畢業(yè)設(shè)計(jì)--5kw離網(wǎng)型光伏逆變器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　5KW離網(wǎng)型光伏逆變器的設(shè)計(jì)</p><p>　　THE DESIGN OF OFF GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAIC POWER INVERTER WITH 5KW RATING</p><p>　　學(xué)院（部）： 電氣與信息工程學(xué)院 </p

2、><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電氣 08-5 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　　5KW離網(wǎng)型光伏逆變

3、器的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　太陽(yáng)能作為一種巨量的可再生能源，每天到達(dá)地球表面的輻射能量相當(dāng)于數(shù)以萬(wàn)桶石油燃燒的能量。開(kāi)發(fā)和利用豐富、廣闊的太陽(yáng)能，可以對(duì)環(huán)境不產(chǎn)生或產(chǎn)生很少污染，太陽(yáng)能幾時(shí)近期急需的能源補(bǔ)充，又是未來(lái)能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，不論是從經(jīng)濟(jì)社會(huì)走可持續(xù)發(fā)展之路和保護(hù)人類(lèi)賴(lài)以生存的地球生態(tài)環(huán)境的高度來(lái)審視，還是從特殊用途解

4、決現(xiàn)實(shí)能源供應(yīng)問(wèn)題出發(fā)，開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能具有重大戰(zhàn)略意義。</p><p>　　本課題主要研究的是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的離網(wǎng)型光伏逆變器，對(duì)逆變器的電壓型單相全橋逆變電路及一次回路二次回路的主要控制芯片進(jìn)行介紹。并且詳細(xì)的介紹了下逆變器的各部分的硬件設(shè)計(jì)，包括一些重要參數(shù)的設(shè)定。簡(jiǎn)單的介紹了UC3842及IPM驅(qū)動(dòng)模塊。</p><p>　　設(shè)計(jì)采用DSP處理器TMS320LF2812A設(shè)計(jì)實(shí)

5、現(xiàn)了5kW離網(wǎng)型光伏逆變器，可滿(mǎn)足中小功率應(yīng)用場(chǎng)合的需求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能發(fā)電，離網(wǎng)型光伏逆變器，最大功率點(diǎn)跟蹤，TMS320LF2812A</p><p>　　THE DESIGN OF OFF GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAIC POWER INVERTER WITH 5KW RATING</p><p><b>

6、;　　ABSTRACT</b></p><p>　　Solar energy as a massive amount of the renewable energy, daily radiation reaching the earth's surface energy equivalent to tens of thousands of barrels of oil burning ener

7、gy. Development and utilization of rich, broad solar, can not generate environmental or produce little pollution, solar energy when the recent much-needed energy supplement, is the future energy structure foundation, whe

8、ther from the economic society and take the road of sustainable development and the protection of human surv</p><p>　　The main issue is independent photovoltaic power generation system of off-grid PV inverte

9、r, the inverter voltage single-phase full bridge inverter circuit and a two loop circuit of main control chip are introduced. And introduced in detail the inverter under each part of the hardware design, including some i

10、mportant parameters setting. A simple introduction of the UC3842and IPM drive module.</p><p>　　The design of DSP processor design and implementation of TMS320F2407 5kW off-grid PV inverter, which can meet th

11、e demand of small and medium power application.</p><p>　　KEYWARDS：solar power，photovoltaic off grid inverter，maximum power point tracking，TMS320LF2812A</p><p><b>　　目錄</b></p>

12、<p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTI</p><p><b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1 本課題的意義1</p><p>　　1.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.3 太陽(yáng)能光伏

13、發(fā)電的概述2</p><p>　　1.4 本課題的內(nèi)容和設(shè)計(jì)要求3</p><p><b>　　2光伏發(fā)電系統(tǒng)4</b></p><p>　　2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成4</p><p>　　2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類(lèi)4</p><p><b>　　3光伏電池7</b&

14、gt;</p><p>　　3.1 光伏電池的工作原理7</p><p>　　3.2 光伏電池的分類(lèi)7</p><p>　　3.3 光伏電池組件8</p><p>　　3.3.1 光伏陣列的基本組合8</p><p>　　3.3.2 光伏陣列的分類(lèi)10</p><p>　　3.4 光伏

15、電池的數(shù)學(xué)模型11</p><p>　　3.5 最大功率點(diǎn)跟蹤14</p><p>　　3.5.1 經(jīng)典MPPT算法的穩(wěn)態(tài)特性分析14</p><p>　　3.5.2 幾種常見(jiàn)的最大功率點(diǎn)算法16</p><p>　　4離網(wǎng)型光伏逆變器19</p><p>　　4.1 光伏逆變器的概述19</p>

16、;<p>　　4.2 逆變器的基本結(jié)構(gòu)19</p><p>　　4.2.1 Boost電路20</p><p>　　4.2.2 輸入濾波電路的設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.2.3 逆變電路的設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.2.4 SPWM的實(shí)現(xiàn)21</p><p>　　4.2.5 工頻隔離

17、變壓器22</p><p>　　4.2.6 LC輸出濾波電路22</p><p>　　5控制回路的設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.1 輔助電源設(shè)計(jì)24</p><p>　　5.2 系統(tǒng)檢測(cè)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)28</p><p>　　5.2.1 直流電壓電流采樣電路28</p><p>

18、　　5.2.2 交流電壓與頻率的采樣29</p><p>　　5.2.3 溫度檢測(cè)電路29</p><p>　　5.2.4 功率驅(qū)動(dòng)模塊IGBT30</p><p>　　5.2.5 逆變器保護(hù)電路設(shè)計(jì)33</p><p>　　6系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)35</p><p>　　6.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)流程35</p

19、><p><b>　　6.2 設(shè)計(jì)36</b></p><p>　　6.3 A/D中斷程序的設(shè)計(jì)流程37</p><p><b>　　結(jié)論40</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)41</b></p><p><b>　　致謝43

20、</b></p><p><b>　　附圖44</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1 本課題的意義</p><p>　　目前，傳統(tǒng)的石化能源與經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的矛盾越來(lái)越突出。能源是經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展的基本動(dòng)力，但由于常規(guī)能源的有限性和分布不均勻性，造成

21、世界上大部分國(guó)家的能源供應(yīng)不足，不能滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需要。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，全球已探明的石油儲(chǔ)量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲(chǔ)量豐富的煤炭資源也只能維持二、三百年。而傳統(tǒng)的石化能源所帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題也令人擔(dān)憂(yōu)。每年有數(shù)十萬(wàn)噸二氧化硫和二氧化碳等有害物質(zhì)排向空間，使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量；局部地區(qū)形成嚴(yán)重的酸雨區(qū)，又嚴(yán)重污染水土。同時(shí)由于排放大量溫室氣體而產(chǎn)生的溫室效應(yīng)，已引起全球

22、氣候惡化。</p><p>　　發(fā)展可再生能源已成為全球課題。而綜觀可再生能源種類(lèi)，風(fēng)能、生物能、太陽(yáng)能中，太陽(yáng)能的利用前景最好，潛力最大。近30年來(lái)，太陽(yáng)能利用技術(shù)在研究開(kāi)發(fā)、商業(yè)化生產(chǎn)、市場(chǎng)開(kāi)拓方面都獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，成為世界快速、穩(wěn)定發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)之一。而其中的太陽(yáng)光伏發(fā)電是世界上節(jié)約能源、倡導(dǎo)綠色電力的一種主要的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。發(fā)展光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為全球各國(guó)解決能源與經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)之間矛盾的最佳途徑之一。&

23、lt;/p><p>　　而隨著我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，尤其是光伏屋頂計(jì)劃的實(shí)施，國(guó)內(nèi)對(duì)離網(wǎng)型光伏逆變器的需求將越來(lái)越大。離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由光伏電池陣列、控制器、逆變器、儲(chǔ)能裝置等環(huán)節(jié)組成，其中逆變器則是光伏系統(tǒng)中重要的器件之一，其可靠性和轉(zhuǎn)換效率隊(duì)推行光伏系統(tǒng)、降低系統(tǒng)造價(jià)至關(guān)重要。</p><p>　　1.2 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀</p><p>　　近幾

