电力电子技术在太阳能发电中的应用论文--副本.doc
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1、目 录1 绪 论11.1研究背景及意义11.2研究内容及方法11.3主要创新点22 太阳能光伏发电技术应用研究32.1 太阳能光伏发电简介32.2太阳能光伏发电原理52.3太阳能光伏系统的组成52.3.1 独立供电的光伏系统组成52.3.2 并网光伏系统组成72.4光伏产业的发展趋势72.4.1 世界光伏产业的未来72.4.2 我国光伏产业的发展前景93 电力电子技术在光伏发电系统中的应用103.1电力器件的作用103.1.1 绝缘栅双极型晶体管(IGBT)103.1.2 交直交变频器103.1.3 矩阵变换器113.2输电技术113.3配电技术123.4储能技术123.4.1 蓄电池123.
2、4.2 超导储能器(SMES)133.4.3 不间断电源(UPS)133.5电能管理133.6电能质量143.7光伏发电电力电子技术的发展153.7.1 光伏直流变换电路153.7.2 光伏逆变电路163.7.3 光伏逆变中的多电平逆变器16总 结18参考文献19致 谢201 绪 论1.1研究背景及意义电力电子技术是一个全新的技术平台,它由电路技术、功率半导体技术,计算机技术以及现代化的控制技术组成。电力电子技术已经走过了50年的发展历程,随着科学技术的发展,电力电子技术从电子技术中分离出来,成为了一门独立的科学技术并广泛应用于国民经济的每个工业领域。其中最显著的特点就是在发展速度、渗透力、与
3、别的学科的融合程度上都与微电子技术有着相同的特征。这也使电力电子技术有旺盛的生命力,必然迎来更加广阔的发展空间。世界能源结构正在发生巨大的变革。以资源有限、污染严重的石化能源为主的能源结构将逐步转变为以资源无限,清洁干净的可再生能源为主的多样性,复合型的能源结构。太阳能作为一种新兴的绿色能源,以其永不枯竭、无污染、不受地域资源限制等优点,正得到迅速的推广与应用。太阳能光伏发电已经不再只是作为偏远无电地区的能源供应,而是向逐渐取代常规能源的方向发展。在国外,并网发电逐渐成为太阳能光伏发电的主要应用领域,太阳能光伏产业已经逐渐形成,并持续高速发展。鉴于此,根据太阳能光伏发电的基本原理和电力电子技术
4、相关知识,现提出电力电子技术在太阳能发电中的应用研究课题,旨在通过电力电子技术中的整流和逆变电路以及相关逆变器和多重、多电平电路和对太阳能发电环节、输电环节、配电环节、储能环节、电能的管理、电能的改善以及对其发展前景的展望进行分析和探究。从而尽可能改善输电性能,减少谐波对用电设备的损害,改善电网性能的稳定性以及对新能源的探索等。1.2研究内容及方法本论文主要基于电力电子技术中的相关器件、电路原理及其改进电力性能质量的原理电路。通过电力电子技术中的整流和逆变电路以及相关逆变器和多重、多电平电路实现电能质量的改善和提高,减少谐波对用电设备的损害,改善电网性能的稳定性以及对新能源的探索。具体做法如下
5、。1. 首先,对太阳能的发电原理有一个初步认识,运用相关电力电子技术知识,实现弱电对强电控制的连接点。2. 接着,总结全球光伏发电的发展现状,并对我国光伏发电和全球光伏发电情况做详细的对比,找出我国在光伏发电中的优势。3. 对太阳能发电环节、输电环节、配电环节、储能环节、电能的管理、电能的改善以及对其发展前景的展望进行分析和总结。根据前人的论文观点再结合自己所学的知识给出自己内心的想法。 4. 最后,对整篇文章进行总结。1.3主要创新点本文主要讨论电力电子技术在太阳能发电中的发展应用。目前世界太阳能发电总生产量依旧是日本第一,然而推广应用太阳能光伏发电系统却是德国领先。我国拥有丰富的太阳能资源
6、以及存在潜在巨大的市场,然而我国太阳能光伏发电技术却处于发展的初级阶段,大多光伏组件厂家规模小,基础设施和生产设备落后,产品质量总体水平比国外产品低,生产成本却相对较高。对此,先进行对太阳能发电环节、输电环节、配电环节、储能环节、电能的管理、电能的改善以及对其发展前景的展望进行分析和探究。主要创新点如下:1、采用系统式的研究方法,首先从太阳能的发电原理环节入手到最后电能质量的改善做了比较全面详细的比对和探究。2、利用电力电子技术相关知识对电能质量的改进以及在太阳能发电中发展趋势的研究并给出了自己的想法和观点。2 太阳能光伏发电技术应用研究从太阳能发电中获得电力,需要通过太阳能电池进行光电变换来
