光伏并网发电系统对电网运行的影响及其应对策略研究 (5).doc

学校代码： 10286分类号： 密 级： UDC： 学 号： 光伏并网发电系统对电网运行的影响及其应对策略研究 研究生姓名： 导师姓名： 申请学位类别 学位授予单位 东 南 大 学 一级学科名称 论文答辩日期 20 年 月 日 二级学科名称 学位授予日期 20 年 月 日 答辩委员会主席 评 阅 人 20 年 月 日硕士学位论文光伏并网发电系统对电网运行的影响及其应对策略研究专业名称： 研究生姓名： 导师姓名： STUDY ON THE IMPACT OF PHOTOVOLTAIC GRID-CONNECTED POWER GENERATION SYSTEM ON POWER GRID OPERATION AND ITS COUNTERMEASURESA Dissertation（Thesis）Submitted toSoutheast UniversityFor the Academic Degree of Doctor (or Master) ofEngineering(or Science etc)BYName of Graduate (such as HAN Bao-cheng)Supervised byName of Supervisor and Title (such as Prof. FENG Chang-gen)andName of Second Supervisor and TitleName of Department (or School)Southeast UniversityDate of Submit (such as April 2002)东南大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。研究生签名： 日期： 东南大学学位论文使用授权声明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括以电子信息形式刊登）论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布（包括以电子信息形式刊登）授权东南大学研究生院办理。研究生签名： 导师签名： 日期： 摘要摘要能源和环境危机已成为影响人类可持续发展的重要问题。光伏发电以其无污染、可再生的特点受到越来越多的关注, 光伏发电产业发展迅速。然而, 光伏发电本身的随机波动将对电网的安全稳定运行构成威胁。为了更好地服务于人力和电网, 本文研究了光伏发电对电网运行的影响, 并探讨了提高其影响的措施。随着我国光伏技术的发展, 光伏电站建设已进入兆瓦时代。在国家政策的支持和推动下, 中国光伏电站总数将进入快速增长时期。2015年, 并网容量已超过100兆瓦。对于容量较小的光伏电站, 在传统的配电网运行控制中, 基本上被认为是系统可以强行拆除的小随机负荷, 从而简化了电网的运行模式。分销网络。然而, 兆瓦光伏电站的大容量、电网潮、线路损耗和电压分布以及配电网的继电保护配置都有很大的影响, 这不能再简单地被认为是一个小的电源或负载。MW 光伏电站的输出特性及其对传统配电网的影响还不够。本文做了以下工作:(1) 在光伏阵列和最大功率跟踪方法的基础上, 建立了光伏系统的数学模型。在 PSASP 电力仿真系统中建立了光伏发电系统的仿真模型。仿真结果验证了模型的正确性。(2) 研究了光伏发电并网对配电网潮流和电压分布的影响。不同的容量和接入位置对电压的影响是非常不同的。(3) 研究了光伏并网对继电保护作用特性的影响, 总结了现有保护的优缺点, 并提出了解决方案。(4) 通过计算实例的实际数据对上述结论进行了验证。关键词：光伏并网；并网仿真；工程模型；配电网IAbstractAbstractEnergy and environmental crisis has become an important issue affecting the sustainable development of mankind. Photovoltaic power generation has attracted more and more attention due to its pollution-free and renewable characteristics, and the photovoltaic power generation industry has developed rapidly. However, the random fluctuation of