本書為江蘇省高等學(xué)校重點教材（編號：20212121）。
本書首先介紹了太陽能光伏發(fā)電的利用前景、技術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展規(guī)劃。在此基礎(chǔ)上，較為系統(tǒng)地介紹了光伏電池、光伏發(fā)電*大功率點追蹤、離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)和光伏電站性能檢測的基本原理與基本技術(shù)，并有的放矢地設(shè)計相關(guān)仿真驗證實驗。本書深入淺出、理論聯(lián)系實際，反映了太陽能光伏發(fā)電技術(shù)的*新技術(shù)成果。
本書適合作為理工科高等學(xué)校本科生的教材，也可作為研究生的參考教材，還可供從事太陽能光伏發(fā)電技術(shù)研究開發(fā)、工程建設(shè)與管理的工程技術(shù)人員閱讀參考。
隨著文明的不斷進(jìn)步與經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類社會對于能源的需求急劇提升。進(jìn)入21世紀(jì)以來，石油和天然氣等傳統(tǒng)化石能源逐漸短缺，燃燒化石能源導(dǎo)致的環(huán)境污染與溫室效應(yīng)等問題凸顯，世界各國在節(jié)約傳統(tǒng)能源消費的同時，大力開展可再生能源的開發(fā)與利用，以應(yīng)對即將到來的能源與環(huán)境危機。
光伏發(fā)電具有可再生、無污染、結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、便于運輸安裝以及高安全系數(shù)等優(yōu)點，使其成為最具開發(fā)潛力的可再生能源形式。國際能源署在《2050年凈零排放：全球能源行業(yè)路線圖》報告中關(guān)于如何在2050年前向凈零能源系統(tǒng)過渡，提出了促進(jìn)經(jīng)濟強勁增長的同時，確保能源穩(wěn)定供應(yīng)的途徑，即由太陽能和風(fēng)能等可再生能源取代化石燃料，形成一個清潔、有活力和有彈性的能源經(jīng)濟體系。在報告規(guī)劃中，到2050年，2/3的能源供應(yīng)來自風(fēng)能、太陽能、生物能、地?zé)崮芎退�。其中，太陽能預(yù)計成為最大的能源來源，占能源供應(yīng)的1/5。
我國太陽能資源豐富，2/3以上的國土面積都可以達(dá)到年日照時間2200h以上，每年的輻射總量可達(dá)60萬J/cm2，非常適合光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。我國2021年新增光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機容量約5300萬kW，連續(xù)9年穩(wěn)居世界首位；截至2021年年底，光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機容量達(dá)到306億kW，連續(xù)7年穩(wěn)居世界首位。鑒于太陽能光伏發(fā)電技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的良好發(fā)展前景，各高校也相應(yīng)開設(shè)了相關(guān)課程，因此有必要編寫一本較為系統(tǒng)全面地介紹光伏發(fā)電技術(shù)的教材。
本書較為系統(tǒng)地介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)主要組成部分的數(shù)學(xué)模型、運行原理以及控制策略，著重基本概念的闡述，深入淺出，從實例中幫助學(xué)生掌握知識點，理論聯(lián)系實際，重點章節(jié)設(shè)計了相關(guān)實驗。本書第1章為緒論，介紹太陽能光伏發(fā)電的利用前景、技術(shù)現(xiàn)狀以及發(fā)展規(guī)劃。第2章介紹光伏電池的基本理論及實驗，基于光伏電池的工作原理與等效電路，建立數(shù)學(xué)模型，結(jié)合運行過程中的跟蹤控制，通過MATLAB/Simulink仿真軟件對正常光照與局部陰影條件下的輸出特性進(jìn)行分析。第3章介紹光伏發(fā)電最大功率點追蹤及實驗，將現(xiàn)有的最大功率點追蹤方法劃分為離線式、在線式以及混合式，結(jié)合DCDC變換器的工作原理，設(shè)計變換器，搭建仿真模型驗證光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點追蹤方法的追蹤效果。第4章介紹離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)及實驗，離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)通過后級DCAC逆變器實現(xiàn)對負(fù)載的直接供電；針對DCAC逆變器，重點介紹其工作原理、數(shù)學(xué)模型、控制策略與硬件設(shè)計，對離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行整體建模與仿真。第5章介紹并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)及實驗，基于光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略，以及并網(wǎng)運行中可能出現(xiàn)的孤島效應(yīng)、低電壓穿越等非常規(guī)工況的檢測方法與應(yīng)對措施，建立系統(tǒng)仿真模型分析并進(jìn)行驗證。第6章介紹風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)及實驗，側(cè)重于介紹風(fēng)電系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、基本原理以及控制策略，通過構(gòu)建風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，分析運行過程中風(fēng)力發(fā)電與光伏發(fā)電的互補特性。第7章介紹光伏電站性能檢測，針對光伏電站的運維，講解光伏電站主要性能的檢測方法以及需要達(dá)到的性能標(biāo)準(zhǔn)。
