新能源转换与控制技术

绪论新能源利用包括可再生能源 (风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能 )和地热能、氢能、核能转换及其利用新技术（高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术）。新能源转换与控制技术涉及：①利用可再生能源和清洁能源发电，以便持续获得二次清洁能源―电能；②对电能通过变换与控制，满足高质量的终端能源消费需求和电力的高效管理。

1.1 能源储备与可持续发展战略

1.2 能源的分类与基本特征

1.3 新能源发电――能源转换的重要形式

1.4 新能源转换与控制技术的经济意义

本章主要内容

1.1 能源储备与可持续发展战略

1.1.1 中国的能源结构与储备 1 、中国的能源结构中国是一个能源大国，在能源结构中煤炭储量最为丰富

，仅次于俄罗斯、美国。但是，中国又是一个能源贫国，中国的人均能源资源占有量为全世界人均水平的 1/2 ，仅为美国人均水平的 1/10 。

煤多油少是中国能源储存结构的基本特点，这种结构到今后 20年，甚至到本世纪中叶，我以煤为主的能源结构将不会改变。

在能源生产与消费中，以煤炭为主要能源直接进行燃烧，因燃烧工艺落后，燃烧不充分，造成环境污染严重、效率低下、浪费惊人。

2 、中国的资源和能源储备 • 我国对能源的开发利用已达到相当高的强度，但能源利用

效率的低下。我国能源利用效率仅为 30% 左右。• 中国能源短缺在很大程度上是能源利用结构同资源禀赋结

构矛盾的表现。• 煤电油供需矛盾相当突出。 • 建立高度节约型的循环经济体制，深入研究、大力开发和

利用新能源，是中国实现和平崛起的唯一选择。

中国与世界一次能源消费结构比较（ 2004年）

（美国数据为 2001 年）

中国能源产消现状

年份

占能源消费总量的比重 /%

煤炭石油天然气水电、核电、风电

1980 72.2 20.7 3.1 4

1985 75.8 17.1 2.2 4.9

1990 76.2 16.6 2.1 5.1

1995 74.6 17.5 1.8 6.1

2000 67.8 23.2 2.4 6.7

2001 66.7 22.9 2.6 7.9

2002 66.3 23.4 2.6 7.7

2003 68.4 22.2 2.6 6.8

2004 68 22.3 2.6 7.1

2005 69.1 21 2.8 7.1

2006 69.4 20.4 3 7.2

中国一次能源消费结构

“ ”十五以来中国能源消费增长情况

1.1.2 中国的可持续发展战略l980 ～ 2000 年期间，中国能源发展成就巨大：

• 实现了 GDP 翻两番而能源消费仅翻一番的成就。

• 是能源利用效率大幅度提高。

• 是取得了相当大的环境效益。

这些成就为我国的经济社会可持续发展做出了巨大贡献。但与世界发达国家相比，我国在新能源利用与开发方面还存在很大差距。

在 2006年初，我国正式颁布了《可再生能源法》，即将陆续出台一系列鼓励政策与配套措施。这标志着可再生能源的利用已进入法制化、规范化和可持续发展的新阶段，并将迸发超前的活力，为中国能源事业的发展、为国民经济与社会事业的繁荣再添辉煌。

未来，我国将以水电、沼气发电、秸杆发电、太阳能供热等常规清洁能源转换成熟技术和风电、光伏发电、燃料电池、微燃机组热――电联产分布供电等具有大规模发展潜力的新技术为重点。

