分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計

第一章緒論1.1課題選取的背景和意義1.1.1課題的研究背景隨著科學(xué)技術(shù)的大幅度發(fā)展，能源與環(huán)境問題也在人們的愿景中得到了強調(diào)。由于能源對人類發(fā)展和進(jìn)步起著極其重要的作用，開發(fā)和利用可再生能源成為能源關(guān)系中一個日益重要的問題。當(dāng)陽光射向由半導(dǎo)體二極管組成的光伏電池時，其光伏陣列吸收光能量，并通過一種簡單的光生伏特效應(yīng)過程轉(zhuǎn)化發(fā)電。與傳統(tǒng)的能源發(fā)電不同，光伏作為一種新能源，在生產(chǎn)過程中不需要消耗煤炭、天然氣等資源，也不會排放污染環(huán)境的有害氣體，而是采用新的發(fā)電方式，更加綠色、環(huán)保、減排。光伏作為清潔能源已經(jīng)成為電能領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容，同時被認(rèn)為具有廣闊應(yīng)用前景，廣泛應(yīng)用于航空航天、通訊、農(nóng)業(yè)、基礎(chǔ)設(shè)施、交通、辦公大樓等領(lǐng)域。圖1-1我國太陽能資源分布圖如圖1-1所示，作為開發(fā)和利用太陽能的重要基礎(chǔ)，由于我國地處北半球，太陽能在我國具有獨特的優(yōu)勢。該地區(qū)有三分之二的區(qū)域擁有豐富的太陽能，每年太陽輻射超過1389kWh/m2，日照小時數(shù)超過兩千多個小時。特別是中部和西部地區(qū)，由于它們的光照條件好，預(yù)計年平均日輻射量可達(dá)5kW/m2，截至2018年底，全國的光伏發(fā)電裝機容量已經(jīng)達(dá)到了17446萬KW，是2014年累計裝機容量的15倍左右。到目前為止，我國的光伏發(fā)電裝機容量位居世界首位，占全國總裝機容量的比例從2004年的1.73%上升到2018年的20%。2019年，隨著光伏在我國得到快速發(fā)展，相關(guān)政策也隨之日趨完善，技術(shù)水平在逐步提升，發(fā)電成本得到了有效的控制，與此同時，西北地區(qū)嚴(yán)重的棄風(fēng)棄電問題得到有效遏制，太陽能發(fā)電的重點也開始向中部、東部和南部地區(qū)轉(zhuǎn)移。隨著集中式光伏電站發(fā)展的放緩，分布式光伏電站開始支撐起光伏產(chǎn)業(yè)的繼續(xù)健康發(fā)展。2019年新增并網(wǎng)容量超過30GW，形成了集中式新能源發(fā)電和分散孤島運行相結(jié)合的新格局。分布式光伏發(fā)電裝機容量占全部光伏新增裝機的1/3以上。1.1.2課題的研究意義因此，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)對人口眾多的我國來說非常重要。大力發(fā)展綠色清潔能源，是人類可持續(xù)發(fā)展的必經(jīng)之路。只有通過實施可持續(xù)發(fā)展能源戰(zhàn)略，才能實現(xiàn)經(jīng)濟和社會的快速發(fā)展，在“最低能源消耗，最低環(huán)境污染”的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)生活水平的提高。我國經(jīng)濟發(fā)展存在區(qū)域不平衡，對于農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)，農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)和山區(qū)來說，建設(shè)集中式配電網(wǎng)，將會遇到建設(shè)時間長、資金投入大等困難，這些地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展將會因此收到限制，加深經(jīng)濟發(fā)展的不均衡。這些地區(qū)擁有豐富的太陽能資源，而分布式光伏發(fā)電的發(fā)展可以彌補集中式發(fā)電的不足。光伏發(fā)電作為我國新興產(chǎn)業(yè)具有重要的戰(zhàn)略意義，光伏發(fā)電得到廣泛應(yīng)用，對于改善能源結(jié)構(gòu)、確保能源安全、優(yōu)化生態(tài)環(huán)境、以及轉(zhuǎn)變城鄉(xiāng)能源消費方式都具有重大的戰(zhàn)略意義?？偠灾?，分布式光伏發(fā)電的研究對于經(jīng)濟發(fā)展和人類科技進(jìn)步具有深遠(yuǎn)意義。該系統(tǒng)的研究將有助于提高分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的可靠性,解決分布式光伏發(fā)電中的技術(shù)問題,對推動分布式光伏發(fā)電的推廣和整體效益具有深遠(yuǎn)意義。1.2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢光伏發(fā)電與國內(nèi)外的市場份額相比較2010年全球光伏發(fā)電并網(wǎng)總裝機容量為127億KW，當(dāng)時全球光伏發(fā)電才剛剛起步，到2020年，全球光伏發(fā)電裝機總量有望達(dá)到42GW。但是，僅僅2016年，全球新增光伏發(fā)電裝機容量就已約為66.7GW。由此可見，光伏發(fā)電發(fā)展迅速。在國外，澳大利亞20%的家庭擁有光伏系統(tǒng)，德國50%的家庭擁有光伏系統(tǒng)，但在中國，雖然它有2億的農(nóng)村宅基地和500萬棟別墅，但是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的市場率只有1%，在國內(nèi)市場，光伏還有很大的增長空間。

全球各區(qū)域政府補貼方式對比：

