太阳能并网光伏发电系统毕业设计论文

自学考试毕业论文

题目太阳能并网光伏发电系统

专业光伏材料及应用

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2013 年 04 月

光伏发电并网控制技术设计

摘要

随着化石能源消耗的不断增长，世界性的能源危机和环境问题已经日益突出。在绿色可再生能源中，太阳能凭借其存储量无限、清洁安全以及易于获取等独特优点而受到了世界各国科研领域的普遍关注，太阳能光伏发电技术的应用更是普遍关注的焦点。所以，迫切需要对新的能源进行开发和研究。而太阳能的利用近年来已经逐渐成为新能源领域中开发利用水平高，应用较广泛的能源，尤其在远离电网的偏远地区应用更为广泛。

本文主要对光伏并网发电系统作了分析和研究。论文首先介绍了太阳能发电的意义以及光伏并网发电在国内外的应用现状。其次，对太阳能发电系统的特性和基本原理分别做了具体分析，并对系统各组成部分的功能进行了详细的介绍。接着，对光伏并网中最重要部分——逆变器进行研究。再次，提出光伏并网发电系统的设计方案。最后，对光伏并网发电系统的硬件进行设计。并网光伏发电充分发挥了新能源的优势，可以缓解能源紧张问题，是太阳能规模化发展的必然方向。我国政府高度重视光伏并网发电，并逐步推广＂屋顶计划＂，太阳能并网发电正在由补充能源向新能源方向迈进。

关键词：能源；太阳能；光伏并网；逆变器

目录

摘要 ............................................................................................................................................................. I 第一章太阳能光伏产业绪论.. (1)

1.1 光伏发电的意义 (1)

1.2 光伏并网发电 (1)

第二章太阳能光伏发电系统 (5)

2.1 太阳能光伏发电简介 (5)

2.2 太阳能光伏发电系统的类别 (5)

2.3 太阳能光伏发电系统的发电方式 (6)

2.4 影响太阳能光伏发电的主要因素 (7)

第三章并网太阳能光伏发电系统组成 (10)

3.1 并网光伏系统的组成和原理 (10)

3.2 光伏电池的分类及主要参数 (11)

3.3 光伏控制器性能及技术参数 (13)

3.4 光伏逆变器性能及技术参数 (15)

第四章发展与展望 (18)

4.1 发展与展望 (18)

全文总结 (20)

参考文献 (21)

致谢 (22)

第一章太阳能光伏产业绪论

1.1光伏发电的意义

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位并且得到广泛的应用。

随着人类社会的不断发展，人们的经济及文化活动需要大量的能源。目前，人类利用的电能主要有三种，即火电、水电和核电。但是由于化石燃料的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济、社会发展的需要，并且由于蕴藏量有限，矿物能源正面临着枯竭的危险。

另外，由于燃烧煤、石油等化工燃料，每年有数十万吨硫等有害物质排向天空，使大气环境遭到严重污染，同时由于大量排放二氧化碳等温室气体而使地球产生明显的温室效应，引起全球气候变化；水力发电受到水力资源的限制和季节的影响，并且有时会破坏当地的生态平衡；核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样十分严重，并且核废料的处理直至今天仍然是一个全球性待解决的问题。因此，随着社会的进步和经济的发展，以及人们对能源提出越来越高的要求，寻找新能源己经是当前人类面临的迫切课题。太阳能以其清洁、无污染，并且取之不尽、用之不竭等优点越来越得到人们的关注。全球能源专家一致认定:太阳能将成为21世纪最重要的能源之一。据欧洲JRC预测，到未来的2100年时，太阳能在整个能源结构中将占68%的份额。

20世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大突破:一是在光伏利用方面，1954年美国贝尔实验室研制出效率为6%的实用型单晶硅电池；二是在光热利用方面，1955年以色列的Tabor提出选择性吸收面表概念和理论，并研制成功选择性太阳吸收涂层。这两项突破既是人类利用太阳能进入高技术阶段的标志，也是又一代新能源变革的划时代标志。

随着太阳电池研究的快速进程和转换效率的不断提高，发电成本已经呈现快速下降趋势，可以预料，太阳能光伏发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。

1.2光伏并网发电

1.2.1 并网发电是太阳能光伏利用的发展趋势

光伏发电有离网和并网两种工作方式。过去，由于太阳电池的生产成本居高不下，

光伏发电多数被用于偏远的无电地区，而且以户用及村庄用的中小系统居多，都属于离网型用户。但是近年来，光伏产业及其市场发生了极大的变化，开始由边远农村地区逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进，太阳能己经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是下一代“替代能源”。

