分布式发电系统中的光伏发电技术(第2版).pdf

新 能 源 应 用 技 术 丛 书分布式发电系统中的光伏发电技术第 2 版王立乔 孙孝峰 编著机 械 工 业 出 版 社本书从系统的角度对分布式发电系统中的光伏发电技术进行了全面的介绍。全书共分 10 章。第 1 3 章主要介绍了光伏发电技术的发展现状、基本原理及电力电子技术；第 4 5 章主要介绍了直流母线分布式光伏发电系统的网络结构及控制策略、交流母线分布式光伏发电系统的网络结构及逆变器的并网、并联及控制策略等；第 6 8 章主要介绍了分布式光伏发电系统中的最大功率点跟踪、储能与后备系统及综合管理策略；第 9 章主要针对光伏产业及分布式发电系统新出现的一些关键问题，比如分布式光伏发电系统的稳定性分析、直接并网光伏发电系统的直流分量及对地漏电流问题和孤岛现象及其检测技术等进行了论述。本书可作为电气工程、能源工程等相关专业科研人员及从业人员的参考书，也可以作为高等院校相关专业研究生的教材。图书在版编目（CIP）数据分布式发电系统中的光伏发电技术/王立乔，孙孝峰编著.2版.北京：机械工业出版社，2014.9（新能源应用技术丛书）ISBN 978-7-111-47389-3.分.王孙.太阳能发电.TM615中国版本图书馆 CIP 数据核字（2014）第 159915 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：付承桂 责任编辑：付承桂 责任校对：张 征封面设计：陈 沛 责任印制2014 年 9 月第 2 版第 1 次印刷169mm 239mm18 印张337 千字00013000册标准书号：ISBN 978-7-111-47389-3定价：元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务社 服 务 中 心：（010）88361066销 售 一 部：（010）68326294销 售 二 部：（010）88379649读者购书热线：（010）88379203网络服务教材网：http：/机工官网：http：/机工官博：http：/ 洋第 2 版前言分布式发电系统中的光伏发电技术 第 1 版出版到现在 已经四年了。这四年间光伏发电和分布式发电系统的研究和应用都取得了重大进展。一方面 太阳电池的能量转换效率大幅度提高 使得光伏发电的成本迅速下降 大规模光伏利用已经成为可能。另一方面 随着能源危机和环境污染日益加重 特别是近几年集中出现的大气和 PM2.5 污染 使得传统化石能源的使用受到越来越多限制而以光伏发电技术为代表的清洁可再生能源作为替代能源已经成为必然选择。分布式发电系统作为对主干电力系统的补充 特别是在保障电力系统可靠性、安全性等方面的积极作用也被越来越多地重视。为此 应广大读者的要求 推出了本书的第 2 版。考虑到四年以来 在光伏发电和分布式发电系统中取得的很多新研究成果因此本书第 2 版在第 1 版的基础上修改和增补了部分内容。这些内容主要包含单级可升降压光伏逆变器拓扑结构、计及阴影的光伏阵列特性及其最大功率跟踪、光伏发电系统集成以及光伏逆变器漏电流抑制等方面。本书第 2 版仍由燕山大学王立乔教授和孙孝峰教授编著。第 1 章、第 2 章、第 3 章、第 5 章和第 9 章的 1、2 节由王立乔完成。第 4 章、第 6 章、第 7 章、第 8 章、第 9 章的第 3 节由孙孝峰完成。全书由王立乔统稿。在本书的修订过程中 得到了研究生王欣、仇雷、鲍利斌、桑霖霖、吴明高等人的大力协助 在此表示感谢。由于时间仓促 加之作者水平有限 书中内容不可能做到尽善尽美 难免存在不足和错误之处 热诚希望广大读者批评指正。王立乔第 1 版前言随着化石能源的逐渐枯竭 发展可再生能源已成为解决世界能源问题的必经之路。考虑到能源利用中的环境因素和开发潜力 太阳能、风能成为了诸多可再生能源中最具发展前景的两种能源。因此太阳能光伏发电技术和风能发电技术也日益受到重视和关注。