2013年，德國的政策是，光伏發(fā)電系統(tǒng)在500KW以下，可以采用“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的政策；而光伏發(fā)電系統(tǒng)在500KW以上時，則采取上網(wǎng)電價政策。項目超過2MW不予補貼。由于政府補貼，08~10年，德國的分布式發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)爆發(fā)式增長，德國分布式的裝機量在13年就占據(jù)光伏發(fā)電的75%。圖1-2德國分布式增長趨勢圖日本：由于日本的上網(wǎng)電價補貼政策十分高昂，導(dǎo)致了日本光伏發(fā)電快速增長，這一切都是由于2011年的福島核電危機，導(dǎo)致日本民眾和政府都特別重視新能源，特別是太陽能發(fā)電，所以日本對新能源采取高額補貼政策，上網(wǎng)電價達(dá)到了42日元，約合2.57元。美國：作為發(fā)達(dá)國家，其政府扶持的光伏發(fā)電的政策主要體現(xiàn)在投資方面，包括直接投資補貼、投資稅收減免、加速折舊等一系列優(yōu)惠政策。中國臺灣：2009年，臺灣地區(qū)發(fā)布了《關(guān)于可再生能源發(fā)展條例》，條例中對可再生清潔能源實行上網(wǎng)電價統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，并明確規(guī)定了可再生能源并網(wǎng)和全額上網(wǎng)進(jìn)行強制性義務(wù)。實施期限為20年，進(jìn)行統(tǒng)一電價。臺灣的標(biāo)準(zhǔn)電價采取的方法是競標(biāo)機制相結(jié)合和項目竣工時整購費率基準(zhǔn)和，30KW的分布式光伏電站以下免于競價。這種做法加速了光伏電站的快速發(fā)展。圖1圖1-3臺灣分布式增長趨勢圖中國：中國政府在2013年的《促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知》，做出了關(guān)于光伏發(fā)電度電補貼0.42元/度的規(guī)定，原則上20年不變。并劃分了三類光伏發(fā)電資源區(qū)的售電價格。圖1-4中國分布式光伏發(fā)電累計裝機趨勢圖1.3課題的主要研究內(nèi)容無論是在能源結(jié)構(gòu)與智能電網(wǎng)發(fā)展的基礎(chǔ)上，還是在《光伏發(fā)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》的政策，研究分布式并網(wǎng)光伏注定成為一項熱門。但由于我國光伏發(fā)電的應(yīng)用技術(shù)起步相較于歐美國家比較晚，對分布式光伏發(fā)電研究仍處于發(fā)展階段初期，本文以現(xiàn)有的光伏政策引導(dǎo)下，參考閱讀大量的參考文獻(xiàn)，以求真務(wù)實、科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，針對分布式光伏發(fā)電的硬件配置，作為專項研究，設(shè)計一整套分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，并對比需要考慮的參數(shù)和數(shù)據(jù)，為分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)項目提供參考價值。本文主要研究內(nèi)容分別由：光伏發(fā)電系統(tǒng)原理、光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)、.分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真。針對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)原理的分析重點概述了光伏電池原理、分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計、分布式光伏發(fā)電結(jié)構(gòu)，并且從光伏發(fā)展條件分析入手，分析分布式光伏發(fā)電的未來的發(fā)展趨勢。第二章分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)分析2.1分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)常見的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，一般有戶用家庭光伏、光伏車棚、工商業(yè)光伏系統(tǒng)等，指的是靠近用電現(xiàn)場配置較小或者在用戶現(xiàn)場的光伏發(fā)電供電系統(tǒng)，既要支持現(xiàn)有電網(wǎng)的經(jīng)濟運行，又要滿足用戶特定的需求，或者同時滿足這兩個要求。圖2-1分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計原理2.1.1分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)備包括組件、支架、光伏逆變器、交流配電柜、直流匯流箱、直流配電柜等設(shè)備，以及環(huán)境監(jiān)測裝置設(shè)備和供電系統(tǒng)監(jiān)控裝置。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作方式，是通過太陽輻射照射到光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池組件陣列上，由太陽輻射能轉(zhuǎn)化為輸出電能，電能再通過直流匯流箱接入到光伏逆變器逆轉(zhuǎn)換為交流電源，最后再接入到并網(wǎng)配電箱，以此接入電網(wǎng)，可以直接賣電，也可供給建筑自身負(fù)載，“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”。2.1.2光伏電池光伏電池是分布式光伏系統(tǒng)的基本組成部分，由串聯(lián)組成了光伏組件。假設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)是個體，那么可以把光伏電池看作是人的細(xì)胞組成，把光伏組件當(dāng)做是人的各種器官。只有當(dāng)細(xì)胞正常健康時，器官才夠能正常運轉(zhuǎn)。