光伏发电技术及其应用-教学课件-作者-魏学业-第一章.ppt

1、第一章第一章 绪论绪论太阳能资源丰富，分布广泛，开发利用前景广阔。太阳能光伏发电作为太阳能利用的重要方式，已得到世界各国的极大关注。近十几年来，太阳能光伏发电技术得到了突飞猛进的发展，产业规模得到了极大的扩张，光伏组件的产量和发电容量不断增加，已有许多发电站投入使用，取得了良好的社会效益。若要将太阳能应用于交通运输、工业生产等中，一个主要的渠道就是先将太阳能转变成电能。但由于下雨、云雾、树阴等存在阴影，接收到太阳的光能是不连续的而且光照强度也随着时间和天气在变化，因此利用太阳能发的电是断续的、慢变化的直流电能。为了能将这种能量应用于现实生活中，需要将其转变成稳定的交流电能，这就需要光伏逆变器。

2、光伏发电（Photovoltaic，PV）是一种简易而清洁的太阳能利用方式，因为光伏电池能将入射光线直接转换成电而不会产生噪声、污染，而且发电装置牢固、可靠、寿命长久。1.11.1光伏发电的发展光伏发电的发展太阳能发电是新兴的可再生能源技术，太阳能光伏发电是利用光伏电池的光生伏特效应而进行发电的，光伏电池具有电池组件模块化、安装维护方便、使用方式灵活等特点，是太阳能光伏发电应用最多的技术。太阳能光伏发电也称为光伏发电，是光伏电池将太阳的辐射能直接转换为电能的过程，它正迅猛地发展并成为化石燃料发电的重要替代品。20世纪60年代，航空航天业的应用大大地推动了光伏发电产业的研究和发展，目前太阳能光伏

3、发电在全球已经实现较大规模的应用，太阳能光伏发电成为了一个令人瞩目的研究领域。近些年来，随着光伏发电相关技术进步和产业规模的不断扩大，以及光伏组件制造工艺的提高，光伏组件的价格下降较快，太阳能光伏发电的成本在不断下降，为太阳能光伏技术的进一步发展和广泛应用提供了必要条件。1.1.1 1.1.1 国外光伏发电的发展现状国外光伏发电的发展现状自1839年发现光生伏特效应和1954年第一块实用的光伏电池问世以来，太阳能光伏发电取得了长足的进步，以1997年美国的“百万太阳能光伏屋顶计划”为标志，日本以及欧洲的德国、丹麦、意大利、英国、西班牙等国也纷纷制定了本国的可再生能源法案，刺激了光伏产业的高速发

4、展。2000年以来，全球光伏产业连续6年以30%以上的速度增长。2002年全球光伏电池产量为560MW，2003年已高达750MW，增长了34%，2004年全球光伏电池年产量达到1256MW，年增长率高达68%，2005年产量达到1818MW，增长率仍有45%。2006年，美国加州提出了要在加州实施“百万个太阳能屋顶计划”，在未来10年内建设3000MW光伏发电系统的提案，正是由于欧洲诸多发达国家、日本和美国强有力的政策推动，全球太阳能光伏发电系统市场才呈现出欣欣向荣的景象。（如图1-1）世界各国光伏发电年装机容量汇总表图1-1 世界各国光伏发电年装机容量汇总表到2011年，全球光伏发电总装机

5、容量超过220000万kW，主要应用市场在德国、西班牙、日本、意大利。随着太阳能光伏发电规模、转换效率和工艺水平的提高，全产业链的成本快速下降。光伏电池组件价格已经从2008年3美元/W下降到2012年的0.48美元/W以下，太阳能光伏发电的经济性明显提高。世界光伏发电产业的高速发展主要表现在以下几方面：光伏电池产量持续增长 生产规模不断扩大 光伏市场飞速膨胀 新技术不断出现，电池效率不断提高 太阳能发电技术多元化发展 太阳能发电逐步成为电力系统的重要组成部分1.1.2 我国光伏发电的发展我国作为世界经济最有活力的市场，光伏产业发展迅猛。大量规模化的光伏企业应运而生，在世界光伏产量中占有很大的