photovoltaic power generation itself will pose a threat to the safe and stable operation of power grid. In order to better serve human power and power grid, this paper studies the influence of photovoltaic power generation on power grid operation and discusses the measures to improve its influence.With the development of China's photovoltaic technology, photovoltaic power station construction has entered the megawatt era. With the support and promotion of national policies, the total number of photovoltaic power stations in China will enter a period of rapid growth. In 2015, the grid-connected capacity has exceeded 100 mw. For photovoltaic power stations with small capacity, in the traditional operation control of the distribution network, it is basically considered as a small random load that the system can be forcibly removed, thus simplifying the operation mode of the grid. Distribution networks.However, the large capacity of a megawatt photovoltaic power station, the power grid tidal current, the line loss and voltage distribution, and the relay protection configuration of the distribution network all have a great impact, which can no longer be simply considered as a small power source or load. The output characteristics of MW photovoltaic power station and its influence on traditional distribution network are not enough. This paper does the following work:(1) on the basis of photovoltaic array and maximum power tracking method, the mathematical model of photovoltaic system is established. The simulation model of photovoltaic power generation system is established in PSASP power simulation system. The simulation results verify the correctness of the model.(2) the influence of photovoltaic power generation grid-connection on power flow and voltage distribution of distribution network is studied. Different capacities and access locations have very different effects on the voltage.