因此，太陽能電池性能的優(yōu)劣決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。所以當(dāng)我們在設(shè)計分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的時候，最先考慮的問題就是使用哪種類型的太陽能電池。太陽能電池種類繁，最開始是單晶硅、多晶硅電池主導(dǎo)市場，現(xiàn)在非晶硅、銅銦鎵硒等薄膜電池后來居上開始引領(lǐng)著光伏產(chǎn)業(yè)。本章針對太陽能電池的種類，以及發(fā)電原理；逐個分析不同類別的太陽能電池的特點、優(yōu)缺點進(jìn)行說明。便于讀者在對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計時，可以靈活地選擇。太陽能電池的工作原理：當(dāng)太陽光輻射到PN結(jié)上時，半導(dǎo)體通過了光的輻射能，獲取了能量。當(dāng)束縛電子的能量被產(chǎn)生的能量超過時，PN結(jié)的電子因此轉(zhuǎn)換成自由電子，并產(chǎn)生電子-空穴對。由于勢壘電場的“推力”，將電子帶入N型區(qū)，空穴帶入Р型區(qū)，因此N區(qū)有多余電子，P區(qū)有多余空穴。N區(qū)帶負(fù)電；由于上述原因，N區(qū)在PN結(jié)周圍產(chǎn)生了一個與勢壘電場方向相反的光生電場，它與勢壘電場方向相反。光伏電場的作用主要分為兩個部分：一部分用來抵消勢壘電場的作用，另一部分使Р區(qū)帶正電、并在P區(qū)之間產(chǎn)生光伏電動勢。當(dāng)PN結(jié)與導(dǎo)體連在一起形成一個回路時，電能就會流動。圖2-2PN結(jié)的原理示意圖這就是光伏電池的發(fā)電方式。單個電池的功率太小，無法承載常規(guī)負(fù)載或連接到電網(wǎng)。通常，它們需要串聯(lián)和并聯(lián)，才得以形成一個太陽能電池組件。這樣，就能夠得到具有輸出功率的電能。此外，各種應(yīng)用中的光伏模塊必須由光伏陣列組成。在以后的系統(tǒng)設(shè)計中使用這種方式，完成光伏陣列設(shè)計。2.1.3光伏逆變器太陽能電池板輸出直流電，電網(wǎng)側(cè)是50Hz交流電，采用光伏逆變器作為電能轉(zhuǎn)換裝置，將光伏陣列輸出的直流輸出轉(zhuǎn)換為交流電送入電網(wǎng)。光伏逆變器是整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心，其控制系統(tǒng)直接影響整個系統(tǒng)的性能。一.光伏逆變器的分類(1）逆變器按輸出交流電壓的相位數(shù)分為單相逆變器和三相逆變器；(2）根據(jù)有無電氣隔離，可將逆變器分為隔離型逆變器和非隔離型逆變器；根據(jù)不同的工作頻率，并網(wǎng)隔離逆變器分為工頻隔離逆變器、高頻隔離逆變器兩種，工頻隔離逆變器將太陽能電池所產(chǎn)生的直流電流通過DC/AC逆變電路轉(zhuǎn)化為交流電，然后再通過工頻變壓器傳遞到電網(wǎng)；高頻隔離逆變器將太陽能電池陣列輸出的直流輸出通過輸入側(cè)的DC/AC電路轉(zhuǎn)換成為高頻交流電，高頻變壓器對電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)和隔離，得到AC/DC高頻整流電路在適當(dāng)電壓水平下產(chǎn)生直流電流，最后，通過輸出的DC/AC接口將直流轉(zhuǎn)換成工頻交流電流并連接到電網(wǎng)。非隔離式并網(wǎng)逆變器按其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為單相和多相；(3）按控制方式可分為電流源電壓型、電壓源電壓型、電流源電流型和電壓源電流型。從輸入的角度上看，我們可以把逆變器分為電壓型和電流型，電壓型逆變器采用電壓供電輸入，在直流側(cè)并聯(lián)一個大電容，讓作為無功功率的電容得到緩沖，使逆變器具有低阻抗電壓源特性。電流型逆變器是指為了使得逆變器具有高阻抗的電源特性，通常在直流側(cè)串聯(lián)一個大電感作為儲能元件。目前大部分并網(wǎng)逆變器主要采用電壓源輸入方式，這是因為系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)比當(dāng)前模式下要強。從輸出的角度來看，光伏逆變器有兩種類型：電壓型逆變器和電流型逆變器。電壓型控制采用輸出電壓作為受控量，系統(tǒng)給出的電壓信號與市電電壓頻率、相位相同，此時，逆變器可視為內(nèi)阻小的可控電壓源；電流源逆變器的控制原理是將電感電流的輸出電流作為控制量。此時，系統(tǒng)發(fā)出的電流信號頻率和相位與電網(wǎng)電壓的相同。整個系統(tǒng)可以看作是一個具有大內(nèi)阻的受控電流源。根據(jù)這兩種不同的控制方式，我們可以看出電流控制的輸出量是電流，其電流質(zhì)量受到市電電壓的影響較小，此時，逆變器具有高阻抗的特點，可以減少電網(wǎng)擾動對輸出電流的影響并使電流控制方法比電壓控制方法更加穩(wěn)定。二.光伏逆變器的功能光伏逆變器是將太陽能電池板連接到電網(wǎng)的重要設(shè)備，通常具有以下功能：(1）自動開關(guān)：能夠根據(jù)實際光照情況，最大限度地提高光伏陣列輸出功率，檢測組件電壓，從而實現(xiàn)自動啟停。(2）最大功率跟蹤(MPPT）控制：太陽能電池板地輸出功率主要是根據(jù)室外溫度和光照強度而發(fā)生變化，光伏逆變器的作用就是保持光伏陣列以最大功率進(jìn)行輸出。(3）諧波抑制：接通電網(wǎng)后，可以有效地抑制高諧波傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，降低對電網(wǎng)的沖擊。(4）防孤島運行：孤島效應(yīng)是指，當(dāng)系統(tǒng)電網(wǎng)發(fā)生意外斷開后，而光伏逆變器仍然繼續(xù)工作未檢測到故障，此時，并網(wǎng)系統(tǒng)與負(fù)載就形成了一個自給自足的供電孤島，分布式光伏系統(tǒng)依舊對失壓的部分線路供電，對設(shè)備以及維修人員造成危險。