光伏储能系统原理详解

光伏储能系统原理详解

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https://blog.csdn.net/weixin_43828438/article/details/144036802

光伏储能系统是可再生能源领域的重要组成部分，它通过光伏组件将太阳能转化为电能，并通过储能系统实现能量的存储和释放。本文将详细介绍光伏储能系统的原理，包括光伏组件、光伏逆变器、储能PCS等核心组件的工作原理和应用场景。

一、光伏组件

光伏组件是光伏储能系统的核心部件，其工作原理基于半导体的光电效应。当光子照射到金属上时，光子能量被金属中某个电子吸收，当电子吸收的能量足够大时，能克服金属内部引力做功，离开金属表面成为光电子，形成电流。

硅作为原材料制造的光伏太阳能板是我国运用最为广泛，市场占有量最大。单晶硅、多晶硅是各国主要研究的太阳能电池：

• 单晶硅电池组件：光电转换效率为15%左右，最高达24%，是目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的，坚固耐用，使用寿命最高达25年，但制作成本高。较适用于场地面积受限，对工程发电功率要求较高的项目。
• 多晶硅电池组件：制作工艺与单晶硅电池相近，光电转换效率为12%左右，制作成本比单晶硅电池低，使用寿命比单晶硅电池短。适合土地资源丰富的工程大面积应用。

转化率对比：

• 单晶硅：16-18%，实验室最高转化率达25%，光电转化效率高，可靠性高，发电量稍高；
• 多晶硅：14-16%，实验室最高转化率达20.4%，光电转化效率稍低。

生产工艺：

• 单晶硅是直拉提升法，多晶硅是注锭方法；
• 单晶硅电池片：呈正方形、倒圆角形，单晶硅光伏电池一般是黑色（或深蓝色）。
  
• 多晶硅电池片：呈正方形，一般是天蓝色。

二、光伏组件特性

光伏组件性能参数

• 输出电压：光伏电池置于100mW1cm的光源照射下，且光伏电池输出两端开路时所测得的输出电压值。
• 开路电压Uoc:正负极间为开路状态时的电压。开路电压与入射光辐照度的对数成正比，与环境温度成反比。与电池面积的大小无关。
• 峰值电压：光伏电池片输出最大功率时的工作电压，也叫最大工作电压或最佳工作电压。组件的峰值电压随电池片串联数量的增减而变化。
• 短路电流:光伏电池在标准光源的照射下，正负极间为短路状态时，流过光伏电池的电流。
• 峰值电流:光伏组件输出最大功率时的工作电流，也叫最大工作电流或最佳工作电流。
• 峰值功率:光伏组件在正常工作或测试条件下的最大输出功率，也就是峰值电流与峰值电压的乘积。最大输出功率Pmax=最大输出工作电压UpmX最大输出工作电流Lpm
  光伏组件的峰值功率条件：辐照度1000Wm2、光谱AM1.5、测试温度25℃。

温度特性：随着太阳电池温度的增加，开路电压减少，在20℃-100℃范围内，大约每升高1摄氏度，每片电池的电压减少2mV,而电流随温度的增加略有上升。太阳电池功率温度系数为-0.35%0C。太阳电池温度每升高1℃，则功率减少0.35%。

光照强度特性：光强与太阳电池组件的光电流成正比，光强由100Wm2-1000Wm2范围内，电流线性增长；对电压影响很小，在温度固定不变的条件下，光强在400Wm2-1000Wm2范围内变化，开路电压基本恒定。

I-V特性曲线：

• 光伏电池在实际运行中既非恒压源，也非恒流源，而是一种非线性直流电源，输出电流在大部分工作电压范围内相当稳定，当电池达到最大输出后，电流迅速下降。
• 最大功率点的电压，通常情况下位于开路电压的0.82倍处。

三、光伏逆变器

逆变器在光伏系统中承担电网交互、控制输出功率、判断处理故障等多种功能，是光伏发电系统的“心脏”。

• 光伏逆变器的作用：
• 主动运转和停机
• 最大功率追踪MPPT
• MPPT为最大功率点跟踪系统，是光伏逆变器的核心技术MPPT是决定光伏电池发电量的关键。
• 光伏电池发电量的多少受到光强以及外界环节的影响，其输出功率是变化的。
• 当日照强度和环境温度变化时，光伏组件输出功率呈非线性变化，光伏组件既不是恒压源，也不是恒流源。它的输出电流随着电压升高一开始是一条水平线，到达一定功率时，随着电压升高而降低，当到达组件开路电压时，电流下降到零。
• MPPT控制通过实时检测环境温度、光照强度等条件下的发电电压，追踪最高电压电流，调节Boost电路的等效电阻，使光伏电池实现最大功率输出，提高充电效率。

四、光伏+储能

根据储能系统所处发、输、配、用不同环节可以分为发电侧储能、配电侧储能和用电侧储能。

• 发电侧储能主要解决：可再生能源并网发电的波动性和消纳问题；
• 配电侧储能主要实现：调峰调频功能，发电侧和配电侧储能系统应用通常具有容量大、占地面积大、投资成本高等特点，主要应用于大型集中式地面电站和电网变电站等领域。
• 用电侧光伏储能可分：户用光伏储能、工商业光伏储能，主要用于提升发电收益、降低用电成本。

五、储能PCS

PCS关键技术

• 功率模式：以设定的有功、无功输出功率值为参考；
• 调频模式：设定频率，根据频率设定值吸收或发出有功功率，以调节系统频率；
• 调压模式：设定参考电压；根据电压设定值注入容性或感性无功（低电压穿越、STATCOM)
• 孤岛模式：脱离大电网，自行组网运行；调频调压，同步并网

PCS技术难点

• 并网运行模式：动、静态电网支撑
• 离网运行模式：
• 非线性负荷下的谐波抑制；
• 冲击性负荷抑制；
• 三相不平衡负荷下，微电网电压控制；
• 变流器交流并联协调控制
• 并离网运行模式切换：
• 非计划性并网切向离网的稳定性控制;
• 离网转并网的同期并网控制：
• 多储能协调控制：多储能均衡充放电控制；
• 虚拟同步机(VSG)控制

一、跟网型PCS

• 跟网型储能系统本质上是电流源，自身无法提供电压与频率的支撑，必须依赖电网的电压和频率来运行。因此，跟网型储能系统无法独立支撑电网系统，只能在电网存在的情况下工作。跟网型储能系统通常用于补充电网的瞬时功率需求，提高电网的稳定性和可靠性。
• 原理：储能系统作为一个电流源，其工作状态依赖于电网的电压和频率。在跟网模式下，储能系统的变流器会跟随电网的相位信息，通过锁相环(PLL)测量公共连接点(PCC)或并网点相位信息，实现与电网同步。跟网型PCS通常用于补充电网的瞬时功率需求，提高电网的稳定性和可靠性

二、构网型PCS

• 储能变流器离网/孤网应用时，网侧交流母线失去了电网电压和频率的支撑，变流器按照设定的工作频率f=50Hz,采用同步发电机的下垂特性的控制方式，控制功率输出。另外，通过电压、电流双环控制器控制变流器输出电压幅值和相位，获得所需的电压。
• 采用构网型PCS的情形：弱电网条件下，构网型PCS控制稳定裕度更大；
• 构网型控制可以脱离大电网独立组网运行；构网型PCS为系统内其它跟网设备提供了稳定的电压基准。