本書由張蔚主編。第1章和第3章由張蔚編寫，第2章由楊奕編寫，第4章由易龍芳編寫，第5章由黃杰杰編寫，第6章由華亮編寫，第7章由於鋒編寫。全書由張蔚統(tǒng)稿。本書在撰寫過程中，參閱了大量的國內(nèi)外文獻(xiàn)，引用了許多不同來源的資料和圖片，謹(jǐn)在此致以衷心的感謝。此外，南通大學(xué)電氣工程學(xué)院碩士研究生翟良冠、何堅彪、陳建波、陳晨、汪思齊、張雙雙、任曉琳、王慧敏參與了部分資料整理等工作，謹(jǐn)表謝意。
由于編者主要在電氣工程領(lǐng)域從事教學(xué)和科研，盡管已竭盡所能，但因水平和時間有限，錯誤和疏漏之處在所難免，誠懇希望讀者發(fā)現(xiàn)后及時批評指正，以利于以后的重印和再版。
編者聯(lián)系方式：zhang.w@ntu.edu.cn。
前言
第1章緒論1
1.1太陽能及其光伏產(chǎn)業(yè)1
1.1.1背景介紹1
1.1.2數(shù)據(jù)分析2
1.1.3實際應(yīng)用3
1.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)簡介5
1.2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)6
1.2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)8
1.3光伏發(fā)電的發(fā)展應(yīng)用10
1.3.1國外光伏發(fā)電的應(yīng)用情況10
1.3.2國內(nèi)光伏發(fā)電的應(yīng)用情況12
1.4光伏發(fā)電長期發(fā)展規(guī)劃14
1.4.1國內(nèi)外光伏發(fā)電的激勵政策14
1.4.2光伏發(fā)電應(yīng)用分布地圖16
1.4.3我國未來光伏發(fā)電產(chǎn)能及展望17
1.5國內(nèi)外大型光伏發(fā)電站19
1.5.1五大太陽能光伏電站19
1.5.2特色太陽能光伏電站20
思考題與習(xí)題22
第2章光伏電池的基本理論及實驗23
2.1光伏電池的工作原理23
2.1.1光生伏特效應(yīng)23
2.1.2光伏電池的工作過程24
2.2光伏電池的等效電路及數(shù)學(xué)模型25
2.2.1光伏電池等效電路25
2.2.2實際等效電路的數(shù)學(xué)模型25
2.2.3光伏電池工程應(yīng)用數(shù)學(xué)模型26
2.3光伏電池的基本特性28
2.3.1伏安特性28
2.3.2太陽輻照度特性30
2.3.3溫度特性31
2.3.4光譜響應(yīng)31
2.4光伏電池在MATLAB/Simulink下的
建模仿真31
2.4.1MATLAB介紹31
2.4.2Simulink介紹33
2.4.3光伏電池建模35
2.5光伏電池板跟蹤控制42
2.5.1天體坐標(biāo)及相關(guān)角度介紹43
2.5.2光伏電池板與太陽間的相關(guān)
角度45
2.5.3光伏電池板跟蹤46
2.6光伏電池伏安特性測試實驗52
2.7光伏電池太陽輻照度和溫度特性測試
實驗54
2.8光伏電池局部遮擋輸出特性及實驗
測試55
2.8.1局部陰影條件下光伏陣列的
模型55
2.8.2局部陰影條件下光伏陣列輸出
特性58
2.8.3局部陰影條件下光伏陣列輸出
特性的實驗測試60
思考題與習(xí)題62
第3章光伏發(fā)電大功率點追蹤及
實驗63
3.1DCDC變換器原理及數(shù)學(xué)模型63
3.1.1Boost電路的工作原理63
3.1.2Boost電路的數(shù)學(xué)模型64
3.2DCDC變換器在MATLAB/Simulink下的
建模仿真67
3.2.1狀態(tài)空間平均法68
3.2.2基于MATLAB/Power System Blockset
的方法70
3.3Boost變換器參數(shù)設(shè)計71
3.4光伏發(fā)電系統(tǒng)大功率點追蹤技術(shù)73
3.4.1MPPT基本原理73
3.4.2離線MPPT控制方法74
3.4.3在線MPPT控制方法75
3.4.4混合式MPPT控制算法83
3.4.5基于智能控制算法的MPPT84
3.5基于MATLAB/Simulink光伏發(fā)電MPPT
仿真87
3.6光伏發(fā)電系統(tǒng)的大功率點追蹤性能
仿真分析90
思考題與習(xí)題91
第4章離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)及實驗92
4.1后級DCAC逆變器原理及數(shù)學(xué)模型92
4.1.1DCAC逆變器原理92
4.1.2DCAC逆變電路的數(shù)學(xué)模型98
4.2離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)在MATLAB/
Simulink下的建模仿真99
4.2.1離網(wǎng)型光伏發(fā)電逆變電路的控制
策略99
4.2.2基于瞬時值滯環(huán)方式離網(wǎng)型光伏
發(fā)電系統(tǒng)的建模過程100
4.2.3離網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真
分析102
4.3光伏逆變器的硬件設(shè)計103
4.3.1直流母線側(cè)電容的參數(shù)選取104
4.3.2開關(guān)管的選型104
4.3.3LC濾波器設(shè)計105
4.3.4核心控制器的選型106
4.3.5控制系統(tǒng)電源模塊106
4.3.6信號采樣及調(diào)理電路的設(shè)計106
4.3.7IPM驅(qū)動與保護(hù)電路的設(shè)計110