為此光伏逆變器需要具備防孤島效應(yīng)的功能來保護(hù)設(shè)備以及維修人員免受傷害。(5）故障情況排除與停止運行：當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，能夠及時的發(fā)現(xiàn)異常并控制住逆變器使其停止運行。2.2分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢隨著各個國家不斷發(fā)展，從1970年開始，一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)逐漸面臨著能源危機和環(huán)境問題等，為擺脫困境，使以太陽能為代表的清潔能源得到高效利用，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)被發(fā)掘出來，基于科學(xué)、實用等一系列優(yōu)點，該系統(tǒng)逐漸受到重視，成為光伏發(fā)電開發(fā)以及應(yīng)用的研究重點。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般建在負(fù)載附件，直接向負(fù)載發(fā)電，方便快捷。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù)隨著現(xiàn)代化的發(fā)展，它的發(fā)電方式科學(xué)、合理，具有隨發(fā)隨用的特點。地球上的地理環(huán)境非常復(fù)雜，不同地區(qū)的光照量和光照強度必然不同，因此各個地區(qū)的發(fā)電量也不會相同，由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)在靠近負(fù)載的地方，那么我們可以根據(jù)不同地區(qū)太陽能資源情況進(jìn)行合理設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，為了最大限度的提高發(fā)電效率。與傳統(tǒng)的集中式太陽能光伏發(fā)電方式相比，分布式光伏發(fā)電優(yōu)勢明顯：(1)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸電距離較短：由于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)建在靠近當(dāng)?shù)刎?fù)載中心的地方，所產(chǎn)生的電力能夠以接近零的傳輸距離直接傳輸?shù)截?fù)載。因此無需建設(shè)其它輔助設(shè)施，有助于降低系統(tǒng)建設(shè)的成本，由于無需高壓輸電，系統(tǒng)的安全性也大大提高了;(2)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的供需關(guān)系是密切相關(guān)的。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是直接向本地負(fù)載供電的小型電源，因此可以根據(jù)實際情況進(jìn)行專門設(shè)計每一個系統(tǒng)，為滿足不同負(fù)載的需求，用戶可以自行控制，工作效率更高，使分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)相對獨立。(3)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)對區(qū)域供電短缺的問題有效地緩解了。系統(tǒng)根據(jù)區(qū)域環(huán)境以及用戶負(fù)載實際情況進(jìn)行設(shè)計，采取獨立運行的方式，能更好的滿足用戶需求，對于很多公共電網(wǎng)無法覆蓋的偏遠(yuǎn)地區(qū)，可以科學(xué)合理的解決用電問題:(4)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以很好地滿足可持續(xù)發(fā)展的要求。它與其他以太陽能為主要能源的發(fā)電方式一樣，系統(tǒng)建設(shè)過程中不產(chǎn)生污染物質(zhì)，對環(huán)境的危害為零，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。分布式發(fā)光伏電系統(tǒng)具有許多傳統(tǒng)集中式發(fā)電系統(tǒng)無法做到的優(yōu)點：面對不同的地理位置，獨特的環(huán)境因素，它們與負(fù)載和電源要求的設(shè)計緊密結(jié)合，使每一個分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)都具有獨特性。但由于地域差異和日照在時間上分布不均，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)不可避免的存在傳統(tǒng)集中式發(fā)電系統(tǒng)供電穩(wěn)定性不高，供電質(zhì)量差的缺點。因此，一般在設(shè)計系統(tǒng)環(huán)節(jié)時，會增加一個儲能設(shè)備，用來以彌補分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電不穩(wěn)定的缺陷，從而提高分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在運行中的可靠性，對其充分發(fā)揮特點，使系統(tǒng)更加地科學(xué)合理。第三章分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計3.1光伏組件選型太陽能電池是太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)核心的器件，隨著太陽能電池的商業(yè)化，其類型也變得越來越多樣化，現(xiàn)階段主要有以下幾種：技術(shù)成熟的多晶硅太陽能電池和單晶硅太陽能電池，具有良好弱光能力的碲化鎘(半導(dǎo)體材料)電池、非晶硅太陽能電池以及低成本的銅銦硒電池。