来防止蓄电池的过充电和过放电，这套系统称为充放电控制器。控制器通过检测蓄电池的电压或荷电状态， 判断蓄电池是否已经达到过充点或过放点， 并根据检测结果发出继续充、放电或终止充、放电的指令。随着独立型太阳能光伏发电系统、 风力发电系统和光伏／风力混合发电系统容量的不断增加，设计者和用户对系统运行状态及运行方式合理性的要求越来越高，系统的安全性也更加突出和重要。因此，近年来设计者又赋予控制器更多的保护和监测功能，使早期的蓄电池充电控制器发展成今天比较复杂的系统控制器。此外，控制器在控制原理和使用的元器件方面也有了很大发展和提高，目前先进的系统控制器已使用了微处理器，实现了软件编程和智能控制。目前在太阳能光伏发电系统和风光混合发电系统中，使用最多的仍然是铅酸蓄电池，因此这里仅以铅酸蓄电池为例介绍控制器的充电控制基本原理和过放电保护原理。一、蓄电池充电控制基本原理铅酸蓄电池充电特性如图 5 — 1 所示。 由充电曲线可以看出， 蓄电池充电过程有 3 个阶段：初期 (OA) ，电压快速上升；中期 (AC) ，电压缓慢上升，延续较长时间； C 点为充电末期，电化学反应接近结束，电压开始迅速上升，接近 D 点时，负极析出氢气，正极析出氧气，水被分解。上述所有迹象表明， D 点电压标志着蓄电池已充满电，应停止充电，否则将给铅酸蓄电池带来损坏。通过对铅酸蓄电池充电特性的分析可知， 在蓄电池充电过程中， 当充电到相当于 D 点的电压出现时，就标志着该蓄电池已充满。依据这一原理，在控制器中设置电压测量和电压比较电路， 通过对 D 点电压值的监测， 即可判断蓄电池是否应结束充电。对于开口式固定型铅酸蓄电池，标准状态 (25 ℃， 0． 1C 充电第 101 页率 ) 下的充电终了电压 (D 点电压 )约为 2． 5V ； 对于阀控式密封铅酸蓄电池， 标准状态 (25C ，0． 1C 充电率 )下的充电终了电压约为 2． 35V 。在控制器里比较器设置的 D 点电压称为 “ 门限电压 ” 或 “ 电压阈值 ” 。由于太阳能光伏发电系统的充电率一般都小于 0． 1C ，因此蓄电池的充满点一般设定在 2． 45 ～ 2． 5V( 固定式铅酸蓄电池 )和 2 ， 3～ 2 ． 35V( 阀控式密封铅酸蓄电池 ) 。蓄电池充电控制的目的是在保证蓄电池被充满的前提下尽量避免电解水。蓄电池充电过程的氧化还原反应和水的电解反应都与温度有关。温度升高，氧化还原反应和水的分解都变得容易，其电化学电位下降，此时应当降低蓄电池的充满门限电压，以防止水的分解；温度降低，氧化还原反应和水的分解都变得困难，其电化学反应电位升高，此时应当提高蓄电池的充满门限电压，以保证将蓄电被充满同时又不会发生水的大量分解。在太阳能光伏发电系统和风光混合发电系统中，蓄电池的电解液温度有季节性的周期变化，也有因受局部环境影响的波动，因此要求控制器具有对蓄电池充满门限电压进行自动温度补偿的功能。温度系数一般为单只电池一 5～ -3mv ／℃ (25 ℃时 )，即当电解液温度 ( 或环境温度 ) 偏离标准条件时， 每升高 1℃， 每只电池的门限电压充满向下调整 3～ 5mV ． ~ 每下降 1 ℃， 向上调整 3～5mV 。 蓄电池的温度补偿系数可查阅蓄电池技术说明书或向生产厂家查询。 对于蓄电池的过放电保护门限电压一般不作温度补偿。二、蓄电池过放电保护基本原理(一 )铅酸蓄电池放电特性铅酸蓄电池放电特性如图 5-2 所示。 由放电曲线可以看出， 蓄电池放电过程有 3 个阶段； 开始 (OE) 阶段，电压下降较快；中期 (EG) ，电压缓慢下降，延续较长时间； G 点后，放电电压急剧下降。