24、年，國(guó)際上光伏發(fā)電快速發(fā)展，美國(guó)、歐洲及日本制定了龐大的光伏發(fā)電發(fā)展計(jì)劃。國(guó)際光伏市場(chǎng)開(kāi)始由邊遠(yuǎn)農(nóng)村和特殊應(yīng)用向并網(wǎng)發(fā)電和與建筑結(jié)合供電的方向發(fā)展，光伏發(fā)電已由補(bǔ)充能源向替代能源過(guò)渡。</p><p>　　美國(guó)政府最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃，1997年又提出“百萬(wàn)屋頂”計(jì)劃，能源部和有關(guān)州政府制定了光伏發(fā)電的財(cái)政補(bǔ)貼政策，總光伏安裝量已達(dá)到3000MW以上，美國(guó)連續(xù)三年光伏產(chǎn)業(yè)均高于30%的年增長(zhǎng)率上升，其主要原

25、因是光伏組件并網(wǎng)應(yīng)用和政策激勵(lì)引起的。</p><p>　　日本于1974年開(kāi)始執(zhí)行“陽(yáng)光計(jì)劃”，投資5億美元，一躍成為世界太陽(yáng)電池的生產(chǎn)大國(guó)，1994年提出朝日七年計(jì)劃，計(jì)劃到2000年推廣16.2萬(wàn)套太陽(yáng)能光伏屋頂，已完成。1997年又宣布7萬(wàn)光伏屋頂計(jì)劃，到2010年將安裝7600MW太陽(yáng)電池。</p><p>　　1993年，德國(guó)首先開(kāi)始實(shí)施由政府投資支持，被電力公司認(rèn)可的1000

26、屋頂計(jì)劃，繼而擴(kuò)展為2000屋頂計(jì)劃，現(xiàn)在實(shí)際建成的屋頂光伏并網(wǎng)系統(tǒng)已經(jīng)超過(guò)5000。德國(guó)政府并于1999年開(kāi)始實(shí)施10萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂(每戶(hù)約3kW~5kW)計(jì)劃。并且1999年德國(guó)光伏上網(wǎng)電價(jià)為每千瓦時(shí)0.99馬克，極大地刺激德國(guó)乃至世界的光伏市場(chǎng)。</p><p>　　瑞士、法國(guó)、意大利、西班牙、芬蘭等國(guó)，也紛紛制定光伏發(fā)展計(jì)劃，并投巨資進(jìn)行技術(shù)開(kāi)發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程。印度、馬來(lái)西亞等東南亞國(guó)家，也制定了國(guó)家的光

27、伏發(fā)展計(jì)劃。</p><p>　　我國(guó)光伏發(fā)電經(jīng)歷了兩次飛躍。第一次飛躍始于二十世紀(jì)80年代末，當(dāng)時(shí)，我國(guó)正處于改革開(kāi)放蓬勃發(fā)展時(shí)期。國(guó)內(nèi)先后引進(jìn)多條太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線，太陽(yáng)能電池生產(chǎn)能力由原來(lái)的幾百瓦升至幾兆瓦。引進(jìn)的光伏電池生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線的投資主要來(lái)自中央政府、地方政府、國(guó)家工業(yè)部委和國(guó)家大型企業(yè)。第二次飛躍在2000年以后，為光伏產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展階段。在國(guó)際大環(huán)境影響下，國(guó)際項(xiàng)目的啟動(dòng)和市場(chǎng)需求以及國(guó)家政策的

28、促進(jìn)下，我國(guó)光伏技術(shù)及應(yīng)用顯著發(fā)展。如2002年國(guó)家實(shí)施的送電到鄉(xiāng)和送電到村的工程，都采用了光伏發(fā)電技術(shù)。我國(guó)西部居住人口分散，太陽(yáng)能資源豐富，太陽(yáng)能光伏發(fā)電成為首選能源。</p><p>　　自20世紀(jì)80年代，我國(guó)太陽(yáng)能光伏技術(shù)得到了迅速發(fā)展，以每年30%-40%的速度持續(xù)高速增長(zhǎng)，尤其是進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展年均增長(zhǎng)超過(guò)了60%，經(jīng)歷了從小規(guī)模到現(xiàn)在的地面睡覺(jué)大規(guī)模利用的時(shí)代。2000-200

29、2年，光伏發(fā)電技術(shù)在我國(guó)的優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)出來(lái)。特別是在2002年近800個(gè)無(wú)電鄉(xiāng)政府用電問(wèn)題被解決。這樣巨大的規(guī)模在國(guó)際上也是很小見(jiàn)得。接下來(lái)的2002-2005年，我國(guó)解決了上萬(wàn)個(gè)自然村和行政村的用電問(wèn)題。這些村莊都處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，十分分散，只能建造獨(dú)立的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。2007年以后，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的年增長(zhǎng)率超過(guò)100%。</p><p>　　經(jīng)過(guò)近30年的發(fā)展，我國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)已初具規(guī)模，但在總體上和國(guó)外相比仍然有一

30、些差距：我國(guó)的光伏發(fā)電的生產(chǎn)規(guī)模較小；光伏發(fā)電的技術(shù)水平較低；光伏電池的使用效率及封裝水平都與國(guó)外存在差距；我國(guó)的光伏發(fā)電的產(chǎn)出成本高；光伏發(fā)電的材料性能與國(guó)外有一定的差距，而且部分只能采用進(jìn)口材料；市場(chǎng)培育和發(fā)展遲緩，缺乏培育和開(kāi)拓的支持政策、措施。</p><p>　　1.3 太陽(yáng)能光伏發(fā)電的概述</p><p>　　太陽(yáng)能發(fā)電可分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種。通常而言，太陽(yáng)能發(fā)電指的是

31、太陽(yáng)能光伏發(fā)電，簡(jiǎn)稱(chēng)“光電”。它是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)。這種技術(shù)的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)即可形成大面積的太陽(yáng)電池組件，再配合上功率控制器等部件，就形成了光伏發(fā)電裝置。</p><p>　　根據(jù)需求和應(yīng)用場(chǎng)合的不同，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)兩種。</p><p>　　1.4 本課題的內(nèi)容

32、和設(shè)計(jì)要求</p><p>　　本設(shè)計(jì)圍繞著光伏發(fā)電展開(kāi)的，對(duì)于光伏發(fā)電系統(tǒng)中的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏電池、逆變器進(jìn)行全面的分析研究，重點(diǎn)對(duì)光伏逆變器做了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，包括對(duì)其硬件電路和軟件編程的設(shè)計(jì)。結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)出一個(gè)單相離網(wǎng)型光伏逆變器，可以廣泛用于離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，具有輸出電壓精度高、波形好、現(xiàn)場(chǎng)總線實(shí)現(xiàn)智能控制等特點(diǎn)。本文的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一種離網(wǎng)型的光伏逆變器，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究設(shè)

33、計(jì)：</p><p>　?。?）首先介紹光伏發(fā)電的基本情況及前景。了解光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成和分類(lèi)，概述了下光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類(lèi)，并提出離網(wǎng)型光伏逆變器的作用與發(fā)展及設(shè)計(jì)的目的。</p><p>　?。?）分析光伏發(fā)電的原理及光伏電池的工作原理及分類(lèi)，分析了光伏電池的輸出特性，并針對(duì)其輸出特性介紹了MPPT方法。</p><p>　?。?）對(duì)逆變器中逆變電路的設(shè)計(jì)，其中包

34、括硬件電路的設(shè)計(jì)以及軟件的設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)包括對(duì)主回路的設(shè)計(jì)以及輔助電路的設(shè)計(jì)，對(duì)濾波電路的設(shè)計(jì)選型以及對(duì)功率驅(qū)動(dòng)模塊IPM 和UC3842的介紹。軟件設(shè)計(jì)包括生成SPWM的程序以及在線計(jì)算SPWM波的占空比的編程的設(shè)計(jì)。</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)通過(guò)TMS320LF2812A實(shí)現(xiàn)對(duì)全橋逆變電路的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏離網(wǎng)型逆變器的運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)與保護(hù)。</p><p><b>　

