太阳能光伏发电及其应用

赵争鸣，男，1959年2月出生于湖南邵阳市，1991年3月于清华大学电机工程与应用电子技术系博士毕业并留校任教。94年5月至96年6月在美国俄亥俄州立大学进行博士后研究工作，96年7月至97年5月作为访问研究员在美国加州大学欧文分校进行研究工作。97年以来先后作为访问教授、访问学者到加拿大、香港、日本、瑞士和德国的大学和公司进行合作研究和工作访问。目前为清华大学教授、博士生导师。担任清华大学电机工程与应用电子技术系副主任和清华大学电力系统国家重点实验室电力电子与电机控制分室主任。

从事专业为电力电子与电力传动，主要研究领域包括：电力电子及电机控制集成系统，电机系统数学建模，非线性参数辨识及动态仿真，大型发电机在线检测和故障诊断，太阳能应用等。

第1章概述1

1.1意义及背景1

1.1.1太阳能是化石能源的主要替代能源之一1

1.1.2太阳能是人类可利用的最直接的清洁能源之一2

1.1.3资源丰富的太阳能辐射4

1.1.4太阳能开发潜力8

1.2光伏发电现状及发展9

1.2.1光伏发电历史9

1.2.2光伏发电技术的现状与发展10

1.2.3存在的问题14

1.2.4前景与展望15

参考文献18

第2章光伏电池及其特性20

2.1光伏电池的工作原理20

2.1.1半导体的物理基础20

2.1.2光伏电池的工作原理24

2.1.3光在纯净半导体中的吸收26

2.2硅型光伏电池的电特性27

2.2.1等效电路27

2.2.2光伏电池伏安特性曲线28

2.2.3输出功率和曲线因数30

2.2.4输出效率30

2.3光伏电池的外特性31

2.3.1光谱响应31

2.3.2温度特性和光照特性32

2.3.3负载特性34

2.4光伏电池的结构和分类35

2.4.1硅型光伏电池结构35

2.4.2光伏电池的组态分类36

2.4.3光伏电池的发展进程38

2.4.4现代光伏电池发展趋向39

参考文献42

第3章光伏阵列设计与应用43

3.1光伏电池的利用率分析及计算43

3.1.1与太阳能相关的物理量43

3.1.2日照时间和太阳位置的计算48

3.2光伏阵列性能分析57

3.2.1光伏阵列的组成57

3.2.2光伏阵列的数学模型60

3.2.3光伏阵列的性能测试63

3.3光伏阵列的设计67

3.3.1设计原则和思路67

3.3.2光伏阵列尺寸的估算69

3.4光伏阵列的典型应用71

参考文献72

第4章光伏发电系统73

4.1光伏发电系统的构成73

4.1.1光伏阵列结构73

4.1.2电缆80

4.1.3负载特性80

4.1.4变换器83

4.1.5光伏发电系统分类83

4.2独立光伏发电系统84

4.2.1户用光伏系统85

4.2.2独立光伏电站85

4.2.3风力、光伏和柴油发电机一体化互补发电91

4.3光伏并网系统95

4.3.1光伏并网系统描述95

4.3.2VSC与PCC直流输电逆变区别96

4.3.3光伏逆变器电流源并网97

4.3.4光伏逆变器电压源并网98

4.3.5并网控制方法与策略100

4.3.6光伏并网系统的保护和孤岛问题102

4.4能量管理104

4.4.1负荷调控104

4.4.2光伏照明系统的能量管理105

4.4.3光伏照明与扬水综合系统的能量管理106

参考文献107

第5章光伏阵列最大功率点跟踪109

5.1光伏阵列输出特性109

5.1.1硅光伏电池的理想电路模型109

5.1.2光伏阵列输出伏安特性111

5.1.3影响光伏阵列输出特性的因素113

5.2恒电压控制115

5.2.1恒电压控制的原理与实现115

5.2.2恒电压控制的不足116

5.2.3改进的CVT算法116

5.3最大功率点跟踪控制117

5.3.1MPPT算法的原理117

5.3.2MPPT与CVT算法的比较117

5.3.3经典MPPT算法的稳态特性分析120

5.3.4MPPT算法的动态特性分析122

5.3.5改进的MPPT算法124

5.4现代最大功率点跟踪方法126

5.4.1干扰观测法126

5.4.2电导增量法127

5.4.3模糊逻辑控制129

5.4.4其他MPPT方法130

5.5光伏并网系统拓扑与MPPT技术131

参考文献134

第6章光伏储能及其充放电模式137

6.1蓄电池基本概念与特性137

6.1.1蓄电池的基本概念137

6.1.2蓄电池主要参数138

6.1.3蓄电池基本特性142

6.2蓄电池种类及其工作原理145

6.2.1酸性蓄电池结构及原理145

6.2.2碱性蓄电池结构与原理 146

6.2.3其他在光伏发电系统中采用的蓄电池147

6.3铅酸蓄电池充放电特性152

6.3.1铅酸蓄电池充放电原理152