6、比重。1958年，我国研制出了首块硅单晶。1968至1969年底，中国科学院半导体所承担了为“实践1号卫星”研制和生产硅光伏电池板的任务，为光伏电池的研究奠定了良好的基础。1969年，天津18所为东方红二号、三号、四号系列地球同步轨道卫星研制生产光伏电池阵列。1975年，宁波、开封先后成立光伏电池厂。2007年，我国成为生产光伏电池最多的国家，产量从2006年的400MW一跃达到1GW。之后发展更为迅速，到2008年达到了2.6GW，2010年接近11GW，2011年我国的光伏电池产量达到了21.3GW在资源方面，我国太阳能资源十分丰富，适宜太阳能发电的国土面积和建筑物受光面积也很大，虽然我国

7、光伏发电在资源上都具有相当的优势，但是与常规电力相比，太阳能发电在经济性和与电力系统协调方面，还存在许多需要解决的问题，突出表现在以下几方面：经济性仍是制约太阳能发电发展的主要因素 并网运行管理是制约太阳能发电发展的关键因素 促进太阳能发电的政策体系还不完善 光伏制造业亟待转型升级因此，光伏发电在我国面临着机遇与挑战并存的局面，如何解决上述存在的问题，促进光伏产业的更大发展是我们今后的发展方向。1.2 逆变器的基本知识逆变器的基本知识1.2.1 逆变器的基本概念逆变器是一种将直流电（光伏输出、电池、电瓶等）转化为交流电（一般为220V、50Hz的正弦波）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组

8、成。逆变器根据发电源的不同，分为煤电逆变器、太阳能逆变器、风能逆变器、氢能逆变器和核能逆变器等，广泛适用于空调器、电视机、电动工具、计算机、洗衣机、冰箱和照明灯具等。现代逆变技术是研究逆变电路技术和应用的一门科学技术，它是建立在电力电子技术、功率半导体器件技术、控制技术、变流技术、脉宽调制（PWM）技术等基础之上的一门实用技术。它主要包括半导体功率集成器件及其应用、逆变电路和逆变控制技术三大部分。1.2.2 光伏逆变器的分类光伏逆变器的分类由于光伏逆变器与光伏模块的工作连接十分紧密，通常将光伏控制器与逆变器组合成为光伏控制与逆变一体机。通常有以下几种分类方式：1按功能用途分类按功能用途分类光伏

9、逆变器可分为离网型（独立式）光伏逆变器和并网型光伏逆变器两大类。并网光伏系统中的逆变器，直接与公共电网相连接，具有将光伏系统产生的电能输送到电网的功能，相对于独立式逆变器，技术上要求更高、控制算法更加复杂。2按是否隔离分类根据光伏模块是否与市电隔离，并网逆变器又分为带变压器和不带变压器两大类。带变压器的称为隔离型逆变器，又分为带工频变压器的隔离型逆变器和带高频变压器的隔离型逆变器。而不带隔离变压器的逆变器，通常称为高频逆变器或无隔离型逆变器图1-2 三种类型逆变器结构图a)工频隔离型 b)高频隔离型 c)非隔离型3按输出相数分类光伏逆变器可以分为单相逆变器和三相逆变器4根据逆变器使用的半导体器

10、件类型分类根据逆变器使用的半导体器件类型分类，可分为晶体管逆变器、晶闸管逆变器及可关断晶闸管逆变器等5根据逆变器电路原理分类根据逆变器电路原理分类，可分为自激振荡型逆变器、阶梯波叠加型逆变器和脉宽调制型逆变器等。6按系统形式分类按系统形式分类按系统形式分类，光伏逆变器可分为组串式、集中式以及微型逆变器三类。图1-3 组串式逆变器和集中式逆变器a)组串式逆变器 b)集中式逆变器组串式逆变器（String Inverter）是指光伏器件通过串联构成光伏阵列给光伏发电系统提供能量。集中式逆变器（Central Inverter），该系统中所有的光伏模块通过串、并联构成一个光伏阵列，该阵列的能量通过一