电压随放电过程不断下降的原因主要有 3 个：首先是随着蓄电池的放电，酸浓度降低，引起电动势降低；其次是活性物质的不断消耗，反应面积减小，使极化不断增加；第三是由于硫酸铅的不断生成，使电池内阻不断增加，内阻压降增大。图 5— 2 上 G 点电压标志着蓄电池已接近放电终了，应立即停止放电，否则将给蓄电池带来不可逆转的损坏。第六章 逆 变 器第一节 概 述逆变器也称逆变电源，是将直流电能转变成交流电能的变流装置，是太阳能光伏发电系统、风力发电系统中的一个重要部件。随着微电子技术与电力电子技术的迅速发展，逆变技术也从通过交直流发电机的旋转方式逆变技术，发展到 20 世纪 60 ～ ?o 年代的晶闸管逆变技术，而 2l 世纪的逆变技术多数采用了 MOS — FET、 IGBT 、 GTO 、 IGCT 、 MCT 等多种先进且易于控制的功率器件，控制电路也从模拟集成电路发展到单片机控制甚至采用数字信号处理器 (DSP) 控制。各种现代控制理论如自适应控制、自学习控制、模糊逻辑控制、神经网络控制等先进控制理论和算法也大量应用于逆变领域。其应用领域也达到了前所未有的广阔，从毫瓦级的液晶背光板逆变电路到百兆瓦级的高压直流输电换流站；从日常生活的变频空调、变频冰箱到航空领域的机载设备；从使用常规化石能源的火力发电设备到使用可再生能源发电的太阳能、风力发电设备，都少不了逆变电源。毋须怀疑，随着计算机技术和各种新型功率器件的发展， 逆变装置也将向着体积更小、 效率更高、 性能指标更优越的方向发展。一、逆变器的定义逆变器是通过半导体功率开关的开通和关断作用，把直流电能转变成交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程。逆变器及逆变技术按输出波型、主电路拓扑结构、输出相数等来分类，可以分为如下各种。第 110 页二、逆变技术的发展趋势逆变技术的原理早在 1931 年就有人研究过， 从 1948 年美国西屋电气公司研制出第一台3kHz 感应加热逆变器至今已有近 60 年历史了，而晶闸管 SCR 的诞生为正弦波逆变器的发展创造了条件，到了 20 世纪 70 年代，可关断晶闸管 (GTO) 、电力晶体管 (BJT) 的问世使得逆变技术得到发展应用。 到了 20 世纪 80 年代， 功率场效应管 (MOSFET) 、 绝缘栅极晶体管 (1GBT) 、MOS 控制晶闸管 (MCT) 以及静电感应功率器件的诞生为逆变器向大容量方向发展奠定了基础，因此电力电子器件的发展为逆变技术高频化、 大容量化创造了条件。 进入 20 世纪 80 年代之后，逆变技术开始从应用低速器件、低开关频率逐渐向采用高速器件、提高开关频率的方向发展，逆变器的体积进一步减小，逆变效率进一步提高，正弦波逆变器的品质指标也得到很大提高。另一方面，微电子技术的发展为逆变技术的实用化创造了平台，传统的逆变技术需要通过许多的分立元件或模拟集成电路加以完成，随着逆变技术复杂程度的增加，所需处理的信息量越来越大，而微处理器的诞生正好满足了逆变技术的发展要求，从 8 位的带有 PWM 口的微处理器到 16 位单片机，发展到今天的 32 位 DSP 器件，使先进的控制技术如矢量控制技术、多电平变换技术、重复控制、模糊逻辑控制等在逆变领域得到较好的应用。总之，逆变技术的发展是随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而发展，进入 21 世纪，逆变技术正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。