畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

PAGEPAGEI離網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要太陽(yáng)能光伏發(fā)電是可再生能源利用的一種重要形式。本文主要是對(duì)光伏發(fā)電控制系統(tǒng)的仿真研究。首先介紹了目前國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)的背景及其意義。接著對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行概述，介紹了它的組成和分類。本文以太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)為研究對(duì)象，先對(duì)其整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，再對(duì)蓄電池和光伏陣列容量進(jìn)行計(jì)算，最后對(duì)DC-DC變換器、DC-AC逆變器和光伏陣列進(jìn)行仿真。關(guān)鍵詞光伏電池；DC-DC變換器；逆變器；并網(wǎng)；仿真AbstractThePVgenerationsystemisasignificantmeasureinrenewableenergyutilization.Simulationonthecontrolsystemofphotovoltaicgenerationispresentedinthethesis.Firstly,introducingthepresentlyapplicationanddevelopmentsituationofphotovoltaictechnologyathomeandabroad.Secondly,Havinganoverviewofsolarphotovoltaicsystemsandintroducingitscompositionandclassification.Thirdly,researchingthreeDC-DCconverters’principle,presentingthatusingBoostDC-DCconvertertorealizeconversionandbuildingthesimulationmodelafteranalyzetheparameters.Finally,simulatingandanalyzingtheInverterbyMATLAB,theresultsshowthatthecontrolmethodandstrategyispractical.Keywords:PVcell；DC-DCconverter；Inverter；ongrid；simulation目錄摘要 IAbstract II第1章緒論 11.1課題背景及研究的意義 11.1.1能源短缺的問題 11.1.2太陽(yáng)能資源 21.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的前景 21.2.1國(guó)外太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 21.2.2我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì) 31.3本文的研究?jī)?nèi)容 4第2章太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理 52.1光電效應(yīng)概述 52.2光生伏打效應(yīng)概述及應(yīng)用 52.2.1光生伏打效應(yīng) 52.2.2光生伏打效應(yīng)應(yīng)用 52.3太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 52.4太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 62.4.1獨(dú)立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng) 62.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 72.4.3混合型光伏發(fā)電系統(tǒng) 82.5本章小結(jié) 9第3章獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 103.1負(fù)載安裝地點(diǎn)以及運(yùn)行要求 103.2獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 103.2.1整體電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 103.2.2蓄電池容量的設(shè)計(jì) 103.2.3光伏陣列的容量設(shè)計(jì) 113.3本章小結(jié) 12第4章重要部分的設(shè)計(jì) 134.1太陽(yáng)能電池方陣 134.2光伏電源充放電控制器 164.2.1控制器的功能： 164.2.2控制器的分類 164.2.3控制器的基本電路和工作原理 174.3DC-DC變換器的設(shè)計(jì) 194.3.1DC-DC變換器原理 194.3.2基于MATLAB/SIMULINK/SimPowerSystems的仿真 204.4DC-AC逆變器的設(shè)計(jì) 214.4.1逆變器的原理 214.4.