(3) the influence of photovoltaic grid-connection on relay protection characteristics was studied, the advantages and disadvantages of existing protection were summarized, and solutions were proposed.(4) the above conclusions are verified by the actual data of calculation examples.Keywords: Photovoltaic grid；Grid-connected simulation； Engineering model；Power distribution networkIII目录目 录摘要IAbstractIII第1章 绪论11.1选题背景及其意义11.2国内外研究现状及发展动态研究21.2.1 国内外研究现状21.2.2 光伏并网技术研究现状41.3课题研究内容6第2章 基于 PSASP 软件的并网光伏电站的仿真模型72.1光伏电池的发电原理72.2 光伏电池工作特性72.3 光伏发电系统的结构92.4 光伏电池数学模型112.5 MPPT算法132.5.1恒定电压控制法132.5.2 电导增量法142.5.3 扰动观察法152.6逆变器模型162.7单级型光伏发电系统基于PSASP的暂态建模172.8仿真结果对比182.8.1 光照变化的扰动特性182.8.2电网故障扰动动态特性192.9 本章小结19第3章 并网光伏发电系统对电压分布的影响213.1光伏发电系统配电网三相潮流计算213.2我国的配电网络结构233.3 配电网稳态潮流和电压分布分析243.3.1 光伏电源在不同位置并网对电压分布的影响243.3.2 不同的接入容量对配网电压分布的影响263.4 分布式电源接入对电能损耗的影响263.5 本章小结29第4章 并网光伏发电系统对配电网继电保护的影响314.1光伏电源的孤岛效应314.2 配网并入光伏电源对线路保护特性的影响334.2.1 对线路保护动作正确性的影响334.2.2 对线路保护保护范围的影响334.2.3 对线路保护保护选择性的影响344.2.4 对断路器及线路重合闸的影响344.3光伏电站投产后对地区电网继电保护的影响分析344.3.1 光伏电站投产后对线路重合闸的影响344.3.2 光伏电站投产后对 66kV 线路备自投的影响344.3.3 光伏电站投产后的防孤岛保护354.4 本章小结35第5章 光伏电站并网算例分析375.1光伏电源的接入标准375.2 实际算例分析375.2.1电量分析预测375.2.2 并网仿真385.3 本章小结41第6章 结论与展望43参考文献45致谢51V第1章 绪论第1章 绪论1.1选题背景及其意义随着中国经济持续增长，各个地区对电能的需求量可谓不可同日而语。由于东部、西部经济发展、能源分布的不平衡，“西电东送”解决了这一矛盾。由于传统火电发电用煤来产生能源动力，对于环境、能源、大气等方方面面对人类产生了影响。比如煤炭资源的不可再生性、北方严重的“雾霾”天气等等。于是，人们试图寻找其他的能源转换成电能。西部地区有其独特的优势，如昼夜温差大，光照时间长，太阳辐射强，人口稀少，为大力发展光伏发电奠定了基础。光伏发电站在白天而不是在夜间发电。通常，光伏电站的容量曲线是相对固定的。在太阳升起和停止之前太阳能照度达到电网的某个功率值之后，当容量达到其最大值时，照明强度达到其最大值。太阳落山后，每天都可以维持发电规则。这种发电特性使得光伏电站的输出适用于白天负载较重的工业和企业，但不适用于民用负载，除非用能量存储装置重新配置。光伏电站的并网运行可能会影响电网系统的潮流，无功电压，短路特性和暂态稳定性，从而产生电压偏差，电压波动和电网谐波1。尽管存在与光伏发电相关的问题，但其可再生潜力值得信赖，随着常规发电比例的逐渐降低。对于我们国家未来的电能发展将带来一个新的景象。这是利用电力技术大规模利用太阳能的重要步骤之一。对光伏 电源来说并网运行的发电模式有很多优点，第一，光伏电站因并入系统，对负载来说，解决了供应电能质量和发电稳定性能的问题；第二，运用控制技术手段让 光能电池一直在最大功率值上工作，让电力网络能够容纳光能系统发出的全部电力，提升了光能发电的工作效率；并且，我们削减掉蓄电的冗余步骤，减少了电 能的存储环节和运放电池造成的能量的损失，缩减了运维资金的投入，在一定程 度上避免了在此过程中造成的环境污染的问题。从最近几年看，由于光伏电池成 本的大幅减低以及新能源产业技术及供应链的飞速发展，并网运行的发电系统会 被人们所运用的越来越多。