多重实验功能光伏并网发电系统的建设与运行

多重实验功能光伏并网发电系统的建设与运行.txt 逆风的方向，更适合飞翔。我不怕万人 阻挡，只怕自己投降。你发怒一分钟，便失去 60 分钟的幸福。忙碌是一种幸福，让我们没 时间体会痛苦;奔波是一种快乐，让我们真实地感受生活;疲惫是一种享受，让我们无暇空虚。 生活就像“呼吸“呼“是为出一口气，“吸“是为争一口气。 本文由 wx1t2dhdfw 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。多重实验功能光伏并网发电系统的建设与运行徐 政清华大学深圳研究生院电力系统国家重点实验室深圳研究室 518055 摘要：本文介绍一 个具有多重实验功能的光伏并网发电系统。系统最多可 分为 6 个子系统，适合于各种对比 实验；太阳电池阵列的电压和功率可以 灵活组合，满足不同规格并网逆变器产品开发的需 求；配备全自动高频检 测系统，进行长期运行数据的采集与积累；采用 3 种不同类型的太 阳电池 组件，比较其在南方湿热地区的特性，为大规模系统电池组件的选型提供 实验依据。关键词：光伏并网发电系统；并网逆变器；单晶硅电池；CIS 电池； HIT 电池1引言 当前，能源已经成为国际社会共同关注的重大问题，太阳能等新能源由于其可再生和清洁等特点越来越受到重视，而光伏并网发电是大规模利用太阳能 的一种 重要形式。并网逆变器将太阳电池发出的直流电转换成波形良好的交流 电，直接向电网供 电，不需要诸如蓄电池之类的储能装置，系统的建设和维护 成本低、转换效率和可靠性高。 欧美、日本等发达国家投入巨额资金研究开发 光伏发电，并制订相关的法律法规，积极推 进产业化进程，建立了大量的光伏并 网发电系统。 我国光伏发电技术的应用也正在由解决 边远无电地区用电问题的独立光伏 发电系统逐步向并网光伏发电系统转变，科技部把“光 伏屋顶并网发电系统” 列入了“国家十五科技攻关计划” ，各地相继建立了一些并网发电示 范系统，其 中就有深圳市园博园内的 1 兆瓦系统。但是，这些系统的建设和运行都或多或 少 存在以下几个问题： (1) 功能单一，以示范为主要目的，宣传新能源的开发利用，但相 应的演示和宣传工作不到位。 (2) 选用国外高价产品，巨额投资是在帮助国外产品验证技术，未在 自主研发和 技术积累方面下足功夫。 为了推动我国光伏并网发电技术的发展和普及， 开 发性价比高、 运行稳定、 符合国情的并网逆变器具有重要的意义。本实验室是由国家科技 部正式批准成 立的深圳市第一个国家级重点实验室，在电力电子产品开发方面具有雄厚的 实 力。在光伏发电方面，从 2000 年起配合新疆新能源股份有限公司实施“送电到 乡工程” 项目，建设沙漠高速公路防沙林太阳能扬水滴灌实验系统；2004 年启 动并网逆变器的产品 开发项目，为了建立相应的实验平台，2006 年 7 月开始， 利用深圳市政府对实验室初期 建设的拨款，在深圳市大学城清华校区 J 栋顶层 搭建并网发电实验系统。深圳市能联电子 有限公司给予了大力支持，将本系统 列为该公司所承担的科技攻关项目的示范工程。系统 设计优先考虑满足各种实 验的要求，灵活调整，自由组合，操作简便。2006 年底全部建设 完毕，投入并 网运行。 2 系统的构成2.1 光伏阵列 在屋顶加盖约 200 平方米的平台，安装支架，铺设总峰值功率为 11.4kW 的光伏阵列（图 1） 。图 1 光伏阵列 选用 3 种不同类型的太阳能电池，组件的参数如表 1 所示，特点如下：? 硒铟铜（CIS：Copper Indium Diselenide Thin-film）太阳电池：是从 20世纪 80 年代发展起来的一种多晶薄膜电池，多元化合物半导体中最具代表性的 光伏 器件，转换效率高，成本低，具有接近于单晶硅太阳电池的稳定性和较强的 空间抗辐射性 能。 ? 单晶硅太阳电池：在光伏并网发电系统中得到普遍使用。由于其完美的晶体结 构，化学、光学、力学性能均匀一致，转换效率高，坚固耐用，稳定性好。 ? 