11、个逆变器集中转换为交流电。1.2.3 光伏逆变器的参数光伏逆变器的参数 输出电压的输出电压的稳定度稳定度对于一个合格的逆变器，输入端电压在确定范围内变化时，其稳态输出电压的变化量应不超过额定值的5%，同时当负载发生突变时，其输出电压偏差不应超过额定值的10。总总谐波畸变谐波畸变率率。总谐波畸变率（Total Harmonic Distortion，THD）是指全部谐波分量有效值与基波分量有效值之比，用百分数表示。功率因数功率因数交流电路中，电压与电流之间的相位差（j）的余弦叫做功率因数（Power Factor，PF），用符号cos j 表示。在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值 逆变

12、器逆变器的效率的效率逆变器的效率是指在规定的工作条件下，其输出功率与输入功输入功率之比，用百分数表示。额定输出额定输出电流电流额定输出电流表示在规定的负载功率因数范围内逆变器的额定输出电流。保护保护措施措施一款性能优良的逆变器，应具备完备的保护功能或措施，以应对实际使用过程中出现的各种异常情况，使逆变器本身及系统其他部件免受损伤。最大功率点跟踪最大功率点跟踪最大功率点跟踪（Maxim Power Point Tracking，MPPT）是通过寻找光伏模块输出功率最大时对应的电压值，使得光伏模块在最高的转换效率下工作。1.3 逆变器的发展现状逆变器的发展现状1.3.1 普通逆变器的发展现状普通逆

13、变器的发展现状1逆变器技术发展历程1）20世纪5060年代，KACO公司于1953年制造出第一个半导体闸流管逆变器。2）20世纪70年代，GTO（门极可关断晶闸管）的问世使得逆变技术得到发展和应用。3）20世纪80年代，功率场效应晶体管（MOS）、绝缘栅双极晶体管、MOS控制晶闸管（MCT）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。4）20世纪90年代，矢量控制技术、多电平变换技术、重复技术、模糊逻辑控制技术等在逆变器领域得到了很好的应用。5）21世纪初，逆变技术随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的进步不断改进，逆变技术正向着频率更高、体积更小的方向发展。在功率方面，

14、出现了两个发展方向：一个是向着大功率逆变器方向发展，另一个是向着微型逆变器方向发展。2光伏逆变器的发展状况光伏组件产生的电能为准直流电，必须通过将直流变换成交流的设备逆变器，才能实现将太阳能光伏产生的电能接入公共电网和供给负载。根据所发电力是否馈入电网，光伏逆变器分为并网逆变器和离网逆变器。目前，并网光伏系统占光伏总安装量的比例越来越大，而并网逆变器的技术指标也代表了光伏逆变器的技术水平。光伏逆变器总趋势是朝着高频化、小型化发展。在未来，微型逆变器具有广阔市场空间，可以实现模块化、分布式模式发电。总体来说，逆变技术随着电力电子技术、微电子技术和现代控制理论的发展而发展。随着时间的推移，逆变技术

15、正向着频率更高、功率更大、效率更高、体积更小的方向发展。3光伏逆变器的市场竞争激烈由于目前光伏逆变器市场发展迅速，竞争也异常激烈。最早起家的德国SMA公司虽然目前仍然是世界排名第一的光伏逆变器厂商，但其市场份额却在不断缩小，已经从几年前的40%缩小到现在的30%左右。国内最大的光伏逆变器厂商合肥阳光电源成立于 1997年，其国内市场份额在2008年曾一度高达70%，但现在其国内市场份额不到40%。光伏逆变器产品在技术方面，国外仍然处于领先地位。但是这种现象必然会随着我国产品技术的进一步提高而有所改变。表1-2是国内外逆变器的技术对比情况。表1-2 国内外逆变器技术对比技 术 指 标国 外国 内