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變電源的要求 224.4.3三相逆變器的仿真 23結(jié)論 25參考文獻(xiàn) 26致謝 27第1章緒論1.1課題背景及研究的意義1.1.1能源短缺的問題在人類文明的歷史長(zhǎng)河中，人類不斷地從自然界索取、探求適合生存和發(fā)展所需的各種能源，能源的利用水平折射出人類文明的進(jìn)步步伐。從原始社會(huì)開始，由地球在長(zhǎng)達(dá)50萬(wàn)年的歷史中積累下來(lái)的化石礦物能源，即常規(guī)能源(煤、石油、天然氣等)一直是人類所用能源的基礎(chǔ)。但是常規(guī)能源的儲(chǔ)量正隨著人類文明的高度發(fā)展而迅速枯竭。從資源的角度看，地球的礦物能源儲(chǔ)量是有限的，按目前消耗的速度計(jì)，石油還可供開采40年左右，天然氣約60年，煤可望達(dá)200年。全球能源消耗的年增長(zhǎng)率約為2%，近35年來(lái)世界能源消費(fèi)量已經(jīng)翻了一番。人們預(yù)計(jì)，到2025年全球能源消耗還將再增加一倍。這些都提醒人們注意到必須開發(fā)新的能源。常規(guī)能源的大量利用對(duì)人類生存環(huán)境也有著日趨嚴(yán)重的破壞作用。到20世紀(jì)末人們開始意識(shí)到：由于每年燃燒常規(guī)能源所產(chǎn)生的CO2排放量約210億噸左右，已經(jīng)使地球嚴(yán)重污染，而且目前CO2的年排放量還在呈上升趨勢(shì)。CO2造成了地球的溫室效應(yīng)，使全球氣候變暖。經(jīng)過較為準(zhǔn)確的推算，如果全球變暖1.5～4.5℃,最嚴(yán)重的后果是海平面將上升25～145cm，沿海低洼地區(qū)將被淹沒，這將嚴(yán)重影響到許多國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和政治結(jié)構(gòu)。此外，大量燃燒礦物燃料，會(huì)在大范圍內(nèi)形成酸雨，將嚴(yán)重?fù)p害森林和農(nóng)田，目前全球已有數(shù)以千計(jì)的湖泊酸性度不斷提高，并已接近魚類無(wú)法生存的地步；酸雨還損壞石造建筑、破壞古跡、腐蝕金屬結(jié)構(gòu)，甚至進(jìn)入飲用水源，釋放出潛在的毒性金屬（如鎘、鉛、汞、鋅、銅等），威脅人類健康。因此，人類文明的高度發(fā)展與生存環(huán)境的極度惡化，形成了強(qiáng)烈的反差。針對(duì)以上情況開發(fā)和使用新能源(可再生能源和無(wú)污染綠色能源)已是人類目前迫切需要解決的重要問題。雖然目前人類可利用的新能源，如太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、水能、海洋能等能源形式都是可以滿足要求的。但從能源的穩(wěn)定性、可持久性、數(shù)量、設(shè)備成本、利用條件等諸多因素考慮，太陽(yáng)能將成為最為理想的可再生能源和無(wú)污染能源。能源短缺是當(dāng)今社會(huì)中的熱點(diǎn)問題，它直接制約著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，可再生能源的利用也就成了當(dāng)今世界關(guān)注的焦點(diǎn)之一。太陽(yáng)能是各種可再生能源中最重要的基本能源，生物質(zhì)能、風(fēng)能、海洋能、水能等都來(lái)自太陽(yáng)能。廣義地說，太陽(yáng)能包含以上各種可再生能源。近年來(lái)太陽(yáng)能的利用得到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注，美國(guó)、日本、德國(guó)相繼提出了“陽(yáng)光計(jì)劃”、“節(jié)能計(jì)劃”等大力發(fā)展太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)。自“六五”以來(lái)我國(guó)政府也一直把研究開發(fā)太陽(yáng)能和可再生能源技術(shù)列入國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，大大推動(dòng)了我國(guó)太陽(yáng)能和可再生能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。同時(shí)，照明作為日常生活中不可缺少的一部分，成為了世界各國(guó)的一項(xiàng)重要的能源消耗，據(jù)統(tǒng)計(jì)照明用電占我國(guó)總發(fā)電量的10％以上，綠色節(jié)能照明的應(yīng)用越來(lái)越受到重視。1.1.2太陽(yáng)能資源太陽(yáng)能發(fā)電是個(gè)取之不盡、用之不竭的綠色能源工程。2l世紀(jì)大力發(fā)展是擺在世人面前的必然大趨勢(shì)。現(xiàn)在全球有20億人口沒有用上電，我國(guó)也還有5千萬(wàn)無(wú)電人口，其中相當(dāng)大部分處在經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，沒有電力嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展。由于居住分散、交通不便，很難通過延伸公共電網(wǎng)來(lái)解決這些地區(qū)的供電問題。這對(duì)可再生能源來(lái)說是個(gè)巨大的潛在市場(chǎng)。