风力发电

水力发电

燃料电池汽车

奥体中心光伏发电项目

1.2 能源的分类与基本特征

1.2.1 能源的分类1 、能源能源是可以直接或通过转换提供给人类所需的有用能的资源。世界

上一切形式的能源的初始来源是核聚变、核裂变、放射线源以及太阳系行星的运行。

2 、能源的分类 “世界能源理事会 (World Energy Council – WEC)”推荐的能源分

类如下：固体燃料；液体燃料；气体燃料；水力；核能；电能；太阳能；生物质能；风能；海洋能；地热能；核聚变能。

能源还可分为：一次能源，二次能源和终端能源；可再生能源和非再生能源；新能源和常规能源；商品能源和非商品能源等。

1.2.2 能源的基本特征

一次能源 :指直接取自自然界没有经过加工转换的各种能量和资源。

一次能源

可再生能源可再生能源可再生能源可再生能源

非再生能源非再生能源非再生能源非再生能源

可再生能源应是清洁能源或绿色能源，它包括：太阳能、水力、风力、生物质能、波浪能、潮汐能、海洋温差能等等；是可以循环再生、取之不尽、用之不竭的初级资源。

包括：原煤、原油、天然气、油页岩、核能等，它们是不能再生的，用掉一点，便少一点。

二次能源 :是指由一次能源经过加工转换以后得到的能源产品。

例如：电力、蒸汽、煤气、汽油、柴油、重油、液化石油气、酒精、沼气、氢气和焦炭等等。

二次能源是联系一次能源和能源终端用户的中间纽带。

二次能源又可分为“过程性能源”和“合能体能源”。

过程性能源和合能体能源是不能互相替代的，各有自己的应用范围。

如：电能如：柴油、汽油

• 终端能源指供给社会生产、非生产和生活中直接用于消费的各种能源。

• 常规能源又称传统能源。已经大规模开采和广泛利用的煤炭、石油、天然气、水能等能源属于常规能源。

• 商品能源是作为商品经流通环节大量消费的能源。目前，商品能源主要有煤炭、石油、天然气、水电和核电 5种。

• 非商品能源主要指枯柴、秸秆等农业废料、人畜粪便等就地利用的能源。非商品能源在发展中国家农村地区的能源供应中占有很大比重。

1.2.3 新能源及主要特征

新能源：技术上可行；经济上合理；环境和社会可以接受；能确保供应和替代常规化石能源的可持续发展能源体系。

包含两方面：新能源体系：可再生能源 (风能、太阳能、生物质能、水能、海洋能 )和地

热能、氢能、核能新能源利用技术：高效利用能源、资源综合利用、替代能源、节能等新技术

“新”与“旧”的区别“新”与传统的“旧” 能源利用方式和能源系统相对立。

“旧”：以化石燃料为主的传统能源利用形态；

只强调转换端效率，不注重能源需求侧的综合利用效率；

只强调经济效益，不注重资源、环境代价的传统能源利用理念。

“新”： ①高效利用能源；

②资源综合利用；

③可再生能源；

④替代能源；

⑤节能。

1.2.4 分布式能源及主要特征1 、分布式能源

国际分布式能源联盟（ WADE）对“分布式能源”给出的定义是：发电系统系统能够在消费地点或很近的地方发电，并具有：

①高效的利用发电产生的废能生产热和电；

②现场端的可再生能源系统；

③包括利用现场废气、废热以及多余压差来发电的能源循环利用系统。

这些系统就称为分布式能源系统，而不考虑这些项目的规模、燃料或技术，及该系统是否联接电网等条件。

国际公认的两个具有发展前途、最重要的分布式能源利用形式：微型燃气机发电机组，这是实现热电联产、高效利用能源和节能的最主要形

式；“燃料电池”技术，这也是未来最主要的分布式能源利用技术方向之一。

高效燃料电池

微型燃气轮机

2 、分布式能源主要特征

• (1) 高效性　

• (2) 环保性　

• (3) 能源利用的多样性

• (4)调峰作用　

• (5)安全性和可靠性

• (6)减少国家输配电投资

• (7)解决边远地区供电

1.3 新能源发电――能源转换的重要形式

1.3.1 新能源发电技术的应用风力发电风力发电经历了从独立发电系统到并网系统的发展过程，大规模风力发电系统的建设已成为发达国家风电发展的主要形式。目前研发重点主要集中在大型风力发电场与现有电网联网；继续开发可靠的风力预报方法；开展与风能开发相配套的生态影响研究；发展海上风力发电等。

太阳能发电美国是世界上太阳能发电技术研究开发较早的国家，在太阳能槽式发电系统和盘式发电系统中发展较快。目前，在世界范围内已建成多个 MW 级的联网光伏电站。

——“ ”美国最大太阳能发电项目太阳能之星

燃料电池发电燃料电池是一种无污染的能源，主要用途包括：固定地点发电、

提供居民住宅用电、交通运输、便携电源、垃圾与污水处理。美国每年投资数亿元开发燃料电池，掌握了许多最先进的技术。

燃料电池发电系统燃料电池汽车

生物质发电全球每年植物所固定的生物质能相当于10.2万亿吨标准煤，相当于全世界每年耗能（87亿吨标准煤）1172倍。巴西以甘蔗为原料提取酒精，添加汽油后制成的乙醇汽油在工农业中广泛使用。我国每年可利用的生物质能总量约合 7亿吨标准煤，但目前开发极少。

