太阳能光伏发电系统设备构成.ppt
太阳能光伏发电技术,2.1.太阳能光伏发展历史和现状 2.2 太阳能电池工作原理 2.3 太阳能电池制造工艺 2.4 太阳能光伏发电系统设备构成 2.5 独立光伏发电系统 2.6 并网光伏发电系统,太阳能发电系统,太阳能电源是由太阳能电池发电，经蓄电池贮能，从而给负载供电的一种新型电源。广泛应用于微波通讯、基站、电台、野外活动、高速公路。可为无电山区、村庄、海岛提供电力。,太阳供电系统,太阳能供电系统的特点,太阳能电源可分为直流供电系统和交直流供电系统两种。不必拉设电线，不必挖开马路，安装使用方便；一次性投资，可保证二十年不间断供电（蓄电池一般为5年需更换）；免维护，无任何污染。,直流供电系统,太阳,交直流供电系统,太阳,太阳能供电系统,第四节 太阳能光伏发电系统设备构成,1.太阳能电池组件及光伏方阵2.储能蓄电池3.控制器4.直流-交流逆变器,太阳能电池组件及光伏方阵,太阳能光伏发电系统是通过太阳能电池吸收阳光，将太阳的光能直接变成电能输出。单个太阳能电池往往因为输出电压太低，输出电流不合适；晶体硅太阳能电池本身又比较脆，不能独立抵御外界恶劣条件；在实际使用中需要把单体太阳能电池进行串、并联，并加以封装，接出外连电线，成为可以独立作为光伏电源使用的太阳能电池组件（Solar Module或PV Module,也称光伏组件）。光伏组件输出功率从零点几瓦到数百瓦不等。,太阳能电池组件及光伏方阵,若干块光伏组件经串、并联后组成太阳能电池方阵（Solar Array或PV Array，也称光伏方阵)。光伏方阵输出功率从数瓦到数十千瓦不等。作为一个完整的光伏发电系统，还需有控制器、逆变器、支架、输配电缆、开关、熔断器等一整套“平衡系统”（BOS系统，Balance of System，有时也称“配套系统”）与太阳能电池组件或方阵相配才能正常工作。,太阳能电池组件及光伏方阵,光伏系统按照是否聚光，可分为聚光发电系统和非聚光发电系统两大类。聚光发电系统的优点是光电转换效率高。缺点是需要精密的、长期稳定可靠的聚光器和跟踪器，而且还要考虑散热。这样，不仅增加了系统的复杂性，也增加了造价和运行维护费。随着平板太阳能电池大幅降价，地面上的聚光发电系统正在逐渐失去竞争力。按照供能方式，通常可将光伏发电系统分为独立光伏发电系统（也称离网系统）、并网光伏发电系统和混合光伏发电系统。,太阳能电池组件及光伏方阵,太阳能电池组件：具有外部封装及内部光连接、能单独提供直流电输出的最小不可分割的太阳能电池组合装置,太阳能电池组件及光伏方阵,太阳能电池方阵:由两个或两个以上的太阳能电池组件在机械和电气上按一定方式组装在一起，并且有固定的支撑结构而构成的直流发电单元。,简明地说，多个单体太阳能电池互联封装后成为组件，多个太阳能电池组件互联拼装后成为方阵。,一、晶体硅太阳能电池组件,目前实用化的太阳能电池组件主要有单晶硅太阳能电池组件、多晶硅太阳能电池组件、刚性衬底薄膜太阳能电池组件（主要是非晶硅薄膜太阳能电池组件和碲化镉薄膜太阳能电池组件）以及柔性薄膜太阳能电池组件等。,单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳 能电池统称为晶体硅太阳能电池。,一、晶体硅太阳能电池组件,由于大面积（如面积200200mm2，200mm，厚度=0.20.3mm）的硅片比较脆，而单体电池的输出电压又在0.450.60V之间，因而需要首先将若干个单体电池进行串（并）联以获得必要的输出电压、电流（功率），然后再根据实际用途的需要进行封装。组件的封装结构、封装材料和封装工艺与组件的工作寿命、可靠性和成本，有着密切的关系，但有时会被忽视。,1、组件的封装结构,如图为几种典型的太阳能电池组件封装结构剖面图。实用的太阳能电池组件还要配备边框、接线盒等。