4s+太陽(yáng)能發(fā)電具有無(wú)比優(yōu)越特點(diǎn)：在發(fā)電過程中，不消耗地球上的資源，無(wú)任何污染，安全可靠，無(wú)嗓音，不受地域限制，無(wú)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部件故障率低，維修簡(jiǎn)單，無(wú)需遠(yuǎn)距離架設(shè)輸電線路，節(jié)省費(fèi)用，建設(shè)周期短，可以無(wú)人值守，發(fā)電規(guī)模大小可隨意，可以方便的與建筑物結(jié)合節(jié)省綜合費(fèi)用，高山，邊遠(yuǎn)地域和海洋中小島等，特殊地域布設(shè)太陽(yáng)能發(fā)電更為方便優(yōu)越。上述優(yōu)點(diǎn)正是傳統(tǒng)發(fā)電所不及的。據(jù)測(cè)算，1年內(nèi)到達(dá)地球表面的太陽(yáng)能總量是目前世界已探明儲(chǔ)量能源的一萬(wàn)多倍。我國(guó)屬于太陽(yáng)能較為豐富的國(guó)家之一，全國(guó)國(guó)土面積2/3的地區(qū)每年日照時(shí)數(shù)大于2000小時(shí)，僅陸地面積每年接受的太陽(yáng)能輻射就約等于幾個(gè)三峽工程發(fā)電量的總和。開發(fā)利用太陽(yáng)能的主要途徑是光伏發(fā)電，他具有如下優(yōu)點(diǎn)：無(wú)噪聲、無(wú)污染、能量隨處可得，不受地域限制，無(wú)需消耗燃料，可以無(wú)人值守，建設(shè)周期短，規(guī)模設(shè)計(jì)自由度大，可就地使用，容易儲(chǔ)存，還可以方便的與建筑物結(jié)合等，使用太陽(yáng)能光伏發(fā)電可以既不為核電站可能發(fā)生核泄漏而煩惱，也不用為水電站的堤壩可能在戰(zhàn)爭(zhēng)或地震中崩潰而擔(dān)憂。1.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的前景1.2.1國(guó)外太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)全球太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)在化石能源日益稀缺的背景下，各國(guó)均大力發(fā)展太陽(yáng)能利用，其中日本、歐洲國(guó)家(德國(guó))和美國(guó)等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、能源消耗大的國(guó)家起步較早，在技術(shù)和應(yīng)用上都處于領(lǐng)先地位。由于太陽(yáng)能發(fā)電成本較傳統(tǒng)能源高，因此需要政府給予政策扶持。從20世紀(jì)90年代末開始，歐美、日本等國(guó)家紛紛實(shí)行“陽(yáng)光計(jì)劃”，在太陽(yáng)能發(fā)電的價(jià)格、稅收、發(fā)展基金等方面給予較大優(yōu)惠。同時(shí)，在政府資助下，歐洲一些高水平的研究機(jī)構(gòu)也加大了太陽(yáng)能利用的研究。歐美、日本等國(guó)家還制定了長(zhǎng)期的能源發(fā)展戰(zhàn)略，對(duì)太陽(yáng)能的發(fā)展進(jìn)行了長(zhǎng)期規(guī)劃。1997年6月美國(guó)提出“百萬(wàn)太陽(yáng)能屋頂計(jì)劃”，計(jì)劃到2010年將在100萬(wàn)個(gè)屋頂或建筑物其他可能的部位安裝太陽(yáng)能系統(tǒng)，包括太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)、太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)和太陽(yáng)能空氣集熱系統(tǒng)。歐洲也于1997年左右也宣布了百萬(wàn)屋頂計(jì)劃，其中，在太陽(yáng)能利用領(lǐng)域領(lǐng)先的德國(guó)聯(lián)合政府在歐洲百萬(wàn)屋頂?shù)目蚣芟掠?998年10月提出了計(jì)劃——在6年內(nèi)安裝10萬(wàn)套太陽(yáng)能屋頂系統(tǒng)，總?cè)萘吭?00-500MV，每個(gè)屋頂約3-5KW。日本政府的計(jì)劃目標(biāo)是，到2010年安裝500MW屋頂光伏發(fā)電系統(tǒng)。

在各國(guó)政府的扶持下，世界太陽(yáng)能電池產(chǎn)量快速增長(zhǎng)，1995-2005年間，全球太陽(yáng)能電池產(chǎn)量增長(zhǎng)了17倍。2005年，全球太陽(yáng)能電池年產(chǎn)量達(dá)到了1650兆瓦，累計(jì)裝機(jī)發(fā)電容量超過5GW，其中，日本太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)到762兆瓦，增長(zhǎng)率為27%；歐洲產(chǎn)量增加48%，達(dá)到了464兆瓦；美國(guó)增加12%，達(dá)到了156兆瓦；世界其他地區(qū)增加96%，達(dá)到了274兆瓦。我們預(yù)計(jì)，2010年全球太陽(yáng)能電池的年產(chǎn)量有望達(dá)到10400兆瓦，較2005年的年產(chǎn)量增長(zhǎng)6.3倍；整個(gè)行業(yè)的銷售收入有望在2005-2010年間，從130億美元提高至450億美元，在未來(lái)5年內(nèi)增長(zhǎng)3.5倍。同時(shí)，受益于規(guī)模經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)效率和工藝水平的提高，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的成本都有望下降，行業(yè)利潤(rùn)率有望保持在較高水平上。1.2.2我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)我國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，大多數(shù)地區(qū)年平均日輻射量在每平方米4千瓦時(shí)以上，理論儲(chǔ)量達(dá)每年1.7萬(wàn)億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽(yáng)能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。從全國(guó)太陽(yáng)年輻射總量的分布來(lái)看，青藏高原和西北地區(qū)、華北地區(qū)、東北大部以及云南、廣東、海南等部分低緯度地帶均為太陽(yáng)能資源豐富或較豐富的地區(qū)。