然而，和传统的电力系统不同的是，太阳能发电利用的是光伏逆变器装置将光伏电池的直流电转换成交流电，再经过变压器升压到电力网络上，在整个过程中并没有旋转设备，而其在一定的程度上极易被周围的环 境所干扰。并且，整个电网中太阳能发电系统的比例越来越大，这将对电网的安全稳定性产生重大影响。所以，我们通过在大型电力分析系统 软件中，进行一些符合实际的定量的仿真分析，研究光伏电源对系统的影响是非 常必要的。近些年，我国缺乏对光伏发电网络稳定性能方面的研究，在大规模的电力网 络系统的仿真软件中很难找到光能发电暂态仿真功能模块，通过翻阅文献发现，文献2-3对如何获取导入电力网络最大容量输出容量的同时又保证电网的安全稳 定性进行了仿真分析；文献4主要从光能发电的输出功率的随机性角度获得光 伏的安装容量的峰峰值，这仅仅单纯的把光能发电站当作负载来看，并没有从整 体反应出光能发电系统电池和本身系统之间的影响作用。并且，光伏发电站导入 的节点绝大多数情况都是电力网络的终端，系统的稳定性能不强，我们不能忽略 光能发电系统的和电力系统末端间的相互影响。因此，本论文首先在单级型光伏 发电系统的基础上，充分的借助电力网络系统综合程序做必要的仿真研究计算，PSASP（电网系统综合分析）是中国电网研究院自主研发的仿真模型。它是一个功能强大且易于使用的电力网络系统仿真系统，可以调用网格基础数据库，固定模型数据库和用户定义的模型数据库。PSASP 能够自主的对电力网络系统的输入、输出和匹配系统的计算分析，并且根据用户 GUI 界面中 创建单级型光能发电系统的暂态仿真模型。通过研究PSASP软件环境中模型的瞬态特性，并与PSCAD / EMTDC软件环境中电磁暂态模型的动态特性进行比较，验证了模型的可行性。根据2016年A区光伏电站发电量和负荷使用情况分析，研究了光伏并网对继电保护动作特性的影响。总结了现有保护的优缺点并提出了解决方案，通过算例实际数据验证了以上结论。1.2国内外研究现状及发展动态研究1.2.1 国内外研究现状太阳照射地球30分钟的能量足以让全世界在一年内消耗。人类所依赖的几乎所有自然资源都是从太阳能转化而来的，使用太阳能的历史可以追溯到人类起源的时代。根据国际能源机构发布的预测，2006年至2030年世界一次能源需求量从117.3亿吨增加170.1亿吨，平均每年增长45。石油将在大约50年内耗尽，天然气将在57至65年内耗尽，煤炭将耗资169年。能源消耗远远大于能源供应，能源平衡严重失衡，严重的能源形势已摆在世界面前，人类面临着前所未有的能源危机。目前，全球二氧化碳排放量已达到300亿吨。如果不加以控制，到2030年它将达到400亿吨。人类的生存环境正面临前所未有的挑战和危机。在已知的新能源形式中，太阳能当然可以满足人类发展的能源需求。太阳能光伏发电的应用将有效减少环境污染，改善全球能源短缺。今天，国家将“节能减排，安全环保”作为“十一五”能源利用和发展的关键方向和目标，并列入国家发展和改革委员会“十六大”特别项目。随着传统能源的枯竭和油价的上涨，以及人们生活环境要求的不断提高，迫切需要积极寻找新的替代能源。作为一种无污染的清洁能源，太阳能电池肯定会得到快速发展。虽然太阳能光伏发电的成本较高，但从长远来看，随着技术的进步和其他形式的能源利用的逐步饱和，太阳能可以成为2015年后能源利用的主流形式，具有不可估量的发展潜力。国际经验表明，政策支持是光伏产业发展的最重要推动力，政府的政策引导将决定光伏产业的发展水平和市场需求。太阳能产业的发展对我国能源的开发和利用具有深远的意义。（一）国外光伏发电发展现状2010年光伏发电的兴起使全球太阳能发电总装机容量达到1.27GW。当时，全球太阳能发电的总装机容量预计在2020年达到42GW。仅在 2016年, 全球新安装的太阳能光伏发电能力就约为66.7千兆瓦。以下是对国外光伏发电现状的分析: 德国: 鼓励自用。根据国外光伏发电的现状, 根据德国2013年的政策, 500KW 以下的光伏发电系统可以采取 "自用、剩余电力在线" 的政策。大于500kW的系统受“上网电价”政策的约束。对2MW以上的项目没有补贴。德国分布式发电在2008年至2010年间出现爆炸式增长，2013年德国分布式发电装机容量占光伏发电总量的75。日本：日本光伏发电的快速发展归因于其高额上网电价，居民高达42日元，相当于2.57元。日本对新能源的高额补贴主要是由于2011年福岛核电危机，因此日本人民和政府都有一种特殊的新能源，特别是太阳能发电。