晶体硅异质结 （HIT：Heterojunction with Intrinsic Thin-layer）太阳电 池：采用非晶硅与高效单晶 硅叠层结构，构成混合发电太阳电池，转换效率高， 生产成本低，温度系数低，高温条件 下 表 1 太阳电池组件的参数CIS 电池 峰值功率(W) 开路电压(V) 短路电流(A) MPP 电压(V) MPP 电流(A) 转换效 率(%) 数量（块） 80 46.6 2.68 33.2 2.41 9 36 单晶硅电池 175 44.4 5.40 35.4 4.96 15 24 HIT 电池 180 66.4 3.65 54.0 3.33 17 24仍可获得高功率输出。 总峰值功率分别为，CIS 电池阵列：2.88kW，单晶硅电池阵列： 4.2kW， HIT 电池阵列：4.32kW。同类型电池每 6 块串联形成最小单元，14 个最小单元的 引 线全部接入控制室。 2.2 接线与控制面板 所有接线端子、输入/输出隔离开关、并网逆 变器和电表都布局在控制室内 的接线与控制面板上，如图 2 所示。最小单元的引线经输入 隔离开关接至各自的跳线端子，根据实验的需要，可以用跳线自由地组合成不同电压（200-800Vdc） 和峰 值功率（480-4320W）的系统。 为了满足各种对比实验的要求，系统最多可以实现 6 台并 网逆变器同时运 行，配备 6 路并网通道，包括计量电表和并网隔离开关。图 2 接线与控制面板 2.3 数据采集系统 建立了一套完善的检测系统进行运行数据的 采集和记录，如图 3 所示。对并 网电能质量的检测， 使用数字示波器和数字功率计测量 光伏阵列输出电压/电流、 并网输出电流及其谐波、有功/无功功率以及并网逆变器的效率 等。对长期发电 量的检测，除了每个通道用数字电量表测量并网发电量外，还开发了一套 由定时 继电器、 数字功率计和计算机构成的全自动检测系统， 晚间切断所有仪器的电源，白天系统自动启动，每 2 秒测量和记录一组各光伏阵列的输出电压、电流及功率图 3 数据采集系统 2.4 宣传和演示系统 本系统不仅是一个实验平台，也是一个新能 源开发利用的宣传和演示平台。 日常用于研究生的教育培养，还要接待各类人员的参观， 包括同行技术人员、普通市民，甚至中小学生。因此，在控制室内既有实时运行状态显示，又精心制作 和布 置了系统原理接线图、各种太阳能电池的原理、特点、加工过程等的宣传图 片，图文并茂， 通俗易懂。 3 3.1 运行实验 实验项目 利用本系统分阶段实施下列实验： ? 全年并网发电 连续运行实验，获得不同类型太阳电池特性的综合比较结果。 ? 不同电路拓扑并网逆变器 的比较实验，确定产品设计方案。 ? 不同逆变调制方式的比较实验，验证理论研究的结果， 为确定产品技术方案提 供依据。 ? 防孤岛保护和最大功率点跟踪控制方法的比较实验，探 讨新方法。 ? 与风力发电结合，进行风光互补系统实验。 3.2 实验结果 2006 年 11 月， 第一套并网子系统投入运行；2007 年 1 月 1 日起，三套并网 子系统同时连续运行，使用 光伏阵列的 11 个最小单元，采集全年运行数据，其 余 3 个最小单元用于其它实验。 初 期购置了国外 S 公司的三款功率、 电路拓扑和调制方式均不同的并网逆变 器， 对其特性 作了全面的测试， 为制定并网逆变器的开发方案提供了重要的参考。 图 4 为在低、中、 高日照强度下并网电流的波形，谐波含有率分别为 36.54%、 5.93%和 4.75%，在额定功率 （高日照强度）附近能够满足谐波含有率小于 5%的 要求。 目前自主研发的两款并网逆变 器进入最后调试阶段。第一款采用工频变压 器绝缘结构：直流电先转换成工频交流电，通 过变压器进行电压匹配和绝缘 后再与电网连接；第二款采用无变压器结构：直流电先经过 Boost 电路转换 成满足并网要求的直流电压，再通过逆变桥直接与电网连接。将对这两种 结构的逆变器进行全面的比较实验。 在逆变调制方式的比较方面，已完成单极性调制和 双极性调制的理论分 析、计算机仿真和部分实验，具体结果另文发表。