我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用空間也非常廣闊。第一，我國(guó)有荒漠面積100余萬(wàn)平方公里，主要分布在光照資源豐富的西北地區(qū)，如果利用荒漠安裝并網(wǎng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)則可以提供非?？捎^的電量。第二，太陽(yáng)電池組件不僅可以作為能源設(shè)備，還可作為屋面和墻面材料，既供電節(jié)能，又節(jié)省了建材，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。第三，迄今我國(guó)邊遠(yuǎn)地區(qū)仍有較多居民尚未用電，如果單純依靠架設(shè)電網(wǎng)供電，則成本高，建設(shè)周期長(zhǎng)，不經(jīng)濟(jì)。太陽(yáng)能發(fā)電無(wú)需架設(shè)輸電線路，且建設(shè)周期短，可以有效解決邊遠(yuǎn)地區(qū)用電的難題。

我國(guó)政府對(duì)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)也給予了充分的扶持。2006年1月，《中華人民共和國(guó)可再生能源法》正式實(shí)施，此法在資源調(diào)查與發(fā)展規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)指導(dǎo)與技術(shù)支持、推廣與應(yīng)用、價(jià)格管理與費(fèi)用分?jǐn)偂⒔?jīng)濟(jì)激勵(lì)與監(jiān)督措施、法律責(zé)任等方面做出了規(guī)定。隨后，國(guó)家又陸續(xù)出臺(tái)了《可再生能源發(fā)展專項(xiàng)資金管理暫行辦法》、《可再生能源建筑應(yīng)用專項(xiàng)資金管理暫行辦法》等支持可再生能源發(fā)展的實(shí)施細(xì)則，使國(guó)家在可再生能源領(lǐng)域方面的扶持政策日趨明朗化。這一系列法律、政策無(wú)疑有力的支持了我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

近20年來(lái)，我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)長(zhǎng)期維持在全球市場(chǎng)1%左右的份額。2005年后，產(chǎn)業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，無(wú)錫尚德、天威英利、新光硅業(yè)、賽維LDK、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司紛紛進(jìn)入成長(zhǎng)期，生產(chǎn)規(guī)模不斷擴(kuò)大，技術(shù)水平不斷提高，企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力不斷增強(qiáng)。而且，浙江、保定、四川等地的公司已經(jīng)開始多晶硅太陽(yáng)電池的生產(chǎn)或試車，市場(chǎng)上形成了單晶硅和多晶硅兩種主打電池產(chǎn)品的局面。目前，我國(guó)非多晶硅薄膜電池產(chǎn)業(yè)也展現(xiàn)出迅猛發(fā)展的勢(shì)頭，很多國(guó)內(nèi)公司通過與國(guó)外公司的合作已經(jīng)開始進(jìn)行或計(jì)劃進(jìn)行非多晶硅薄膜電池項(xiàng)目的投資。1.3本文的研究?jī)?nèi)容根據(jù)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的安裝地點(diǎn)：東北電力大學(xué)第一教學(xué)樓（樓頂）；負(fù)載情況：：三相異步電動(dòng)機(jī)一臺(tái)（380V/5kw，白天工作）、220V照明（共2kw，晚上工作）、直流負(fù)載（200V，2kw，白天工作）；運(yùn)行要求：異步電動(dòng)機(jī)每天平均工作3小時(shí)，照明工作4小時(shí)，直流負(fù)載工作3小時(shí)，遇陰雨天氣，能夠連續(xù)運(yùn)行1天設(shè)計(jì)一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。第2章太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)原理光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(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)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)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)電系統(tǒng)裝置。