目前，單晶硅、多晶硅太陽電池廣泛應(yīng)用于大型并網(wǎng)光伏電站項目，這是因為單晶硅、多晶硅太陽電池與其他種類的電池相比，具有可靠的性能、光電轉(zhuǎn)化效率高、制造工藝成熟、使用壽命長等獨特的特點。與單晶硅、多晶硅相比，非晶硅薄膜太陽電池的優(yōu)勢在于其擁有良好的弱光發(fā)電能力和溫度特性，能夠在一定程度上減少因光照和溫度等條件較差時對電網(wǎng)帶來的影響，但是它的使用壽命相對較短且光電轉(zhuǎn)換效率低，近年來，占據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)主要市場的光伏組件主要包括單晶硅組件、多晶硅組件、非晶硅太陽能組件。在2007年前，單晶硅組件一直是市場主導(dǎo)產(chǎn)品，2007年之后，主流市場被單晶硅組件和多晶硅組件平分，各占市場的百分之四十多。(1)晶硅電池與薄膜電池的區(qū)別表3-1太陽能電池分類匯總表由上表可以看出，單晶硅、多晶硅太陽電池，因其可靠的性能穩(wěn)定、較高的光電轉(zhuǎn)化效率、成熟的制造技術(shù)和長時間的使用壽命等特點，被廣泛應(yīng)用于大型并網(wǎng)光伏電站項目。v因此，晶體硅太陽能電池組件是光伏電池的最佳選擇。(2)單晶硅和多晶硅的區(qū)別首先，單晶硅和多晶硅在原子排列上存在差異，熔化為液態(tài)的單質(zhì)硅冷卻凝固后，根據(jù)晶粒中晶核長成的晶面取向，如果晶面取向相同，就會形成單晶硅，不同的晶面取向則形成多晶硅。多晶硅與單晶硅在物理性能存在較明顯差異，多晶硅在電學(xué)性能、力學(xué)性能等方面均不如單晶硅，但是可以通過多種加工制作工藝把多晶硅轉(zhuǎn)化為單晶硅。無論太陽能電池板是單晶硅還是多晶硅，實際運行效果相差不大，雖然單晶硅在使用過程中更耐用，轉(zhuǎn)換效率要高，但必須考慮其使用壽命、電性能、光電轉(zhuǎn)換效率等重要指標(biāo)，而且實施的項目和在建的工程執(zhí)行相同的標(biāo)準(zhǔn)，所以可以選用單晶硅或者多晶硅組件。但考慮到成本因素，多晶硅組件的價格約是單晶硅組件的價格的90%左右。因此，推薦選用多晶硅電池片。圖3-1多晶硅組件和單晶硅光伏組件(4)高效電池片組件和低效電池片組件區(qū)別在同類型的光伏組件生產(chǎn)過程中，高效電池片組件與低效電池片組件所消耗的人工成本和其它輔料成本是相同的；在生產(chǎn)同一類型的光伏組件中，由于硅片的價格是固定的，所以用同一種硅片制成的組件，無論是高效組件還是低效組件，硅的成本是一致的。因此，對高效組件進(jìn)行使用不僅可以降低國家硅材料的消耗和能源浪費,還可以使組件廠家利益最大化，有利于整個組件市場的健康發(fā)展。規(guī)格相同的光伏組件在系統(tǒng)運行過程中，高效電池組件的單位面積輸出功率高于低效電池組件；在系統(tǒng)發(fā)電過程中,相同規(guī)格的高效電池組件與低效電池組件在單位面積上所消耗的支架和其他輔材大致相同；因此,在確定的電站總?cè)萘繒r，高效組件的使用不僅能減少能源浪費和有害物質(zhì)的排放，而且還節(jié)省電站建設(shè)的投資成本，提高整個光伏電站的成本效益。3.2光伏陣列設(shè)計3.2.1光伏組件的輸出功率特性光伏電池是基于光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制造而成的，光伏板上的半導(dǎo)體材料通過吸收電能，分離由光子調(diào)諧而成的電子空穴對，并產(chǎn)生電動勢。由于光伏電池受光照強度及環(huán)境影響較大，因此電池的輸出特性具有非線性特征，那么研究光伏電池的輸出特性，可以得到光伏電池的最大輸出功率，對光能的研究和綜合利用具有重要意義。光伏電池的輸出功率特性包括特性曲線（電流電壓）和特性曲線（功率電壓），是光伏發(fā)電系統(tǒng)電路設(shè)計的理論依據(jù)，也是系統(tǒng)優(yōu)化的重要前提。通過一定條件下的特性曲線，我們可以分析出特定條件下負(fù)載與電池之間的相互作用，而在不同條件下的特性曲線則能夠反映出環(huán)境條件對太陽能電池性能的影響。光伏電池實際上就是一個大面積的平面二極管，當(dāng)恒定光照下時，光生電流Iph不會隨著光伏電池的工作狀態(tài)變化而變化，可以把光伏電池視為恒流源。因此，光伏電池對應(yīng)的等效電路如圖3-2所示：圖3-2光伏電池的等效電路可得光伏電池的輸出I-U特性為：I=Iph?Id{exp[qAKTU+IRS]?1}?式中：I—太陽能電池輸出電流，A；Iph—光生電流，A；U—太陽能電池的輸出電壓，V;I—二極管飽和電流，A；Q—電子電荷量(q=1.6x10-19C)；Rs、Rsh—太陽能電池的串聯(lián)、并聯(lián)電阻，Ω；A—二極管特性因子；K—波爾茲曼常數(shù)(k=1.38x10?23J/K)；T—太陽能電池溫度，°C?？紤]到光照和溫度的變化，通常會用MATLAB建模的簡化光伏電池數(shù)學(xué)模型：I=Isc[1?C1(e?umC2C1=(1?ImIscC2=(UmUom?1)/ln(1-光伏電池的輸出隨著不同的環(huán)境條件而變化，從而產(chǎn)生新的特性參數(shù)，包括：開路電壓：Uoc’=Uoc(1-c?T)(1+Rs?S)式（3-3）短路電流：Isc’=IscSSref(1+α?T)式（3-3最大功率點對應(yīng)電壓：Um’=Um(1-c?T)(1+Rs?S)式（3-4）最大功率點對應(yīng)m電流：Im’=ImSSref(1+α?T)?T=T?Tref?S=S式中:C1，C2—修正系數(shù);S—當(dāng)前光照強度，W/m2;Sref—光照強度參考值，取S=1000W/m2T—光伏電池境溫度,°C;Tref—光伏電池溫度參考值，取Tref=25C;α—參考光照下的電流變化溫度系數(shù);c—參考光照下的電壓變化溫度系數(shù);Isc—短路電流，A;Ugc—開路電壓，V;Im—最大功率點電流，A;Um—最大功率點電壓，V。根據(jù)電池的特性公式以及電池板的數(shù)據(jù)，建立的模型參數(shù)設(shè)置如下:Uoc=38.4V；Isc=8.79V；Um=30.4V；Im=6.56A；α=0.0012A/℃；c=-0.005V/℃Rs=0.1Ω。