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第一章绪论第１节太阳能及光伏发电１、太阳能每秒钟到达地球的能量为１.７*１０１４kWh，若到达地球表面０.１%的太阳能转为电能，转变率按５%计算，则每年发电量可达７.４*１０１３kWh，相当于目前全世界能耗的４０倍。２、太阳能的利用形式主要有光热利用、光化学转换、光伏发电三种形式。３、Wp（峰瓦）为太阳能装置容量计算单位，是装设太阳能电池模板于标准状况下（电池温度２５℃，大气质量为ＡＭ１.５时的光谱分布，光谱辐照度１０００Ｗ/m2）下最大发电量的总和。第２节光伏发电系统概述１、光伏发电基本原理光伏发电的基本原理是“光生伏特效应”（简称“光伏效应”），是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位间产生电位差的现象。“光伏效应”首先是由光子转化为电子、光能转化为电能的过程；其次，是电压及电流回路形成的过程。光伏发电利用太阳能电池（一种类似于晶体二极管的半导体器材）的光生伏特效应直接把太阳的辐射能转变为电能。太阳能电池的基本特征和二极管类似，可以用简单的ＰＮ结来说明。当具有能量的光子射入半导体时，光与构成半导体的材料相互作用产生电子和空穴（因失去电子而带正电的电荷），如半导体中存在ＰＮ结，则电子向Ｎ型半导体扩散，空穴向Ｐ型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分。若太阳能电池两端接负载，负载有电流通过。单片太阳能电池是一个薄片状的半导体ＰＮ结，标准光照条件下，额定输出电压为０.５Ｖ左右，为了获得较高的输出电压和较大的输出功率，需将多片太阳能电池采用串并联的方式连接在一起使用。太阳能电池的输出功率随光照强度不同呈现随机性特征，在不同时间、不同地点、不同安装方式下，同一块太阳能电池的输出功率也不相同。太阳能光伏发电系统的首要部件是太阳能电池。２、光伏发电系统类型两种常用的分类方式：１）运行模式按照光伏运行模式划分，光伏发电系统主要分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统。（１）独立光伏发电系统也叫离网光伏发电系统，是未与公共网相连接的太阳能光伏发电系统，主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。包括边远地区的村庄供电系统、太阳能用户电源系统、通信信号电源、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。（２）并网光伏发电系统是指发出的直流电能经转换后直接接入公共电网的光伏发电系统。可分为带蓄电池和不带蓄电池两种。带蓄电池并网光伏发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，同时兼具备用电源功能。并网光伏发电系统按容量和接入方式不同可分为大型集中式并网光伏电站和小型分布式并网光伏两种，大型集中式并网光伏电站的主要特点是，将所发电能逆变升压后直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。小型分布式并网光伏的主要特点是，靠近用户侧接入，所发电能可就地消纳。同时，分布式光伏还具有投资小、建设快、政策支持力度大等特点。２）接入特点（１）污染小，环保效益突出。（２）覆盖面积大，能量密度低。１ＭＷ光伏电站占地约需１万m2。（3）间歇性。（4）随机性，地域依赖性强。（5）成本高。水电装机成本为7-10元/W，火电装机成本为3.5-4.5元/W，而光伏发电装机成本为9-15元/W。这也是制约光伏发电广泛应用的最主要因素。根据光伏发电接入不同可分为集中式光伏发电和分布式光伏发电，其各自特点如下：（１）集中式光伏发电特点及优缺点名称特点优点缺点集中式所发电能被直接输送到大电网，由大电网统一调配向用户供电，与大电网之间的电力交换是1、选址灵活，光伏出力稳定，削峰作用明显。2、运行方式灵活，相对分布式光伏可以更方便进行无功和电压控制，易实现电网频率1、依赖长距离输电线路送电入网，易出现输电线路损耗、电压跌落、无功补偿等问题单向的调节。