,1、组件的封装结构,2、组件的封装材料,上盖板 覆盖在太阳能电池的正面，构成组件的最外层，既要透光、坚固、耐风霜雨雪，并且要能经受沙砾、冰雹的冲击，对电池起到长期保护作用。材料有钢化玻璃、聚丙烯酸类树脂、氟化乙烯丙烯、透明聚酯以及聚碳酯等。,2、组件的封装材料,粘结剂 粘结剂是固定太阳能电池和保证上下盖板密合的关键材料，对它的要求为：在可见光范围内具有高透光性，抗紫外光老化；具有一定的弹性，缓冲不同材料之间的热胀冷缩；具有良好的电绝缘性能和化学稳定性，本身不产生有害于太阳能电池的气体或液体；有优良的气密性，能阻止外界潮气或其他有害气体对太阳能电池的侵蚀；能适用于自动化的组件封装。,2、组件的封装材料,底板 底板同样要对电池有保护作用，有时也要有支撑作用。一般要求：具有良好的耐气候性能，能隔绝从背面进来的潮气或其他有害气体；层压温度下不起任何变化；与粘结材料结合牢固。底板所用的材料一般为玻璃、铝合金、有机玻璃、TPF以及高分子聚氟膜等。目前较多应用的是TPF复合膜。,2、组件的封装材料,边框 平板组件必须有边框，以保护组件和组件与方阵支架的连接固定。边框与粘结剂构成对组件边缘的密封。主要材料有不锈钢、铝合金、橡胶以及增强塑料等。,3、太阳能电池组件封装工艺,不同结构的组件有不同的封装工艺。如图为平板式太阳能电池组件的封装工艺流程。,4、太阳能电池组件的基本特性,组件的伏安特性曲线,4、太阳能电池组件的基本特性,组件的伏安特性曲线太阳能电池组件的输出功率等于输出电压乘以工作电流，大部分I-U曲线是在标准测试条件下测得，这条I-U曲线包括三个重要的点：最大功率点（Ump、Imp）、开路电压（Uoc）和短路电流（Isc）。,4、太阳能电池组件的基本特性,辐照度对组件性能的影响,随着辐照度的降 低，伏安特性曲线 的形状基本不变，只是短路电流逐渐 变小，开路电压随 辐照度的变化不大,组件的输出电流与阳光的辐照度成正比，阳光越强，组件的输出功率也就越高。,4、太阳能电池组件的基本特性,温度对组件性能的影响,当组件的温度高于标准工作温度25时，组件效率下降，主要表现在开路电压下降。随着温度的升高，伏安特性曲线的形状基本不变，但是整个向左平移，表明开路电压随着温度的升高而降低。,4、太阳能电池组件的基本特性,如果组件中有一个电池被完全遮蔽，将可能会使整个组件的功率损失高达75%。当然也有一些组件受遮蔽的影小于此比例。,遮蔽对组件性能的影响,二、太阳能电池方阵,太阳能是一种低密度的平面能源，需要用大面积的太阳能电池方阵来采集。而太阳能电池组件的输出电压不高，需要用一定数量的太阳能电池组件经过串并联构成方阵。有时甚至需要数十个以至数千个方阵才能满足大功率太阳能光伏发电站的要求。,二、太阳能电池方阵,1、结构平板式光伏方阵的结构依用户的需要而定。按电压等级来分，独立光伏系统电压往往被设计成与电池的标称电压相对应，或是它们的整数倍，而且与用电器的电压等级一致，如220、110、48、36、24、12V等等。交流光伏供电系统和并网发电系统，方阵的电压等级往往为110V或220V。对电压等级更高的光伏电站系统，则常用多个方阵进行串并联，组合成与电网等级相同的电压等级，如组合成600V、10kV等，再与电网连结。,1、结构,太阳能电池方阵需要支架将许多太阳能电池组件集合在一起；还需要电缆、阻塞二极管和旁路二极管对太阳能电池组件实行电气连接；并需要配专用的、内装避雷器的分接线箱和总接线箱。有时为了防止鸟粪沾污太阳能电池方阵表面而引起热斑效应，还需在方阵顶上特别安装驱鸟器。,1、结构,太阳能电池方阵电气连接图,1、结构,在将太阳能电池组件进行串并联组装成方阵时，应注意一下几点：串联时需要工作电流相同的组件，并为每个组件并接旁路二极管；并联时需要工作电压相同的组件，并在每一条并联线路串接阻塞二极管；尽量考虑组件互联接线最短的原则；要严格防止个别性能变坏的太阳能电池组件混入太阳能电池方阵。