4.3.8硬件電路抗干擾措施111
4.4離網(wǎng)式發(fā)電系統(tǒng)逆變器控制實驗111
思考題與習(xí)題116
第5章并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)及
實驗117
5.1光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的控制策略117
5.2光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行過程中的
非常規(guī)工況123
5.2.1孤島效應(yīng)123
5.2.2低電壓穿越128
5.3基于MATLAB/Simulink并網(wǎng)式光伏
發(fā)電系統(tǒng)建模135
5.3.1空間矢量脈寬調(diào)制135
5.3.2鎖相環(huán)與坐標(biāo)變換144
5.3.3PID控制器及參數(shù)的整定146
5.3.4并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)建模147
5.4基于MATLAB/Simulink孤島效應(yīng)
仿真153
5.4.1主動頻率偏移(AFD)檢測法153
5.4.2帶正反饋的主動頻率偏移
(AFDPF)檢測法155
5.4.3孤島檢測方法在MATLAB/Simulink
下的建模仿真156
5.4.4并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)的孤島效應(yīng)
仿真結(jié)果分析162
5.4.5并網(wǎng)式光伏發(fā)電系統(tǒng)孤島效應(yīng)
檢測仿真實驗164
5.5基于MATLAB/Simulink光伏發(fā)電系統(tǒng)
低電壓穿越仿真165
5.5.1電壓對稱跌落時逆變器運行特性
分析166
5.5.2基于無功支撐的LVRT控制策略
分析167
5.5.3控制參數(shù)整定168
5.5.4低電壓穿越MATLAB/Simulink
模型仿真模型搭建168
5.5.5低電壓穿越MATLAB/Simulink
模型仿真模型結(jié)果分析171
思考題與習(xí)題175
第6章風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)及實驗176
6.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)176
6.1.1風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)176
6.1.2風(fēng)力發(fā)電原理177
6.1.3風(fēng)力發(fā)電機種類179
6.1.4風(fēng)力機大功率追蹤180
6.2風(fēng)電系統(tǒng)運行仿真中的風(fēng)速與風(fēng)力
機特性模擬183
6.2.1風(fēng)速模擬模型183
6.2.2基于MATLAB/Simulink的風(fēng)速
模擬185
6.2.3基于直流電動機調(diào)速的風(fēng)力機
特性模擬與仿真188
6.3基于永磁同步發(fā)電機的離網(wǎng)風(fēng)力
發(fā)電系統(tǒng)仿真191
6.3.1永磁同步發(fā)電機數(shù)學(xué)模型與控制
原理191
6.3.2基于MATLAB的離網(wǎng)永磁同步
風(fēng)力發(fā)電機組仿真195
6.4基于永磁同步發(fā)電機的并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電
系統(tǒng)仿真199
6.4.1PWM變流器直接功率控制199
6.4.2基于MATLAB的永磁同步
風(fēng)電機組并網(wǎng)仿真203
6.5風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)及實驗205
6.5.1風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)工作原理205
6.5.2風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)的建模與運行
評估207
6.5.3風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)實驗208
思考題與習(xí)題210
第7章光伏電站性能檢測211
7.1光伏發(fā)電站發(fā)電性能檢測技術(shù)要求211
7.1.1標(biāo)準(zhǔn)適用范圍211
7.1.2實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、處理與存儲211
7.1.3光伏電站總體性能評估211
7.1.4現(xiàn)場測試規(guī)則212
7.1.5光伏電站質(zhì)量檢查212
7.1.6光伏電站性能測試213
7.2低電壓穿越能力檢測方法214
7.2.1檢測原則214
7.2.2檢測裝置214
7.2.3檢測準(zhǔn)備214
7.2.4空載測試215
7.2.5負(fù)載測試215
7.3光伏電站電能質(zhì)量檢測方法216
7.3.1電網(wǎng)條件216
7.3.2三相不平衡度216
7.3.3閃變216
7.3.4諧波、間諧波、高頻分量217
7.4有功功率特性檢測方法218
7.4.1檢測裝置218
7.4.2有功功率輸出特性檢測218
7.4.3有功功率變化檢測219
7.4.4有功功率控制能力檢測219
7.5無功功率特性檢測方法220
7.5.1無功功率輸出特性檢測220
7.5.2無功功率控制能力檢測221
7.6電壓/頻率響應(yīng)特性檢測方法221
7.6.1電壓適應(yīng)性檢測221
7.6.2頻率適應(yīng)性檢測222
思考題與習(xí)題222
參考文獻(xiàn)223
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