1.510.50-0.5-1-1.5 -0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.00500.0050.010.0150.020.025(a) 低日照强度6420-2-4-6 -0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.00500.0050.010.0150.020.025(b) 中日照强度10 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -0.025 -0.02 -0.015 -0.01 -0.00500.0050.010.0150.020.025(c) 高日照强度 图 4 并网电流波形 防孤岛保护新方法的研究已完成理论分析和计算 机仿真，正在准备实验。 已完整采集了二百多天的运行数据，图 5 为三种 典型天气条件 下的日输 出功率曲线，其中 W1 为使用 CIS 电池的系统，光伏阵列的峰值功率为 2.4kW；W2 为使用单晶硅电池的系统，光伏阵列的峰值功率为 2.1kW；W3 为使用 HIT 电池的 系统，光伏阵列的峰值功率为 4.32kW。三 条功率曲线的变化规律非常 一致，输出功率随 日照强度变化，表明并网 逆变器具有良好的最大功率点跟 踪控制特性。(a) 晴天：2007 年 1 月 29 日，1217(b) 多云：2007 年 2 月 12 日，1823(c) 阴雨天：2007 年 4 月 25 日，1924 图 5 日输出功率曲线 2007 年 1 月7 月，系统总发电量为 5583kWh。表 2 为每千瓦峰值功率电池板的实测月发电量。 实验结果表明， CIS 和单晶硅电池的比功率发电量比较接 近， 而 HIT 电池组件在高温时具有明显的优势。在温度较低的 1 月，HIT 电池的 发电量仅比 单晶硅电池组件高 1.6%；而在高气温的 7 月，发电量比单晶硅电池 组件高 9.6%。 表 2电池种类 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 7 月每千瓦峰值功率电池组件的实测发电量CIS 电池 93.76 78.44 67.22 67.92 96.48 81.13 125.92 单晶硅电池 95.18 80.07 69.65 69.65 97.62 81.57 123.52 HIT 电池 96.71 82.67 72.43 73.56 103.49 88.63 135.44发电 量 (kWh)4结论 本文对本实验室已建成的 11.2kW 光伏并网发电实验系统作了介绍，系统具有以下几个特点： （1）采用 CIS、HIT 和单晶硅 3 种不同类型的太阳电池，加上 2004 年 7 月 建成的太阳能扬水系统中的多晶硅电池，可开展全面的比较实验。 （2）6 路并网通道、14 个光伏阵列最小 单元，通过跳线自由组合，可满足 各种电压和容量等级、 多台同时比较运行的实验要求。 （3）配 备完善的数据采集系统，可积累重要的运行经验， 为今后的系统设 计提供依据。 （4）通俗易懂的介绍和宣传图片，有良好的展示效果。 已 开展的实验结果表明，系统在各种气候条件下均运行稳定，控制特性 良好；HIT 电池在 高 温时具有比较明显的优势，适合于南方炎 热地区的推广应 用。Construction and Operation of a Photovoltaic Grid-connected System with Multi-experimental Functions Xu ZhengGraduate School of Tsinghua University in Shenzhen, Shenzhen 518055 Abstract：This paper introduces a photovoltaic grid-connected system with m