电力电子技术在光伏发电中的应用及原理

电力电子技术在光伏发电中的应用及原理

电力电子技术在光伏发电中的应用及原理 2011年4月21日 1、光伏发电的现状及发展 2、光伏发电的基本原理 3、太阳能光伏系统的组成 4、光伏直流变换电路 5、光伏发电逆变电路 6、光伏发电中电力电子技术的发展 1 、光伏发电的现状及发展 现今世界能源结构正在发生巨大的变革。以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限，清洁干净的可再生能源为主的多样性，复合型的能源结构。太阳能作为一种新兴的绿色能源，以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点，正得到迅速的推广应用。 随着太阳能光伏发电应用的发展，太阳能光伏发电已经不再只是作为偏远无电地区的能源供应，而是向逐渐取代常规能源的方向发展。在国外，并网发电逐渐成为太阳能光伏发电的主要应用领域，太阳能光伏产业已经逐渐形成，并持续高速发展。 1 、光伏发电的现状及发展 1.1 国外光伏发电的发展 目前国外并网逆变器技术发展十分迅速。目前的研究主要集中在svpwm技术、数字锁相控制技术、数字dsp控制技术、最大功率点跟踪和孤岛检出技术，以及综合考虑以上方面的系统总体设计等。国外的有些并网逆变器还设计同时具有独立运行和并网运行功能。其光伏市场市场占有率快速增长。最近几年，全球的光伏总装机容量更是以指数的形式攀升。 2001 年 -2010 年全球光伏发电装机容量 1 、光伏发电的现状及发展 2008年全球光伏并网系统装机总容量约5.8GW ；根据最新的市场数据，2009年全球光伏系统装机总容量（并网+离网）约为6.43GW。 尽管全球的光伏发电总装机容量大幅攀升，但这些数据主要是通过发达国家支撑起来的，他们在全球光伏装机容量中占有很大的比例 2009 年全球主要光伏市场分布图 从图中可以看出仅德国一国就占了全球装机容量一半以上。而我国的装机量所占的比重还很少。 1 、光伏发电的现状及发展 1.2 我国光伏发电的现状 根据中国电力科学院预测，我国电力供应缺口在2010年和2020年分别为3700万千瓦和1亿千瓦发展可再生能源是未来能源发展的必由之路.尽管我国光伏装机容量不大，但近几年也是紧跟国际形势，发展异常迅速。 历年装机和累计装机情况 1 、光伏发电的现状及发展 目前国内太阳能光伏应用仍以独立供电系统为主，但并网系统近年来也是异军突起。 1 、光伏发电的现状及发展 我国的太阳能光伏发电与欧洲等国家以“分散开发、低电压就地接入”的发展方式不同，呈现出“以大规模集中开发、中高压接入”与“分散发低电压就地接入”并举的发展特征。 最近三年每年安装量都超过百分之百，但我们不得不承认，由于基数小，总量远低于日本，欧洲和美国等国。 2、光伏发电的基本原理 光伏发电主要是以半导体材料为基础，利用光照产生电子-空穴对，在 PN结上可以产生光电流和光电压的现象（光伏效应），从而实现太阳能光电转换的目的。 太阳能电池的基本工作原理是光电效应 。 3、太阳能光伏系统的组成和应用 太阳能光伏电池所发出的电能是随太阳光辐照度、环境温度、负载等变化而变化的不稳定直流电, 是难以满足用电负载对电源品质要求的“粗电”,为此需要应用电力电子变流技术对其进行直流-直流(DC-DC)或直流-交流(DC-AC)变换,以获得稳定的高品质直流电或交流电供给负载或电网 3、太阳能光伏系统的组成和应用 独立供电的太阳能光伏系统的结构框图一般如图a所示。整个光伏系统由太阳能电池、蓄电池、负载和控制器组成。系统各部分容量的选取配合，需要综合考虑成本、效率和可靠性。在与负载容量配合时，应该考虑到连续阴天的情况，对系统容量留出一定裕度。 与独立供电的光伏系统相比，并网系统一般都没有储能环节，直接由并网逆变器接太阳能电池和电网，如图b所示。并网逆变器的基本功能是相同的。那就是，在太阳能电池输出较大范围内变化时，能始终以尽可能高的效率将太阳能电池输出的低压直流电转化成与电网匹配的交流电流送入电网。太阳能电池输出的大范围变动，主要原因是白天日照强度的变化，范围在200w/m2到1000w/m2之间。 典型光伏发电系统基本结构 3、太阳能光伏系统的组成和应用 农村电气化光伏应用 ( 村落电站、户用电源、光伏水泵等） 3、太阳能光伏系统的组成和应用 通信和工业应用(通信、铁路、气象、阴极保护、航标等） 3、太阳能光伏系统的组成和应用 光伏产品和商品 (太阳能路灯、草坪灯、交通信号灯、 太阳能电车、广告牌、电子产品等） 4、光伏直流变换电路 光伏直流变换电路的主要功能是：实现“最大功率点跟踪(MPPT)”。