,1、结构,太阳能电池组件方阵,1、结构,如图为同样64块太阳能电池组件分别用4并8串方式组成方阵，但有（a）纵联横并和（b）横联纵并两种不同的电气连接。在图中可以看到，当遇到有局部阴影时，（a）中连接的总线电压下降，输出电池也大幅下降，系统有可能不能正常工作；而（b）中连接的总线电压可保持不变，虽然少了一组电流，但系统却能正常工作。,2、特性,太阳能电池组件及方阵的基本特性也同样要用在IEC标准条件下的开路电压Uoc、短路电流Isc、最佳工作电压Um、最佳工作电流Im、最佳输出功率Pm、填充因子FF以及光电转换效率来表示。,P0：单位面积上接收到的太阳辐射能。按IEC标准，在25、AM1.5光谱条件下，P0=100mW/cm2。,Aa：组件及方阵面积，通常是指组件及方阵边框的实际面积。此时的效率即为该组件及方阵的效率。,2、特性,方阵在室外工作，其输出功率和效率严重地受到温度和太阳辐照度的影响。通风良好可以降低组件的工作温度而提高方阵的输出。如图即为太阳能电池方阵的光照伏安特性曲线。,2、特性,方阵的标称功率即是IEC标准条件下的最大输出功率Pm。,Pm 最大输出功率 Im 最佳工作电流 Um 最佳工作电压FF 填充因子,方阵的光电转换效率P0 标准条件下光功率 Aa 方阵面积 Uoc 开路电压 Isc 短路电流,2、特性,Pm方阵的实际输出功率Pmin个组件中每个组件的输出功率,方阵的功率损失主要来源为组件特性不一致、串并联的二极管和接线损失等。,由组件组合成方阵时，将有电压损失和电流损失，因而将有输出功率的损失。方阵的功率损失因子也可 称为光伏方阵的组合因子 a。当有n个组件被组合成 方阵时，其组合损失因子可 表示为,3、测量,光伏方阵的测量很不容易在标准条件下进行，而通常是在自然阳光下用便携式光伏方阵测试仪进行检测后再转换到IEC标准条件下的。特别注意的是要将标准参考电池放置在被测光伏方阵同一平面上，测量前用不透光的覆盖物将被测方阵严密覆盖，等待其温度与环境温度一致时突然揭开覆盖物，在尽可能短的时间里测完该方阵的光照伏安特性曲线及基本参数，与标准参考电池比对后算出该方阵在IEC标准状况下的输出功率。,4、热斑效应,一个方阵在阳光下出现局部发热点的现象称为热斑效应。热斑往往在单个电池上发生。在较大的方阵中，严重时热斑的温度有可能高达200左右。热斑效应会使焊点融化，破坏封装材料（如无旁路二极管保护），甚至会使整个方阵失效。发生热斑效应的机理可以从图示太阳能电池方阵的工作状态中了解。,4、热斑效应,图中，12个太阳能电池3并4串，设每个电池都有相同的光照I-U特性，每3个电池并联后的光照I-U特性示于图左侧。这4组并联电池串联后各节点的电压电流为：U1，I、U2，I、U3，I和U4，I。,4、热斑效应,当由于某种原因第2组中左边的太阳能电池突然损坏，几乎没有电流输出时，右边的两个好电池中将流过整个串联电路中的总电流3I。从太阳能电池并联特性可知，这两个好电池在承受超过它的光生电流时，其工作点对应的电压进入反偏区U2，有时U2的绝对值可以比好电池的开路电压大数倍，这样，在这个与一个坏电池的并联电池组中，其他两个好电池上承受的功率是U2I，而没有坏电池的并联电池组1、3、4组中承受的功率是UI，因为U2是U的数倍，于是那两个与坏电池并联的好电池开始快速升温，整个方阵在第2组里出现热斑。,4、热斑效应,在不可逆的热斑效应出现之前，方阵中其它好电池组的输出也会受到影响。由于方阵的端电压U4与蓄电池或控制器相联，所以其他所有的好电池也要分担坏电池组的影响而造成方阵输出功率下降。,造成热斑效应的根源有：个别坏电池的混入、电极焊片虚焊、电池由裂纹演变为破碎以及电池局部受到阴影遮挡等。,5、旁路二极管和阻塞二极管,旁路二极管：为避免热斑效应，除杜绝以上情况外，主要方法是加设旁路二极管，可以在电池或组件出现阴影或损坏时，用来分流该电池或组件，转移流经该电池或组件的电流，以增加方阵的可靠性。