由于可再生能源的分散性、多样性和随机性 分布式发电系统成为可再生能源发电的必然网络结构。光伏发电是分布式发电系统中重要的组成部分。含有光伏发电的分布式发电系统主要有两种结构。一种是直流母线分布式光伏发电系统。直流母线分布式光伏发电系统的特点是各发电单元、储能设备和用电负载都并联在公共直流母线上。直流母线分布式光伏发电系统可以自成网络、独立运行 也可以与城市主电网并联运行。直流母线分布式光伏发电系统主要用于偏远地区供电 也可用于独立小区供电。对于用电需求很小的用户 仅用光伏阵列和储能设备就可以构成直流母线分布式光伏发电系统 这种系统也可称为独立光伏系统。对于用电需要较大的用户 由于光伏阵列的输出容易受到气候和气象条件的影响 不能实现稳定的功率输出 这时发电系统往往需要与其他小型发电设备（如风力发电设备或柴油发电机）等构成联合发电系统 同时还应配置储能单元（如蓄电池或扬水水泵等）。直流母线分布式光伏发电系统与传统的交流母线发电系统和高压直流输电系统有明显的区别 其控制和管理也有一些独特的特点。含有光伏发电的分布式发电系统的另一种结构就是交流母线分布式光伏发电系统。交流母线分布式光伏发电系统的特点就是各发电单元、用电负载都与主干电网并联。具体的连接方式又有两种：一种是单纯交流母线并网方式 也就是所有发电单元都直接与交流电网并联 有公共的交流母线 无公共的直流母线；另一种是交直流混合母线并网方式 也就是发电单元与公共直流母线并联直流母线与交流母线间通过并网逆变器连接 这样既有公共的交流母线 也有公共的直流母线。这两种连接方式各有特点 但不论哪种方式 都需要有并网逆变器。因此 并网逆变器的控制成为交流母线分布式光伏发电系统中重要的研究内容。在并网逆变器的研究中 功率调节问题是首先需要注意的。同时 考虑到分布式光伏发电系统的特点 发电单元与本地负载的关系更密切（距离短）这种情况下 各并网逆变器具有并联运行的性质；而分布式发电系统工作在孤岛运行状态时 各并网逆变器就是并联运行。为此 并网逆变器的并联问题也是重要的研究内容。并网逆变器为达到并网标准的技术要求 需要采取各种控制策略 这 也是交流母线分布式发电系统的主要研究内容。为了更多更有效地应用光伏等可再生能源 了解并掌握光伏最大效率点跟踪技术和能量的存储释放技术成为分布式光伏发电系统中最重要的环节。光伏阵列的输出与气候、气象条件密切相关。为达到充分利用资源的目的 光伏发电系统需要实现最大功率点跟踪控制。光伏发电系统最大功率点跟踪控制的关键点在于最大功率点的搜索。最大功率点的搜索算法层出不穷 以扰动观察法（即所谓爬山法）为基础的各种改进算法就不胜枚举。此外 还有其他一些算法不断涌现。能量储备单元包含储能元件和后备元件。当前 分布式发电及光伏发电系统中最常用的储能元件就是蓄电池。由于光伏阵列输出能量的不稳定性和随机性使得光伏发电系统中的蓄电池与常规蓄电池的工作状态也会有所不同。因此必须在深入了解蓄电池基本充、放电特性的基础上 设计合理的蓄电池控制策略 以保证发电系统有稳定的能量输出 同时提高蓄电池的使用寿命和效率。超级电容是另一种新型储能元件 其应用与发展得到了广泛的关注。虽然超级电容与蓄电池在光伏发电系统中的角色相似 但不论是其制造原理还是工作特性都与蓄电池有显著区别。因此研究超级电容在分布式发电及光伏发电系统中的应用具有重要的理论意义和实践价值。储能元件只能缓冲光伏阵列多余的能量 为发电系统提供补充能量的能力有限。因此 为了保证分布式发电系统的稳定工作 还应该设置后备单元。燃料电池可以作为一种稳定的后备单元 在系统中配合光伏阵列工作 提供稳定的补充能量 满足负载需求 并且改善系统的动态性能 维持发电系统的安全运行。分布式发电系统是一种新生事物 在能量管理、稳定性、连接模式等许多方面与常规的集中式发电系统不同 分布式发电系统目前并没有标准的综合管理策略。但作为一个发电系统 分布式发电系统应该具有能量优化调节、生产调度、安全预警及故障诊断等综合管理功能。