2.1光電效應(yīng)概述光照射到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化，也就是光能量轉(zhuǎn)換成電能。這類光致電變的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）。2.2光生伏打效應(yīng)概述及應(yīng)用2.2.1光生伏打效應(yīng)是指物體由于吸收光子而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，是當(dāng)物體受光照時(shí)，物體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)和電流的一種效應(yīng)。2.2.2光生伏打效應(yīng)應(yīng)用光生伏打效應(yīng)主要是應(yīng)用在半導(dǎo)體的PN結(jié)上，把輻射能轉(zhuǎn)換成電能。大量研究集中在太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率上。理論預(yù)期的效率為24％。由于半導(dǎo)體PN結(jié)器件在陽(yáng)光下的光電轉(zhuǎn)換效率最高，所以通常把這類光伏器件稱為太陽(yáng)能電池，也稱光電池或太陽(yáng)電池。2.3太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組、太陽(yáng)能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220V或110V，還需要配置逆變器。各部分的作用為：(1)太陽(yáng)能電池板太陽(yáng)能電池板(圖4所示)是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。其作用是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽(yáng)能電池板的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。(2)太陽(yáng)能控制器太陽(yáng)能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過充電保護(hù)、過放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時(shí)控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。(3)蓄電池一般為鉛酸電池，一般有12V和24V這兩種，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽(yáng)能電池板所發(fā)出的電能儲(chǔ)存起來(lái)，到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。(4)逆變器在很多場(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。在某些場(chǎng)合，需要使用多種電壓的負(fù)載時(shí)，也要用到DC-DC逆變器，如將24VDC的電能轉(zhuǎn)換成5VDC的電能（注意，不是簡(jiǎn)單的降壓）。2.4太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類目前，電力系統(tǒng)是以大容量集中發(fā)電，高壓輸電和大電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的方式進(jìn)行電能的生產(chǎn)、輸送和分配，全世界90%的電力都是由這種集中單一的大電網(wǎng)提供的。近年來(lái)以可再生能源為主的分布式發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比克服了大電網(wǎng)系統(tǒng)的一些弱點(diǎn)，并以其環(huán)保性能與大電網(wǎng)形成了良好的互補(bǔ)性，成為世界能源系統(tǒng)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。根據(jù)不同場(chǎng)合的需要，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)一般分為獨(dú)立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)、混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)三種。2.4.1獨(dú)立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)所謂獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)，就是不與電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)。由于獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)能是唯一的能量來(lái)源，為了保證系統(tǒng)的正常工作，系統(tǒng)中必定存在一個(gè)儲(chǔ)能環(huán)節(jié)來(lái)儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)能量。