生物质发电示意图秸秆发电厂

核能发电又称原子能，包括裂变能和聚变能两种主要形式。核裂变主要应用于

核能发电，技术应用比较成熟。核聚变则有几大优点：安全、无污染、高效，核能中聚变能是一种无限、清洁、安全的理想能源。

俄罗斯悬浮核能发电厂核能发电厂水蒸气

燃气发电根据用户用能性质、资源配置等不同情况，由燃气管网将天然气、煤层气、地下气化气、

生物沼气等一切可以利用的资源就近送达用户。由小型燃机、微型燃机、内燃机、外燃机等各种传统的和新型发电装置组成热电联产或分布式能源供给系统。

距尼日利亚拉各斯 70余公里的帕帕兰多燃气电站一角。

帕帕兰多燃气电站的 8台燃气机组都是由中国制造。总装机容量为 33.6 万千瓦。

其他还有小水利发电、地热能发电、海洋能发电等新能源转换利用。

地热能发电海洋能―潮汐发电站

1.3.2 我国新能源发电的现状

• 太阳能发电――我国太阳能电池制造水平比较先进，实验室效率已经达到 21% ，一般商业电池效率是 10% ～ 14% 。已建成 1座光伏电站，总容量约40MW。

• 风能发电――到2005年底，我国独立风电装置有 10多万台，总容量 20MW左右， 80% 以上在内蒙古。新疆达板城风电二场是我国目前最大的联网风电场，我国自行研制的 1.5MW风力发电机组已经投入运行。

• 地热能发电――地热能我国地热发电站总装机容量 30MW左右，其中西藏羊八井、那曲、郎久三个地热电站规模较大。

• 生物质能发电――生物能发电在我国尚处于起步阶段，蔗渣 /稻壳燃烧发电、稻壳气化发电和沼气发电等技术已得到应用，总装机容量约 800MW。

• 燃料电池发电――燃料电池自上世纪 90年代中期以来，我国在燃料电池研究方面取得了较大的进展。燃料电池技术列入了国家应用研究与发展重大项目，其研究目标直指国际水平。

• 小水利发电――由于小水电站投资小、风险低、效益稳、运营成本比较低，在国家各种优惠政策的鼓励下，全国掀起了一股投资建设小水电站的热潮。

• 核能发电――预计，中国计划 2020 年核能发电能力将由目前的约 8kMW增加到 40kMW，投资金额高达 300亿美元。

开发时序预期为： 2000－ 2020 年重点开发先进核反应堆技术； 2020－ 2030 年重点开发快中子堆技术； 2030－ 2040 年重点开发加速器驱动亚 1临界系统； 2040－ 2050 年重点开发受控核聚变技术。

1.3.3 新能源发电及其电源变换系统的典型结构1.3.3.1 太阳能光伏发电及其电源变换系统光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转换为电能的直

接发电形式，光伏发电系统由光伏电池板、控制器、储能光伏电池板、控制器、储能等环节组成，将太阳能转换为可利用的电能。

1、光伏发电系统结构

典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电子变换器、负载等构成。

太阳能电池阵列

蓄电池组

控制器电力电子负载

－＋

变换器

（ 1）光伏阵列　实际的光伏发电系统根据用户需求，将若干个光伏电池组件经串并联排列组成光伏阵列，满足光伏发电系统输出电压和电流的需要。光伏电池组件的串联，要求所串联组件具有相同的电流容量；光伏电池的并联，要求所并联组件具有相同的电压等级。 1 个光伏电池额定输出电压大约为 0.45V.

图 1-1 光伏发电系统组成

（2）蓄电池组　作为电能存储环节，通过充电控制器实现对蓄电池组的充放电（太阳能电池阵列――蓄电池组的充电、蓄电池组――负载的放电）双向变换控制。

（3）电力电子变换器　电力电子变换器实现 DC－ AC 或 DC－ DC电能变换，是光伏发电系统的关键部分。

直流变换器――将直流电源变换为不同电压等级的直流电源

交流变换器――将直流电源逆变成交流电源

变

换

器

（ 4）控制器　光伏发电系统中的控制器实现系统的总体控制。功能包括：太阳能最大功率点控制（ MPPT）蓄电池充放电控制光伏直流输电升降压变换控制逆变器控制等（ 5）负载　终端电能消耗设备，通过消耗电能作功，将电能再次转换成其他形式的能

