1、电源优化器在光伏电站中的应用和研究 中山大学硕士学位论文 电源优化器在光伏电站中的应用 和 研究 The application and research of Power Optimizer in photovoltaic power station 电源优化器在光伏电站中的应用和研究 I 电源优化器在光伏电站中的应用和 研究 摘 要 传统化石 不可再生能源频频告急 ，严重的环境污染制约了世界经济的可持续发展。在 可再生能源中 ，太阳能光伏发电 以其永不枯竭、无污染和不受地域限制等优点 已经得到越来越多的社会公众的接纳， 光伏应用在世界范围内得以迅速推广， 光伏发电也已照亮了人们生活的各个角
2、落，并发挥着越来越重要的作用。 几乎所有的光伏电站在运行过程中都会出现不匹配现象， 出现 PV 系统不匹配的问题是由于系统电压与电流组合不匹配造成的， 造成 组合不匹配 问题 的 原因有 很多，例如局部遮蔽、飘动的云、附近物体的 反射、各种不同的倾斜角和安装方向、表面污染、组件老化、以及太阳 电池阵列上的温度变化 等 ，阴影或其他因素造成的光伏组件不匹配可能会导致阵列产生不成比例的电量损失。有时，不管光伏电站设计和安装得多好，现实环境的改变总能给系统的最大输出功率带来很大的障碍，无法保持在最大功率点运行。集中式 MPPT 技术很难从根本上解决这些不匹配问题，分布式 MPPT 技术可以明显改善
3、组件 不匹配带来的电量损失，获得可观的经济价值。 本实验采用了 20 块多晶硅组件，通过优化设计建立了 4 个相同的小光伏系统，分别进入一台 SB1200 1.2kW 的并 网逆变器，其中两个系统安装了电源优化器，最后通过逆变器和 Sunny Boy Control Plus 数据采集器监控并采集电站的运行数据。 实验证明， 有阴影存在的情况下，会对组件和阵列的输出功率产生很大的影响，最终会影响系统的发电量，本文将通过实验对此进行定量分析。 在没有阴影的情况下，可以将发电量提高 3.74%； 5 块组件串联的组串中 一块组件 用透光率为 30%的黑玻璃 遮挡 10%面积的情况下，通过电源优化器
4、可将发电量提高 7.0%，遮挡面积 比例达到 13.3%时 ，通过电源优化器可将发电量提高 44.8%。在相同阴影的情况下，阴影落在组件上的 形状 不同，对组件的输出效率也有很大差别。 电源优化器的接入降低了组串电压，相应提升了组串电流，从而提高了发电功率。并网交流电中电压谐波含量值比电流谐波含量值要低，而且电压谐波含量比较稳电源优化器在光伏电站中的应用和研究 II 定。 最后通过电源优化器增强所得到的结果，根据其市场价格，估算电源优化器的应用价值，为今后的光伏系统设计和应用提供借鉴。 关键词： 光伏系统 优化 设计 ， 电源优化器 ， 分布式 MPPT，系统失配， 经济分析电源优化器在光伏电
5、站中的应用和研究 3 The application and research of Power Optimizer in photovoltaic power station Abstract Traditional fossil non-renewable energy is frequently in emergency. Serious environmental pollution restricts the sustainable development of the world economy. Within all kinds of renewable energy, sola
6、r photovoltaic power generation ,which has no quantity limitation, no pollution and no regional restriction, has been accepted by more and more people. PV-tech application is spreading rapidly in the world, photovoltaic energy has also lit up every corner of our life, and plays a more and more impor
7、tant role in energy application. Almost all installed photovoltaic power stations have mismatch phenomenon in their operation process. The mismatch of PV system is due to mismatch between voltage and current of the system. But there are many reasons, such as partial obscuring, the floating clouds, n
8、earby objects reflection, all kinds of different gradient and azimuth, surface pollution, module aging, and the change of solar array temperature. Mismatch between PV module due to shadow or other factors may lead to unproportional electricity loss of PV system. Sometimes, no matter how well of the