35、　2光伏發(fā)電系統(tǒng)</b></p><p>　　2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成</p><p>　　光伏發(fā)電系統(tǒng)，是利用光伏電池的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，儲(chǔ)存或直接供給負(fù)載使用的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。白天，日照達(dá)到一定強(qiáng)度，由光伏電池陣列直接向負(fù)載和蓄電池提供電能，或者是部分電能直接送到電網(wǎng)。夜晚或陰雨霧天，光伏電池陣列輸出的能量太小，則由蓄電池向負(fù)載提供能量。負(fù)載可以是直流負(fù)載，

36、也可以是交流負(fù)載。如果是直流負(fù)載，發(fā)電系統(tǒng)直接對(duì)其進(jìn)行供電；如果是交流負(fù)載，光伏電池輸出的直流電通過(guò)DC/AC電路逆變，向其提供交流電能?；镜墓夥到y(tǒng)主要是由光伏電池陣列、控制器、變換器、逆變器及蓄電池組成。</p><p>　　光伏電池是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其主要功能是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，儲(chǔ)存或者直接供給負(fù)載使用。</p><p>　　控制器的主要作用是控制光伏電池的工作狀態(tài)的，使其工

37、作在最大功率點(diǎn)上，同時(shí)控制蓄電池的充放電，對(duì)蓄電池和負(fù)載起到保護(hù)作用。</p><p>　　變換器是將光伏電池陣列提供的直流電壓變換成適合負(fù)載使用的電壓。</p><p>　　逆變器是將直流電逆變成交流的220V，供給交流負(fù)載使用。</p><p>　　蓄電池是當(dāng)白天日照強(qiáng)度大的時(shí)候，光伏電池發(fā)出的直流電除了提供給負(fù)載外還有剩余，就存貯在蓄電池中，以供夜晚或陰雨天沒(méi)

38、有光照或者光照強(qiáng)度不足時(shí)，提供給負(fù)載。提高了系統(tǒng)供電可靠性。</p><p>　　2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類(lèi)</p><p>　　光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境情況、輸出容量的大小、本地負(fù)載容量的大小以及交流電網(wǎng)的情況，把光伏發(fā)電系統(tǒng)可分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)指與公共電網(wǎng)相連接的

39、光伏發(fā)電系統(tǒng)，將光伏電能饋送給公共電網(wǎng)。當(dāng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展階段，并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)成為電力工業(yè)重要的組成部分，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電的重要方向和主流趨勢(shì)。</p><p>　　并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)有帶蓄電池組和不帶蓄電池組之分。帶蓄電池組是并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱(chēng)為可調(diào)度式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有不間斷電源的作用，還可以充當(dāng)功率調(diào)節(jié)器，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、消除高次諧波分量，從而提高電能質(zhì)量；不帶蓄電池組的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)稱(chēng)

40、為不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，逆變器將光伏電池陣列提供的直流電能逆變成為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能，送往公共電網(wǎng)；當(dāng)光伏電池陣列提供的電能不能滿(mǎn)足負(fù)載需要時(shí)，電網(wǎng)自動(dòng)向負(fù)載補(bǔ)充電能。</p><p>　　圖2-1所示是典型的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括光伏電池陣列、DC/AC逆變器、DC/DC變換器、控制器和電網(wǎng)五個(gè)組成部分。根據(jù)負(fù)載及系統(tǒng)的供電可靠性的需要，在DC/DC變換器輸出端連接蓄電池組。&l

41、t;/p><p>　　獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是不與公共電網(wǎng)相連接的，主要在一些離公共電網(wǎng)太遠(yuǎn)的五點(diǎn)地區(qū)和一些特殊場(chǎng)合所使用，如一些偏僻農(nóng)村、牧場(chǎng)和偏遠(yuǎn)的島嶼，即公共電網(wǎng)難以覆蓋到的地區(qū)，為其提供照明、廣播電視等基本生活用電。還有像邊防哨所、氣象臺(tái)站、通信中繼站、大型海洋浮標(biāo)等特殊場(chǎng)所也使用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　圖2-1 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　

42、獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包括光伏電池陣列、蓄電池組、控制器和逆變器及負(fù)載等部分。圖2-2所示是典型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。</p><p>　　圖2-2 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　控制器中含有阻塞二極管，阻塞二極管的主要作用是利用二極管的單向?qū)щ娦宰柚篃o(wú)日照時(shí)蓄電池通過(guò)太陽(yáng)能電池方陣放電。對(duì)阻塞二極管的要求是工作電流必須大于方陣最大輸出電流，反向耐壓要高于蓄電池組的電壓。在方

43、陣工作時(shí)，阻塞二極管兩端有一定的電壓降。</p><p>　　由于光伏發(fā)電系統(tǒng)具有使用方便，安全可靠，維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，常用來(lái)為一些無(wú)電或電網(wǎng)供電不穩(wěn)定場(chǎng)所供電。獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍非常廣泛，如光纖通訊系統(tǒng)、微波中繼站、衛(wèi)星通訊和衛(wèi)星電視接收系統(tǒng)、農(nóng)村程控電話(huà)系統(tǒng)、部隊(duì)通訊系統(tǒng)、鐵路和公路信號(hào)系統(tǒng)、燈塔和航標(biāo)燈電源、海洋浮標(biāo)電源、石油和天然氣輸送管道陰極保護(hù)、氣象和地震臺(tái)站、水文觀察、污染檢測(cè)等災(zāi)害測(cè)報(bào)儀器電

44、源等，甚至還可以用在航空設(shè)備以及飛機(jī)、車(chē)輛、船舶等交通。</p><p>　　混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)是指在光伏發(fā)電的基礎(chǔ)上增加一組發(fā)電系統(tǒng)，以彌補(bǔ)光伏發(fā)電系統(tǒng)受環(huán)境變化影響較大造成的陣列發(fā)電不足，或電池容量不足等因素帶來(lái)的供電不連續(xù)。較為常見(jiàn)的混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)是風(fēng)—光互補(bǔ)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)</p><p&

45、gt;　　在通常情況下，白天日照強(qiáng)，夜間風(fēng)多；夏季日照強(qiáng)，風(fēng)?。欢杭救照諒?qiáng)度小但是風(fēng)大。顯然風(fēng)能發(fā)電與太陽(yáng)能發(fā)電具有很好的互補(bǔ)性，其優(yōu)點(diǎn)顯見(jiàn)：利用太陽(yáng)能、風(fēng)能的互補(bǔ)特性可以產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出，提高系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性和可靠性；在保證供電情況下，可以大大減少儲(chǔ)能蓄電池的容量；對(duì)混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和匹配，可以基本上由風(fēng)—光系統(tǒng)供電，不需要啟動(dòng)備用電源和備用發(fā)電機(jī)，一次獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。但是，風(fēng)—光互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的存在，一次性投資

46、較大，并需要定期更換蓄電池等缺點(diǎn)。</p><p><b>　　3光伏電池</b></p><p>　　3.1 光伏電池的工作原理</p><p>　　在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏電池是實(shí)現(xiàn)光能轉(zhuǎn)換成電能的器件，光伏電池陣列是多個(gè)特性相同的電池單體經(jīng)過(guò)串并聯(lián)后構(gòu)成的，一般是由半導(dǎo)體材料制成的，其特性與二極管類(lèi)似。光伏電池單體實(shí)際上是一個(gè)PN結(jié)，PN結(jié)