量。

负

载

直流负载 ――由直流电源供电

交流负载 ――由交流电源供电

2 、光伏发电系统的分类按电力系统终端供电模式分为孤立光伏发电系统和并网光伏发电系统。（ 1）独立光伏发电系统 ――独立用户安装的为自身供电的小型光伏发电系统

用户光伏发电系统

独立光伏发电站。

一般由光伏电池板、蓄电池、充放电变换器和控制器等组成。


蓄电池组

控制器 DC/AC交流负载

直流负载

－＋

逆变器

图 1-2 户用光伏发电系统

（ 2）光伏并网系统由太阳能电池阵列、变换器（斩波器、逆变器）和控制器组成。典型的光伏并网系统如图：

～


蓄电池

DC/DC变换器驱动电路

PWM控制器

电抗器电网

变压器

DC/DC斩波器DC/AC逆变器

图 1-3 典型并网光伏发电系统

3 、电源变换系统结构逆变电路是所有新能源转换系统中最重要的电能变换电路。主要作用是将直流电经 DC/AC逆变器变换成与电网同频率的交流电，

为实现并网供电奠定基础。根据直流母线采用的储能组件，将逆变电路分成两大类：

逆

变

电

路

电流源型

电压源型

（ 1）电流源逆变电路 ――直流母线采用电感（ L）储能

图 1-4 典型电流源逆变电路

（ 2）电压源逆变电路 ――直流母线采用电容（ C）储能

C

Usa Usb Usc

U

iii

+

-

a

b

c dc

VT1 VD1 VT3 VD3 VT5 VD5

VT4 VD4 VT6 VD6 VT2 VD2

图 1-5 典型电压源逆变电路

（3）复杂逆变电路

VB

VB

VC

VC

VA

VA

VB VCVA

VB VCVA

C

C

U

+

－

A B C

U V Wdc

1

2

1

1 1

1

2 2

2 2

2

2

1

1

333

4 4 4

DA

DA DB

DB DC

DC

优点是输出波形质量高、谐波分量小，单只开关器件的电压低；缺点是存在中点平衡问题，电路控制复杂，成本高。

图 1-6 二极管箝位的三电平电路

（ 4）级联式逆变器

C

+

－

光伏电源

C

+

－

光伏电源

Cn

+

－

光伏电源

......

a

n

VT11 VD11 VT12 VD12

VT13 VD13 VT14 VD14

VT21 VD21 VT22 VD22

VT23 VD23 VT24 VD24

VTn1 VDn1 VTn2 VDn2

VTn3 VDn3 VTn4 VDn4

1

2

多电平逆变器虽然可根据光伏阵列的组合，方便地组合成多电平光伏逆变器，但由于各级电平中对应的光伏阵列可能存在不均衡，电平平衡控制仍然是一个难题，限制了其广泛应用。

图 1-7 级联式多电平逆变器拓扑结构

1.4 新能源转换与控制技术的经济意义

1.4.1 能源是经济发展的引擎

1、世界能源消费现状和发展趋势

过去 100 多年世界能源消费变化

2 、中国能源消费现状与发展趋势

我国能源消费结构图

煤炭燃料, 69%

水电、核电和风能, 7%

天然气, 3%

油品燃料, 21%

3 、中国可持续发展战略与新能源利用实现未来 15年的发展目标，能源、资源和环境是最大的制约因素。

新能源利用从广义化概念讲，应包括以下 3个方面：综合利用能源 ――以提高能源利用效率和节能为目标，加快转变经济增长方

式。替代能源 ――发展煤炭洁净燃烧技术和煤制油产业为目标，降低对石油

进口的依赖。新能源转换 ――大力发展以可再生能源为主的新能源利用体系，调整、优化能源结构。

1.4.2 新能源转换的经济意义1 、新能源转换的资源保障

（ 1）光伏发电 ――利用光伏电池将太阳产生的光能直接转换成电能的发电形式太阳能的转换利用方式有：光――热转换光――电转换光――化学转换但如何合理利用太阳能发电，提高光――电转换效率，降低开发

和转化成本，是太阳能发电与控制技术面临的重要课题。

（ 2）风能发电 ――利用风力发电机将风能转换为电能的发电形式。中国的风能总储量估计为 1.6×109kW，列世界第三位。风能发电的经济性和实用性由风车的安装地点、方向、风速等多

种因素综合决定。（ 3）核能发电 ――利用核反应堆释放出的核能量进行的发电形式。

新核能

（ 4）小水利发电 ――装机容量 50000kW以下水电站及其配套电网的统称。优势：开发灵活，可以分散开发、就地成网、分布供电；

具有极强的适用性和辐射性；是国际上大力提倡的清洁可再生的绿色能源；在环境保护、扶贫及提供农村能源等方面均具有显著作用。

小水利

（ 5）生物质能发电――利用生物质转换过程形成的生物质气、油通过燃烧发电的形式。

全世界约 25 亿人的生活能源的 90% 以上是生物质能。优点：燃烧容易，污染少，灰分较低；缺点：热值及热效率低，能量密度低，直接燃烧生物质的热效率仅

为 10% ～ 30% ，体积大而不易运输。

（ 6）海洋能发电 ――利用海洋的各种能量，直接将其转换为电能的形式。包括：潮汐能、波浪能、海流能、海水温差能、海水盐差能优点：蕴藏丰富、分布广、清洁无污染，但能量密度低、地域性强缺点：开发困难，并有一定的局限潮汐发电和小型波浪发电技术已经实用化。

