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光伏發電系統的組成

2016-08-11 08:53:58 點擊數:

隨著分布式光伏新政的頒布,分布式光伏發電系統備受業界人士矚目。在實際應用中,分布式光伏發電系統可以分為并網型和離網型。并網型是將系統發出來的直流電轉換成交流電,并入到電網上;離網型光伏發電系統則是自發自用,就地消納,應用靈活。在實際使用中,離網型光伏發電系統隨處可見,如太陽能路燈、交通信號燈、農用滅蟲燈等,特別是在一些電網覆蓋不到的偏遠山區,離網型光伏發電系統的重要作用就凸顯出來了。這里,主要介紹了離網型光伏發電系統的組成。那么光伏發電系統都由哪些部分構成呢?其作用分別是什么?

離網型光伏發電系統組成:  

典型的光伏發電系統主要由光伏陣列、充放電控制器、儲能裝備或逆變器、負載等組成。其構成如圖所示。


光照射到光伏陣列上,光能轉變成電能,光伏陣列的輸出電流由于受環境影響,因此是不穩定的,需要經過DC-DC轉換器將其轉變成穩定的電流后,才能加載到蓄電池上,對蓄電池充電,蓄電池再對負載供電。如果是并網售電,則不需要蓄電池,而是通過并網逆變器,將直流電流轉換成交流電流,并到電網上進行出售。也就是說,離網型光伏發電系統必須使用到蓄電池儲能,而并網型則不一定需要。

控制系統對光伏陣列的輸出電壓和電流進行實時采樣,判斷光伏發電系統是否工作在最大功率點上,然后根據跟蹤算法,改變PWM信號的占空比,進而控制光伏陣列的輸出電壓使其工作點向最大功率點逼近。在蓄電池過充過放控制模塊中,當蓄電池電壓充電或放電到一定的設定值后,就會自動關閉或打開。

下面,將為您介紹離網型光伏發電系統的各個組成部分。

光伏陣列組件

光伏發電系統利用以光電效應原理制成的光伏陣列組件將太陽能直接轉換為電能。光伏電池單體是用于光電轉換的最小單元,一個單體產生的電壓大約為0.45V,工作電流約為20~25mA/cm2,將光伏電池單體進行串、并聯封裝后,就成了光伏電池陣列組件。

當受到光線照射的太陽能電池接上負載時,光生電流流經負載,并在負載兩端建立起端電壓,這時太陽能電池的工作情況可以用下圖所示的太陽能電池負載特性曲線來表示。它表明在確定的日照強度和溫度下,光伏電池的輸出電壓和輸出電流以及輸出功率之間的關系,簡稱I-V特性和P-V特性。從圖中可以看出,光伏發電系統的特性曲線具有強烈的非線性,既非恒壓源也非恒流源。從其P-V特性曲線可以看出,在日照強度一定的前提下,其輸出功率近似于一個開口向下的拋物線。該拋物線頂點對應的功率即為該日照強度下的P-V曲線的最大功率點,對應的電壓稱為最大功率點電壓。為了提高光伏發電系統的轉化效率,就必須使系統保持運行在P-V曲線最大功率點附近。

光伏電池陣列的幾個重要技術參數:

1)短路電流(Isc):在給定日照強度和溫度下的最大輸出電流。

2)開路電壓(Voc):在給定日照強度和溫度下的最大輸出電壓。

3)最大功率點電流(Im):在給定日照強度和溫度下相應于最大功率點的電流。

DC-DC轉換器

光伏電池板發出的電能是隨著天氣、溫度、負載等變化而不斷變化的直流電能,其發出的電能的質量和性能很差,很難直接供給負載使用。需要使用電力電子器件構成的轉換器,也就是DC-DC轉換器,將該電能進行適當的控制和變換,變成適合負載使用的電能供給負載或者電網。電力電子轉換器的基本作用是把一個固定的電能轉換成另一種形式的電能進行輸出,從而滿足不同負載的要求。它是光伏發電系統的關鍵組成成分,一般具備有幾種功能:最大功率點追蹤、蓄電池充電、PID自動控制、直流電的升壓或降壓以及逆變。

DC-DC轉換器輸出電壓和輸入電壓的關系通過控制開關的通斷時間來實現的,這個控制信號可以由PWM信號來完成。主要工作原理是保持通斷周期(T)不變,調節開關的導通持續時間來控制電壓。DPWM信號的占空比。