1998年7月6日－1O日在奥地利维也纳召开的“第二届国际太阳能光伏会议”上，有关光伏发电的论文共313篇，其中专门论述“光伏并网发电系统”的论文竟达161篇，占论文总数的51.44%，由此也可窥见一斑，光伏并网发电系统的研究已经成为世界之热点和需要，表明太阳能并网发电技术己经进入了一个新的历史阶段，它同时也是光伏发电领域研究的前沿。

光伏发电的这种迅猛发展是必然的，只有进入电力系统的规模应用，才能真正对于缓解能源紧张和抑制环境污染起到积极的作用。同时，光伏产业的规模发展还将为社会提供可观的社会就业机会。

1.2.2 国外光伏并网发电的发展和现状

光伏并网发电开始于80年代初，美国、日本、德国、意大利都为此作出了努力。按照当时认识，建造的都是较大型的光伏并网电站，规模从1OOKW到1MW不等，而且都是政府投资的试验性电站。试验结果在发展相应的技术方面是成功的，但在经济性方面却并不十分令人鼓舞，主要是由于太阳电池成本过高，虽然具有明显的减排等环境效益，但其发电成本却很难让电力公司接受。

90年代以来，国外发达国家重新掀起了发展光伏并网系统的研发高潮，这次的重点并未放在建造大型并网光伏电站方面，而是侧重发展“屋顶光伏并网系统”.人们认为，屋顶光伏并网系统不单独占地，将太阳电池安装在现成的屋顶上，非常适应太阳能能量密度较低的特点，而且其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，有利于普及，有利于战备和能源安全，所以受到了各国的重视。

许多其他发达国家也都有类似的光伏屋顶并网发电项目或计划，如荷兰、瑞士、芬兰、奥地利、英国、加拿大等。属于发展中国家的印度也在1997年12月宣布到2020年将建成150万套太阳能屋顶并网发电系统。

许多统计资料表明，近几年世界光伏并网发电市场发展迅速，光伏并网发电的装机容量从1996年的7MWp已上升到2000年14OMWp，光伏并网发电在光伏行业中的市场比例也从1996年的1O%上升到2000年的50%。随着光伏并网发电系统技术的不断完善和经济性的提高，其市场占有率将始终保持在50%左右。据比较权威的世界能源年鉴报道，

2000年光伏并网发电占世界光伏产业总产值的比例如图1-1所示。

图1-1 2000年光伏并网发电占世界光伏产业总产值的比例

在技术方面，专用逆变设备和相关系统的最佳配置涉及到多项技术。美国、德国、荷兰、日本、澳大利亚等国家在光伏屋顶计划的激励下，许多企业和研究机构成功地推出了多种不同拓朴结构的逆变器。据1998年世界可再生能源企业年鉴报道，世界上能提供屋顶光伏并网服务的企业已经超过200家(我国和印度未有企业被列入)，其中有如美国的Trace、SOlarex，荷兰ECN和Mastervolt，日本的Kyoeera、Fuji，澳大利亚的AEG，德国的Siemens，意大利的Enel等，这些都明示着光伏并网发电系统产业已经是世界范围内一个蓬勃发展的高新技术产业，它和光伏器件(主要是太阳电池)同时并列为光伏产业的两大支柱.

在光伏并网发电的行业标准方面，虽然现在还没有IEC(国际电工委员会)标准，但各国都颁布了相应的试行标准，如美国SANDIA国家实验室的光伏并网发电系统标准等。

总之，从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代能源的角色进入电力市场，而并网发电将是光伏发电进入电力市场的必由之路。

1.2.3 我国迫切需要发展光伏并网发电技术

我国太阳能资源非常丰富，大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，理论储量达每年1.7万亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。从全国太阳年辐射总量的分布来看，青藏高原和西北地区、华北地区、东北大部以及云南、广东、海南等部分低纬度地带均为太阳能资源丰富或较丰富的地区。

我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔。第一，我国有荒漠面积100余万平方公里，主要分布在光照资源丰富的西北地区，如果利用荒漠安装并网太阳能发电系统则

可以提供非常可观的电量。第二，太阳电池组件不仅可以作为能源设备，还可作为屋面和墙面材料，既供电节能，又节省了建材，具有良好的经济效益。第三，迄今我国边远地区仍有较多居民尚未用电，如果单纯依靠架设电网供电，则成本高，建设周期长，不经济。太阳能发电无需架设输电线路，且建设周期短，可以有效解决边远地区用电的难题。

我国政府对太阳能产业也给予了充分的扶持。2006年1月，《中华人民共和国可再生能源法》正式实施，此法在资源调查与发展规划、产业指导与技术支持、推广与应用、价格管理与费用分摊、经济激励与监督措施、法律责任等方面做出了规定。随后，国家又陆续出台了《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》、《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》等支持可再生能源发展的实施细则，使国家在可再生能源领域方面的扶持政策日趋明朗化。这一系列法律、政策无疑有力的支持了我国太阳能发电产业的发展。