美国：在1994年的财政预算中，光伏发电预算超过7,800万美元，比1993年增加23.4; 1997年，美国和欧洲相继宣布了“百万屋顶光伏项目”，美国计划到2010年安装1000-3000个太阳能电池。作为发达国家，国外光伏发电的现状表明美国政府对太阳能发电的支持仅限于投资环境，包括投资退税，加速折旧和直接投资补贴等优惠政策。中国台湾：2009年，台湾颁布了可再生能源发展规定，基准上网电价为可再生能源和清洁能源应统一起来。上网电价的实施期限为20年，并采用统一的电价。台湾的基准电价在项目完成时采用整体购买率基准和招标机制相结合的方法，30公里以下的价格免征投标。这种方法允许台湾的分布式光伏收取比地面工厂更高的进料价格。对发展有兴趣。欧洲为6.9GW。印度4GW。欧洲和日本等传统市场的市场份额逐渐转移到中国，美国和印度等市场。许多新兴市场正在加速发展。（二）国内光伏电站发展现状中国的光伏发电市场由于成本高，并网光伏发电仍处于示范阶段。光伏产业包括多晶硅原料制造，硅锭/硅片生产，太阳能电池制造，元器件，光伏系统的封装和应用，还有一些与整个产业链相关的特殊材料的各个环节。特种设备制造，专用测试设备制造，光伏系统平衡元件制造等。在第13个可再生能源五年计划，特别是光伏产业的大力支持下，中国将继续顺应未来全球能源转型的大趋势，继续扩大太阳能利用规模，不断增加电力能源结构中光伏发电的比例。到2020年，分布式光伏发电总装机容量的57.14。为了鼓励分布式光伏发展，中央和地方政府先后出台了一系列配套政策，以实现国家发展规划。西部的集中式大型发电站由于无法在当地消耗而导致电网输出容量有限，导致大量的电力放弃。企业的生产规模在行业和技术的硬性规范，为提升整个行业的生产和质量体系。工业和信息化部将对行业内的企业进行严格审查，符合要求的企业将更新到符合要求的企业名单，并定期公告。由于补贴资金短缺，差距很大。对于分布式光伏发电，用户直接消耗的光伏发电可以节省电费，享受当地电网的售价。2017年12月19日，国家发展和改革委员会以“自用和剩余电力在线”模式，从2017年到2020年，系统成本下降的空间增加了约20。在世界一些地区，光伏发电的成本低于传统的化石能源，发电的公平价格已经实现。阿布扎比，印度和沙特阿拉伯光伏项目的投标价格分别低至0.2元/ KWH，0.3元/ KWH和0.12元/ KWH。2018年3月15日，在中国最新一批光伏领导项目中，最低投标价格降至0.32元/ KWH。未来，随着并网光伏发电KWH成本的进一步下降，光伏发电将实现大规模的平价互联网接入，逐步摆脱政府补贴，光伏发电前景十分广阔。光伏电力行业到2020年将在六年内完成。实施分布式光伏扶贫系统，支持区县登记贫困户和扶贫开发重点县（以下简称贫困县）安装分布式光伏发电系统，增加基本生活穷人的收入。 2015年，国家能源局发布国家能源局关于落实加快贫困地区能源开发建设和促进扶贫的意见的通知，提出了“精确实施光伏扶贫项目”等六项重点工作和”扩大光伏扶贫范围。在现有试点工作的基础上，继续扩大光伏扶贫范围，在451个贫困地区的35,700个登记贫困村开展光伏扶贫工作15个省（自治区）县光照条件良好（年平均利用小时数超过1,100小时）。到2020年，200万户登记卡家庭平均收入增加3000多元。加大支持力度。将继续完善光伏扶贫项目清单计算他们的需求，赢得多渠道的支持，扩大光伏扶贫项目的资金来源。组织各省（区）县制定光伏扶贫实施方案，经审批后按程序实施。1.2.2 光伏并网技术研究现状光伏电站在大量逆变器和电力电子设备中产生大量谐波电流，谐波电压，光伏电站电网运行谐波，电压波动和闪烁，三相电压不对称和低功率因数的问题，电网电能质量下降，对电网的不利影响，严重干扰电源系统和光伏设备本身的安全稳定运行。连接到电网的大型光伏电站将对系统功率流，稳态，瞬态等产生影响。分析连接到电网的光伏电站的影响，研究相应的改进措施至关重要9-13。目前，光伏电站接入电网还不是以微网的形式推广，而是以集中式接入电网，用户端购买电能的形式用电。光伏电站接入不仅考虑投资建站设备资金、技术问题，对于选址问题也是同样引起重视的。合理的光伏电站位置分布能带来清洁可持续能源的同时，光伏电池板也会以最大的转化效率将吸收的太阳能转化成电能，从而 减少资金、能源的浪费。在文献14-15中，采用序贯蒙特卡罗模拟方法处理光伏输出和负载的时间和随机性，并采用性能良好的生物地理优化算法求解建立的模型，从而提出一种方法。光伏电站接入电网是门新兴技术，给电网带来清洁能源动力的同时也会对电网产生很多影响，分析了光伏电站的孤岛效应，文献16-17分析光伏电站接入公共网的电压、无功平衡、暂态稳定性分析以及电能质量影响等问题。