根據輸入和輸出的不同形式,可將電力電子轉換器分為四類,即AC-DC轉換器、DC-AC轉換器、DC-DC轉換器和AC-AC轉換器。在離網型光伏發電系統中采用的是DC-DC轉換器。

DC-DC轉換器,其工作原理是通過調節控制開關,將一種持續的直流電壓轉換成另一種(固定或可調)的直流電壓,其中二極管起續流的作用,LC電路用來濾波。DC-DC轉換電路可以分為很多種,從工作方式的角度來看,可以分為:升壓式、降壓式、升降壓式和庫克式等。

降壓式轉換器(BuckConverter)是一種輸出電壓等于或小于輸入電壓的單管非隔離直流轉換器;升降壓式變換器(Buck-BoostConverter)轉換電路的主要架構由PWM控制器與一個變壓器或兩個獨立電感組合而成,可產生穩定的輸出電壓。當輸入電壓高于目標電壓時,轉換電路進行降壓;當輸入電壓下降至低于目標電壓時,系統可以調整工作周期,使轉換電路進行升壓動作;而升壓式轉換器(BoostConverter)是輸出電壓高于輸入電壓的單管不隔離直流轉換器,所用的電力電子器件及元件和Buck轉換器相同,兩者的區別僅僅是電路拓撲結構不同。

蓄電池

在獨立運行的光伏發電系統中,儲能裝置是必不可少的。現在可選的儲能方法有很多,如電容器儲能、飛輪儲能、超導儲能等,但是從方便、可靠、價格等綜合因素來考慮,大多數大中型的光伏發電系統都使用了免維護式的鉛酸蓄電池作為系統的儲能裝置。

但選用鉛酸蓄電池也有不足之處,它比較昂貴,初期投資能夠占到整個發電系統的1/41/2,而蓄電池又是整個系統中較薄弱的環節,因此如果管理不當,會使蓄電池提前失效,增加整個系統的運營成本。

光伏控制模塊

光伏控制模塊以單片機為控制中心,為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓,快速、平穩、高效地為蓄電池充電。并在它充電過程中減少蓄電池的損耗,盡量延長蓄電池的使用壽命,同時保護蓄電池免受過充電和過放電的危害。如果用戶使用的是直流負載,通過太陽能控制器可以為負載提供穩定的直流電(由于受天氣等外界因素的影響,太陽電池陣列發出的直流電的電壓和電流不是很穩定),同時也通過控制傳感器電路(光控、聲控等)來實現全自動開關燈功能。

單片機的主要工作是將電流采集電路和電壓采集電路采集到的電流、電壓進行運算比較,然后通過MPPT算法來調節PWM的占空比D,使光伏陣列組件工作在最大功率點處。

4)最大功率點電壓(Um):在給定日照和溫度下相應于最大功率點的電壓。

5)最大功率點功率(Pm):在給定日照和溫度下太陽能電池陣列可能輸出的最大功率。本文來源于OFweek太陽能光伏網

離網型逆變器

住宅用的離網型光伏發電系統因為部分負載是交流負載,因此還需要離網型逆變器,把光伏組件發出的直流電變成交流電給交流負載使用。光伏離網型逆變器與光伏并網型逆變器在主電路結構上沒有較大區別,主要區別在光伏并網型逆變器需要考慮并網后與電網的運行安全。也就是同頻;同相;抗孤島等控制特殊情況的能力。而光伏離網型逆變器就不需要考慮這些因數。

為了提高離網型光伏發電系統的整體性能,保證電站的長期穩定運行,逆變器的性能指標非常重要。

離網型光伏發電系統的應用:

離網型光伏發電系統廣泛應用于偏僻山區、無電區、海島、通訊基站和路燈等應用場所。

總結:

這里,OFweek太陽能光伏網小編大致為您介紹了一個小型的、獨立的離網型光伏發電系統的組成。而大型光伏電站則要考慮更多方面的因素,系統也更為完善。上面提到一個很重要的概念,就是最大功率點跟蹤(MaximumPowerPointTrackingMPPT)。從電子系統方面考慮,對光伏組件進行最大功率點跟蹤是降低發電成本、提高發電效率的最直接、最有效的方法。因此,光伏組件的最大功率點追蹤算法研究是光伏發電系統的重要難題和關鍵技術之一。在后續的文章中小編會為您介紹一些具體的最大功率點跟蹤算法。

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