阻塞二极管：阻塞二极管是用来控制光伏系统中的电流的，任何一个独立光伏系统都必须有防止从蓄电池流向阵列的反向电流的方法或有保护失效单元的方法。如果控制器没有这项功能的话，就要用到阻塞二极管。,5、旁路二极管和阻塞二极管,阻塞二极管既可以加在每一并联支路，又可加在阵列与控制器之间的干路上，但是当多条支路并联成一个大系统时，则应在每条支路上用阻塞二极管，以防止由于支路故障或遮蔽引起的电流由强电流支路流向弱电流支路的现象。在小系统中，在干路上用一个二极管就够了，不要两种都用，因为每个阻塞二极管会引起降压0.40.7V，其电压损失是一个12V系统的6%，这也是一个不小的比例。,第四节 太阳能光伏发电系统设备构成,1.太阳能电池组件及光伏方阵2.储能蓄电池 3.控制器 4.直流-交流逆变器,2.3.2 储能蓄电池,目前，太阳能光伏发电系统中普遍应用的储能装置是蓄电池，常用的蓄电池有铅酸蓄电池和碱性镉镍蓄电池。由于铅酸蓄电池的功率价格比最优，因而应用最广、数量最多。,一、储能蓄电池的主要作用,由于存在着太阳辐射的昼夜变化，光伏发电系统的输出功率和能量每时每刻都在波动，使得用户负载无法获得连续而稳定的电能供应。在光伏发电系统中配备蓄电池后，在以下三方面提高了系统供电质量：储存能量 对太阳能电池的工作电压钳位 提供启动电流,一、储能蓄电池的主要作用,储存能量在大部分独立太阳能光伏系统中，由于光伏阵列所产电能和负载用电要求不一致，在晚上或多云等情况下，光伏电池阵列不能提供足够的能量而用电负载又必需工作时，蓄电池是必要的。,一、储能蓄电池的主要作用,对太阳能电池的工作电压钳位当把太阳能电池组件直接连接负载时，由于太阳能电池的工作特性受太阳辐照度、温度等影响很大，负载常常不能一直工作在最佳工作点附近，系统效率很低，而蓄电池对太阳能电池的工作电压具有钳位作用，能够保证系统工作在最佳工作点附近。,一、储能蓄电池的主要作用,提供启动电流电动机类设备在启动时通常需要大电流来启动，例如电冰箱、压缩机、电动车等电动机负载，启动电流常常是额定工作电流的510倍。光伏组件由于受到最大短路电流和太阳辐照度的限制，光伏阵列可能不能满足它们的启动电流要求，而蓄电池能够在短时间内提供大电流给负载启动。,一、储能蓄电池的主要作用,在光伏发电系统中蓄电池至关重要，蓄电池储能单元的设计与维护是光伏发电系统中最敏感的问题。根据对国内多个光伏发电系统的调查，蓄电池的质量和维护中的问题，是导致系统故障和系统瘫痪的主要原因。此外，蓄电池储能单元是影响光伏和风力发电系统运行成本的最敏感因素。根据对光伏和风力发电成本的分析，蓄电池的投资约占系统总投资的15%20%。铅酸蓄电池平均56年需要更新一次，如此高的投资和折旧费用，使蓄电池对发电系统的运行成本影响很大。因此，蓄电池储能单元的设计选择和维护是风光互补发电系统中不容忽视的问题。,二、储能蓄电池应用特点,应用于光伏系统中的蓄电池，与运行在其他用途时的工作特点有很大不同。这些都对太阳能光伏系统中的蓄电池寿命有很大的影响。太阳能光伏系统中的蓄电池应用特点是：晚上以及阴雨天蓄电池放电，白天由太阳能电池给蓄电池充电，充电方式属于循环、浮充混合工作方式。,二、储能蓄电池应用特点,充电率非常小，平均充电电流一般为C10/50C10/100，很少达到C10/5C10/10（C10为电池放电10h释放的容量，单位为Ah）。放电电流小，放电率通常为C10/20C10/240，时间长、频率高，蓄电池通常处于放电状态，有时甚至形成过放电。一次充电时间较短，长的时候也仅为白天的10h左右，很少能够做到完全、快速地满充电，蓄电池往往会在一段时间处于欠充电状态。