在MATLAB/SIMULINK中搭建的參考狀態(tài)下（即S=1000W/m2；T=25℃）的單個光伏組件的模型如圖3-3所示：圖3-3單個組件的仿真圖仿真結(jié)果如圖3-4所示：圖3-4I-U、P-U特性曲線電壓軸與伏安曲線的交點為開路電壓Uoc。，與電流軸的交點為短路電流Is當(dāng)太陽能電池板的電壓從О開始增加時，在恒定光照條件下，太陽能電池的輸出電流變化不大，但輸出功率不斷增加。當(dāng)電池電壓上升到一定值時，輸出電流便開始減小，當(dāng)輸出功率增加到最大值，就是最大功率點。在最大功率點后，隨著電壓的增加，輸出電流和功率減小，直到輸出電流為0為止。此時，輸出電壓達(dá)到其最大值，即開路電壓。溫度和光照作是影響光伏組件輸出功率兩個最為重要的環(huán)境因素。光伏電池的輸出特性會隨著這兩個參數(shù)的變化而發(fā)生變化，基于上述仿真方案，我們對光照強度和溫度及時進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，以此分析光伏組件的輸出特性。將光伏電池在MATLAB中進(jìn)行封裝，將Tref、Rref、Voc、Isc、Rs等參數(shù)設(shè)定為模塊的內(nèi)部參數(shù)，其余參數(shù)設(shè)為外部輸入?yún)?shù)，如圖3-5所示:圖3-5光伏組件的仿真模塊隨著光照的變化，光生電動勢以及光生電流也會隨之發(fā)生變化，我們把這種特性稱為光照特性。首先溫度固定為25℃，改變光照強度，將光照調(diào)至為梯度變化，分別為200W/m2、400W/m2、600W/m2、800W/m2、1000W/m2，仿真的光伏陣列的輸出電流電壓、電壓功率特性曲線如圖3-6所示:圖3-6不同光照情況下I-U、P-U特性曲線從I-U曲線能夠看出，當(dāng)溫度達(dá)到一定時，隨著光照強度的不斷增加，太陽能電池板的開路電壓基本在一定值附近變動，但是浮動不大，且短路電流和最大功率點會隨著光照的增加而增加。由P-U曲線可以看出，在溫度達(dá)到一定水平時，光照強度雖然同有所變化，但都對應(yīng)著唯一的最大功率點，每條曲線的最大值大致都在同一垂直線的兩側(cè)，這意味著無論光照強度如何變化，最大功率點的輸出電壓基本保持不變，最大功率值用Pm表示，端電壓值用Um表示。從圖中還可以看出，光照強度的大小與一定范圍內(nèi)的短路電流呈線性關(guān)系，而與開路電壓呈非線性關(guān)系（即負(fù)載電阻RL無窮大時）。當(dāng)光伏電池的溫度發(fā)生變化時，其伏安特性也會隨之變化，這種特性稱為光伏電池的溫度特性，用來描述短路電流和開路電壓隨溫度變化的情況。在SIMULINK搭建的太陽能電池的模塊中，光照強度固定，取不同的溫度值，圖3-7中是給出了當(dāng)太陽輻照度為1000W/m2，當(dāng)溫度分別達(dá)到15℃、20℃、25℃、30℃、35℃時光伏陣列的輸出電壓-電流特性和電壓功率特性曲線。圖3-7不同溫度下的I-U、P-U輸出特性曲線從I-U曲線可以看出，當(dāng)光照強度一定時，開路電壓隨溫度的上升而降低，而短路電流隨溫度的升高基本保持不變。從P-U曲線可以看出，在當(dāng)光照強度達(dá)到一定時，開路電壓和輸出最大功率會隨著溫度的增加而降低，這時太陽能電池在能夠在不同溫度下對應(yīng)著唯一的最大功率點。由上面的I-U曲線我們可以看出，太陽能電池的輸出特性呈現(xiàn)出非常明顯的非線性特征：當(dāng)電壓小于一定值的時侯，電流近似恒定；當(dāng)輸出電壓接近開路電壓的時侯，電流就迅速下降。此外，陣列的短路電流主要受到光照變化影響，而開路電壓環(huán)境主要受溫度的變化影響。由P-U曲線可知，光伏陣列的輸出特性隨著環(huán)境的條件而變化，其輸出功率和最大功率點也隨著改變，并且對于一定的太陽輻射強度和環(huán)境溫度，太陽能電池的輸出功率成為唯一的最大功率點。為了最大程度地利用光伏電池并產(chǎn)生組件最大功率，必須實施相應(yīng)的控制算法來實現(xiàn)光伏電池最大功率的監(jiān)測，這對于分太陽能電池的輸出特性曲線具有重要意義。3.2.2光伏組件的串并聯(lián)設(shè)計光伏組件的串并聯(lián)設(shè)計N≤VdcmaxVocVmpptminV式中:Kv—光伏電池的開路電壓溫度系數(shù);Kv'—光伏電池的工作電壓溫度系數(shù);N—光伏組件的串聯(lián)數(shù);t—工作條件下光伏組件的極限低溫，℃;t'—工作條件下的極限高溫，℃;Vdcmax—逆變器的允許的最大輸入直流電壓，V;Vmpptmax—逆變器最大功率跟蹤電壓最大值，V;Vmppt—逆變器MPPT電壓最小值，V;Voc—光伏組件的開路電壓，V;Vpm—光伏組件的工作電壓，V。根據(jù)所選的逆變器以及光伏組件的參數(shù)，上述參數(shù)分別為:Kv=-0.0033;Ky'=-0.0045;t=-40℃;t'=60℃;Vdcmax=1000V;Vmpptmax=550V;Vmpptmnin=195V;Voc=38.4V;Vpm=30.4V。3.2.3光伏組件的安裝傾角由于系統(tǒng)功率小，光伏板數(shù)量少，操作比較簡單，為了增加發(fā)電量，本文設(shè)計的分布式光伏發(fā)電項目采用可調(diào)傾角的支架，增設(shè)一個拉桿在固定支架上，使光伏板可以改變坡度角，本文選取了當(dāng)?shù)叵闹梁投羶蓚€節(jié)氣的高度角，支架的可調(diào)角度通常采用這兩個季節(jié)的日高度角所對應(yīng)的余角。我們假設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的地理位置約是以北緯36°，東經(jīng)117°為例。參考相關(guān)資料，借鑒北半球某點冬至午時時分的太陽高度角:An=90°?(B1+Bo)式(3-7)夏至日午時時分的太陽高度角:An=90°?(B1?Bo)式(3-8)式中:Bo—回歸線的緯度;B1—待測點的緯度。經(jīng)計算，當(dāng)?shù)氐南闹恋奶柛叨冉菫?7.5°，冬至的太陽高度角為30.5°。當(dāng)陽光直接照射到光伏組件上時，光能利用率最高，輸出功率最高。