9、PV station designed and installed, the environment changes can always bring great obstacle for system to reach its maximum power output. In other words, it cannot always work at maximum power point. Centralized MPPT technology is very difficult to fundamentally solve these mismatch problems. Distrib
10、uted MPPT technology can obviously improve the power loss of PV power station due to mismatch, and bring considerable economic value. This experiment used 20 pieces of polycrystalline silicon module, established four same small photovoltaic systems through optimizing design. Direct current of each P
11、V system array connected into a SB1200 grid-connected inverter to invert to AC current. Two of these systems installed power optimizer. Finally monitored and collected the operation data of PV power station through SMA grid-connected inverter and Sunny Boy Control Plus data collector. The presence o
12、f shadow would bring significantly negative effect on the power output of module and PV array, it will eventually decrease power generation of PV system. The author will 电源优化器在光伏电站中的应用和研究 4 take some experiences to quantitatively analyze the shadow effect. Under no shadow condition, Power optimizer
13、can increase 3.74% electricity output; under the shading conditions, one of five modules was occluded 10% area with 30% light transmittance black glasses, electricity output may improved about 7.0% through the power optimizer, when the shading area proportion is up to 13.3%, the value of increased e
14、lectricity output is as much as 44.8%. Even under the condition of same shading area, there will has various shade effect according to different shading shape. Power optimizer used in PV system reduced DC output voltage of (PV) power station array, but increased DC current output and improved overal
15、l systems generation power. The value of grid-connected AC voltage harmonic component value was lower than the value of alternating current harmonic. Besides, voltage harmonic content is more stable. Finally, according to the power optimizers market price and the improved effeciency of the system, w
16、e can estimate the power optimizer application value, and provide reference for future Photovoltaic systems design and application. Keywords: Photovoltaic system optimal design; Power Optimizer; Distributed MPPT; Mismatch of PV system; Economic analysis 电源优化器在光伏电站中的应用和研究 5 目 录 摘 要 . I Abstract . 3 目
17、 录 . 5 第 1 章 绪论 . 6 1.1 世界光伏发展的历史与现状 . 6 1.2 世界太阳能光伏应用现状 . 8 1.3 光伏系统成本发展趋势 . 12 1.4 世界光伏应用大国光伏政策和市场介绍 . 13 1.5 国 内外太阳能光伏发电的应用形式 . 22 1.6 本硕士论文的主要工作及内容安排 . 26 第 2 章 电源优化器的应用理论研究 . 27 2.1 阴影对光伏发电系统的影响 . 27 2.2 解决阴影对光伏发电系统影响的方案 . 30 2.3 分布式 MPPT 与集中式 MPPT 技术 . 31 2.4 国 内外的最新进展 . 33 2.5 小结 . 33 第 3 章 光