獨(dú)立供電的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2-1所示。整個(gè)獨(dú)立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、蓄電池、控制器、逆變器組成。太陽(yáng)能電池板作為系統(tǒng)中的核心部分，其作用是將太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換為直流形式的電能，一般只在白天有太陽(yáng)光照的情況下輸出能量。根據(jù)負(fù)載的需要，系統(tǒng)一般選用鉛酸蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，當(dāng)發(fā)電量大于負(fù)載時(shí)，太陽(yáng)能電池通過充電器對(duì)蓄電池充電;當(dāng)發(fā)電量不足時(shí)，太陽(yáng)能電池和蓄電池同時(shí)對(duì)負(fù)載供電?？刂破饕彩枪夥l(fā)電系統(tǒng)的核心部件之一，包括光伏電池陣列輸出電壓和輸出電流的檢測(cè)、蓄電池的充電和放電管理、系統(tǒng)設(shè)備的保護(hù)、故障診斷定位和運(yùn)行狀態(tài)指示等。由于整個(gè)系統(tǒng)中加入了蓄電池環(huán)節(jié)，所以獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以有效的調(diào)節(jié)能量，但是系統(tǒng)的成本增加，可靠性略微降低。圖2-1獨(dú)立運(yùn)行的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.4.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)指的是，先把光伏電池陣列輸出的直流進(jìn)行最大功率跟蹤，再將電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同幅值、同頻率的交流電，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)相連的系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖2-2所示。光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)連接，其中逆變器起很重要的作用，要求具有與電網(wǎng)連接的功能。目前常用的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有兩種結(jié)構(gòu)形式，其不同之處在于是否帶有蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)中逆變器配有主開關(guān)和重要負(fù)載開關(guān)，使得系統(tǒng)具有不間斷電源的作用，這對(duì)于一些重要負(fù)荷甚至某些家庭用戶來(lái)說具有重要意義。此外，該系統(tǒng)還可以充當(dāng)功率調(diào)節(jié)器的作用，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、抵消有害的高次諧波分量從而提高電能質(zhì)量。不帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能，當(dāng)主電網(wǎng)斷電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止向電網(wǎng)供電。當(dāng)有日照照射、光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的交流電能超過負(fù)載所需時(shí)，多余的部分將送往電網(wǎng);夜間當(dāng)負(fù)載所需電能超過光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能時(shí)，電網(wǎng)自動(dòng)向負(fù)載補(bǔ)充電能。與獨(dú)立運(yùn)行的太陽(yáng)能光伏電站相比，并入大電網(wǎng)可以給太陽(yáng)能光伏發(fā)電帶來(lái)諸多好處:(1)不必考慮負(fù)載供電的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量的問題。(2)光伏電池可以始終工作在最大功率點(diǎn)處，由大電網(wǎng)來(lái)接納太陽(yáng)能所發(fā)的全部電能，提高了太陽(yáng)能發(fā)電的效率。(3)因?yàn)橹苯訉㈦娔茌斎?，可以充分利用光伏陣列所發(fā)的電力。省略了作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的蓄電池，降低了蓄電池充放電的能量損耗，免除了對(duì)蓄電池的維護(hù)，以及由其帶來(lái)的間接污染，降低了系統(tǒng)的成本。(4)并網(wǎng)光伏系統(tǒng)可以對(duì)公用電網(wǎng)起到調(diào)峰作用。但目前光伏發(fā)電系統(tǒng)也存在幾大問題:光伏陣列發(fā)電效率低；系統(tǒng)的造價(jià)成本高；發(fā)電運(yùn)行受氣候環(huán)境因素影響大。