（ 7）地热能发电――利用高温地热资源进行发电的形式。缺点：由于地热田的分布一般远离人口密集的城镇，要利用这些

资源就存在蒸汽或热水长距离输送的困难。氢能发电――用电解法、热化学法、光电化学法、等离子体化学法等制

备氢气，再经燃料或制成氢燃料电池发电的形式。

BMW 氢能 7 系概念车

时速 300km/h 以上

2 、新能源转换的经济意义 • 目前除水电外，最有竞争潜力和增长速度最快的是风能。 2004 年德

国的风力发电量已达 245 亿 kW·h，可满足全国 4%的用电量。• 太阳能设施建造成本太高，光伏发电系统平均为 5000欧元／ kW·h，

太阳能供热系统平均为 2500欧元／ kW·h，因此与化石能源相比，短期内还缺乏竞争力。

• 我国在地热能发电、潮汐发电等方面已有规模化应用 • 由于《京都议定书》的生效，氢能作为有望替代石油的动力燃料，得

到了各发达国家的普遍关注。• 作为替代石油的重要战略选择，生物质燃料也成为世界最新关注的热

点。生物质能可直接生产和提供动力液体燃料，这对于解决交通能源十分重要。

• 核电是新能源体系中能量密度最大，运行成本较低的清洁能源。

太阳能、光伏发电与控制技术

机械工业出版社太阳能、光伏发电与控制技术

机械工业出版社 61第 4章太阳能、光伏发电与控制技

术

4.1 太阳的辐射及太阳能简介

4.2 太阳能的转换与应用

4.3 太阳能电池与光伏发电原理

4.4 MPPT光伏变换与控制技术

4.5 光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略

4.6 光伏发电的制约因素与经济技术评价

本章主要内容

机械工业出版社 62 太阳能、光伏发电与控制技术

63

4.1 太阳的辐射及太阳能简介

4.1.1 太阳简介

图 4-1 太阳的结构机械工业出版社

第 4章太阳能、光伏发电与控制技术

64

图 4-2 地球绕太阳运行示意图

太阳活动

机械工业出版社第 4章太阳能、光伏发电与控制技

术

65

地面辐射的时空变化特点是：① 全年以赤道获得的辐射最多，极地最少。这种热量不均匀分布，必然导致地表各纬度的气温产生差异，在地球表面出现热带、温带和寒带气候；② 太阳辐射夏天大冬天小，它导致夏季温度高而冬季温度低。

4.1.2 太阳辐射

地区太阳平均辐射强度

kWh/(m2·d) W/m2

热带、沙漠 5 － 6 210 － 250

温带 3 － 5 130 － 210

阳光较少地区（北欧） 2 － 3 80 － 130

不同地区太阳平均辐射强度


术

66

地球上的能流


术

图 4-4 地球上的能流

67

4.2 太阳能的转换与应用

机械工业出版社

太阳能必须即时转换成其他形式能量才能贮存和利用，转换的方式主要有以下几种：（ 1 ）太阳能――热能转换，并以热能形式贮存

（ 2 ）太阳能――电能转换，并以电能形式贮存

（ 3 ）太阳能――氢能转换，并以氢能形式贮存

（ 4 ）太阳能――生物质能转换，并贮存于生物质

（ 5 ）太阳能－－机械能转换，并以机械能形式贮存第 4章太阳能、光伏发电与控制技

术

4.2.1 太阳能应用的发展史


术

第一阶段（ 1900 ～ 1920 年）

第二阶段（ 1920 ～ 1945 年）

第三阶段（ 1945 ～ 1965 年）

第四阶段（ 1965 ～ 1973 年）

第五阶段（ 1973 ～ 1980 年）

第六阶段（ 1980 ～ 1992 年）

第七阶段（ 1992 ～ 2005 年）

69

4.2.2 太阳能的技术应用


术

1．太阳能采集

※ （ 1 ）平板集热器

※ （ 2 ）真空管集热器

※ （ 3 ）聚光集热器

70机械工业出版社第 4章太阳能、光伏发电与控制技

术

2．太阳能的转换

※ （ 1 ）太阳能――热能转换

※ （ 2 ）太阳能――电能转换

※ （ 3 ）太阳能――氢能转换

※ （ 4 ）太阳能――生物质能转换

※ （ 5 ）太阳能－－机械能转换

2 ．太阳能的转换


术

3．太阳能贮存

※ （ 1 ）热能贮热

※ （ 2 ）电能贮存

※ （ 3 ）氢能贮存

※ （ 4 ）机械能贮存


术

4．太阳能传输

※ （ 1 ）直接传输

※ （ 2 ）间接传输


术

5. 太阳能的利用

※ （ 1 ）太阳辐射的热能利用

※ （ 2 ）太阳能光热利用

※ （ 3 ）太阳能热发电

※ （ 4 ）太阳能综合利用

※ （ 5 ）太阳能光伏发电技术

74

太阳能的利用


术


术

78

尚德大型太阳能发电幕墙


术


术

80

美国最大的光伏发电站 -1


术

81

美国最大的光伏发电站 -2


术


术

90

4.3 太阳能电池与光伏发电原理4.3.1 太阳能电池

太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池（片），有单晶硅、多晶硅、非晶硅和薄膜电池等种类。单晶和多晶电池用量最大，非晶电池用于一些小系统和计算器辅助电源等。