18、伏电站系统优化设计 . 35 3.1 光伏电站系统设计 . 35 3.2 太阳能光伏系统关键设备参数 . 37 3.3 太阳能光伏系统设计建设 . 39 3.4 系统构成和系统基本电力配置 . 42 3.5 电站通讯与 监控系统 . 44 3.6 小结 . 45 第 4 章 电源优化器在光伏电站中的应用研究 . 46 4.1 无阴影条件下传统光伏发电系统和电源优化系统的对比研究 . 46 4.2 阴影条件下传统光伏发电系统和电源优化系统的对比研究 . 50 4.3 光伏发电系统电能质量研究 . 57 4.4 小结 . 59 第 5 章 经济分析 . 61 第 6 章 总结与展望 . 63 6.
19、1 总结 . 63 6.2 进一步研究工作的建议 . 64 参考文献： . 66 攻读硕士学位期间发表的论文 . 70 致 谢 . 71 附录 1：全球最大的 EPC 公司 . 73 附录 2：京瓷组件性能参数 . 74 电源优化器在光伏电站中的应用和研究 6 第 1 章 绪论 1.1 世界光伏发展的历史与现状 地球 自原始社会开 始长达 50万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源 (如煤、石油、天然气等 )一直是人类依赖的能源基础。但是常规能源的储量正随着人类经济文明的高度发展而迅速枯竭，严重的环境污染制约了世界经济的可持续发展 1。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前
20、的消耗速度估计，全球石油还可供开采 40年左右，天然气约 60年，煤还可达 200年。全球能源消耗的年增长率约为 2%，近 35年来世界能源消费量已经翻了一番。 石油、天然气和煤炭等价格的上涨已经成为推动可再生能源需求增长的重要动力。 虽然目前人类可利用的新能源，如太阳能、风能、水能、海洋能、地热能等能源形式都是可以满足要求的。但从能源的稳定性、可持久性、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成为最理想的可再生和无污染清洁的能源。 自从 1839年法国科学家 E. Becquerel发现了光生伏特效应起，太阳电池已经有 170多年的发展历程 2。随着工业的发展和技术的进步，太阳电池研究的可
21、喜成果终于展现给人们， 1954年美国贝尔实验室成功制备出了具有实用价值的单晶硅太阳电池，该太阳电池转换效率为 4.5%，几个月后其效率提高到 6% 3，从此光伏技术的研究与应用 开始 进入了新的历史阶段。 1955 年 Hoffman 电子成功推出效率为 2%的商业光伏产品，由于价格昂贵，晶硅太阳电池开始仅用于地球卫星、空间站等太空飞行器的供电。 1958 年，Hoffman电子的硅电池效率达到 9%，并且首次将太阳能发电用于卫星先锋 1 号；1960 年， Hoffman 电子晶硅电池效率达到 14%； 1963 年，日本 Sharp 公司成功生产太阳电池组件，在日本一个灯塔安装容量为 2
22、42Wp 光伏电站，在当时是世界最大的光伏电站； 1973 年，美国特拉华大学建成世界上第一个太阳能光伏住宅。随着设备和技术的进步，太阳电池材料与生产工艺得到很大发展，除了单晶硅电池外，多晶浇铸硅电池也得到迅速发展，并且以非晶硅、碲化镉和铜铟（镓）硒为代表的薄膜太阳电池也相继进入光伏市场； 1974 年，日本推出光伏发电的“阳光计划”； 1975 年 1 月，美国政府启动地面光伏研究与开发工 程； 1979 年，电源优化器在光伏电站中的应用和研究 7 世界太阳能光伏发电安装总量突破 1MWp； 1980 年， ARCO 太阳能公司成为世界上第一个年产 1MWp 太阳电池生产厂家； 1999 年
23、，世界太阳电池年产量超过201.3MWp，光伏发 电安装总量超过 1000MWp，标志太阳能 光伏应用 时代开始 4。 在石油危机的警示和环保的要求下，在技术进步的推动和各国政府支持新能源政策的强力驱动下，世界光伏产业一直保持高速的发展 ， 光伏产业自 1990 年后半期进入了快速发展时期，开始迎来了光伏的春天 5-6。全球太阳 电池产量由2002 年的 561MWp 增加到 2009 年的 10.7GWp，年平均增长率超过 50%。特别是 2004 年德国实施了经过修订的“上网电价法”以来，市场需求急剧扩大，光伏产品供不应求。快速发展的光伏应用市场对光伏产业起到了强力拉动作用，导致太 阳级硅
24、材料近几年严重短缺。 得益于欧洲光伏市场的拉动，中国的光伏产业在 2004 年之后经历了快速发展的过程，连续 5 年的年增长率超过 100%。尽管受到硅材料短缺的影响， 2006年和 2007 年太阳电池 /组件的年增长率仍分别达到 42.1%和 78%； 2007 年中国太阳电池产量达到 1088MWp，占世界总产量的 27.2%，超过日本 (920MWp)和欧洲(1062.8MWp)，成为世界太阳电池的第一大生产国 7。 2008 年全球电池产量为7900MWp，虽然下半年受到国际金融风暴的巨大影响，仍比 2007 年增长 77.5%，这主要得力于西班牙光伏市场的贡献。 2009年全球太阳
25、 电池总产量为 10700MWp（含薄膜）， 2009 年比 2008 年增幅达 35.4%，电池年产量开创了新的历史。 2007年至今，中国已经连续 4 年光伏电池产量居世界首位。 2010 年，中国光伏电池产量已超过全球总产量的 50%。美、日、欧计划到 2020 年光伏产业年均增长率达到 50%，光伏发电上网量占其发电总量的 20%以上，产值突破 3000 亿美元。 表 1-1 为 2000 至 2009 年的全球太阳电池产量的变化状况，可以明 显看出，最近 10 年世界光伏产业的发展速度非常惊人 。 表 1-1 2000 2009 年全球太 阳电 池 产 量 变 化情 况 （ 单 位：