3、建设周期短，环境适应能力强，不需要水源、燃煤运输等原料保障，运行成本低，便于集中管理，受到空间的限制小，可以很容易地实现扩容2、大容量的集中式光伏接入需要有低电压穿越（LVRT）等新的功能（２）分布式光伏发电特点及优缺点名称特点优点缺点分布式将太阳能直接转换为电能的分布式发电系统，遵循就近发电、就近并网、就近转换、就近使用的原则1、分布式光伏发电不受地域限制，在偏远山区、岛屿等地可以局部缓解用电紧张状况。2、分布式光伏发电接入配电网，要求尽可能就近消纳所发电能，能减小电能在传输过程中的损耗1、分布式光伏接入将向电网输送电能，引起配电网潮流复杂化2、分布式光伏接入影响单向保护的灵敏性和可靠性3、分布式光伏给传统配电网运维检修带来困难第二章分布式光伏并网技术第１节并网逆变系统１、光伏逆变器光伏逆变器是一种由半导体器件组成的电力调整装置，主要用于把光伏发出的直流电转换成交流电，一般由升压回路和逆变桥式回路构成。逆变器一般包括三部分：逆变部分、控制部分和保护部分。逆变部分的功能是采用功率开关器件实现DC/AC逆变；控制部分的功能是控制整个逆变器工作；保护部分的功能是在逆变器内部发生故障时起安全保护作用。（１）集中逆变器多组串联的光伏组件并联后接在逆变器的直流输入侧，再通过逆变器变换为交流电并入单相或三相电网。由于只有一个逆变器，系统设计成本低，但光伏组件的输出不平衡使系统损耗较多，且单逆变器结构使系统可靠性下降。目前主要应用于大规模的光伏电站。（２）组串逆变器光伏组件被连接成为几个相互平行的组串，每个组串都单独连接一台逆变器，故称为“组串逆变器”。该类逆变器主要应用于大中型光伏电站、较大型用户屋顶光伏并网发电系统和城市分布式光伏发电系统。（３）组件逆变器（AC光伏模块）每个组件连接一台逆变器，交流侧并入低压电网，并对各个组件实现最大功率跟踪控制，增加了逆变器对组件的匹配性。主要应用于小型光伏发电。逆变器不仅具有交直流变换功能，还具有最大限度地发挥太阳能电池性能和系统故障保护功能，主要包括最大功率跟踪控制、防孤岛保护和低电压穿越等。２、最大功率跟踪最大功率跟踪（ＭＰＰＴ）控制的目的是实现光伏电池的最大功率输出。该过程实质是一个动态寻优过程，通过对当前光伏电池输出电压Ｕ与电流Ｉ的检测，得到当前光伏电池的输出功率，然后怀前一时刻光伏电池的输出功率相比，取两者中较大的值；在下一周期，再检测Ｕ、Ｉ进行比较，取较大的值，如此循环，便可实现ＭＰＰＴ控制。ＭＰＰＴ控制算法有多种实现方式，常用的有恒电压跟踪法、扰动观察法、增量电导法及模糊控制算法。（１）恒电压跟踪法工作原理：室外温度一定时，光伏电池最大功率点的分布几乎存在于一垂直线两侧，即光伏电池的最大功率点对应某个恒定电压，只需找到Ｕmax并控制光伏电池使之输出恒定在Ｕmax即可。实际上这是把ＭＰＰＴ控制简化成稳压控制。优点：控制简单易实现、可靠性高，能提高光伏电池２０%的效率。缺点：忽略了环境温度对光伏电池输出电压的影响。恒电压跟踪法不适合温度变化较大的场所。（２）扰动观察法简称ＰＯ法，原理是先给一个扰动输出电压信号（ＵＰＶ+ΔＵ），然后测量光伏电池输出功率的变化并与扰动前的功率相比较，如果大于之前的功率值，表明扰动方向正确，可继续向同（+ΔＵ）方向扰动；如果小于之前的功率值，则往反（－ΔＵ）方向扰动。优点：结构简单，测量参数少，通过不断扰动达到最大功率输出。缺点：初始值ＵＰＶ和跟踪步长ΔＵ值的选取，对跟踪精度和速度有很大影响，而且在光伏达到最大功率点处扰动仍会继续，使其有可能在最大功率点附近振荡，导致功率损失，降低光伏电池的效率。（３）增量电导法简称ＩＣ法。与扰动观察法的区别是避免了盲目性。（４）最大功率点跟踪的模糊控制３、孤岛效应与防孤岛保护当光伏发电系统正常工作时，逆变器将发出的电能输送到电网。在电网因故障断电时，如果系统不能及时地检测到电网状态而继续向电网输送电能，则此时光伏系统构成一个独立供电系统，此现象称为孤岛效应。包括以下三种情况：（１）大电网发电系统停止运行导致整个电网停电，但是光伏并网系统仍开关连接在大电网上，继续向电网供电并超出一时间段（如２Ｓ）（２）大电网或配电网某处线路断开或开关跳闸，造成光伏并网系统与所连接负载（可能包括配电网上的部分负载）形成独立供电系统，并可能进入稳定运行状态。