16、并网逆变器商业化商业化并网/独立双功能商业化商业化逆变效率85%-98%85%-98%高频逆变商业化、可靠、耐冲击小功率可以批量生产，以离网为主模块化生产15kW，要求大功率时可并机，有利于标准化批量生产大功率产品实现模块化生产，可以并机运行，离网产品成熟双向逆变成熟，一组功率模块，既可以用于逆变，又可用于整流充电仅有少数几家公司可以生产4全球逆变器市场发展趋势图1-6 世界PV逆变器预测根据IHS iSuppli公司的光伏（PV）市场追踪报告，世界光伏逆变器出货量预测如图1-6。由于两大太阳能市场增长停滞或者降低上网电价补贴，2011年PV逆变器出货量从2010年的23.6GW下降到23.4

17、GW，减少了1%，但是，2012年逆变器出货量预计将恢复增长，有望上升5%至24.5GW，随后将在新市场的推动下恢复增长，到2014年增长率将上升到20%左右，并于2015年增长至52GW。从逆变器技术进步来看，逆变器经过长期的发展，转换效率持续上升，由过去的90%92%上升到98%以上，未来的目标是达到99%100%。5国内企业竞争力不足的主要原因（1）行业发展较晚，尚需积累的时间（2）低价竞争带来质量下降的恶性循环（3）配套服务得不到重视（4）准入机制不规范，市场标准不统一1.3.2 微型逆变器的发展现状微型逆变器的发展现状光伏逆变器正朝着高频化、小型化方向发展，其中微型逆变器（Micro

18、 Inverter，MI）将成为技术发展的主流。随着全球光伏市场的开放，未来的微型逆变器产品也会迅速扩大，竞争也将日趋激烈，价格低廉、性能优越、容易安装、监控精确、人机界面友好的微型逆变器产品才是未来市场的主流。1.4 1.4 光伏发电系统光伏发电系统图1-8 典型的光伏发电系统一个典型的光伏发电系统如图1-8所示，主要包括光伏面板或光伏阵列、逆变器，同时还包括诸如跟踪支架、控制器等组件以及电网。光伏发电系统的具体分类如图1-9所示。图1-9 光伏发电系统的具体分类1.4.1 1.4.1 独立光伏系统独立光伏系统图1-10所示是一个典型的独立光伏系统，主要由光伏电池板、充/放电控制器、电能存储

19、装置（蓄电池）和逆变器等组成。图1-10 典型的独立光伏系统1光伏电池板光伏电池板一块电池板由许多互相连接的电池（通常为36块串联着的电池）组成，把互相连接的电池封装起来的主要原因是为了保护电池及其连接线不受周围环境的破坏。2充充/放电控制器放电控制器充/放电控制器的作用是将光伏电池板产生的电能存储到蓄电池中，在用户需要电能的时候，将蓄电池中的电能释放出来供用户使用，充/放电控制器在充电、放电过程中还要对蓄电池起保护作用3电能储存装置电能储存装置电能储存用来储存光伏电池产生的能量。4逆变器（在需要提供交流电压的情况下）逆变器（在需要提供交流电压的情况下）由于目前的用电设备，如普通照明用的电灯、计算机等都是220V的交流电，机床、水泵等都是380V的交流电，为了使光伏发电产生的电能够用于日常生活和工农业生产，还需要将其产生的直流电能转换为交流电能，这就需要逆变器来完成。1.4.2 1.4.2 并网光伏系统并网光伏系统并网光伏系统是指与公共电网相连的光伏发电系统，主要有大型光伏电站和分布式光伏发电系统两种形式。典型的并网光伏系统如图1-11所示。图1-11 典型的并网光伏系统1光伏阵列 2汇流箱 3直流电缆 4直流配电柜5逆变器 6交流电缆 7交流配电柜及供、输电表和电气连接