47、處于平衡狀態(tài)時(shí)，中間處有一個(gè)耗散層存在著勢(shì)壘電場(chǎng)，形成了方向由N指向P區(qū)的電場(chǎng)。當(dāng)太陽(yáng)光照射到PN結(jié)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一定量的電子和空穴對(duì)，N區(qū)就有過(guò)剩的電子，這樣就形成了光生電動(dòng)勢(shì)，其方向與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反。光生電動(dòng)勢(shì)使P區(qū)和N區(qū)分別帶正負(fù)電，從而產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。這樣如果用導(dǎo)線連接兩個(gè)電極，就會(huì)有“光生電流”流過(guò)，從而產(chǎn)生電能。</p><p>　　3.2 光伏電池的分類(lèi)</p><p>　

48、　光伏電池多用于半導(dǎo)體固體材料制造，也有用半導(dǎo)體家電解質(zhì)的光電化學(xué)電池，發(fā)展至今種類(lèi)繁多，無(wú)論采用何種材料生產(chǎn)光伏電池，它們對(duì)材料的一般要求是：半導(dǎo)體材料的禁帶不能太寬；要有較高的光電轉(zhuǎn)換效率；材料本身對(duì)環(huán)境不造成污染；材料便于工業(yè)化生產(chǎn)，而且材料的性能要穩(wěn)定。下面以電池結(jié)構(gòu)和材料形式加以闡述：</p><p><b>　　1.按電池結(jié)構(gòu)分類(lèi)</b></p><p>

49、　?。?）異質(zhì)結(jié)光伏電池。由兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料構(gòu)成，在相接的界面上形成一個(gè)異質(zhì)PN結(jié)。像硫化亞銅光伏電池、硫化鎘光伏電池都為異質(zhì)結(jié)光伏電池。</p><p>　?。?）同質(zhì)結(jié)光伏電池。在同一個(gè)半導(dǎo)體材料構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)PN結(jié)。像砷化鎵光伏電池、硅光伏電池都為同質(zhì)光伏電池。</p><p>　?。?）肖特基光伏電池。指用金屬和半導(dǎo)體接觸組成一個(gè)“肖特基勢(shì)壘”的光伏電池（又稱(chēng)MS光伏電

50、池）。其原理是基于在一定條件下金屬—半導(dǎo)體接觸時(shí)產(chǎn)生類(lèi)似于P-N結(jié)可整流接觸的肖特基效應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)的電池現(xiàn)已發(fā)展成為金屬—氧化物—半導(dǎo)體光伏電池（MOS光伏電池）、金屬—絕緣體—半導(dǎo)體光伏電池（即MIS光伏電池）等。</p><p>　?。?）薄膜光伏電池。指利用薄膜技術(shù)將很薄的半導(dǎo)體光電材料撲在非報(bào)道提的襯底上而構(gòu)成的光伏電池。這種光伏電池大大地減少半導(dǎo)體材料的消耗（薄膜厚度以μm計(jì)）從而大大地降低了光伏電池的

51、成本?？捎糜跇?gòu)成薄膜光伏電池的材料有很多種，主要包括多晶硅、非晶硅、碲化鎘以及CIS等，其中以多晶硅薄膜光伏電池性能較優(yōu)。</p><p>　?。?）疊層光伏電池。指將兩種對(duì)光波吸收能力不同的半導(dǎo)體材料疊在一起構(gòu)成的光伏電池。鑒于波長(zhǎng)短的光子能量大，在硅中的穿透深度小的特點(diǎn)，充分利用太陽(yáng)光中不同波長(zhǎng)的光，通常是讓波長(zhǎng)最短的光線被最上邊的寬禁帶材料電池吸收，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光線能夠透射進(jìn)去讓下邊禁帶較窄的材料電池吸收，這

52、就有可能最大限度地將光能變成電能。</p><p>　?。?）濕式光伏電池。指在兩側(cè)涂有光活性半導(dǎo)體膜的導(dǎo)電玻璃中間加入電解液而構(gòu)成的光伏電池。這種形式的電池不但可以減少半導(dǎo)體材料的消耗，還未建筑物和太陽(yáng)能應(yīng)用的一體化設(shè)計(jì)創(chuàng)造了條件。</p><p><b>　　按電池材料分類(lèi)：</b></p><p>　?。?）硅光伏電池：包括單晶硅光伏電池

53、、多晶硅光伏電池和非晶硅光伏電池。其中單晶硅材料結(jié)晶完整，載流子遷移率高，串聯(lián)電阻小，光電轉(zhuǎn)換效率高，可達(dá)20%左右，但成本比較昂貴。多晶硅材料晶體方向無(wú)規(guī)律性。由于在這種材料中的正負(fù)電荷有一部分會(huì)因晶體晶界連接的不規(guī)則性而損失，所有不能全部被P-N結(jié)電場(chǎng)分離，使之效率一般要比單晶硅光伏電池低。但多晶硅光伏電池成本較低。多晶硅材料又分為帶狀硅、鑄造硅、薄膜多晶硅等多種類(lèi)型。用它們制造的光伏電池又分為薄膜和片狀兩種。而非晶硅光伏電池是采用

54、內(nèi)部原子排列“短程有序而長(zhǎng)程無(wú)序”的非晶體硅材料（簡(jiǎn)稱(chēng)α—Si）制成。非晶硅材料基本被制成薄膜電池形式。其造價(jià)低低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅光伏電池，目前主要用于弱光性電源，如手表、計(jì)算器等的電池。</p><p>　?。?）非硅半導(dǎo)體光伏電池。主要有硫化鎘光伏電池和砷化鎵光伏電池。硫化鎘分單晶或多晶兩種，它常與其他半導(dǎo)體材料合成使用，如硫化亞銅/硫化鎘光伏電池、碲化鎘/硫化鎘光伏電池、銅銦硒/

55、硫化鎘光伏電池等。而砷化鎵具有較好的溫度特性，理論效率高，較適合于制成太空光伏電池。即采用同質(zhì)結(jié)形式也可以采用異質(zhì)結(jié)形式，既可采用單晶切片結(jié)構(gòu)也可采用薄膜結(jié)構(gòu)以制成光伏電池。</p><p>　　（3）有機(jī)半導(dǎo)體光伏電池：用含有一定數(shù)量的碳—碳鍵，導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體材料制成。其特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換效率低、價(jià)格便宜、輕便，易于大規(guī)模生產(chǎn)。</p><p>　　3.3 光伏電池組件&l

56、t;/p><p>　　3.3.1 光伏陣列的基本組合</p><p>　　單體光伏電池又稱(chēng)光伏電池片，是光伏電池的最基本單元。在使用光伏電池供電時(shí)，光伏電池片容量較小，輸出電壓只有零點(diǎn)幾伏、輸出峰值功率也只有1W左右。一般不能滿(mǎn)足負(fù)載用電的需要，也不便于安裝使用，所以通常不直接使用。因此要將單體的太陽(yáng)能電池根據(jù)負(fù)載需要進(jìn)行串、并聯(lián)構(gòu)成組合體，在京啊組合體通過(guò)一定的工藝流程封裝在透明的薄板盒子內(nèi)

57、，引出正負(fù)極引線，方可獨(dú)立發(fā)電使用。封裝前地組合體稱(chēng)之為光伏電池模塊組件（module）；而封裝后的薄板盒子稱(chēng)之為光伏電池組合板（簡(jiǎn)稱(chēng)光伏電池板）。工程上使用的光伏電池板是光伏電池使用的基本單元，其輸出電壓一般在十幾至幾十伏左右。此外，還可將若干個(gè)光伏電池板根據(jù)負(fù)載容量大小要求，再串、并聯(lián)組成較大功率的實(shí)際供電裝置，稱(chēng)為光伏陣列。</p><p>　　在構(gòu)成光伏陣列時(shí)，根據(jù)負(fù)荷用電量、電壓、功率、光照情況等，確定