7、实现。它同以往其他发电原理完全不同,具有以下特点:无枯竭的危险;绝对干净无公害;不受资源分布地域的限制;可以在用电处就近发电;能源质量高;使用者从感情上更容易接受;获取能源花费的时间短。不足之处是:照射的能量分布密度不均匀且需要占用巨大面积;获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。但总的说来,瑕不掩瑜,作为新能源,太阳能具有诸多的优点,因此受到世界各国的重视。2.1 太阳能光伏发电简介太阳能发电分为热发电和光伏发电两种。将太阳光辐射的能量通过光伏效应直接转换为电能,称为太阳能光伏发电技术。它是一种可再生的无污染的发电方式。光伏发电成为一种改善人们生活条件、不破坏环境、受到人们欢迎的可再生能
8、源。如图2.1太阳能路灯、草坪灯、交通信号灯、 太阳能电车、广告牌、电子产品等。图2.1太阳能光伏发电在日常生活中的应用自上世纪50年代第一块实用的硅太阳电池研制成功,太阳能光伏发电技术已经历经了半个多世纪的发展。目前占主流的太阳电池依然是硅太阳电池,它又分单晶硅太阳电池、多晶硅太阳电池(总称晶体硅太阳电池)和非晶硅太阳电池。典型的太阳能供电系统结构如图2.2,首先通过太阳电池阵列的光电转换,先将太阳能转变成电能,其次由功率变换器将太阳电池输出的直流电转换成用户所需的电源形式。根据用户的要求,功率变换器能选择直流斩波器进行DC/DC变换,或采用逆变器进行DC/DC变换。此外,功率变换装置还应该
9、包括蓄电池系统,用来平衡用电需求。当阳光充足时,由太阳电池供电,同时向蓄电池充电;当夜晚或阳光稀少时,由蓄电池向负载供电。变流器的电路结构如图2.2。太阳能光伏阵列逆变器电网蓄电池或超级电容双向直流变换器负载图2.2 太阳能光伏并网发电系统光伏发电系统可分为以下几类:(1) 城市住宅用小型并网系统光伏电池与居民住宅建筑结合,利用屋顶或墙面安装光伏阵列,一般每户配备15kW 单相逆变器。(2) 工业与市电一般用25kW以上三相三电平大功率逆变器(也可发展为100MW 大规模光伏变电站),一共可以分为三类:(a) 独立运行、离网、储能式独立运行的光伏系统为完全离网式,有储能设备,阴雨天也可以供电。
10、其中更重要的是可以在荒漠地区建设大规模离网式、独立光伏电站。(b) 联网、无储能式联网式光伏系统是当今发展方向的主流 (全世界联网式光伏系统年增长率约为2530%)。(c) 混合式光伏系统太阳能光伏与风力或燃料电池等发电系统,组成混合式分布电力系统,可以应用于无电或少电地区。在电力电子技术的基础上,PSW技术取得了长足发展,在工程测试领域得到了广泛应用。本章具体阐述了电力电子技术在太阳能发电中的应用的发展和优势,分析了电网中的谐波以及对其改进,提升电网性能稳定性的方法进行了探究6。2.2太阳能光伏发电原理太阳能光伏发电是依靠太阳能电池组件,利用半导体材料的电子学特性,当太阳光照射在半导体PN结
11、上,由于P-N结势垒区产生了较强的内建静电场,因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴或产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴,在内建静电场的作用下,各自向相反方向运动,离开势垒区,结果使P区电势高,N区电势低,从而在外电场中产生电压和电流,将光能转换城电能。太阳能光伏发电系统大体上可以分为两类:一类是并网发电系统,即和公用电网通过标准接口相连接,像一个小型发电厂;另一类是独立式发电系统,即在自己的闭环系统内部形成电路。并网发电系统通过光伏数组将接受来的太阳辐射能量经过高频直流转换后变成高压直流电,经过逆变器逆变后向电网输出与电网电压同频、同相的正弦交流电流。而独立式发电系统光伏数组首先会