术

91

太阳能电池原理

太阳能电池的原理是基于半导体的光伏效应，将太阳辐射直接转换为电能。

所谓光电效应，就是指物体在吸收光能后，其内部能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，而半导体光伏效应的效率最高。


术

92

1. 半导体的内部结构


术

图 4-5 一般的半导体结构

93

2. P 型半导体的结构


术

图 4-6 P 型半导体

94

3. N 型半导体的结构


术

图 4-7 N型半导体

95

4. 太阳能电池晶片的组成


术

图 4-8 太阳电池晶片

96

5. 太阳能晶片受光的物理过程


术

图 4-9 太阳能晶片受光的物理过程

97

太阳能电池的分类

1. 单晶硅太阳能电池

2. 多晶硅太阳能电池

3. 非晶硅太阳能电池


术

98

4.3.2 太阳能光伏发电原理

机械工业出版社

1.太阳能电池阵列

2.逆变器

3.用电设备

4.进户计量仪表


99

图 4-10 典型的光伏发电系统

1. 太阳能光伏发电系统的结构


术

100

2 .系统组成

（ 1 ）太阳能电池组件：由太阳能电池（也称光伏电池）按照系统的需要串联或并联而组成的矩阵或方阵，在太阳光照射下将太阳能转换成电能，它是光伏发电的核心部件。

（ 2 ）充放电控制器、逆变器本部分除了对蓄电池或其他中间蓄能元件进行充放电控制外，一般还要按照负载电源的需求进行逆变，使光伏阵列转换的电能经过变换后可以供一般的用电设备使用。

（ 3 ）蓄电池、蓄能元件及辅助发电设备蓄电池或其他蓄能元件如超导、超级电容器等是将太阳能电池阵列转换后的电能储存起来，以使无光照时也能够连续并且稳定的输出电能，满足用电负载的需求。


术

101

3. 光伏系统分类（ 1 ）小型太阳能供电系统（ Small DC ）

该系统的特点是系统中只有直流负载而且负载功率比较小，整个系统结构简单，操作简便。如在我国的西北地区大面积推广使用了这种类型的光伏系统，负载为直流节能灯、家用电器等，用来解决无电地区家庭的基本照明和供电问题。


术

图 4-11 小型太阳能供电系统

102

（ 2 ）简单直流系统（ Simple DC ）

该系统的特点是系统中负载为直流负载，而且负载的使用时间没有特别要求，负载主要在日间使用，系统中没有蓄电池，也不需要控制器。整个系统结构简单，直接使用太阳能电池阵列给负载供电，光伏发电的整体效率较高。如光伏水泵就使用了这种类型的光伏系统。

直流用电设备


术

图 4-12 简单直流供电系统

103

（ 3 ）大型太阳能供电系统（ Large DC ）该系统的特点是系统中用电器也是直流负载，但负载功率比较大，整个系统的规模也比较大，需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。常应用于通信、遥测、监测设备电源，农村集中供电站，航标灯塔、路灯等领域。如在我国的西部地区部分乡村光伏电站使用了这种类型的光伏系统，中国移动和中国联通公司在偏僻无电地区的通信基站等。

直流用电设备

直流用电设备

直流用电设备

直流用电设备


术

图 4-13 大型太阳能供电系统

104

该系统的特点是系统中同时含有直流负载和交流负载，整个系统结构比较复杂，整个系统的规模也比较大，同样需要配备较大的太阳能光伏阵列和较大的蓄电池组。如在一些同时具有交流和直流负载的通信基站或其他一些含有交流和直流负载的光伏电站中使用了这种类型的光伏系统。

（ 4 ）交流、直流供电系统（ AC/DC ）

直流用电设备

直流用电设备

直流用电设备

直流用电设备

DC

DC

AC

交流用电设备


术

图 4-14 交流、直流供电系统

105

（ 5 ）并网系统（ Utility Grid Connect ）这种系统的最大特点是太阳能电池阵列转换产生的直流电经过三相逆变器（ DC/AC ）转换成为符合公共电网要求的交流电并直接并入公共电网，供公共电网用电设备使用和远程调配。这种系统中所用的逆变器必需是专用的并网逆变器，以保证逆变器输出的电力满足公共电网的电压、频率和相位等性能指标的要求。这种系统通常能够并行使用市电和太阳能电池阵列作为本地交流负载的电源，降低了整个系统的负载缺电率；而在夜晚或阴雨天气，本地交流负载的供电可以从公共电网获得。

DC

AC


术

图 4-15 并网发电系统

4.4.1 光伏阵列的组成与输出特性


术

4.4 MPPT光伏发电变换与控制技术

1．光伏电池的电特性

光伏电池的等效电路如图 4-18.