58、光伏電池的總?cè)萘亢凸夥姵氐拇⒉⒙?lián)數(shù)量。當(dāng)將光伏電池板串聯(lián)使用時(shí)，總的輸出電壓是單個(gè)電池組件工作電壓之和，而總的輸出電流受原有電池組件中工作電流最小的已組建所限，總的輸出電流智能等于該電池組件的電流。所以要選擇工作電流相等或近似相等的電池組件方可串聯(lián)使用，以免造成電流浪費(fèi)。若將電池組件并聯(lián)使用時(shí)，總的輸出電壓是各電池組建工作的電壓的平均值，而總的電流為各單個(gè)電池組件工作電流之和。</p><p>　　確定光伏電

59、池板串聯(lián)數(shù)，及光伏陣列總的輸出電壓時(shí)，主要考慮負(fù)載電壓的要求，同時(shí)考慮蓄電池的浮充電壓、溫度以及控制電路等的影響。如果總的輸出電壓過(guò)低不能滿(mǎn)足要求，就可能出現(xiàn)光伏電池只有電壓無(wú)電流輸出的現(xiàn)象。而且光伏電池的輸出電壓隨溫度的升高還會(huì)呈現(xiàn)負(fù)特性，所以在計(jì)算電池組件串聯(lián)級(jí)數(shù)時(shí)，要留有一定的余量，但也不能把串聯(lián)技術(shù)定的過(guò)高，造成較大的浪費(fèi)。最佳選擇是使其工作于光伏陣列總的伏安特性曲線的最大工作點(diǎn)位置。光伏陣列串聯(lián)后的伏安特性曲線參考見(jiàn)圖3-1。

60、</p><p>　　確定光伏電池板并聯(lián)數(shù)，及光伏陣列總的輸出電流時(shí)，主要考慮負(fù)載每天的總耗電量、當(dāng)?shù)啬昶骄逯等照諘r(shí)數(shù)，同時(shí)考慮蓄電池組的充電效率、電池表面不清潔和老化等帶來(lái)的不良因數(shù)。一般光伏電池組件的并聯(lián)數(shù)乘以每一待并支路的最佳工作電流即為蓄電池的充電電流。</p><p>　　圖3-1 硅光伏電池串聯(lián)的輸出特性 </p><p>　　表3-1

61、光伏陣列的主要性能指標(biāo)</p><p>　　3.3.2 光伏陣列的分類(lèi)</p><p>　　按外形結(jié)構(gòu)來(lái)分,光伏陣列主要有平面式光伏陣列、曲面式光伏陣列以及聚光式光伏陣列，以安裝形式分則分為固定安裝式光伏陣列、定向安裝式光伏陣列及加固定裝式光伏陣列，按使用場(chǎng)合分則可分為地面光伏陣列、高空光伏陣列、宇宙光伏陣列以及潛水光伏陣列。下面介紹幾種常用的光伏陣列。</p><p&

62、gt;　　①平板式光伏陣列。將若干電池單元按平板結(jié)構(gòu)組裝在一起，且所有光伏電池均朝同方向。這種光伏陣列直接收集自然照射來(lái)的太陽(yáng)光，光伏陣列可固定安裝，也可安裝成定向形式。因其技術(shù)成熟，安裝方便、維護(hù)簡(jiǎn)單，所以應(yīng)用最為廣泛。</p><p>　?、谇媸焦夥嚵?。直接將光伏電池片貼在應(yīng)用場(chǎng)地或物體上，如圓弧形、多棱形、圓錐形的房頂和飛行器等。電池片可以貼在凸面，也可以是凹面。因安裝較為復(fù)雜，太陽(yáng)遮擋的幾率較高，所以

63、適用于飛行器或附加太陽(yáng)跟蹤裝置。</p><p>　　③聚光式光伏陣列。通過(guò)反射鏡或折射鏡將太陽(yáng)光聚集到一小塊光伏電池片上。其特點(diǎn)不但能增強(qiáng)太陽(yáng)的光強(qiáng)，還可用較少的電池得到較多的電能，但與此同時(shí)電池板的工作溫度也會(huì)升的很高。從光伏陣列的制作和安裝成本來(lái)說(shuō)，它要比平板固定式的低一些；但因要附加太陽(yáng)跟蹤裝置，由此會(huì)帶來(lái)跟蹤裝置的維護(hù)及光伏陣列在高溫下共組的可靠性等問(wèn)題。</p><p>　?、?/p>

64、固定安裝式光伏陣列。將光伏陣列剛性固定安裝在地面結(jié)構(gòu)上或飛行器上。其特點(diǎn)是該光伏陣列表面好太陽(yáng)光之劍的角度是連續(xù)變化的。</p><p>　?、荻ㄏ虬惭b式光伏陣列。將光伏點(diǎn)多吃安裝在特有的定向裝置上，使得光伏電池表面總是面向太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，以獲得最大的功率輸出。這種定向裝置又稱(chēng)太陽(yáng)能跟蹤器。太陽(yáng)能跟蹤器又分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。跟蹤運(yùn)行可以是連續(xù)的，也可以是間歇的。</p><p>　　3.

65、4 光伏電池的數(shù)學(xué)模型</p><p>　　（1）光伏電池的理論分析模型</p><p>　　根據(jù)半導(dǎo)體電子學(xué)理論，單個(gè)光伏電池的等效電路如圖3-3所示。</p><p>　　圖3-3 光伏電池等效電路</p><p>　　當(dāng)日照強(qiáng)度恒定時(shí)，光伏電池可看成恒定電流源，二極管的正向電流和并聯(lián)電阻電流ISR都由光電流IL提供，剩余的光電流通過(guò)串聯(lián)

66、電阻RS輸出給負(fù)載，，并在負(fù)載端產(chǎn)生電壓U。根據(jù)圖中的電流電壓參考方向，光伏電池的I-U方程為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　IL-光電流，單位A；</p><p>　　I0-二極管反向飽和電流，單位A；</p

67、><p>　　q-電子電荷（C）；</p><p><b>　　A-二極管因子；</b></p><p>　　K-波爾茲曼常數(shù)（J/K）;</p><p>　　T-太陽(yáng)能電池輸出電流，單位A；</p><p>　　RS-串聯(lián)電阻，單位；</p><p>　　RSR-并聯(lián)電阻，單

68、位；</p><p>　　I-太陽(yáng)能電池輸出電流，單位A;</p><p>　　U-太陽(yáng)能電池輸出電壓，單位V;</p><p>　?。?）光伏電池的簡(jiǎn)化分析模型</p><p>　　在實(shí)際的光伏電池中，由于期間的瞬時(shí)響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)小于光伏系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，在分析時(shí)通常忽略結(jié)電容Cj,并聯(lián)電阻一般很大（兆歐級(jí)）；串聯(lián)電阻一般很?。泓c(diǎn)幾歐）。因此，

69、根據(jù)具體應(yīng)用情況，光伏電池的I-U方程可簡(jiǎn)化：</p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　或 (3-3)</p><p>　　簡(jiǎn)化的模型結(jié)構(gòu)分別如圖3-4（a）和3-4（b）所示。</p><p>　?。╝）忽略串聯(lián)電阻等效電阻 （b）忽略并聯(lián)

70、電阻等效電路</p><p>　　圖3-4 光伏電池簡(jiǎn)化模型</p><p>　?。?）由光伏電池?cái)?shù)學(xué)模型分析可知，光伏電池的輸出是一個(gè)隨光照條件及溫度等因素變化的復(fù)雜變量。圖3-5（a）為光伏電池在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件下，光伏電池的輸出特性是指在一定的溫度和日照強(qiáng)度條件下，光伏電池所呈現(xiàn)的伏安特性，即輸出電壓和輸出電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為I-U特性曲線。由于電池溫度、日照強(qiáng)度等因素都會(huì)對(duì)光

71、伏電池的特性產(chǎn)生影響，因此，在測(cè)試光伏電池性能時(shí)，需要定義標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件。我國(guó)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件為：日照強(qiáng)度1KW/m2,電池溫度為25℃，太陽(yáng)輻射光譜為AM1.5。</p><p>　　圖3-5 (a) 圖3-5 (b)</p><p><b>　　圖3-5(c)</b></p><p>　　圖3-5