12、将收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载,并将多余能量经过充电控制器后以化学能的形式储存在蓄电池中。2.3太阳能光伏系统的组成2.3.1 独立供电的光伏系统组成独立供电的太阳能光伏系统的结构框图如图2.3和2.4。由于太阳能电池仅仅在白天光照条件下才能输出能量,根据负载的需求,系统一般选用铅酸蓄电池作为储能条件来提供夜间所需要的电力,所以整个光伏系统由太阳能电池、蓄电池、负载和控制器组成。虚线框中部分即为系统控制部分的结构框图,通常由充电电路、放电电路和状态控制电路3部分组成8。图2.3典型光伏发电系统基本结构图2.4 独立供电的太阳能光伏系统结构框图系统各部分容量的选取需要综合考虑成本、工
13、作效率以及可靠性。随着光伏产业的迅速发展,虽然太阳能电池的价格正在逐步下降,但是它仍是整个系统中最昂贵的部分。它的容量选取影响着整个系统的成本。与此相比来说,蓄电池价格更为低廉,因此可以选取相对较大容量的蓄电池,应该尽可能充分利用太阳能电池所发出的功率。此外,在与负载容量配合时,还应该考虑到连续阴天的情况,对系统容量应该留出一定的裕度2。2.3.2 并网光伏系统组成与独立供电的光伏系统相比而言,并网系统通常都没有储能环节,而是直接由并网逆变器接太阳能电池和电网,如图2.5,并网逆变器的基本功能都是一样的,那就是,在太阳能电池输出范围内变化时,能够始终以最高的效率将太阳能电池输出的低压直流电转化
14、成与电网匹配的交流电送入电网。太阳能电池输出的大范围的主要原因是白天光照强度的不同,范围在200w/m2到1000w/m2之间7。图2.5 太阳能并网系统结构框图2.4光伏产业的发展趋势2.4.1 世界光伏产业的未来全球太阳电池年产量正在快速增长,2004年的增长速度超过60%,根据最近发表的数字统计,2005年的增长率为44%,太阳电池年产量达到1656MW。其中日本的总产量仍为世界第一,占世界总产量46%,欧洲占世界总产量28%。2005年全球安装太阳电池组件1460MW,比上一年增长了34%。其中德国安装了838MW,比上一年增长了53%,占世界总安装量的57%。日本安装了292MW,比
15、上一年增长了14%。预计到2005年年末,全球累计安装太阳电池组件容量比上一年增长了39%,达到了5GW.就2005年而言,其兴建新的太阳电池制造厂的投资就已经超过了10亿美元,可见这是未来新能源发展的趋势。目前国外并网逆变器技术发展十分迅速,其主要研究集中在svpwm技术、数字锁相控制技术、数字dsp控制技和孤岛检出技术,以及综合考虑以上各个方面的系统总体设计等。国外的有些并网逆变器还具备同时兼有独立运行和并网运行的功能,其中光伏市场占有率正快速增长。据统计,最近几年,全球的光伏总装机容量更是以指数的形式攀升,其未来形势一片大好。目前世界上太阳电池年生产量仍然是日本第一,可是推广应用太阳能光
16、伏发电系统的却是德国占据榜首。日本新能源和工业技术发展组织(NEDO)在2004年6月发表的“面向2003年光伏线路图的概述”中提出:到2030年累计安装太阳电池组件容量达到1000GW,那时日本所有住宅所消费的电力中将有50%由太阳能光伏发电提供,大约占全部电力供应的10%。2002年5月欧洲光伏工业协会发表的报告“工业需要及线路图”预计:2010年前太阳能发电市场平均年增长率为27%,2010年2040年间增长率为15%。在2010年太阳能发电提供的电力占总发电量的1%,到2040年将占总发电量的26%。到2020年,太阳电池组件的年产量将达到54GW,销售额为750亿美元,发电量为276
17、TWh,将为10亿人口提供电能。太阳能发电产业从业人员将达到230万人。每年太阳能发电减少二氧化碳排放量16亿吨。在1999年以前,美国的太阳能光伏发电的研究和开发一直处于世界领先地位,可是后来由于种种原因,太阳电池组件的年产量竟然落到了日本和欧洲的后面。美国在2004年9月发表了“我们太阳电力的未来:2030年及更久远的美国光伏工业路线图”,对此进行了全面的分析并提出要恢复美国在光伏市场上的地位。为此要采取税收优惠、提高上网电价、增加政府及当地投入以及在2010年以前每年投入2.5亿美元用于研发等措施,并提出以下目标:在2025年新增加发电容量的一半以上由太阳能发电提供。2003年美国安装太