文献18讨论了分布式光伏电网连接对原电网中配置的反岛效应检测的影响。在文献19-20中，利用仿真软件PSASP建立了与隔离电网相连的并网光伏电站仿真模型，研究了光伏接入对隔离电网稳定性的影响。当光伏电站连接到电网时，不可避免地会影响系统电压和功率流。对于光伏电站并网引起的电压和功率流影响，文献21-23采用MATLAB软件编程进行牛顿 - 雷普森功率流计算和MATLAB仿真，并分析了电压和功率流的影响连接到电网的光伏电站。文献利用黑龙江并网光伏电站进行PSASP仿真，分析了并网光伏电站对电网电压，潮流等的影响。大量光伏电站是连接到电网，导致功率流反向传输对变电站的影响。文献24-25利用MATLAB编程，基于光伏电站与电网连接的情况，进行潮流计算和可靠性分析，比较光伏前后有功，无功，电压，网络损耗等电能质量数据电站连接到电网，从而获得光伏电站连接到电网电压和电力流的影响。此外，执行牛顿-雷普森功率流计算以比较光伏电站连接之前和之后的电压和功率流变化29-30。文献31-33推导出1MVA发电机组的davinin等效电路。建立阻抗网络模型以逼近真实的并网系统。该模型可以揭示光伏电站谐波产生的基本原理和谐波变化规律。青海50MVA并网光伏电站测量谐波数据与计算数据的对比证明，该模型能够在任意辐照度和温度条件下，以一定的精度再现大型并网光伏电站的基波和谐波输出特性。文献34-38详细阐述了光伏发电对配电网继电保护的影响。文献39-40详细分析和讨论了电压分布，自动重合闸，配电自动化，设定值的设定以及在光伏系统连接到配电网络后改变线路保护的保护元件的添加。文献41提出了一种新的大型光伏电站低压交叉故障控制策略和故障等效模型，在分析故障情况的基础上，提出了一种新的继电保护整定方案，并采用了大规模的光伏发电以兰州新区为例，用PSCAD建立仿真模型。对于光伏发电的可靠性，文献43利用鲁棒的最优调度模型分析了光伏发电不确定区间的最优调度问题，以提高光伏发电的可靠性。文献44采用光伏发电系统潮流计算模型分析光伏发电。在文献45-47中，采用序贯蒙特卡罗方法提出了一种基于典型气象电站输出的计算方法，以提高系统的可靠性。文献48通过序贯蒙特卡罗方法有效地评价了高尔夫球场并网光伏系统的可靠性，并利用线性插值方法精确计算了光伏发电置信能力，为提高光伏发电的规划和运行水平提供了理论依据。大型光伏发电系统。文献49建立了单级逆变器的并网光伏发电机组模型，通过PSCAD / EMTDC获得了光伏发电机组的电磁暂态仿真模型，验证了其在稳态和瞬态条件下的有效性。文献50分析光伏电站干扰等效模型的不同方式，利用乘法方法建立光伏指骨群的等效模型和光伏逆变器组的等效模型，在青海海西通过测试数据网格的使用光伏电站模拟验证和误差分析，结果证明等效建模方法和数学模型能更好地模拟水电站的实际运行。文献51-54光伏电站建立大型光伏电站仿真数学模型，考虑不同方式的电力控制电网光伏电站最大提出电源跟踪控制模式和恒功率控制模式，电压和电力系统稳定性可以通过光伏阵列测量。文献55建立了大型光伏电站的稳态数学模型，协调站内各无功电源的输出，确保光伏电站电压的安全稳定。1.3课题研究内容本文的主要目的是研究并网光伏电站对配电网的影响，继电保护系统。主要工作如下：（1）对单级光伏发电系统进行了一些假设和模型简化，并在PSASP（电力系统分析综合方案）中建立了并网光伏发电系统模型，并验证了模型通过比较类似的软件系统。(2) 分析了光伏发电系统对配电网电压分布和电能质量的影响。(3) 讨论了连接电网的光伏发电系统对配电网继电保护的影响, 以及 A 区光伏电站对局部配电继电保护的影响网络进行了讨论。(4) 利用 A 区和 PSASP 软件中光伏电站的实际数据, 简要分析了光伏发电系统的最大发电量以及对配电网电压和频率的影响。结合A地区光伏电站发电量及负荷使用情况，从接入方案选择及仿真过程分析光伏电站接入的容量及接入电压等级的选取。结合往年实际光伏电站接入电网的影响分析，可以了解光伏电站并入电网是否是有利于未来发展更大、更多形式的能源接入电网，是否能使电网削减一次能源的输入，增加更多的光伏电站出力从而实现经济效益最大化。35第2章 基于PSASP软件的并网光伏电站的仿真模型第2章 基于 PSASP 软件的并网光伏电站的仿真模型2.1光伏电池的发电原理光伏发电系统的核心部件是光伏电池，通过光伏效应有效地将太阳能转化为电能。