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光伏太阳能发电系统概述
返回列表 来源: 电气圈 发布日期: 2021.02.17 浏览次数:
    在能源危机和环境污染的双重压力下,研究开发新能源以解决未来人类对能源的需求已迫在眉睫。新能源主要包括风能、太阳能、海洋能、地热能等。光伏太阳发电系统包括太阳热发电和太阳能光伏发电,其中太阳能光伏发电因为其具有独特优势被全社会公认为当前世界最有发展潜力和前景的新能源技术。光伏发电与传统能源和其他新能源相比,其独特优势如下:太阳能资源十分丰富,储藏量巨大,取之不尽、用之不歇,而且不需要运输;光伏发电原理为光生伏特效应,不涉及机械能转化到电磁能过程,无噪声,不会影响周围居民日常生活;太阳能发电干净、清洁、环保、无污染;光伏组件使用寿命较长,工作稳定、可靠性高;维护成本较低等。综合上述的优点,太阳能发电将会成为当今乃至未来的一种较为理想的发电形式。
        光伏发电系统是利用光伏电池的光生伏特效应,将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。光伏发电系统按照运行方式,主要可分为独立型、并网型和混合型光伏发电系统。其中,并网型光伏发电系统,根据光伏发电系统拓扑结构的不同,可以分为单级式、双级式和多级式光伏并网发电系统。
1  独立性光伏发电系统
        未与电力系统进行并网连接的光伏发电系统称为独立型光伏发电系统。独立型光伏发电系统由光伏电池、DC/DC控制器、DC/AC逆变器和蓄电池等构成,其结构框图如图所示,该系统主要应用于偏远山区、岛屿、基站等地方,下面对各部分的功能做一个简单的介绍。
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(1)光伏电池
        光伏电池的作用是将太阳辐射能直接转换成电能,供负载使用或存贮于蓄电池内备用。太阳能光伏电池按其发展可以分为三代,目前正从第一代基于硅片技术的晶体硅电池向基于半导体薄膜电池技术的第二代薄膜电池过渡,第三代太阳能电池尚处于研发阶段,目标是提高转化效率,降低生产成本。晶体硅太阳能电池可以分为单晶硅和多晶硅太阳能电池,特点是转化效率高、寿命长和稳定好,但是在生产过程中会产生对有环境污染的物质,同时成本也比较高;薄膜电池具有工艺简单、成本低,但是这种电池稳定性差、寿命短、效率低、发展较慢。目前,在太阳能光伏发电系统中所应用的电池大部分是晶体硅光伏电池。
光伏电池是一种直接将光能转变为电能的器件,其输出功率是光照强度、温度的非线性函数,工作机理相当于一个半导体发光二极管。光伏组件模型主要分为物理模型和工程模型,物理模型能够比较精准的反映光伏电池的物理特性,但是,该方法建模时需要光伏电池的内部物理参数;工程模型是对光伏电池输出特性进行简化和变换,得到的模型与生产厂家提供的光伏组件参数对应,模型简单,在研究中被广泛地使用。
光伏电池元典型等效模型如图所示。
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(2)DC/DC转化器
        在太阳能光伏发电系统中DC/DC转换器的基本作用是对蓄电池进行冲发电控制和最大功率点跟踪、直流电压变换。
        随着外界环境因素的变化光伏组件的内阻也随之变化,为了使负载获得最大功率,可以通过在光伏组件和负载之间增加阻抗变换器,实现负载阻抗的匹配。阻抗变换器即DC/DC变换器,通过改变DC/DC变换电路中功率幵关的占空比,来改变等效负载阻值的大小实现阻抗匹配。本文选择Boost变换器完成光伏MPPT过程。光伏发电系统利用Boost变换器实现MPPT控制原理图如图所示。

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在上图中,光伏组件输出电压为Upv,输出电流为Ipv,等效负载电阻为Rpv,负载电阻R,输出电压为UR。设电力电子开关器件为理想元件,根据电力电子技术知识可以推导出:
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由上式可知,当工况发生变化时,经过MPPT控制器的作用,实时调节占空比D,则可以实现光伏电池的内阻与等效负载电阻的匹配,完成光伏MPPT过程。目前传统MPPT算法有恒压法、扰动法和电导增量法,还有基于这些传统MPPT算法的改进算法。近年来,为了提高系统的鲁棒性和控制精度,以神经网络控制、模糊逻辑控制为代表的智能算法引进到了MPPT算法中。各种MPPT算法都有各自的优缺点及相应适用场合。
(3)DC/AC逆变器
        逆变器的作用就是将太阳能光伏电池和蓄电池提供的直流电逆变成正弦交流电,供给交流负载使用。
(4)蓄电池组
        蓄电池组的作用是将太阳能光伏电池发出直流电贮藏起来,供负载使用。
2  并网型光伏发电系统
        光伏并网发电系统是指发电输出端与电网相连接,不是直接与负载的系统,即光伏电池经过逆变后在相应控制下,输出符合并网要求的交流电的光伏发电系统。该系统中逆变器与独立式光伏发电系统的功能不用,其不仅要实现逆变还是实现并网。此外,根据光伏系统拓扑结构的不同,并网光伏发电系统可以分为单级式、双级式和多级式光伏并网发电系统,其中最常见的是单级式、双级式光伏并网发电系统。
        单级式并网系统结构如图2所示,只有一级功率变换装置,此时功率变换器需要实现并网逆变控制、最大功率点追踪等控制功能,控制系统相对复杂,但电路简单、器件少、系统损耗小,常用于大功率光伏并网发电系统。
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        双级式并网系统结构包括两级功率变换器,其中第一级DC/DC环节实现最大功率追踪控制和直流电压变换,第二级DC/AC环节实现逆变控制和并网控制等控制功能。该系统使实现控制功能分配到两个环节上,从而使控制方法相对简单,但增加了效率损耗,常用于中小功率等级的并网发电系统中。
3  混合型光伏发电系统
        在混合发电系统中,除了光伏发电系统外,加入了其他类型的发电装置,比如风力发电系统,内燃机、燃料电池等。其中比较典型的是风光互补发电系统,其结构框图如图所示。
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        风光互补发电系统中风力发电机组和光伏电池可以同时供电,在资源上可以弥补风力发电系统和光伏发电系统的缺陷,可以实现昼夜互补、季节互补,从而大大提高系统供电的可靠性。

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