即：随着天气(辐照度、温度)变化,实时调整负载的伏安特性使其相交于光伏电池伏安特性的最大功率输出点处,降低负载失配功率损失。 光伏电池是一种输出特性迥异于常规电源的直流电源,对电压接受型负载(如蓄电池)、电流接受型(如永磁直流电动机)、纯阻性负载3种不同类型的负载,其匹配特性也迥然相异。 光伏直流变换电路主要有脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)两种方法,其中,PWM为常用控制方法。光伏直流变换器主电路分直接变换(直流斩波器,无变压器隔离)和间接变换(开关电源型DC/DC变换器,有变压器隔离)两大类，如下。 4、光伏直流变换电路 Buck 变换器电路 Boost 变换器电路 Buck电路中，S、D、L、C 组成降压斩波器, 调节S的开通占空比可调节负载电压, 以调节光伏阵列工作点。设置CS是为了保证光伏阵列输出电流连续,以免发电功率损失。结构简单、效率高、易控制。 Boost变换器电路中，L、S、D、C组成升压斩波器。当S开通时, L储能; S关断时, L所储磁能转化成的感应电压与光伏阵列输出电压串联相加向负载供电, S的开通占空比增大时输出电压增大。适当调节占空比,可调整光伏阵列输出电压, 使其处于最大功率点电压,且该电路可将光伏阵列输出电压升高。结构简单、效率高、易控制,但不能进行降压变换。 4、光伏直流变换电路 单端正激变换器 单端反激变换器 单端正激电路中，在S开通时, 光伏阵列经变压器T向C、R馈电, 调节占空比或T的变比, 可调节输出电压, 多用于小容量的降压电路。需采取磁芯复位措施。 单端反激电路中，在S关断时, 光伏阵列经变压器T向C、R 馈电。具有元件少、易实现多路输出的优点。但变压器的励磁电流仍为单向。 4、光伏直流变换电路 Buck(降压)、Boost(升压)主电路是最基本的变换器拓扑,由此可派生出多种组合结构。 带高频变压器隔离的多种间接变换器拓扑分别派生于各基本DC-DC变换器,亦称为直-交-直变换器,其克服了直流斩波器输入输出不隔离、输入输出电压或电流比受限制、不能实现多路输出的局限,常用于直流光伏输电线路、逆变器和负荷间的电压匹配变换等场合。表中的全桥、半桥、正激、推挽变换器是基于Buck的隔离变换器拓扑;反激式变换器则是Buck-Boost变换器的隔离方案。 5、光伏逆变电路 “逆变”是将直流电变换为极性周期改变的交流电,其为“整流”的“逆向”过程。离网型光伏发电系统中的逆变器多采用电压源型逆变器。随着全控型电力电子器件和脉宽调制技术的进步, 采用桥式主电路、以标准正弦波作为PWM调制波的正弦脉宽调制(SPWM)技术是目前应用最广泛的电压源逆变器控制技术,为了使逆变器输出电压滤波后尽量正弦化, 出现了选择性消谐波等优化的PWM技术。在此基础上,进一步出现了以控制输出电流正弦化为目标的电流瞬时值滞环跟踪PWM控制技术和针对三相桥式电压型逆变器的电压空间矢量PWM(SVPWM )技术。 SVPWM具有直流电压利用率高、动态响应快、开关损耗低、输出电压波形的总谐波畸变率低等优点,在三相电压型逆变器控制中的应用日益广泛。 5、光伏逆变电路 离网型光伏发电逆变电路 离网型光伏发电逆变电路一般采用电压源型逆变器。下图为单相桥电压源型逆变器和三相桥电压源型逆变器结构示意图。 离网型三相光伏发电系统中的逆变器主要有两种形式:其一,采用左图所示的三个单相全桥逆变器组合(例如并联)为三相电压源逆变器, 其存在元器件多、成本高、体积大的缺点; 其二,采用三相桥式电压源型逆变器, 其利用三桥臂构成的变换器取替三组单相全桥逆变器, 具有结构简单、成本低、体积小的优点, 应用广泛。 