在这方面虽然有一些成功的应用 但也只是工程个案 这方面的研究必将成为分布式发电系统研究的热点之一。随着光伏发电系统装机容量的不断增加 其他一些关键问题逐渐为人们所关注 比如分布式光伏发电系统的稳定性分析、直接并网光伏发电系统的直流分量及对地漏电流问题和孤岛现象及其检测技术等 这些问题的解决有助于光伏系统的稳定运行与健康发展。基于可再生能源的分布式发电系统与传统发电系统的一个重大区别就是大量电力电子设备的应用。电力电子变流器是分布式发电系统能量优化控制的载体 如最大功率点跟踪控制、并网波形控制等都需要通过电力电子变流器实现。无论是电力电子变流器 还是分布式发电系统中不同层次间的接口 对分布式发电系统的安全稳定运行都起着重要的作用。除了传统的电力电子变流器拓扑结构、调制及控制策略外 适应于可再生能源发电系统特别是光伏发电系统的新型电力电子变流器拓扑结构也不断出现。第 1 版前言 分布式发电系统及光伏发电技术是目前发展极为迅速的高新技术 本书试图从系统的角度对其中的关键问题和研究热点进行全面地介绍。本书以光伏发电技术为基础 对分布式发电系统中的电力电子技术、网络拓扑结构、并网逆变器控制、储备单元、综合管理策略及其他热点问题进行了综合性的介绍 内容丰富覆盖面大。本书由燕山大学王立乔副教授和孙孝峰教授等编著。第 1 3 章、第 5 章和第 9 章的 1、2 节由王立乔完成。第 4 章、第 6 8 章、第 9 章的第 3 节和第 10章由孙孝峰完成。全书由王立乔统稿。郭小强博士和研究生姜旭东、齐飞、廉志珍等承担了部分文字录入、计算机绘图等工作。本书的写作得到以下项目的支持资助：国家自然科学基金项目：“基于波形库的电力电子波形控制技术”；国家自然科学基金项目：“基于波形评估的可调载波脉宽调制研究”；国家自然科学基金重点项目：“可再生能源的分布式发电系统能量变换、控制与并网运行研究”；河北省自然科学基金项目：“独立运行微电网能量优化控制研究”。由于作者水平有限 书中内容不可能做到尽善尽美 难免存在不足和错漏之处 热诚希望广大读者批评指正。王立乔 分布式发电系统中的光伏发电技术 第 2 版 目录第 2 版前言第 1 版前言第 1 章 绪论1 1.1 分布式发电系统的研究概况1 1.1.1 分布式发电系统的基本概念1 1.1.2 分布式发电系统的发展现状2 1.2 分布式发电系统中的光伏发电技术3 1.2.1 我国太阳能资源及光伏发展潜力3 1.2.2 分布式发电系统中光伏发电的关键技术5 1.3 本书的主要内容6第 2 章 光伏发电基础8 2.1 光伏电池的基本原理和等效电路8 2.1.1 光伏效应8 2.1.2 单体光伏电池的等效电路和电量方程8 2.1.3 光伏电池阵列10 2.2 光伏电池的数学物理模型和伏安特性曲线11 2.2.1 光伏电池的数学物理模型11 2.2.2 光伏电池的伏安特性曲线和填充因数12 2.3 光伏电池的转换效率及其影响因素13 2.3.1 光伏电池的转换效率13 2.3.2 光谱响应13 2.3.3 光照特性14 2.3.4 温度特性15 2.3.5 环境因素对光伏电池数学物理模型的修正15 2.4 阴影条件下光伏阵列的输出特性16 2.4.1 热斑现象分析17 2.4.2 多峰现象分析18 2.4.3 引起光伏阵列多峰输出特性的因素19 2.5 光伏电池的分类22 2.5.1 按结构分类23 2.5.2 按材料分类23 2.6 光伏系统的组成24 2.6.1 独立光伏系统24 2.6.2 并网光伏系统25 2.6.3 光伏系统与分布式发电系统28第 3 章 光伏发电技术中的电力电子技术30 3.1 DC-DC 变换电路的拓扑结构及控制策略30 3.1.1 单象限直接 DC-DC 变换电路30 3.1.2 多象限直接 DC-DC 变换电路34 3.1.3 隔离型 DC-DC 变换电路38 3.1.4 DC-DC 变换电路的控制技术43 3.2 DC-AC 变换电路的拓扑结构46 3.2.1 逆变电路基本结构47 3.2.2 高频链