,二、储能蓄电池应用特点,具有以下特点的蓄电池最适合在光伏系统中使用：具有深循环放电性能；充放循环寿命长；对过充、过放电耐受能力强；具有免维护或少维护性能；低温下也具有良好的充电、放电特性；,二、储能蓄电池应用特点,充放电特性对高温不敏感；无需初充电操作；具有较高的能量效率；具有高的性能价格比；具有高的重量能量比和体积能量比。目前，希望蓄电池全部满足各项要求是很困难的，但每项指标的提高和改进，对光伏发电系统都具有十分重要的意义。,三、储能蓄电池的几个重要参数,1、容量：额定容量是蓄电池的一个重要参数，但实际上，人们更关注的是蓄电池的可用容量，它的大小不仅同额定值有关，而且还取决于蓄电池的充放电模式，蓄电池的可用容量随着放电速率的增加而降低，也随温度的增加而降低。在蓄电池的连续组合方式上，如果需要高的直流电压，可以增加串联蓄电池的只数，如果需要提高蓄电池组的容量，增大输出功率和电流，应选用容量更大的单体蓄电池，一般来讲蓄电池应避免采用多条支路并联，这样可能会因蓄电池电压的不一致在并联支路内产生环流。,三、储能蓄电池的几个重要参数,2、放电速率：蓄电池的放电速率通常用放电时间或放电电流来表示，其关系为：放电速率（A）=容量（Ah）/放电时间（h）固定型电池额定容量是指电池在温度25时按10小时率放电所能达到的容量，用符号Cm表示。例如对一只500Ah铅酸蓄电池，它的10h电流值为：10小时率电流还可标记为0.1C10,三、储能蓄电池的几个重要参数,3、蓄电池电压：蓄电池电压取决于电池种类、充电状态、放电速率、温度和电解液密度等因素的影响。蓄电池充电时的电压比放电时要高。,四、影响蓄电池寿命的主要因素,蓄电池作为光伏发电系统的关键部件，它的失效和短寿命是阻碍光伏发电独立系统推广应用的主要原因之一。蓄电池的寿命跟光伏系统的类型密切相关：循环使用，其寿命主要受充放电深度影响；浮充使用，其寿命主要受工作温度影响。两种类型的主要区别是，光伏系统中蓄电池的容量同负载平均日耗电量之间的比值不同。,四、影响蓄电池寿命的主要因素,根据太阳能光伏发电系统中蓄电池应用的特点，影响铅酸蓄电池寿命的主要因素为：放电深度：放电深度即使用过程中放电到何种程度开始充电，蓄电池循环使用时其寿命主要决定于放电深度。因为蓄电池正极活性物质PbO2本身相互结合不牢，放电时生成PbSO4，充电时又恢复为PbO2，而PbSO4的摩尔体积是PbO2的1.94倍，因此放电时活性物质体积会发生膨胀。这样，正极板的体积在充放电过程中将反复发生收缩和膨胀，使PbO2粒子逐渐松弛，变得易于从板栅上脱落。随着放电深度的增加，这种收缩和膨胀的程度越大，结合力的破坏也越大，因此蓄电池的循环寿命就会越短。,四、影响蓄电池寿命的主要因素,欠充状态 太阳能资源的随机性，使应用于光伏系统中的蓄电池难以得到完全的再补充，蓄电池往往会在一些时间长期处于欠充电状态，这将导致蓄电池酸分层发生。酸分层是指蓄电池在低过充和深度放电时，电池底部的酸浓度高于顶部酸浓度。极板上硫酸浓度的不同分布将导致正极板腐蚀和膨胀，负极板底部硫酸盐化。硫酸盐化是指在负极板上形成一种粗大、难于接受充电的PbSO4结晶，它使蓄电池容量减小。这种现象又称为不可逆硫酸盐化。轻微的不可逆硫酸盐化，尚可以用一些方法使它恢复，若严重时则电极失效，蓄电池将充不进电。,四、影响蓄电池寿命的主要因素,放电 蓄电池的放电电流越大，电流在电极上分布越不均匀，造成电极内部物质不能得到充分利用，因而大电流放电时会造成蓄电池的放电容量降低。反之放电电流越小，蓄电池放电容量越大，越容易造成深度放电，极小的放电电流会使硫酸铅的生成量明显增加，转化为PbSO4后活性物质膨胀产生应力，会造成负极板弯曲或活性物质脱落，从而影响到蓄电池的寿命。,在太阳能光伏系统中，蓄电池放电电流通常非常小，所以在太阳能光伏系统中一般要规定比较高的放电终止电压来减小蓄电池小电流放电。,四、影响蓄电池寿命的主要因素,充电 过充电会导致电解液中的水电离，于是阴极上会产生氢气，阳极上会产生氧气。