6.3.2充放电中电流规律153

6.3.3充放电中的极化过程154

6.4蓄电池充放电控制156

6.4.1蓄电池的充电控制方法157

6.4.2充电控制的实现159

6.4.3蓄电池充电过程中常见的几个问题159

6.5铅酸蓄电池充放电等效电路161

6.5.1静态蓄电池模型和动态蓄电池模型162

6.5.2铅酸蓄电池的电路理想等效模型162

6.5.3Thevenin蓄电池等效模型163

6.5.4改进蓄电池等效模型163

6.5.5一阶线性模型163

6.5.6四阶动态模型164

6.5.7PSPICE仿真等效模型165

6.5.8优化蓄电池动态模型166

6.5.9铅酸蓄电池的其他等效模型167

6.5.10光伏发电系统中蓄电池模型的分析与比较169

参考文献170

第7章光伏水泵172

7.1光伏水泵结构与原理172

7.1.1基本概念172

7.1.2泵的结构与原理174

7.1.3日照及其运行条件177

7.1.4流量与水压关系181

7.2光伏水泵电机181

7.2.1变频调速电机基本原理182

7.2.2主要设计概念184

7.2.3转子槽优化设计186

7.3光伏水泵优化设计195

7.3.1总体设计原则195

7.3.2一体化结构196

7.3.3水泵流量和扬程与电机功率匹配196

7.3.4水泵速度与电机输出功率197

7.3.5优化设计实例198

7.4光伏水泵速度闭环控制200

7.4.1变频调速原理200

7.4.2其他调速类型及效率201

7.4.3光伏水泵系统应用实例202

参考文献202

第8章光伏发电系统中的电力电子变换电路及其控制203

81光伏直流变换电路203

8.1.1直流斩波器203

8.1.2开关电源型DC/DC变换器208

8.2光伏发电系统中的蓄电池充放电控制器212

8.2.1充电控制器212

8.2.2放电控制器218

8.3光伏逆变电路220

8.3.1逆变器及其分类220

8.3.2复杂逆变电路223

8.4光伏并网发电系统227

参考文献231

第9章光伏发电系统仿真233

91仿真软件平台233

911用于光伏发电系统仿真的软件综合比较233

912选用的光伏发电系统仿真平台介绍234

9.2光伏电池特性数学表达以及仿真模型237

921光伏阵列物理机制的数学表达237

922基于物理机制的光伏阵列仿真模型239

923基于外特性的数学表达241

924基于外特性的光伏阵列模型242

925太阳光光照强度模型243

93光伏发电系统主电路和负载模型及实现244

931电力电子器件模型的选择245

932主电路模型248

933异步电机模型250

934机械负载模型253

94光伏发电系统控制模型及实现257

941子电路控制模型258

942DLL方式的控制模块262

943其他方式的控制模型265

参考文献266

第10章光伏发电系统应用范例267

101 太阳能路灯照明系统267

1011太阳能照明系统的组成267

1012充电效率的提高268

1013高压钠灯供电电路269

102光伏水泵系统271

1021光伏水泵系统构成271

1022光伏水泵系统主电路结构272

1023光伏水泵系统控制器与控制策略273

1024光伏水泵系统实验274

103光伏扬水与照明综合应用系统277

1031光伏扬水与照明综合应用系统简介277

1032光伏扬水与照明综合应用系统构成277

1033光伏扬水与照明综合应用系统测试280

104三相光伏并网系统280

1041三相光伏并网系统构成280

1042三相光伏并网系统控制策略282

1043三相光伏并网系统PWM方式283

1044三相光伏并网系统实验与分析284

105光伏发电系统电磁兼容性设计287

1051电磁兼容的相关概念288

1052光伏发电系统中的电磁干扰问题288

1053光伏发电系统的电磁兼容性设计289

1054电磁兼容测试分析292

参考文献29 2100433B

《太阳能光伏发电及其应用》是“高效电能变换应用丛书”之一。第1章主要综述光伏发电技术的背景、意义和发展状况；第2、3章着重阐述光伏电池的基本理论和主要特性；第4章介绍光伏发电系统的种类、结构和原理；第5章讨论光伏发电系统的最大功率点跟踪原理和算法；第6、7章分别介绍光伏储能及其充放电模式和光伏水泵结构及其原理；第8章介绍光伏发电系统中的电力电子装置；第9、10章分别为光伏发电系统的仿真和应用实例分析。

太阳能作为可再生能源的主要方式，其大规模的开发利用是目前人类调整能源结构，缓解能源危机，改善生态环境的有效途径。

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