26、 MWp） 年 份 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 美 国 74.97 100.3 120 103.2 140 154 202 266.1 432 600 日本 128.6 172.4 251 363.91 602 833 928 920 1300 1800 世界其它 20.02 22.9 45 73.8 89 102 314 663.1 668 500 欧 洲 60.66 73.9 135 193.35 314 470 657 1062.8 2000 2800 中 国 大 陆 3 4.6 10 10 50 200 400 1
27、088 2600 4000 中国台 湾 / / / / / / / 450 900 1000 电源优化器在光伏电站中的应用和研究 8 总计 287.65 374.1 661 744.26 1195 1759 2500 4450 7900 10700 2010 年全球太阳电池产量达到 20.5GWp，而 2009 年时这一数字仅有9.86GWp。中国大陆和台湾的电池厂商继续扩大市场份额，相比 2009 年的 49%，2010 年两岸生产的太阳电池已经达到全球产量的 59%。 根据统计的 2010 年十大太阳电池生产商，其中中国大陆有四家公司入围，分别为无锡尚德、河河北晶澳、常州天合光能和阿特斯太
28、阳能；台湾有 3 家入围，有台湾茂迪、昱晶能源和新日光。全球前十大太阳电池生产商排名如下 8-10： 表 1-2 2010 年全球十大太阳电池生产厂商 2010 年排名 太阳电池制造商 2010 年产量（ MWp） 2009 年产量（ MWp） 1 无锡尚德电力（中国大陆） 1600 704 1 河北晶澳太阳能（中国大陆） 1500 520 2 First Solar（美国） 1400 1100 3 Q-Cell（德国） 1014 585 4 台湾茂迪（台湾） 1000 360 5 昱晶能源科技（台湾） 930 368 6 Kyocera（日本） / 400 6 Sharp（日本） / 595
29、 7 常州天合光能（中国大陆） / 399 8 Sun Power（美国） / 397 9 新日光能源科技（台湾） 820 200 10 阿特斯太阳能（中国大陆） 803 310 1.2 世界太阳能光伏应用现状 全球不断增长的能源需求对每个国家提出了两个严峻挑战：气候变化和能源安全。世界各国政府正在采取行动应对这些挑战。通过加强光伏发电产业，即使在未来也可以满足全球经济巨大的能源需求，而且这一切都建立在安全环保的基础之上 11。 丰富的太阳能，是取之不尽用之不竭、无污染、廉价的能源。太阳能每秒钟到达地球的能量高达 80 万千瓦，如果把地球表面 0.1%的太阳能转为电能，转换效率为 5%，那么每
30、年发电量可达 5.6 1012kWh，相当于目前全世界能源消耗的电源优化器在光伏电站中的应用和研究 9 40 倍。就全球而言，美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区的全年总辐射量或日照总时数最大，为世界太阳能辐照资源最丰富的地区 12。 太阳能是至今为止地球上可用的最大能量来源，它提供了 其它 可再生能源不能提供的好处，光伏系统能在合适的陆地和建筑物上的任何地方开发；光伏系统是组件式的，这提供了规模上的灵活性。光伏系统能在靠近需求中心处安装，它们的发电峰值与电力峰值需求一致，可以就地发电用电，减小对电网的压力。太阳能光伏发电还具有其它发电能源不具有的其独特优势 13：（ 1）主要有电
31、子器件构成，不涉及机械转 动部件，运行过程没有噪声；（ 2）没有燃烧过程，发电过程不需要燃料；（ 3）发电过程没有废气污染，也没有废水排放；（ 4）设备安装和维护都十分简便，维修保养简单，维护费用低，运行可靠稳定，使用寿命长，可达 25 30年，甚至更长；（ 5）环境条件适应性强，可在不同环境下正常工作；（ 6）能够在长期无人值守的条件下正常稳定工作；（ 7）建设周期短，根据需要很容易进行容量扩展，扩大发电规模。 世界能源危机日益加剧，人类环保意识逐渐加强，全球太阳能光伏产业得到了迅猛发展，太阳能产业一时成为全球集中投资的目标。光伏产业能够得到如 此迅速发展可以归结于两个因素：市场需求和政府的
32、政策激励。全世界太阳电池的总产量在短短的 10 年里就增长了 17 倍。美、日、德、西、中目前在该行业中居领先地位。 2009 年，传统光伏大国德国系统安装量超过 3.8GWp，占全球总安装量比例的 59%；西班牙 2008 年太阳能市场出现了爆发性增长，全年新增装机容量达到2511MWp，占全球总量的 45%，但是 2009 年出现负增长，政府宣布将补贴范围由原来的 1200MWp 下降到 500MWp。到 2009 年年底，全球光伏市场累计容量已超过 20GWp，其中仅 2009 年全球新增设备发 电容量就达 约 6.4GWp，比 2008年增长 6%。 根据最新的 Solarbuzz 年度光伏市场报告显示， 2010 年 世界 光伏市场安装量达到创纪录的 18.2GWp，比 2009 年增长 139%。 中国政府的一系列光伏激励政策促进了中国光伏市场的快速增长。 2008 年我国光伏系统安装量约为40 MWp，仅占全球安装比例的 0.73%， 2009 年中国太阳能光伏发电机组新增装机容量出现了爆发式增长，新增装机容量达 160MWp， 超过了截至 2008 年底的累计安装总量， 累积装机容量达到 300MWp。 2010 年实际新增装机量超过