如果这些气体被排放会使蓄电池的电解液减少，从而使蓄电池容量减少；当排出的气体量很大时有燃烧的危险。同时在过充电时正极活性物质会遭气体的冲击，将使活性物质脱落，此外正极板栅合金也会遭到严重的阳极氧化而腐蚀，因此电池过充电会使蓄电池寿命减小。阀控密封铅酸蓄电池过充电情况会更糟，气压过高可能发生爆炸或使蓄电池壳破裂。,四、影响蓄电池寿命的主要因素,长期处于浮充状态的蓄电池，长时间的浮充会使电解液里游离子物质的活性减弱和使铅酸蓄电池端电压产生不均衡，严重时甚至会使个别电池单体正、负极反转，即发生“反极”现象。,因此，对长期处于浮充的蓄电池通常要进行13h的小电流过充的均衡充电,深度放电后，可以进行均衡充电来减少蓄电池的酸分层。,四、影响蓄电池寿命的主要因素,温度影响 温度对铅酸蓄电池的电解液黏度和电阻有很大的影响，当电解液温度升高时其扩散增加、电阻降低，因此蓄电池的容量及活性物质利用率随温度增加而增加。在环境温度1045范围内，铅酸蓄电池容量将随着温度升高而增加。例如，阀控式密封铅蓄电池在40下的放电电量，比在25下的放电电量大10%左右。但是，倘若超过一定温度范围，情况将会发生变化，如在环境温度4550条件下放电，蓄电池容量将明显减小。在低温（5）时，电池容量随温度降低而减小，低温还会导致负极活性物质利用率下降，影响蓄电池容量。例如，电池在-10环境温度下放电时，负极板容量仅达35%额定容量。,四、影响蓄电池寿命的主要因素,温度影响同时，过高或过低的工作温度对蓄电池寿命也有影响。所以，在设计太阳能光伏系统时应综合考虑对蓄电池的安置，以便尽最大可能保证蓄电池有一个良好的工作环境。工作温度控制在2030内能够有效地延长铅酸蓄电池的寿命。,第四节 太阳能光伏发电系统设备构成,1.太阳能电池组件及光伏方阵2.储能蓄电池 3.控制器 4.直流-交流逆变器,2.3.3 控制器,控制器是光伏发电系统的核心部件之一，也是平衡系统（BOS,Balance of System）的主要组成部分。在小型光伏系统中，控制器也称为充放电控制器，它主要起防止蓄电池过充电和过放电的作用。在大、中型光伏系统中，控制器担负着平衡管理光伏系统能量、保护蓄电池及整个光伏系统正常工作和显示系统工作状态等重要工作。控制器可以是单独使用的设备，也可以和逆变器制作成一体化机。,一、控制器功能及分类,大、中型光伏系统用的控制器应具备以下功能：防止蓄电池过充电和过放电，延长蓄电池寿命。防止太阳能电池方阵、蓄电池极性反接。防止负载、控制器、逆变器和其它设备内部短路。雷击引起的击穿保护。光伏系统工作状态显示。包括：蓄电池荷电状态（SOC）显示和蓄电池端电压显示；负载状态（耗量等）显示；光伏方阵工作状态（充电电压、充电电流、充电量等）显示；辅助电源工作状态显示；环境状态（太阳辐射量、温度、风速等）显示。,一、控制器功能及分类,大、中型光伏系统用的控制器应具备以下功能：光伏系统信息储存（系统发电量、失电量、失电记录等）。最优化的系统能量管理（光伏方阵最佳工作点跟踪MPPT、温度补偿、择优补偿、择优启动特殊负载及后备电源自动切换等）。光伏系统故障报警。光伏系统遥测、遥控、遥信功能等。,一、控制器功能及分类,光伏系统控制器分类：按实现的方式可分为：逻辑控制方式和计算机控制方式两大类。,二、逻辑控制方式控制器,以模拟电路和数字电路为主构成的控制器，通过测量系统有关电气参数，按预定逻辑进行运算和判断，从而实现其指定功能。基本的模拟控制电路有：并联控制器；串联控制器；串并联混合控制器；支路控制器；自动断路器；DC/DC直流变换器；最大功率跟踪器（MPPT：Maximum Power Point Tracking）等。,1、充放电控制器,1、充放电控制器,如图是一种简单的放电控制电路，它通过比较器对蓄电池组端电压和放电保护电压进行比较。