单相电压源型逆变器主电路 三相桥电压源型逆变器 5、光伏逆变电路 高频隔离系统 5、光伏逆变电路 高频隔离系统的优点： 同时具有电气隔离和重量轻的优点 系统效率在93％左右 高频隔离系统的缺点： 由于隔离DC/AC/DC的功率等级一般较小，所以这种拓朴结构集中在2KW以下 高频DC/AC/DC的工作频率较高，一般为几十KHz或更高，系统的EMC（电磁兼容）比较难设计 系统的抗冲击性能差 5、光伏逆变电路 高频不隔离系统 5、光伏逆变电路 高频不隔离系统的优点： 和直接逆变系统拓朴结构类似，由于省去了笨重的变压器， 具有高效率、重量轻的优点 同时加入了 Boost 电路用于 DC/DC 直流输入电压的提升，太阳电池阵列的直流输入电压范围可以很宽 高频不隔离系统的缺点： 太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压 使用了高频 DC/DC ， EMC 设计难度加大 可靠性较低 5、光伏逆变电路 光伏发电低压侧并网概念 直接接入低压配电网 400V 自发自用 分为可逆流 / 不可逆流系统 节省部分配电成本、全部变压器成本 充分利用了原变压器容量，分摊了变压器损耗 可实现快速的设计、施工、调试、并网 低压侧并网技术 光伏发电低压侧并网：是近期光伏发电系统接入电网的 主要方式 5、光伏逆变电路 低压侧并网结构图 5、光伏逆变电路 直接逆变系统的优点 由于省去了笨重的工频变压器，重量轻、结构简单 特高的效率（ 98% 左右） 直接逆变系统的缺点 : 太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压，对人身安全不利 直流侧 MPPT 电压需要大于 350V 。对于太阳电池组件乃至整个系统的绝缘有较高要求，容易出现漏电现象 单相直接逆变系统 5、光伏逆变电路 单相工频隔离系统 5、光伏逆变电路 单相工频隔离系统的优点： 由于使用工频变压器进行电压变换和电气隔离,系统结构简单、可靠性高 抗冲击性能好、安全性能良好 直流侧MPPT电压等级一般在220V-600V 单相工频隔离系统的缺点： 系统效率相对较低 体积较大，笨重 5、光伏逆变电路 多 DC-DC （ MPPT ）单逆变系统 5、光伏逆变电路 多DC-DC（MPPT）单逆变系统优点： 由于具有多个DC-DC电路，适合多个不同倾斜面阵列接入，即阵列 1～n可以具有不同的MPPT电压，十分适合应用于光伏建筑 多DC-DC（MPPT）单逆变系统缺点： 太阳电池板与电网没有电气隔离，太阳电池板两极有电网电压 使用了高频DC/DC，EMC设计难度加大 可靠性较低 5、光伏逆变电路 半桥逆变技术系统 优点：注入电网的直流分量较小、电路简单 缺点：功率器件利用率低 5、光伏逆变电路 升降压 DC/DC+ 工频逆变 5、光伏逆变电路 三个单相逆变器组成的三相系统 5、光伏逆变电路 三相逆变技术 5、光伏逆变电路 多重叠加技术 5、光伏逆变电路 组件并联、逆变器逐个并联方式 系统工作方式：早晨弱光时由几台逆变器中随机一台开始工作。当第一台满功率时接入第二台逆变器，依次投入。傍晚弱光时逐台退出。 优点：低空载损耗，充分利用了太阳能。 逆变器轮流工作，延长寿命。 缺点：光伏阵列全部并联，并联损耗较大，且只能用一种型号 5、光伏逆变电路 共用变压器低压侧逆变并网技术 优化直流母线电压、升压变压器配置和变比，避免重复升压，提高系统效率，优先考虑当地用电负荷，避免过多电能的远距离传送. 6、光伏发电中电力电子技术的发展 光伏发电中的多电平逆变器 在交流大功率变换领域,常采用开关器件串/并联、多重化(功率变换装置串/并联)及多电平变换等技术以解决电力电子器件耐压与功率变换电压等级的矛盾,其中,多电平变换技术已成为研究热点。传统的逆变器亦称为二电平逆变器,其在一个开关周期内逆变桥臂的相电压输出电平仅为二电平。多电平技术源于日本学者1981年提出的中点箝位型多电平逆变电路。目前,多电平逆变电路主要有二极管箝位型、电容箝位型和独立直流源级联型3种拓扑类型。光伏阵列可灵活组合,故光伏并网系统易实现3电平和级联方式并网以改善并网电流波形。为了解决阴影问题和光伏模块之间不匹配问题,一些学者提出采用二极管箝位型多电平逆变器、级联H 桥型变换器实现独立控制每一个光伏模块,使其各自工作在最大功率点,从而提高系统效率, 减少输出电压谐波。 5、光伏逆变电路 三电平、半桥逆变技术 5、光伏逆变电路 DC/DC+ 三电平逆变技术 6、光伏发电中电力电子技术的发展 5 、光伏发电中电力电子技术的发展 Z 源逆变器结构示意图 Z源逆变器的直流侧储能电路是由电感、电容组成的对称交叉型阻抗源网络,其结合了传统电压源型、电流源型逆变器直流侧缓冲和储能电路的特点,从而满足了逆变电路桥臂可开路和短路的条件,克服了传统逆变器的局限 因Z源逆变器可靠性高、效率高、结构简单,且具有升降压变换功能,故在光伏发电系统中应用前景广阔 结 束 谢谢