三、逆变器的主要技术指标逆变器有许多技术指标，重要的有：额定容量；额定功率；输出功率因数，逆变效率；额定输入电压、电流；额定输出电压、电流；电压调整率；负载调整率；谐波因数；总谐波畸变率；畸变因数；峰值子数。第七章 交流配电设备、输电线路、备用电源及防雷与接地本章将对太阳能光伏发电系统的交流配电设备、输电线路、备用电源及防雷与接地等配套设备和设施加以介绍。第 — 节 交流配电设备一、太阳能光伏电站交流配电设备的构成和分类交流配电设备是用来接受和分配交流电能的电力设备。它主要由控制电器 (断路器、隔离开关、负荷开关等 ) 、保护电器 ( 熔断器、继电器、避雷器等 ) ，测量电器 (电流互感器、电压互感器、电压表、电流表、电度表、功率因数表等 ) 以及母线和载流导体等组成。交流配电设备的分类按照设备所处场所，可分为户内配电装置和户外配电装置，按照电压等级，可分为高压配电装置和低压配电装置；按照结构形式，可分为装配式配电装置和成套式配电装置。中小型太阳能光伏电站一般供电范围较小，采用低压交流供电一般可以满足用电需要。因此，低压配电装置在太阳能光伏电站中就成为联接逆变器和交流负载的一种接受和分配电能的电力设备。二、太阳能光伏电站交流配电设备的主要功能和原理目前，许多太阳能光伏电站的规模由于投资的限制，还不能完全满足当地的用电需求。为增加电站的供电可靠性，同时减少蓄电池的容量，降低系统成本，各电站都配有备用柴油发电机组作为后备电源。后备电源的作用是：①当蓄电池亏电而太阳能电池方阵又无法及时补充充电时，可由后备柴油发电机组经整流充电设备给蓄电池组充电，并同时通过交流配电装置直接向负载供电，以保证供电系统正常运行；②当逆变器或者其他部分发生故障，太阳能光伏发电系统无法供电时，作为应急电源启动后备柴油发电机组，经交流配电系统直接为用户供电。因此，交流配电设备除在正常情况下将逆变器输出的电力提供给负载外，还应具有能够将后备应急电源输出的电力在特殊情况下直接向用户供电的功能。由上可见，独立运行太阳能光伏电站的交流配电设备至少应有两路电源输入， — 路用于主逆变器输入，一路用于后备柴油发电机组输入。在配有备用逆变器的光伏发电系统中，其交流配电装置还应考虑增加 —‘ 路输入。为确保逆变器和柴油发电机组的安全，杜绝逆变器与柴油发电机组同时供电的危险局面出现，交流配电系统的两种输入电源切换功能必须有绝对可靠的互锁装置，只要逆变器供电操作步骤没有完全排除干净，柴油发电机组供电便不可能进行；同样，在柴油发电机组通过交流配电装置向负载供电时，也必须确保逆变器绝对接不进交流配电装置。交流配电装置的输出一般可根据用户要求设计。通常独立太阳能光伏电站，其供电保障率很难达到 100 ％，为确保某些特殊负载的供电需求，交流配电装置至少应有两路输出，这样就可以在蓄电池电量不足的情况下，切断一路普通负载，确偏向主要负载继续供电。在某些情况下，交流配电装置的输出还可以是三路或四路，以满足不同的需求。例如，有的地方需要远程送电，进行高压输配电；有的地方需要为政府机关、银行、通信等重要单位设立供电专线等。通常太阳能光伏电站交流配电设备的主电路基本原理结构如图 7— 1 所示。图 7— 1 所示为 2 路输入、 3 路输出配电结构。图中 K1 、 K2 是隔离开关。接触器 n 和J2 用于 2 路输入的互锁控制，当输入 l 有电并闭合 K1 时，接触器 J1 线圈有电、吸合，其触头 J12 将输入 2 断开；同理，当输入 2 有电并闭合 K2 时，接触器 J2 自动断开输入 1，起到互锁保护的作用。