当蓄电池组端电压低于放电保护电压时，比较器N1输出低电平、N2输出高电平，使放电开关断开，蓄电池停止放电；开关S用于禁止蓄电池放电，当开关S闭合时，不管蓄电池组处于何种状态，放电过程均被禁止。充电控制器工作原理与此类似。,2、最大功率跟踪（MPPT）,2、最大功率跟踪（MPPT）,太阳电池输出的最大功率就是它的额定功率。如图中曲线上的圆黑点表示相应太阳辐照度下太阳电池输出最大功率的位置，称为“最大功率点”。最大功率跟踪的目的是将光伏系统能量利用效率尽可能提高。但是作为实际的应用系统，通过调节负载阻抗大小的方式来达到最大功率输出是很难实现的。其实，MPPT的实现实质上是一个动态自寻优过程，通过对阵列当前输出电压与电流的检测，得到当前阵列输出功率，再与已被存储的前一时刻阵列功率相比较，舍小存大，再检测，再比较，如此不停地周而复始，便可使阵列动态地工作在最大功率点上。,2、最大功率跟踪（MPPT）,三、计算机控制方式,计算机控制方式能全面集合光伏发电系统各种状态和各个部件工作状况的模拟量和数字量，充分利用计算机快速运算的能力及判断能力，对光伏系统实施最优化和智能化管理。计算机控制方式分硬件和软件两大部分，这两部分相辅相成，缺一不可。,三、计算机控制方式,硬件部分以CPU（中央处理器）为中心，由电压、电流、温度及各种状态检测电路获得系统及部件的各种状态、电压和电流、各处温度、各处太阳辐照度、风力以及各种运行指令等信息，通过模拟输入通道和数字输入通道将信息汇总于计算机。计算机经过运算、分析、判断后向执行机构发出调节信号及控制指令，通过模拟输出和数字输出通道将指令传达到执行机构，执行机构根据收到的信号和指令对光伏系统实行调节和控制。,三、计算机控制方式,软件是针对特定的系统设计的应用程序。它由调度程序和若干实现专门功能的软件模块或函数组成。调度程序根据系统的当前状态，按照设计的方式完成有关信息的检测、输送、运算、判断、管理、告警、显示、保护、贮存、统计、分析以及根据设计要求对蓄电池充放电管理和控制等一系列功能。由于计算机（特别是单片机）价格低廉，设计灵活，性能价格比好，可以作嵌入式控制器使用，目前独立光伏系统已较多采用计算机控制。由于许多独立光伏系统安装在边远地区，所以具有无人值守及遥测、遥控、遥信功能的智能型光伏发电系统具有极大的发展空间。,三、计算机控制方式,1、智能型控制器结构,1、智能型控制器结构,智能型控制器的基本结构是以CPU为核心，各功能部件通过系统总线与CPU相连，各部分共同在软件系统指挥下完成信号检测、控制调节、系统管理、操作显示、联机通信等任务。其结构框图如图所示。,1、智能型控制器结构,CPU用于执行程序代码，控制外用设备和功能执行机构工作；存储器用于存放专门设计的应用程序，即程序指令，也可存储一些重要数据；模/数转换是将检测电路获得的电压、电流、温度等信号转变成计算机可以接收的数字信号；数/模转换是将计算机运算、判断、处理后生成的数字信号表达的指令转换为模拟电压、电流信号，对控制参数进行调节；,1、智能型控制器结构,光电隔离是将来自各单元电路和装置的开关状态，经光电隔离后送入计算机，同时也将计算机的指令经光电隔离后送到开关控制及各种执行机构，对系统进行控制；键盘、显示部分用于接收操作者的指令，输入参数，并显示系统运行状态及有关参数；通信接口用于实现联网通信，使光伏发电系统具有三遥功能，以便于联网监控管理。,2、模拟信号测量,光伏发电系统中光伏方阵的I-U特性、蓄电池电压、充放电电流、环境温度等都为模拟量，需要由检测电路将这些物理量测准，然后由模/数转换电路将测到的模拟信号转换为数字信号才能被计算机接受。,2、模拟信号测量,模拟量检测电路测出模拟信号，即模拟量及其变化，由信号处理电路将模拟信号转换为标准的电压信号，再由模/数转换电路将标准电压转换为数字信号。通常用于实现模/数转换的方法主要有A/D转换和V/F转换两种。A/D转换大多采用集成A/D转换器实现，可根据需要选用不同位数（不同精度）和不同速度的A/D转换器。