72、光伏電池輸出特性</p><p>　　其中：圖3-5(a)光伏電池典型輸出特性曲線圖3-5（b）溫度一定，日照強(qiáng)度對(duì)輸出特性的影響圖3-5（c）日照強(qiáng)度一定時(shí)，溫度對(duì)輸出特性的影響。</p><p>　　開(kāi)路電壓（UOC）：標(biāo)準(zhǔn)條件下所能輸出的最大電壓；</p><p>　　最大功率點(diǎn)電壓（Um）：標(biāo)準(zhǔn)條件下最大功率點(diǎn)的電壓；</p><p>

73、;　　短路電流（ISC）:標(biāo)準(zhǔn)條件下所能輸出的最大電流；</p><p>　　最大功率點(diǎn)電流（Im）：標(biāo)準(zhǔn)條件下最大功率點(diǎn)的電流；</p><p>　　最大功率點(diǎn)功率（Pm）：標(biāo)準(zhǔn)條件下輸出最大功率Pm=Um*Im。</p><p>　　由上圖可看出：光伏電池既不是恒流源也不是恒壓源。但是，當(dāng)光伏電池輸出電壓較小時(shí)，隨著電壓的變化，輸出電流的變化很小，光伏電池近似為

74、一個(gè)恒流源；當(dāng)光伏電池輸出電壓超過(guò)Um時(shí)，輸出電流急劇下降，光伏電池又可近似為一恒壓源。在光伏強(qiáng)度和電池溫度一定時(shí)有唯一的最大輸出功率點(diǎn)Pm（其左側(cè)為近似恒流源段，右側(cè)為近似恒壓源段）。</p><p>　?。?）日照強(qiáng)度和溫度對(duì)光伏電池的輸出特性的影響</p><p>　　光伏電池的I-U特性曲線與日照強(qiáng)度和電池溫度有關(guān)。</p><p>　　圖3-5（b）是當(dāng)溫

75、度一定時(shí)，日照強(qiáng)度分別為200W/m2、400W/m2、600W/m2、800W/m2、1000W/m2時(shí)太陽(yáng)能光伏電池的輸出特性曲線?？梢钥闯?，當(dāng)溫度一定時(shí)，光伏電池短路電流ISC隨日照強(qiáng)度的增加而增加，并與日照強(qiáng)度成正比；開(kāi)路電壓隨日照強(qiáng)度的增加略有增加，但是增加幅度很小。</p><p>　　圖3-5（c）是日照強(qiáng)度一定，不同電池溫度時(shí)，光伏電池的輸出特性曲線?？梢钥闯?，隨著電池溫度的升高，光伏電池的短路電

76、流ISC略微增加，而光伏電池開(kāi)路電壓降低。</p><p>　　由上面各特性曲線可知，當(dāng)日照強(qiáng)度一定時(shí)，對(duì)應(yīng)于溫度的變化，電池的短路電流幾乎不受影響，變化很小，但隨著溫度的升高，光伏電池的開(kāi)路電壓值有明顯的下降。而且，由于日照強(qiáng)度不變，即陽(yáng)光投射到電池表面的功率不變，可見(jiàn)光電轉(zhuǎn)換效率可知電池的光電轉(zhuǎn)換效率受到溫度的影響很大。</p><p>　　3.5 最大功率點(diǎn)跟蹤</p>

77、<p>　　光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載情況影響。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在某一輸出電壓值時(shí)，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大值，這是光伏電池工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱(chēng)之為最大功率點(diǎn)（MPP）。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過(guò)程就稱(chēng)

78、之為最大功率點(diǎn)跟蹤。（maximum power point tracking，MPPT）。</p><p>　　3.5.1 經(jīng)典MPPT算法的穩(wěn)態(tài)特性分析</p><p>　　有光伏陣列在不同光照強(qiáng)度下的輸出功率電壓特性可以看到，每條曲線都存在著一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)，并且這個(gè)最大功率點(diǎn)在當(dāng)前的光照條件下是唯一的。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中采用的“上山法”正是利用了最大功率點(diǎn)dP/dU為零的特性。先對(duì)

79、光伏陣列的輸出電壓和電流進(jìn)行連續(xù)的采樣，并將每次采樣的一組電壓電流數(shù)據(jù)相乘折合成功率值，然后減掉上一次采樣得到的功率值，即為功率差分值。當(dāng)功率達(dá)到最大值時(shí)滿(mǎn)足式（3-4），同時(shí)還可以推得式（3-5）。</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p><b>　　(3-5)</b></p><p><b

80、>　　令</b></p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　則當(dāng)ΔU=ΔI時(shí)，即可近似認(rèn)為達(dá)到最大功率點(diǎn)，這樣就構(gòu)成了最經(jīng)典的一階算法。</p><p>　　在實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，需要對(duì)光伏陣列的輸出電壓和電流

81、進(jìn)行連續(xù)采樣。例如,為了避免一些不可預(yù)測(cè)的干擾，將每次采樣的電壓和電流數(shù)值進(jìn)行多點(diǎn)平均得到一組電壓電流數(shù)據(jù)，并且減掉上一次平均得到的電壓和電流值，即可得到電壓和電流差分值，分別記作dI(k)和dU(k),即</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　

82、然后按照上面的式(3-10)和式（3-11）分別計(jì)算和。它們具有功率的量綱，可以視作功率差分。</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　可以通過(guò)比較和的大小來(lái)確定光伏陣列的工作區(qū)域。如果，則認(rèn)為陣列輸出功率已經(jīng)滿(mǎn)足最大功率點(diǎn)的必要條件，可以近似

83、認(rèn)為系統(tǒng)已經(jīng)工作在最大功率點(diǎn)上，只要保持系統(tǒng)有功功率即可；如果,則說(shuō)明陣列輸出功率增大的方向?yàn)殡妷涸龃蠖娏鳒p小的方向，即系統(tǒng)工作在恒定電流區(qū)域以?xún)?nèi)，必須降低系統(tǒng)有功輸出才能使得系統(tǒng)重新工作在最大功率點(diǎn)上；而如果，則說(shuō)明光伏陣列輸出功率增加的方向?yàn)殡娏髟黾佣妷簻p小的方向，即系統(tǒng)工作在恒定電壓區(qū)域以?xún)?nèi)，此時(shí)只有增加系統(tǒng)有功輸出才能使得系統(tǒng)工作在當(dāng)前的最大功率點(diǎn)上。</p><p>　　上述具有一階差分方法的最大功

84、率的跟蹤控制的“上山”算法框圖如圖3-6所示。</p><p>　　在圖3-6的算法框圖中，Uref代表系統(tǒng)輸出有功指令，C代表輸出有功變化的步長(zhǎng)。每次對(duì)多點(diǎn)采樣值進(jìn)行平均，比較判定后確定當(dāng)前的工作頻率并輸出相應(yīng)的控制指令為一個(gè)控制循環(huán)。根據(jù)以上工作在最大功率點(diǎn)；當(dāng)電壓功率差分值相等時(shí)，可以認(rèn)為外部狀態(tài)沒(méi)有改變，洗頭膏仍然工作在最大功率點(diǎn)；當(dāng)電壓功率差分值大于電流功率差分值時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前的光照強(qiáng)度有所減弱或由于溫度

85、升高導(dǎo)致陣列的輸出功率下降，應(yīng)該相應(yīng)地降低系統(tǒng)輸出有功以滿(mǎn)足陣列最大功率輸出的要求。當(dāng)電流功率差分值大于電壓功率差分值時(shí)，說(shuō)明當(dāng)前的光照強(qiáng)度有所增強(qiáng)，應(yīng)該相應(yīng)地增加系統(tǒng)輸出有功使得光伏陣列總能以最大功率輸出。</p><p>　　圖3-6 最大功率點(diǎn)控制算法框圖</p><p>　　3.5.2 幾種常見(jiàn)的最大功率點(diǎn)算法</p><p>　　下面介紹幾種常用的最大功率