配电装置的 3 路输出分别由 3 个接触器进行控制，可根据实际情况及各路负载的重要程度分别进行控制操作。三、对交流配电装置的主要要求(一 ) 对交流配电装置的通用要求(1) 动作准确，运行可靠。(2) 在发生故障时能够准确、迅速地切断事故电流，避免事故扩大。(3) 在一定的操作频率工作时具有较高的机械寿命和电气寿命。(4) 电器元件之间在电气，绝缘和机械等各方面的性能配合协调。(5) 工作安全，操作方便，维修容易。(6) 体积小，重量轻，工艺好，制造成本低。(7) 设备自身能耗小。(二 ) 对交流配电装置的技术要求1．选择成熟可靠的设备和技术选用符合国家标准的 PGL 型低压配电屏，它是用于发电厂、变电站交流第八章 太阳能光伏发电系统的设计太阳能光伏发电系统的设计分为软件设计和硬件设计，且软件设计先于硬件设计。软件设计包括：负载的功率和用电量的统计和计算，太阳能电池方阵面辐射量的计算，太阳能电池组件、蓄电池用量的计算和二者之间相互匹配的优化设计，太阳能电池方阵安装倾角的确定，系统运行情况的预测以及系统经济效益的分析等。硬件设计包括；负载类型的确定和限制，太阳能电池组件和蓄电池的选型，太阳能电池方阵支架的设计，逆变器的选型和设计，以及控制、测量系统的选型和设计。对于大型太阳能光伏发电系统，还要有方阵场的设计、防雷接地的设计、配电系统的设计以及辅助或备用电源的选型和设计。软件设计由于牵涉到复杂的辐射量、安装倾角以及系统优化的设计计算，一般是由计算机来完成；在要求不太严格的情况下，也可以采取估算的办法。第一节 太阳辐射原理太阳能光伏发电的全部能量来自于太阳，因而太阳能电池方阵面上所获得的辐射量决定它的发电量。太阳能电池方阵面上所获得辐射量的多少与很多因素有关：当地的纬度，海拔高度，大气透明度，一年当中四季的变化，一天当中时间的变化，到达地面的太阳辐射直、散分量的比例，地表面的反射系数，太阳能电池方阵的运行方式或固定方阵的倾角变化，以及太阳能电池方阵表面的清洁程度等。要较为准确地推算出太阳能电池方阵面上所获得的辐射量，必须对太阳辐射的基本概念有所了解。太阳辐射的直散分离原理、 布格 — 朗伯定律和余弦定律是我们所要了解的 3 条太阳辐射的基本定律。一、直散分离原理大地表面 (即水平面 ) 和方阵面 ( 即倾斜面 ) 上所接收到的辐射量均符合直散分离原理，即总辐射等于直接辐射与散射辐射之合，只不过大地表面所接收到的辐射量没有地面反射分量，而太阳能电池方阵面上所接收到的辐射量包括地面反射分量。另外，假定散射辐射和地面反射都是各向同性的，太阳能电池方阵面上所接收到的散射辐射与太阳能电池方阵所对应的视天空有关，而太阳能电池方阵面所接收到的地面反射与太阳能电池方阵所对应的视地表有关。第 222 页第二节 太阳能光伏发电系统不同运行方式的数学模型第九章 太阳能光伏发电系统操作使用与管理维护第一节 太阳能光伏发电系统操作使用以西藏某太阳能光伏电站为例，对独立型太阳能光伏电站的具体操作使用程序作一介绍。一、光伏电站供电的操作使用1．直流控制柜的操作使用：开机前应先观察直流控制柜上蓄电池组的电压是否正常，即蓄电池组的电压应在 280V 以上。如蓄电池组电压正常，即将直流控制柜机柜内的输出空气开关打到 “ ON开 ” 位置。注意：在平时不用柴油发电机组充电的情况下，直流柜可以始终处于开机状态，不关机。2．逆变器的操作使用：将逆变器机柜内蓄电池组空气开关和主电路空气开关按顺序先后打到 “ ON开 ” 位置。按前面板上的 “ MENU” 键 2 次，使 LCD 3． 