18、阳电池组件总容量不到014GW,初期预计在2010年前,美国的增长率为30%38%。以后发展到成熟期,20102020年间年增长率为26%,到2020年累计安装太阳电池组件容量将达到36GW,每年安装7.2GW,到2030年累计安装太阳电池组件容量将达到200GW,以后每年安装19GW。2030年美国太阳能发电量为3600亿KWh,足够3400万户家庭使用,等到那时太阳能发电将成为最重要的电力来源。2015年太阳能发电系统的销售价格将为3.68美元/W。假如有政府的政策支持,太阳能发电的电价可低于5.7美分/KWh。下表是欧洲、日本和美国制定的光伏发展计划如表2.6。表2.6欧洲、日本、美国制
19、定的光伏发展计划(单位:GW)国家年份2005201020202030日本欧洲美国世界1.52.11.05.54.83.02.112304136125205200200920国际光伏应用中并网发电和光伏建筑集成(BIPV)发展非常迅速,现已经成为光伏市场的最大份额。它标志着光伏发电由边远地区正在向城市过渡,由补充能源向替代能源过渡,由大型集中电站向分布式供电模式过渡的阶段。2.4.2 我国光伏产业的发展前景根据国际能源协会下属的光伏电力系统项目研究小组(Photovoltaic Power System Programme)在2006年发布的报告“光伏发电应用技术的趋势”统计:2006年中国光
20、伏发电设备年销售量为15MW,光伏系统的总装机容量达到85MW。光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演着重要角色,预计到2010年中国的光伏发电累计装机容量将达到600GW,2020年累计装机容量将达到30GW,2050年将达到100GW。根据电力科学院的预测,到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%,其中光伏发电将占到至少5%。我国有丰富的太阳能资源以及潜在的巨大的市场,经过20多年的艰苦努力,已经为太阳能光伏发电更大发展和更大规模应用奠定了良好基础,但要实现完全商业化的目的,还要消除制约发展的一些障碍。中国太阳能光伏发电技术处于发展的初级阶段,大多光伏组件厂家规模小,基础设
21、施和生产设备落后,产品质量总体水平比国外产品低,生产成本却相对较高。此外,缺乏统一的设计和建设规范,将无法保证光伏电站和系统的建设质量,影响光伏发电的进一步推广。稳定且不断发展的市场和强有力的政府支持是光伏电池研发的根本动力。目前,我国正在继续培育国内的光伏市场,如开展“送电到村”项目,加大城市屋顶和沙漠并网电站的研发和示范投入等;同时注意人才培养,抓紧技术平台和队伍建设,积极研发新型电池生产和应用技术,努力降低成本,并从税收、信贷等方面扶植光伏产业1。3 电力电子技术在光伏发电系统中的应用电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控制技术为基础的技术平台。经过50年的发展
22、历程,它在传统产业设备改造、电能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了更为广泛的应用。其最早成功地应用于电力系统的最大功率电力电子技术是直流输电(HVDC).自20世纪80年代,柔性交流输电(FACTS)概念被提出后,电力电子技术在电力系统中的应用研究得到了极大关注,多种设备相继出现。现在已有不少文献介绍和总结了相关设备的基本原理和应用现状。3.1电力器件的作用电力电子器件既是电力电子技术的基础,也是电力电子技术发展的强大动力,更是推动太阳能发电从初步走向成熟的不可或缺的重要工具。其主要包括不可控器件、半控器件和全控器件。随着社会的发展,不可控器件和半控器件在太阳能发电过程中的使用中却受到
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