目前，最常用的太阳能电池板由半导体硅制成，其结构图如图2-1所示：图 2-1 半导体硅材料结构示意图从图2-1所示可以看出，在整个光伏电池中，数量相对较多的是P型半导体空穴和n型半导体自由电子，当光照射到光伏太阳能电池板时，光伏电池通过一系列反应，光子能量吸收后，会使原本在低能电子轨道电子轨道偏离的部分发生，这会产生一些电子-空穴对，我们在谈论光载波，在PN结，在电场力的作用下，电子此时会向两个阶段进行微分，此时在开路部分，导体将流过一定的电流，如图2-2所示为结构图 半导体PN结。图 2-2 半导体 PN 结结构图通常，为了促进光伏能量的有效利用，有必要提高光伏发电的总容量。根据实际需要，串联或并联形成有效光伏电池阵列的方式不同。然而，硅是最适合光伏电池的材料，并且在整个市场中占有重要地位。此外，多晶硅，有机光伏电池，纳米晶光伏电池，聚合物多层改性电极等是光伏电池的重要组成部分。 作为半导体硅材料，光的实际吸收系数相对较低，因此通常的硅不是制造光伏电池的最佳材料，它是最有前景的铜和硒。目前已经取得了一定的研究成果，距离仍然面临着许多困难需要解决的大规模市场应用。2.2 光伏电池工作特性从实际应用的角度来看，光伏电池的工作特性通过电压，电流，电压，电流的曲线以及与光强度大小的关系，温度变化的条件和日照面积等参数表示，如光伏电池和 根据上述，当涉及光伏电池的工作原理时，假设光强度恒定，光伏电池可以等效于理想电流源，如图2-3所示，理想的光伏电池等效电路模型。图 2-3 理想条件光伏电池等效电路其中： （2-1）式中，IR 在稳定状态下，负载流过的电流；Id 光伏电池阵列中 P-N 结流过的负载电路；I0 当光照强度为 0 的状态下，光伏电池阵列 P-N 结中产生的反向饱和电流；Q其中电子电荷；T 绝对温度；K 波尔兹曼常数；Ui 结电压；Iph 在光照强度不为 0 的状态下，光伏电池产生的恒流电流。因此有如下表达式： （2-2）式中Ac 光伏电池阵列接受光照强度照射的有效面积；C0,C1 电池材料系数；S 光照强度；T 光伏电池阵列的温度。在工程应用中，由于光伏电池自身也存在一定的电阻，因此需要考虑电池本身对其产生的影响，实际的等效电路如图 2-4 所示。图2-4工程中光伏电池等效电路图2-4中，光生电流数值用Iph表示，串联电阻数值用Rs表示，其主要组成单元有电池的体电阻、表面电阻、硅表面的接触电阻以及电极导体电阻，通过串联的方式组成，负载电阻用R表示，漏损电阻用Rsh表示。我国制定的光伏并网标准相当较晚，主要参考的是国际相关标准：IECJEEE以及C61000 电能质量系列，根据近些年的研究，光伏并网主要对电网质量有以下几个方面影响：电压偏差，谐波含量，频率波动，电压稳定性等。2.3 光伏发电系统的结构在实际应用中，往往由多个串联或并联的光伏电池有效连接在一起形成组合，其主要目的是有效提高光伏发电的整体电压等级和容量，并通过一定的工艺流程，某种形式的包装，以整个组件构成大功率光伏板，用于最小单元的光伏电池的工程。在实际安装中，根据需要，每个光伏电池串联并联连接以形成光伏阵列。光伏阵列发电的本质是通过光伏阵列将太阳能转换为直流电，并通过逆变器的链路将获得的直流电转换为日常生活中所需的交流电。为了更好地控制直流电压并实现最大功率点跟踪（MPPT）特性，多级逆变器通常用于工程中。此时，由于电力电子设备众多，整体结构非常复杂，应用过程中产生的损失相对较大。目前，广泛使用的光伏发电系统结构如图2.5所示，主要包括：1、光伏电池阵列，2、DC-DC变换器，3、储能装置，4、DC-AC 变换器，5、控制及相关的测量设备等。图 2-5 光伏发电系统结构在图2-5中，核心环节是光伏电池阵列，通过光伏效应，有效地将太阳光转化为电能，然后通过直流-交流逆变器，从而为负载提供电力，使其能够正常工作，当产生能量时在未完全完成的情况下，通过储能链接将剩余的电能存储起来。在工程上，为了保证系统的长期稳定运行，还需要配备必要的保护装置，如二极管的防御，又称阻塞二极管，其主要功能是在光强弱的情况下，防止光伏阵列在转换能量故障的过程中，导致输出功率停滞，此时通过光伏阵列模块使能量存储装置完成反向放电。防充电二极管被添加到光伏阵列中以防止其单向传导引起的冲击。因此有效的光伏电池阵列提供保护。因此，所选择的防回填二极管应具有相关的要求，例如能够承受大的反向电流，以及其反向饱和电流的要求和在正向导通状态下产生的压降足够小，在实际工程中，经常选择能满足上述要求的整流二极管作为防回填二极管。图2-5所示的DC / DC转换器主要用于提升电压。光伏阵列输出的较低电压幅度升高到所需的电压水平，以满足用户的要求。此外，通过DC / DC转换器可以有效地实现光伏电池的最大功率点跟踪（MPPT）控制。最常用的DC / DC转换器是BOOST电路结构图如图2-6所示。图2-6 BOOST 电路变换器