86、點(diǎn)的算法。</p><p><b>　　a)電壓反饋法</b></p><p>　　光伏陣列是一種非線性的電源。其輸出特性可以視為由恒電流區(qū)域與恒電壓區(qū)域組成，這兩區(qū)域的交接點(diǎn)即為最大功率點(diǎn)。因而在不同的光照強(qiáng)度下，光伏陣列都會(huì)存在著這樣的一個(gè)最大功率輸出點(diǎn)，恒定電壓跟蹤法是一種穩(wěn)壓控制，此方法是通過(guò)調(diào)整太陽(yáng)能光伏電池在某一照度及溫度下的最大功率點(diǎn)的電壓大小，此方法即

87、是通過(guò)調(diào)整太陽(yáng)能光伏電池的端電壓，使其能與事先測(cè)試的電壓相符，來(lái)達(dá)到最大功率點(diǎn)跟蹤的效果。不過(guò)，這種方法的最大缺點(diǎn)就是當(dāng)大氣條件大幅度改變時(shí)，系統(tǒng)不能自動(dòng)地跟蹤到太陽(yáng)能光伏電池的新的最大功率點(diǎn)，因此造成能量的損耗。對(duì)于早期應(yīng)用于人造衛(wèi)星的太陽(yáng)能光伏電池而言，由外太空中的照度及溫度變化緩慢且幅度較小，因此，電壓反饋法仍不失為一個(gè)好方法。但是，隨著太陽(yáng)能光伏電池日漸普及到日常生活用品上時(shí)，由于有地球公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)，造成大氣的變化，使得最大功率點(diǎn)

88、瞬息萬(wàn)變，此方法便不能符合我們的需求，因此電壓反饋法已經(jīng)很少被用在最大功率點(diǎn)跟蹤上。</p><p><b>　　b)擾動(dòng)觀察法</b></p><p>　　擾動(dòng)觀察法也稱(chēng)爬山法（登山法），它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且且需要測(cè)量的參數(shù)較少，所以它被普遍地應(yīng)用在太陽(yáng)能光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤上。通過(guò)周期性的增加或減少負(fù)載的大小，以改變太陽(yáng)能光伏電池的端電壓及輸出功率，并觀察、比較負(fù)

89、載變動(dòng)前后的輸出電壓及功率的大小，以決定下一步的增、減負(fù)載動(dòng)作。假設(shè)輸出功率較變動(dòng)前大，則負(fù)載繼續(xù)朝同一方向變動(dòng)：反之，若輸出功率較變動(dòng)前小的話(huà)，則表示我們需要在下一周期改變負(fù)載變動(dòng)的方向。如此反復(fù)地?cái)_動(dòng)、觀察及比較，使太陽(yáng)能光伏電池達(dá)到其最大功率點(diǎn)，這就是擾動(dòng)及觀察法的基本動(dòng)作原理。但是，此方法是通過(guò)不斷變動(dòng)太陽(yáng)能光伏電池的輸出電壓來(lái)跟蹤最大功率點(diǎn)的，當(dāng)達(dá)到最大功率點(diǎn)Pmax附近之后，其擾動(dòng)不會(huì)停止，而會(huì)在Pmax左右振蕩，因此造成能

90、量損失并降低太陽(yáng)能光伏電池的效率。尤其是在大氣環(huán)境變化緩慢時(shí)，能量損耗的情況更為嚴(yán)重，此為擾動(dòng)與觀察法的最大缺失。雖然我們可以縮小每次擾動(dòng)的幅度，通過(guò)降低在Pmax點(diǎn)的振蕩幅度來(lái)減小能量損失，不過(guò)當(dāng)溫度或照度有大幅度變化時(shí)，這種做法會(huì)使跟蹤到新的最大功率點(diǎn)的速度變慢，此時(shí)將有大量的能量被浪費(fèi)掉，因此當(dāng)我們采用擾動(dòng)與觀察法時(shí)，擾動(dòng)幅度的大小就需由使</p><p>　　圖3-7 擾動(dòng)觀測(cè)法控制流程圖</p&g

91、t;<p><b>　　c)電導(dǎo)增量法</b></p><p>　　電導(dǎo)增量法（導(dǎo)納微分）的基本理念是與功率反饋法時(shí)相同的，其出發(fā)點(diǎn)為dU/dI=0這個(gè)邏輯判斷式，其中的功率（P）可由電壓（U）與電流（I）表示。</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p><b>　　(3-1

92、3)</b></p><p><b>　　(3-14)</b></p><p>　　式中，dI表示增量前后測(cè)得到的電流差值；同理，dU表示增量前后測(cè)量到的電壓差值。因此，通過(guò)測(cè)量增量值（dI/dU）與瞬間太陽(yáng)能光伏電池的電導(dǎo)值（），可以決定下一次的擾動(dòng)，當(dāng)增量值與電導(dǎo)值符合式（3-14）要求時(shí)，表示已達(dá)到最大功率點(diǎn)，即不進(jìn)行下一次擾動(dòng)，此即為電導(dǎo)增量法的基

93、本工作原理。如圖3-8所示：</p><p>　　圖3-8 電導(dǎo)增量法的控制流程圖</p><p>　　雖然電導(dǎo)增量法仍然是以改變太陽(yáng)能是以改變太陽(yáng)能光伏電池輸出電壓來(lái)達(dá)到最大功率點(diǎn)（Pmax），但是通過(guò)修改邏輯判斷式來(lái)減少在Pmax點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象，可以使其更能適應(yīng)瞬息萬(wàn)變的大氣環(huán)境。就理論上而言，此法的理論推導(dǎo)是完美的，但是當(dāng)傳感器無(wú)法達(dá)到非常精密的測(cè)量時(shí)，其誤差是不可避免的，因此，式

94、（3-14）發(fā)生的機(jī)率是微小的，這意味著此法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)仍然有很大的誤差存在。由此可見(jiàn)，擾動(dòng)觀察法與電導(dǎo)增量法是殊途同歸，差別僅在于邏輯判斷與測(cè)量參數(shù)的取舍而已。</p><p>　　電導(dǎo)增量法是借著修改邏輯判斷式來(lái)減少在最大功率點(diǎn)附近的振蕩現(xiàn)象，使其更能適應(yīng)變化的日照強(qiáng)度和溫度。這種控制算法實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)復(fù)雜，而且檢測(cè)精度和速度在一定程度上會(huì)影響跟蹤精度和速度，同時(shí)，電導(dǎo)增量步長(zhǎng)的選取也會(huì)影響跟蹤誤差的大小和速度

95、</p><p><b>　　4離網(wǎng)型光伏逆變器</b></p><p>　　4.1 光伏逆變器的概述</p><p>　　隨著我國(guó)光伏發(fā)電系統(tǒng)的迅速發(fā)展，尤其是光伏屋頂計(jì)劃的實(shí)施，國(guó)內(nèi)對(duì)離網(wǎng)型光伏逆變器的需求將越來(lái)越大。離網(wǎng)型光伏電系統(tǒng)主要是由光伏電池陣列、控制器、逆變器、儲(chǔ)能裝置等環(huán)節(jié)組成的，其中逆變器是光伏系統(tǒng)中的重要器件之一，它的可靠性

96、和轉(zhuǎn)換效率對(duì)推行光伏系統(tǒng)、降低系統(tǒng)造價(jià)至關(guān)重要。</p><p>　　在很多場(chǎng)合，都需要提供AC220V、AC110V的交流電源。由于太陽(yáng)能的直接輸出一般都是DC12V、DC24V、DC48V。為了能向AC220V的電器提供電能，需要將太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)所發(fā)出的直流電能轉(zhuǎn)換成交流電能，因此需要使用DC-AC逆變器。</p><p>　　離網(wǎng)型光伏逆變器的主要作用是將光伏電池輸出的直流電變換成適