107

I LG I RshI dRsh

Rs

I

RL

电流 I 为太阳能电池输出电流， Id 为二极管工作电流， IRsh 为漏电流， ILG 为光电池电流源， Rsh

为光伏电池的并联等效电阻； Rs ：光伏电池的串联等效电阻。

图 4-18 光伏电池等效电路图


术

108

光伏电池的输出特性方程：

式中：

shRdLG IIII

{exp[ ( )] 1} SLG os S

sh

V IRqI I V IR

AKT R

)]11

(exp[][ 3

TTBK

qE

T

TII

r

GO

roros

1000)]298([ 1

TkII SCRLG

并联电阻 Rsh 越大，不会影响短路电流的数值。所以下面设计中忽略 Rsh ，得到简化的光伏电池输出特性方程：

}1)]({exp[ SosLG IRVAKT

qIII

I ：光伏电池输出电流； V ：光伏电池输出电压； IOS ：光伏电池暗饱和电流 T ：光伏电池的表面温度； k ：波尔兹曼常数 (1.38*10-23 J/ 。 K) ：日照强度； q ：单位电荷 (1.6*10-19C) ； K1 ：短路电流的温度系数； ISCR ：标准测试条件（光伏电池温度 25℃ ，日照强度为 1000W/m2 ）下，光伏电池的短路电流； ILG ：光电流； EGO ：半导体材料的禁带宽度； Tr ：参考温度 (301.18 。 K) ； Ior ： Tr 下的暗饱和电流； A,B ：理想因子，一般介于 1 和 2之间


术

109

光伏电池模型


术

110

当负载 RL从 0 变化到无穷大时，即可得到如图所示太阳能电池输出特性曲线。调节负载电阻 RL 到某一值 Rm时，在曲线上得到一点 M ，其对应的工作电压和工作电流之积最大，即 Pm=Im*Vm ，将此M 点定义为最大功率输出点（ MPP ）。

光伏电池的输出特性图机械工业出版社


2．光伏电池的伏安特性

2 ．光伏电池的伏安特性


术

图 4 － 20 光伏电池的伏――安特性 `

112

MPPT 本质上是一个寻优过程。通过测量电压、电流和功率，比较它们之间的变化关系，决定当前工作点与峰值点的位置关系，然后控制电流（或电压）向当前工作点与峰值功率点移动，最后控制电流（或电压）在峰值功率点附近一定范围内来回摆动。

图 4-22 不同光照强度下的光伏电池最大功率点机械工业出版社


4.4.1 光伏阵列的组成与输出特性

3．MPPT 工作原理

113

在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，也就是让光伏电池工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率。 MPPT 就是一个不断测量和不断调整以达到最优的过程，它不需要知道光伏阵列精确的数学模型，而是在运行过程中不断改变可控参数的整定值，使得当前工作点逐渐向峰值功率点靠近，使光伏系统运作在峰值功率点附近。


术

114

1.定电压跟踪法2.扰动观察法3.功率回授法4.增量电导法5.模糊逻辑控制6.滞环比较法7.神经元网络控制法8. 最优梯度法

常用最大功率点跟踪算法：


术

115

4.4.2 MPPT光伏阵列的发电变换

光伏发电系统一般包括：

◎光伏电池最大功率点跟踪（ MPPT ）控制器

◎蓄电池充放电控制器

◎直流升压或降压型变换器

◎逆变器


术

116

光伏系统的逆变器光伏发电系统中的逆变器，包括无源逆变和有

源逆变两种形式。其中无源逆变用于孤立型光伏发电站，通过逆变器将直流逆变为方波或经 SPWM调制为正弦波交流电，直接向交流负载供电。有源逆变器用于并网光伏发电，通过逆变器以 SPWM 的方式产生交流调制正弦电源，并使输出正弦波的电压幅值、频率及相位等变量与公共电网一致。光伏发电系统中的逆变器按输入侧直流储能元件类型可进一步划分为电压型逆变和电流型逆变两类；按拓朴结构又可分为单相半桥逆变电路，单相全桥逆变电路和三相全桥逆变电路三种。