近20年来，我国太阳能发电产业长期维持在全球市场1%左右的份额。2005年后，产业有了突飞猛进的发展，无锡尚德、天威英利、新光硅业、赛维LDK、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司纷纷进入成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，企业竞争力不断增强。而且，浙江、保定、四川等地的公司已经开始多晶硅太阳电池的生产或试车，市场上形成了单晶硅和多晶硅两种主打电池产品的局面。目前，我国非多晶硅薄膜电池产业也展现出迅猛发展的势头，很多国内公司通过与国外公司的合作已经开始进行或计划进行非多晶硅薄膜电池项目的投资。

第二章太阳能光伏发电系统

2.1太阳能光伏发电简介

光伏发电是利用光生伏打效应，使太阳光辐射能转变成电能的发电方式，是当今太阳光发电的主流。太阳光发电是无需通过热过程直接将光能转变为电能的发电方式，它包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。

光伏效应就是当物体受到光照射时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。早在1839年，法国物理学家贝克勒尔意外地发现，用两片金属浸人溶液构成的伏打电池，在受到阳光照射时会产生额外的伏打电势，他把这种现象称为光生伏打效应。后来有人发现当太阳光或其他光照射半导体的PN结时，就会在PN结的两边出现电压，叫做光生电压，如果使PN结短路，就会产生电流。人们把能够产生光生伏打效应的器件称为光伏器件。由于半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称光电池或太阳电池。太阳能电池是太阳能光伏发电的核心组件。1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，由此诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。近年来太阳能电池的转换效率得到提高，光伏发电技术逐渐成熟。

2.2太阳能光伏发电系统的类别

太阳能发电系统可区分为两大类别，一是独立系统，二是系统联系系统（或称为与交流电网联系系统）。独立系统是太阳能发电系统的最基本的形式，又称为太阳能发电的原型系统。这种系统多用于远离市区（无人操控）的海上灯塔、浮标、山顶的无线中继电台等，作为供电电源。系统如图2-1所示。图中，由太阳能电池阵列输出的直流功率直接供给负荷。如果负荷是交流的，则还须将直流电通过逆变器变换为交流电。此外，输出的直流能量还同时供蓄电池充电。由于负荷的电压经常会产生波动，故还应设置控制器以调节电压。

太阳能电池

阵列逆变器交流负荷

蓄电池

直流电交流电太阳光

图2-1 太阳能发电系统的基本结构（原型）

与电网（系统）联系系统的构造如图2-2所示。该系统的特点是当太阳能电池阵列发出的电功率超过负荷需要时，

可以通过自动控制输向交流市电电网，即向电力公司卖出电力。从电力系统的术语来说，称为“逆潮流”运行或通俗地称为“卖电”。反之，对电力公司来说正常运行是向用户供电，称为“正潮流”。系统联系型太阳能发电系统的优点是，当阴雨天气或夜间太阳能发电量不足时，可以通过系统联系直接向市电电网买电。系统联系系统的另一重要优点是可以取消蓄电池，使成本降低，且加强了供电的稳定性和可靠性。

太阳能电池

阵列直流电逆变器电力网

交流电太阳光

交流负荷

图2-2 太阳能发电系统结构图

2.3 太阳能光伏发电系统的发电方式

太阳能发电方式太阳能发电有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

（1）光—热—电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光—热转换过程；后一个过程是热—电转换过程，与普通的火力发电一样.太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，估计它的投资至少要比普通火电站贵5～10倍.一座1000MW 的太阳能热电站需要投资20～25亿美元，平均1kW 的投资为2000～2500美元。因此，目前只

能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算，还不能与普通的火电站或核电站相竞争。

（2）光—电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵(图2-3)了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点.太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的太阳能光伏发电方式有两种方式，一种是光—热—电转换方式，另一种是光—电直接转换方式。

图2-3太阳能电池方阵

2.4 影响太阳能光伏发电的主要因素

太阳能的利用主要是利用到达地面的太阳辐射。太阳辐射可分为两种。一种是从光球表面发射出来的光辐射，因为它以电磁波的形式传播光热，所以又叫做电磁波辐射，这种辐射由可见光和不可见光组成。另一种是微粒辐射，它是带正电荷的质子和大致等量的带负电荷的电子以及其他粒子所组成的粒子流，微粒辐射平时较弱，能量也不稳定，在太阳活动极大期最为强烈，对人类和地球高层大气有一定的影响，但是一般来说不等它辐射到地球表面上来，便在漫长的日地遥远的路途中逐渐消失了。为此太阳辐射主要