交流配电柜和配电箱的操作使用： 先将交流输出配电箱内的 3 个空气开关打到 “ ON开 ”位置。然后按下交流配电柜上 “ 主逆变器 ” 一路的绿色 “ 开 ” 按钮，观察三相指示灯 ( 黄、绿、红 )是否全亮，如全亮，说明不缺相，可以将配电柜内的输出空气开关打到 “ ON开 ” 位置，观察前面板上的交流电压表数值。如果三相指示灯有不亮的，严禁开机，应及时查找原因。当使用备用逆变器或柴油发电机组供电时，与上述程序相同。在使用柴油发电机组供电时，还应注意等到柴油发电机组输出电压稳定后再输出供电。4．电站送电后，应随时观察逆变器显示屏上的电流值，逆变器各相最大输出电流不应超过 70A 。如发现电流过大，则应及时关机，并查找过载或短路的原因。5．送完电，应按顺序关机。关机顺序为：交流配电柜一逆变器 + 直流控制柜。在上述操作中应注意如下各项： ①如设备不能正常工作， 则应按说明书查找原因并排除故障。②逆变器如需白天开机，应特别注意直流输入电压不能超过 315V 。③当发生欠电压告警后，应及时停止使用逆变器供电，关闭直流控制柜。经太阳能电池方阵或启动柴油发电机组充电后，蓄电池组电压回升到 DC272V 第 235 页以上，欠电压告警解除。这时，仍不能恢复使用逆变器供电，必须等到直流控制柜面板上的充满指示灯 ( 充满 1 一充满 16) 全亮，即蓄电池组电压回升到 DC312V 以上时，再恢复使用逆变器供电。④逆变器、直流控制柜和交流配电柜的开机、关机必须按操作程序进行。严禁非正常程序开机、关机。二、启动柴油发电机组补充充电的操作使用由于连续阴雨天或冬季日照不足等原因造成蓄电池组电压低于 DCZ40V 时，则需启动柴油发电机组经整流充电柜对蓄电池组进行补充充电，其操作程序如下：1 ．首先应将面板上的 “ 调节 ” 旋钮逆时针钮转到 o。2 ．将直流控制柜内的输出空气开关打到 “ OFF关 ” 位置，关掉直流控制柜。3 ．启动柴油发电机组。此时三相的三色 ( 黄、绿、红 ) 指示灯均应亮，如有任何一灯不亮，则说明缺相，应检查线路和柴油发电机组。4 ．将充电柜内的输入空气开关打到 “ ON开 ” 位置，观察三相电压是否平衡、正常。5 ．如三相电压平衡、正常，则按下充电柜面板上绿色 “ 开机 ” 按钮。6 ．顺时针缓慢旋转面板中的 “ 调节 ” 旋钮，同时注意面板中输出电流和输出电压指示。当输出电流值已达到预定的充电电流值 (50 ～ 100A) 时，停止调节。充电柜会稳定在这个电流值上进行充电。7 ．随着充电时间的延长，充电电流会逐渐减小，应随时调整 “ 调节 ” 旋钮，保持充电电流，直到蓄电池组电压 ( 可从直流控制柜面板上观察到 )达到 315V 。 当蓄电池组电压达到 315V 时，将自动切断充电回路。8 ．当充电柜充满自动断电后，应将面板中 “ 调节 ” 旋钮逆时针转到 0，然后断开主回路空气开关 QF。9 ．需用手动关机时，首先应逆时针将面板中的 “ 调节 ” 钮转到 0，然后按动 “ 关机 ” 按钮，最后关断柜内的空气开关 QF 并关闭柴油发电机组即可。在上述操作中应注意如下各项： ①在开机前或关机后一定要将面板上的 “ 调节 ” 钮逆时针旋转到 o。②充电电流最大不应超过 150A 。 若失控， 应及时将输入空气开关关断。③在用柴油发电机组给蓄电池组充电时，注意关闭直流控制柜输出空气开关和逆变器的输入空气开关。直流控制柜和逆变器绝对禁止开机。此时如需供电，只需按下交流配电柜上柴油发电机组供电一路的绿色 “ 开 ” 按钮，即可由柴油发电机组直接供电。第二节 太阳能光伏发电系统管理维护下面对有关管理维护