根據(jù)上述計算，光伏陣列支架的兩個可調(diào)角度：夏至為15°，冬至為60°。但綜合考慮房屋地形等因素，夏至?xí)r將支架的傾角調(diào)整為夏至20°，冬至調(diào)整為50°。圖3-8傾斜角和太陽高度角的關(guān)系光伏組件的傾斜角和太陽高度角的關(guān)系如圖3-8所示。3.3MPPT的控制方法在光伏系統(tǒng)中，實時調(diào)整光伏系統(tǒng)輸出電壓或者電流工作點，使其始終運行在最大功率點，是提高系統(tǒng)發(fā)電的整體效率的重要途徑。這個過程被稱為最大功率點跟蹤(MaximumPowerPointTracking,MPPT)。MPPT控制方法(1)常用的幾種MPPT控制方法原理與優(yōu)缺點對比當(dāng)區(qū)域的光照強度和環(huán)境溫度上升到一定數(shù)值時，系統(tǒng)唯一電壓值使其輸出功率最大化，光伏電池應(yīng)盡可能在最大功率點或最大功率點附近運行，以此保證系統(tǒng)的輸出功率能夠被能源最大限度地利用。但一般在實際使用中，由于外部環(huán)境條件的連續(xù)發(fā)生變化以及具有間歇性的特點，MPPT實際上是一個自動尋找最佳運行點（最大功率點）的過程，MPPT技術(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中最基本、最關(guān)鍵的技術(shù)之一。

MPPT算法包括：電壓電流雙閉環(huán)控制法；基于瞬時無功功率理論的檢測與校正算法；采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）實現(xiàn)對電網(wǎng)諧波進(jìn)行補償。

最大功率跟蹤主要有三種方法：恒壓監(jiān)測、電導(dǎo)率增量和擾動觀測。

其工作原理與優(yōu)缺點比較如表3-2所示。表3-2幾種常見的MPPT控制方法原理與優(yōu)缺點對比(2）指數(shù)變步長擾動觀察法擾動觀察法在實際的工程之中得到廣泛應(yīng)用，本文采用變步長法，實現(xiàn)最大功率跟蹤，一開始呢，我們選擇較大的擾動步長，隨著步長對最大功率點逐漸接近時，直流側(cè)電壓變化的波動也會較大，這時，如果要確保輸出功率穩(wěn)定在一個定值，可以將擾動步長值大幅度縮小，以此減小直流側(cè)的波動。在定步長擾動觀察法中，，通常將電壓增量△U作為常數(shù)，即Uref=Uref+AU，在定步長擾動觀察法的基礎(chǔ)上，引入步長變化因子a，a主要被最大功率點距離影響，從而形成反比例關(guān)系α取值在（0,1）之間，這樣步長△U就不再是一個常數(shù)值。當(dāng)離MPP越遠(yuǎn)時α的取值越大，AUk=α?U，反之則α的取值越小。α取值在（0,1）之間，這樣步長△U就成為了一個變量，用此變量能夠保證最大功率跟蹤的跟蹤精度和跟蹤速度。MPPT變步長示意圖如圖3-9所示，當(dāng)距離MPPT比較遠(yuǎn)的時侯，我們?nèi)〔介L較大的值，這樣相對應(yīng)△P的增量此時也會比較大；具體控制流程采用指數(shù)變步長擾動觀察法，如圖3-10所示，通過電壓、電流工作點U、I，以及前一個工作點確定計算出的△P、?U，計算出時間變化因子α的值，當(dāng)步長接近MPPT時，我們通過引入步長變化因子α，將步長切變化面積變小，且△P的增量較小。以此得到下一步工作點的步長；在比較中確定下一個工作點的給定電壓參考的擾動方向，以此得出下一工作點的電壓值。圖3-9MPPT步長變化示意圖圖3-10變步長MPPT控制流程圖3.3.1光伏電池MPPT仿真分析在Matlab/Simulink中搭建仿真模型如圖3-11所示：圖3-11MPPT仿真模型圖仿真結(jié)果如圖3-12所示﹐在仿真過程中，調(diào)節(jié)設(shè)定的光照強度和環(huán)境溫度，如圖3-12所示(a）和（b）所示，圖（c）和（d），光伏系統(tǒng)輸出有功功率和電壓波形，仿真波形表明，在光照發(fā)生變化時，所用的MPPT控制方法均有較好的跟蹤速度，且電壓脈動較小。（a.）光照強度（b.）環(huán)境溫度（c.）光伏系統(tǒng)輸出功率（d.）光伏系統(tǒng)輸出電壓圖3-12MPPT仿真波形圖3.4逆變器選型逆變器作為光伏系統(tǒng)中最重要的組成部分之一，我們常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的形式分別有：集中式逆變器、集成式逆變器、組串式逆變器、帶逆變器組件（微逆變器）四種。由于本文主要介紹的是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，因此采用于組串式逆變器。組串式逆變器是指讓光伏組件用串聯(lián)的方式，組成光伏陣列，將電能輸送至光伏電站的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖3-13所示。a.組串式逆變方案b.組串式逆變器外觀圖圖3-13組串式逆變器逆變器采用模塊化方式。通常4-6個太陽能電池模塊串聯(lián)在逆變器上。每個模塊串聯(lián)具有MPPT監(jiān)控功能。交流側(cè)并網(wǎng)后開始并網(wǎng)。單臺組串式逆變器的輸入功率一般較小，如果太陽能電池組件方陣之間有遮擋現(xiàn)象，則每個方陣的輸出功率和特性不同，所連接的組串式逆變器也是不同的，如此即可各自實現(xiàn)最大輸出功率追蹤的功能，以此提高整個電站的發(fā)電效率。此外，單個組串式逆變器的輸入功率不斷減小，對于整個光伏電站來說就越分散，監(jiān)控其最大輸出功率的作用就越明顯。即便某個逆變器出現(xiàn)故障時，它也不會干擾到其它組串工作。以33KW組串逆變器為例，主要技術(shù)參數(shù)見下表3-3表3-333KW組串逆變器技術(shù)參數(shù)第四章分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1交直流斷路器為保證系統(tǒng)正常運行，減少因過電流及故障造成電路的損壞，保障人身安全，逆變器直流側(cè)和交流側(cè)的均安裝斷路器，我們選擇的微型斷路器是DZ47-60型號，主要用于交流50Hz/60Hz，額定電壓為400V和額定電流為60A，主要作用于過載和短路保護(hù)，同時確保在正常情況下以較少地頻率通斷電器。