（３）光伏并网系统开关自主或意外断开，但并网发电系统与本地负载仍孤岛运行。孤岛效应会对整个电网设备和用户设备造成影响，甚至损坏设备，主要有以下四种情况：（１）孤岛效应发生时，无法对逆变器输出的电压、频率进行调节，一旦出现过压、欠压或过频、欠频时，易损坏用户设备。（２）如果光伏发电系统并网同时接有负载，且负载容量大于光伏系统容量时，一旦孤岛效应发生，就会产生光伏电源过载现象。（３）对电网检修人员的人身安全造成威胁。（４）孤岛效应发生时，若二次合闸会导致再次跳闸，损害光伏发电设备和逆变器。因此，为防止孤岛效应带来的危害，逆变器必须具有在规定时间内脱离电网，以避免孤岛效应出现的防孤岛保护能力。此外，并网逆变器具有的其他基本保护功能有：输入电压、欠压保护，输入过流保护，短路保护，过热保护，防雷击保护，输出过压保护，输出过流保护，过频、欠频保护等。４、低电压穿越低电压穿越，即当电网故障或扰动引起逆变器并网点的电压跌落时，在一定的电压跌落范围和时间间隔内，光伏发电系统能够不间断并网运行。根据ＧＢ/Ｔ１９９６４《光伏发电站接入电力系统技术规定的要求》，低压用户对低电压穿越不作要求，但１０ＫＶ及以上电压等级接入的光伏发电系统的中高压型逆变器应具备一定的耐受异常电压的能力。逆变器变流侧电压跌至０%标称电压时，逆变器能够保证不间断并网运行０.１５Ｓ；逆变器交流侧电压跌至２０%标称电压时，逆变器能够保证不间断并网运行０.６２５Ｓ；逆变器交流侧电压在发生跌落后２Ｓ内能够恢复到标称电压的９０%时，逆变器能够保证不间断并网运行。对电力系统故障期间没有脱网的光伏电站，其有功功率在故障清除后应快速恢复，自故障清除时刻开始，以至少１０%额定功率/Ｓ的功率变化率恢复纛故障前的值。低电压穿越过程中逆变器宜提供动态无功支撑。如图所示，并网点电压在电压轮廓线及发上的区域时，该类逆变器必须保证不间断并网运行；并网点电压在电压轮廓线以下时，允许停止向电网送电。５、最大渗透率分布式光伏最大渗透率反映了分布式光伏在配电系统中所占的比例。本书中将分布式光伏最大渗透度定义为最大分布式光伏装机容量与系统统一调度容量的比值。第２节储能与微电网技术为平抑分布式光伏接入对电网造成的影响，采用增加储能和建设微电网是一种较好的解决途径。储能技术是指在用电侧将电能转换成机械能、化学能等其他能量形式存储起来，需要时再转换成电能的一种技术。储能装置通常在规划分布式电源时引入，用以实现需求侧管理，消除系统昼夜间峰谷差，平滑间歇性分布式电源并网带来的功率波动。微电网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置等汇集而成的小型发配电自治系统，能够实现自我控制、保护和管理，既可以与配电网并网运行，也可以与配电网断开独立运行。１、储能技术为解决电能供需不平衡问题提供了一种解决手段。如图所示。各种形式的储能装置可以在电网负荷低谷时作为负荷从电网获取电能进行充电，在电网负荷峰值时刻以电源方式运行向电网输送电能，这种方式有助于减少系统输电网络的损耗，对负荷实施削峰填谷，从而获取经济效益。若将储能装置用于辅助系统稳定控制,则可采用小容量储能,通过快速的电能存取,实现较大功率调节,快速地吸收“剩余能量”或补充“功率缺额”，从而提高电力系统的运行稳定性。１）储能的分类能量是守恒的，电能的储存和释放主要通过物理和化学变换来实现。按照其能量形式，储能分为物理形式和化学形式，如图：２）储能的技术特点（１）抽水储能（２）压缩空气的储能（CAES）（３）飞轮储能（FESS）（４）超导线圈储能（SMES）（５）超级电容储能（SCESS）（６）可充电电池储能（BESS）（７）燃料电池２、微电网的定义微电网（中国）的定义：微电网是指由分布式电源、储能装置、能量变换装置、相关负荷和监控、保护装置汇集而成的小型发配电系统，是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与配电网并网运行，也可以与配电网断开独立运行。３、微电网的典型结构微电网一般