术

117

1. 电压型逆变器


术

图 4-25 电压型逆变器

118

2.串联谐振电压型逆变器


术

图 4-26 串联谐振电压型逆变器

119

3. 电流型逆变器


术

图 4-27 电流型逆变器

120

4.并联谐振电流型逆变器


术

图 4-28 并联谐振电流型逆变器

121

5.单相半桥逆变器


术

图 4-29 单相半桥逆变器

122

6.单相全桥逆变器


术

图 4-30 单相全桥逆变器

123

7.三相桥式逆变器


术

图 4-31 三相桥式逆变器

4.4.3 MPPT 光伏阵列发电的控制技术


术

1．蓄电池充电控制

2．最大功率点跟踪（ MPPT ）控制

3．太阳光跟踪系统

4.5 光伏阵列并网逆变器的结构与控制策略


术

4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构

4.5.1 光伏阵列并网逆变器的结构

1．电压源型光伏阵列的逆变并网

图 4－ 40 光伏阵列并网的电压源型电路结构


术


2．电流源型光伏阵列的逆变并网

图 4－ 41 光伏阵列电流源型并网逆变电路拓扑


术


3．单级式并网逆变器

图 4－ 42单级式并网逆变器的电路拓扑


术


4．两级式并网逆变器

图 4－ 43 两级式并网逆变器的电路拓扑


术


图 4－ 44 一种改进型两级式并网逆变器拓扑


术


5．多级式并网逆变器

图 4－ 45 多级式并网逆变器的电路拓扑


术


4.5.2 光伏阵列并网逆变器的控制策略

1．并网波形的跟踪与控制策略

2．光伏阵列的最大功率点控制

3．并网系统的保护与光伏发电并网的孤岛问题

4.6 光伏发电的制约因素与经济技术评价


术

成本 / 价格年份

（ USD ）

光伏电池

1990 1995 2000 2010

单晶硅 3.25/5.40 2.40/4.00 1.50/2.50 1.20/2.00

多晶硅 3.00/5.00 2.25/3.75 1.50/2.50 1.20/2.00

聚光电池 3.00/5.00 2.00/3.33 1.20/2.00 0.75/1.25

非晶硅 3.00/5.00 2.00/3.30 1.20/2.00 1.00/1.67

薄膜硅 2.00/3.33 1.20/2.00 0.75/1.25

CIS 2.00/3.33 1.20/2.00 0.75/1.25

CdTe 1.50/2.50 1.20/2.00 0.75/1.25

表 4 － 2 地面用光伏电池组件的成本与价格（ 1990 ～ 2010 年）


术

年份效率（ % ）光伏电池

1995 2000 2010

单晶硅 15 18 22

多晶硅 14 16 20

聚光电池 22 25 30

非晶硅 7 ～ 9 10 14

薄膜硅 8 ～ 10 12 15

CIS 7 ～ 9 12 14

CdTe 7 ～ 9 12 15

表 4 － 3 光伏电池组件的效率


术

光伏阵列发电主要存在以下问题：

１．光伏阵列发电效率低

２．光伏阵列发电系统的造价成本高

３．光伏阵列发电系统的运行受气候环境因素影响大

４．光伏电池组件的制造需要消耗大量能源


术

目前大多数的风—光，风—光—柴油以及风—光—柴—蓄等脱离大电网的混合局部并网发电系统都具有独立和并网两种工作模式，因而以太阳能光伏发电与风力发电进行互补，综合天燃气燃机发电或柴油发电，而形成大型新能源综合发电是未来重要的发展方向。

136机械工业出版社

小结

本章介绍太阳能光伏发电的相关知识，从太阳能的利用方面初步了解太阳能电池的基本原理和特性，介绍了 MPPT 及其控制的原理和方法；并进一步简述的在太阳能应用中常用的 DC－ DC 变换或 DC－ AC 变换，最后列举了一些知名厂商的太阳能逆变器产品。


137

SUNNY BOY 700 SUNNY BOY 3800

附录：光伏逆变器实物及一些重要指标 SMA公司


术

138

SUNNY BOY 2100TL SUNNY BOY 2800i


术

139

SUNNY MINI CENTRAL 5000A/6000A SUNNY MINI CENTRAL 7000HV


术

140

Sunny Tower Sunny Central SC350 /350HE


术

141

DELTA公司

Solar Inverter SI 1900


术

142

Solar Inverter SI 3300


术

143

Central Inverter CI 100


术

144

XANTREX公司

GT Series Grid Tie Solar Inverter


术

145

GT Series Grid Tie Solar Inverter 参数


术

146

GT30E Inverter


术

147

BP SOLAR公司

GC INVERTER


术


术

149

sunways公司

Sunways NT 6000, NT 5000, NT 4000 and NT 2600 Solar Inverters


术


术

151

Fronius IG 15 / 20 / 30

Fronius公司


术


术

153

Fronius IG 40 / 60 HV


术


术

155

Fronius IG Central Inverters


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术

157

Fronius IG Plus 35


术


术

160

The MS Series Pure Sine Wave Inverter/Charger


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新能源转换与控制技术

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