逆變器的直流側(cè)和交流側(cè)采用同一類型的斷路器，本文設(shè)計的分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)最大輸出功率是3kW，最大電流能夠達(dá)到15A，斷路器為2PD40，通斷電流為40A，交流側(cè)的斷路器為2PD32。4.2雙向計量表圖4-1雙向計量表內(nèi)部示意圖本文主要針對“自發(fā)自用，余電上網(wǎng)”的并網(wǎng)方式進(jìn)行研究，如圖4-1所示，一個家庭所消耗的電力由屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)和電網(wǎng)提供使用。當(dāng)雨天或者夜間時，光伏發(fā)電系統(tǒng)無發(fā)電小時數(shù)，或者白天發(fā)電量無法滿足家庭的日常用電需求時，電網(wǎng)會向居民提供電力，此時由居民向電網(wǎng)購電；當(dāng)天氣晴朗時，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)出的電量除了為家庭的電器設(shè)備供電外，其余的電力賣給電網(wǎng)，在那里，光伏發(fā)電系統(tǒng)是一個小型電站。因此本文在設(shè)計時，采用了兩塊電能表，分別是：智能電能表和雙向計量表，一個用來計量發(fā)電量，圖4-2智能電能表與雙向計量表另一個用以計量系統(tǒng)的上網(wǎng)電量和購電量。4.3交流防雷配電柜為避免雷擊，我們通常在的交流配電柜中安裝一個與逆變器連接的避雷裝置，以此保證系統(tǒng)的安全運行；光伏發(fā)電系統(tǒng)中逆變器的交流輸出，在電網(wǎng)的傳輸線路裝上設(shè)交流開關(guān)，為了方便系統(tǒng)的運行方式進(jìn)行切換；從配電柜的用戶觀測界面中，可以隨時讀取電網(wǎng)一側(cè)的電流、電壓波動情況。4.4社會效益分析建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)符合國家產(chǎn)業(yè)政策，它不僅可以有效利用太陽能，還可以減少環(huán)境污染，有效改善生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展，確保經(jīng)濟的可持續(xù)增長。在現(xiàn)行國家政策，可再生能源和常規(guī)能源必須相互協(xié)調(diào)、互補，并保持一定的增長份額，水電、風(fēng)電、光電等各種可再生能源正在迅速發(fā)展，大力發(fā)展光伏發(fā)電將有效改善能源結(jié)構(gòu)。第五章結(jié)論與展望5.1結(jié)論隨著環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重、能源形勢日益嚴(yán)峻，開發(fā)利用綠色可再生能源是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展最為有效的途徑，其中，豐富的太陽能資源無疑是理想的綠色環(huán)保能源。而分布式光伏電站以其獨特的優(yōu)勢，不僅能緩解我國東部地區(qū)因快速增長的電力需求，而且還能解決偏遠(yuǎn)地區(qū)供電集中困難的難題，因此，無論從哪個角度來看，推廣分布式光伏電站都是勢在必行。該系統(tǒng)具有可靠性高、能源利用率高、安裝位置靈活、污染小等優(yōu)點，是在政府大力的支持下發(fā)展起來的。本論文圍繞著分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)為中心，主要工作如下：（１）理解分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作原理，對分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；（２）通過對MATLAB仿真輸出特性曲線的分析，可以根據(jù)所選擇的光伏組件獲得MPPT。

針對所選逆變器的主電路，進(jìn)行了參數(shù)選擇和仿真驗證；（３）收集試驗運行的數(shù)據(jù)，以理論依據(jù)為基礎(chǔ)，對分布式光伏發(fā)電項目的施工與建設(shè)具有參考意義。5.2展望隨著“十四五”規(guī)劃的推進(jìn)，推進(jìn)能源革命，構(gòu)建清潔低碳、安全高效的能源體系，提高能源供給保障能力已經(jīng)成為當(dāng)下的主旋律。在政策的引導(dǎo)下，加快非化石能源，推進(jìn)集中式和分布式并舉，加速發(fā)展光伏發(fā)電以成為主流趨勢。分布式光伏發(fā)電已應(yīng)用在家庭配電、道路照明、景觀照明、交通監(jiān)控、大型廣告牌、發(fā)電廠等領(lǐng)域，市場規(guī)模逐漸擴展，市場前景廣闊。分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)作為光伏行業(yè)標(biāo)桿在未來的具有寬廣發(fā)展方向?qū)蔀樾履茉窗l(fā)展中最重要的發(fā)展應(yīng)用形式。由于我國目前的生產(chǎn)力分布模式和分布式能源自身的特點，分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)在短期內(nèi)是不能代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)電方式，但可以有效地補充集中能源供應(yīng)系統(tǒng)，使其變得安全、可靠、清潔的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，方便高效的智能生活已經(jīng)成為光伏利用的重要形式。參考文獻(xiàn)[1]江華.國內(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J]．太陽能，2016

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