97、合交流負(fù)載使用的交流電。</p><p>　　4.2 逆變器的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　離網(wǎng)型光伏逆變器的結(jié)構(gòu)如下圖所示，包含了一次回路和二次回路兩部分，該設(shè)計(jì)采用了雙電源供電的模式，其中主回路由輸入濾波電路、單相全橋逆變電路和輸出濾波電路等組成，輔助回路主要有TMS320F2407A控制電路、信號(hào)檢測(cè)電路等組成。如圖所示：</p><p>　　圖4-1 離網(wǎng)型

98、光伏逆變器的結(jié)構(gòu)方框圖</p><p>　　主回路是通過(guò)輸入濾波電路對(duì)輸入的220V直流電進(jìn)行濾波處理，采用全橋逆變進(jìn)行逆變處理，輸出SPWM波，經(jīng)過(guò)工頻變壓器升壓，輸出260V的交流電再經(jīng)過(guò)輸出濾波器的濾波，輸出50Hz220V的交流電。</p><p>　　4.2.1 Boost電路</p><p>　　Boost電路如圖4-2所示，其中Q為全控型的功率器件IG

99、BT，Boost電路是一種輸出電壓等于或高于輸入電壓的非隔離直流變換電路，當(dāng)光伏控制器的輸入電壓在允許范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)器件Q的導(dǎo)通比D，使輸出電壓保持穩(wěn)定。</p><p>　　圖4-2 Boost電路</p><p>　　根據(jù)Boost電路中電感電流是否連續(xù)可以分為電感電流連續(xù)、電感電流斷續(xù)和電感電流臨界連續(xù)三種工作模式。當(dāng)工作臨界工作模式時(shí)，電感的取值滿(mǎn)足式（4-1）。&

100、lt;/p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　當(dāng)輸出功率等于5kW時(shí)，計(jì)算得L=20μH，當(dāng)工作在電感電流連續(xù)模式下時(shí)，輸出電壓紋波較小，電容充放電電流的變化率也較小，具有很好的電能輸出質(zhì)量，本設(shè)計(jì)中選取P=100W時(shí)所對(duì)應(yīng)的臨界電感值L=1mH。電感電流連續(xù)模式下，需要的電容值為：</p><p><b>　　

101、(4-2)</b></p><p>　　要想獲得輸出為220VAC的正弦波，考慮到SPWM調(diào)制技術(shù)的最大利用率0.866和調(diào)制度，以及IGBT管的導(dǎo)通范圍，Boost變換器需要將直流電壓升到420V，紋波電壓為直流電壓的5‰，即為2.1V，占空比D選取最大值0.9，代入式（4-2）求得電容值為1033μF，考慮到一定裕量，選取3個(gè)并聯(lián)的470μF的電解電容。</p><p>　

102、　4.2.2 輸入濾波電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　輸入濾波電路是由濾波電容組成是用來(lái)減小輸入端電壓的脈動(dòng)，假如變換器傳輸最大功率為Pm，由輸入輸出功率相等可得出一個(gè)周期內(nèi)輸入濾波電容所提供的能量約為</p><p><b>　　(4-3)</b></p><p>　　式（4-3）中，η為變換器的效率，fr為功率IGBT開(kāi)關(guān)器件的工作頻率。將

103、Pm=5KW, η=0.94, fr=18kHz代入上式可得Win≈0.2955J,每半個(gè)周期輸入濾波電容所提供的能量為：</p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　式（4-4）中，Vinmin為最小輸入直流電壓；ΔVinmin一般取1%Vinmin，濾波電容選用鋁電解電容，為了減小電容的等效串聯(lián)電阻，本設(shè)計(jì)采用了100V 10000UF*1

104、0的電解電容并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　4.2.3 逆變電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是電壓型單相全橋逆變電路。由于輸入的直流電壓為220VDC ，該逆變器的功率為5KW，采用的是日本三菱第五代IPM功率驅(qū)動(dòng)模塊。逆變采用的電路為單相全橋逆變，如圖4-3所示：</p><p>　　圖4-3 單相全橋逆變電路</p><p>

105、　　4.2.4 SPWM的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　產(chǎn)生SPWM波的方法有多種，主要分為硬件實(shí)現(xiàn)方法和軟件實(shí)現(xiàn)方法兩大類(lèi)。硬件實(shí)現(xiàn)方法是在模擬電路里采用正弦波發(fā)生器、三角波發(fā)生器和比較器來(lái)實(shí)現(xiàn)SPWM波控制，但此方法硬件電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難且不易改進(jìn)。本設(shè)計(jì)采用數(shù)字方法控制，即用軟件實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)采用軟件編程生成PWM波來(lái)控制IGBT的觸發(fā)信號(hào)。本設(shè)計(jì)采用的是規(guī)則采樣法生成SPWM波。</p><

106、p>　　規(guī)則采樣法就是將自然采樣法中的正弦調(diào)制波與三角載波周期中心的交點(diǎn)就是階梯波水平線段地中點(diǎn)。這樣，三角載波與階梯波水平線段的交點(diǎn)A、B兩點(diǎn)就分別落在正弦調(diào)制波的上下兩邊，從而減少了以階梯波調(diào)制的誤差。另外，由于A、B兩點(diǎn)對(duì)于三角載波周期中心線對(duì)稱(chēng)，因而使PWM脈沖信號(hào)發(fā)生得以簡(jiǎn)化。由圖7-1所示。三角載波的調(diào)制度為M，正弦調(diào)制波的角頻率為ω1，根據(jù)相似三角形的幾何關(guān)系容易得出規(guī)則采樣法SPWM脈寬δ以及脈沖間隙時(shí)間δ’的表達(dá)

107、式為</p><p><b>　　(4-5)</b></p><p><b>　　(4-6)</b></p><p>　　式（4-5）和式（4-6）中，tD為三角載波的中心的時(shí)間值； TC為SPWM載波信號(hào)周期；M為三角載波的調(diào)制度。</p><p>　　圖4-4 SPWM脈沖信號(hào)規(guī)則采樣法生成原理

108、</p><p>　　4.2.5 工頻隔離變壓器</p><p>　　當(dāng)220V的直流電通過(guò)逆變器逆變后生成的SPWM波的大小約為140V左右，需要通過(guò)升壓使逆變輸出的電壓能夠給交流負(fù)載供電。即逆變輸出的電壓為220V的交流電。</p><p>　　首先把直流電逆變成工頻低壓交流電；再通過(guò)工頻變壓器升壓呈220V。50Hz的交流電給負(fù)載使用。它的有點(diǎn)事結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各種

109、保護(hù)功能均在較低電壓下實(shí)現(xiàn)。因其逆變電源與負(fù)載之間存有工頻變壓器，故逆變器運(yùn)行穩(wěn)定、可靠、過(guò)負(fù)荷能力和抗沖擊能力強(qiáng)，且能夠抑制波形中的高次諧波成分。</p><p>　　4.2.6 LC輸出濾波電路</p><p>　　通過(guò)變壓器變壓后的SPWM波中含有載波頻率的整數(shù)倍及其附近的諧波分量。所以需要濾波，常見(jiàn)的濾波裝置有單電感濾波，LC濾波，還有LCL濾波。單電感濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是，由于高

110、頻諧波衰減特性不夠理想，需要較大的電感量才能對(duì)諧波進(jìn)行有效衰減，或者，需要采用較高的開(kāi)關(guān)頻率來(lái)降低諧波電流，因此，單電感L濾波器通常用于小功率高開(kāi)關(guān)頻率的并網(wǎng)逆變器中。LC濾波器用場(chǎng)合在公共并網(wǎng)/獨(dú)立雙模式逆變器中，當(dāng)逆變器工作在獨(dú)立模式時(shí)，LC濾波器能有效衰減輸出電壓的高頻諧波部分，從而可以獲得理想的輸出電壓波形，當(dāng)逆變器工作于并網(wǎng)模式時(shí)，由于電網(wǎng)電壓的鉗制作用，僅濾波電感對(duì)并網(wǎng)電流起濾波作用，濾波電容相當(dāng)于本地負(fù)載。LCL濾波器對(duì)高