,2、模拟信号测量,数字量与模拟量之间的关系为：,U、D模拟电压和所对应的数字量,k转换系数,Umin、Umax、Dmin、Dmax模拟电压最大值及最小值及其对应的数字量,2、模拟信号测量,V/F转换实现模数转换更为简便。其原理是将模拟电压转变成频率信号，计算机通过测量频率就可得到对应的电压值，其转换关系为：,f频率,h比例系数,U对应的电压值,V/F转换占用的接口少，便于实现电隔离。,3、状态监测,状态监测是为获取各监测点的工作状态，如各单元电路是否正常、电气和环境参数是否已超越报警、输出是否短路等等。状态信号一般为开关型二值信号。为防止电气故障损坏计算机，通常需要对这种开关型二值信号采用光电隔离。状态信号检测电路框图如图所示。,4、开关控制输出,由计算机输出的开关控制命令被锁存器锁存，经过光电隔离后对信号进行驱动放大，再送到功率电子开关、继电器等需要开关控制信号的部件，实现通断控制。,5、模拟调节输出,光伏发电系统实现最优化充放电，既可充分利用太阳能，又可保护蓄电池延长使用寿命。这些电压、电流模拟量的调节，由计算机输出控制信号通过调节电路来实现。计算机发出的数字信号与调节电路可接受的模拟信号间需要数/模转换，并通过功率放大，以驱动调节电路完成调节任务。,5、模拟调节输出,模/数转换有多种方式,5、模拟调节输出,如图（a）和（b）采用D/A转换器将数字转换为模拟电压；图（c）采用PWM方式输出脉冲宽度调制信号，由积分电路积分后获得模拟电压。图（a）中的每一路输出使用一个D/A转换器，结构清楚。图（b）中多路应用一个D/A转换器，减少了D/A转换器的数量，但需要用多路切换开关和保持器，结构较复杂，而且还要求计算机周期性更新保持器内容，以保证输出电压在期望值上不需要用D/A转换器。图（c）的电路，结构简单，便于实现隔离，成本也低。,6、操作管理与数据、状态显示,光伏发电系统的操作管理需要用户干预调整，而系统状态及各种数据又都需要让用户知道，因而光伏发电控制系统需要配置操作键盘、按钮和显示设备。为使操作运行尽可能简单、直观，应尽量避免复杂操作。系统的运行由已设定的程序控制，在发生意外或故障时，控制器应当能够自行处理，并在必要时给出运行状态显示。,6、操作管理与数据、状态显示,要实现以上这些功能，往往只需要在对系统状态深入检查，或修改程序，或对各种参数进行深入分析时，才需要动用键盘操作。数据显示可使用多种方法。当信息量较小时，采用LED或LCD显示器即可。（LED：light emitting diode发光二极管；）（LCD:Liquid Crystal Display液晶显示器）,7、联机通信,联机通信是太阳能光伏发电系统实现遥信、遥测、遥控功能的基础。通过联机通信，可以根据远端采集系统的运行数据向系统下达控制命令，实现对分散在不同区域的光伏发电系统及相关设备进行集中控制管理。联机通信是借助计算机来实现的。根据系统运行环节的差异和对通信速率的要求，联机通信可采用无线通信或有线通信等多手段，也可采用485.LAPD高速数据链路、DDN（Digital Data Network）网及Modem等。,7、联机通信,太阳能光伏发电系统的控制器是确保光伏系统可靠运行和高效运行的基础。大大小小的独立光伏系统，其控制器各不相同，可根据实际需要进行设计或选购。随着单片机的普及，中小型光伏系统也已开始采用正在快速发展的多功能智能化控制器。,THE END,课堂作业,1、一个完整的光伏发电系统有哪几部分组 成？2、在将太阳能电池组件进行串并联组装成方阵时，应注意些什么？3、什么是热斑效应？热斑效应的危害及产生的原因？4、旁路二极管和阻塞二极管分别起什么作用？5、储能蓄电池主要起什么作用？6、具有哪些特点的蓄电池最适合在光伏系统中使用？7、影响蓄电池寿命的主要因素有哪些？8、大、中型光伏系统用的控制器应具备哪些功能？,