同時(shí)并網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)作為一種分布式發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)傳統(tǒng)的集中供電系統(tǒng)的電網(wǎng)會(huì)產(chǎn)生不良的影響，如諧波污染、孤島效應(yīng)等。圖2-2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.4.3混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)圖2-3為混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)，它區(qū)別于以上兩個(gè)系統(tǒng)之處是增加了一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)組，當(dāng)光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池儲(chǔ)量不足時(shí)，可以啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組，它既可以直接給交流負(fù)載供電，又可以經(jīng)整流器后給蓄電池充電，所以稱為混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。圖2-3混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.5本章小結(jié)本章主要介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的各個(gè)組成部分，包括太陽(yáng)能電池板，蓄電池，蓄電池充電器，逆變器。分析了獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)混合發(fā)電系統(tǒng)做了簡(jiǎn)要的分析和介紹，由于獨(dú)立的光伏發(fā)電在我國(guó)西部仍然是主要的發(fā)電方式，在市場(chǎng)中占有很大比重，因此本文將著重介紹獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)。第3章獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1負(fù)載安裝地點(diǎn)以及運(yùn)行要求安裝地點(diǎn)：東北電力大學(xué)第一教學(xué)樓（樓頂）負(fù)載情況：三相異步電動(dòng)機(jī)一臺(tái)（380V/5kw，白天工作）、220V照明（共2kw，晚上工作）、直流負(fù)載（200V，2kw，白天工作）運(yùn)行要求：異步電動(dòng)機(jī)每天平均工作3小時(shí)，照明工作4小時(shí)，直流負(fù)載工作3小時(shí)，遇陰雨天氣，能夠連續(xù)運(yùn)行1天3.2獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.2.1整體電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)整個(gè)電路有如下幾個(gè)部分：光伏電池陣列、蓄電池、DC-DC電路、DC-AC電路、負(fù)荷。如圖3-1。圖3-1整體電路結(jié)構(gòu)控制器：白天給發(fā)電機(jī)供電接三相交流電，晚上切換到兩相給電燈供電，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。充放電控制器：陰雨天放電，正常天氣充電。3.2.2蓄電池容量的設(shè)計(jì)(1)蓄電池選擇NP65-12，浮充電壓為1.2V。(2)蓄電池容量Be(AH)計(jì)算蓄電池的容量由下列公式(3)計(jì)算決定Be=(PL*24*D)/(Kb*V)符號(hào)含義D:連續(xù)不日照天數(shù)(一般在3至7天)Kb:安全系數(shù)(放電深度(一般為70%),逆變器效率(根據(jù)廠家數(shù)據(jù)),線損(一般為5%)等)V:系統(tǒng)電壓(V)PL：負(fù)荷的消費(fèi)電力PL=（2*4+5*4）/（4+4）=3.5kwhBe=(PL*24*D)/(Kb*V)=（3.5*24*1）、（0.8*324）=324Ah3.2.3光伏陣列的容量設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池采用38D97x400型組件，組件的標(biāo)準(zhǔn)功率為38w，工作電壓為17.1v，工作電流為2.22A，安裝地水平面上接收的平均日輻射量為13572（KJ/m2），Kop值為1.1548,最佳傾角44.9o。太陽(yáng)能電池組組件串聯(lián)數(shù)NsNs=Ur/Uoc=(Uf+Ud+Uc)/Uoc=(324+0.7+1.2)/17.1=19Ur:太陽(yáng)能電池方陣輸出最小電壓；Uoc:太陽(yáng)能電池組件的最佳工作電壓；Uf：蓄電池組浮充電壓；Ud：二極管壓降，一般取0.7；Uc：其他因素引起的壓降。太陽(yáng)能電池組件日發(fā)電量QpQp=IocTKopCz=2.22x3.77x1.1548x0.8=7.732AhT=Ht*2.778/10000=3.77式中：Ioc：太陽(yáng)能電池組件最佳工作電流；T:：等效峰值太陽(yáng)小時(shí)數(shù)Kop：斜面修正系數(shù)，參考表7-5Cz：修正系數(shù)，主要為組合、衰減、灰塵、充電效率等的損失，一般取0.8兩組最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天之間的最短間隔天數(shù)Nw，主要考慮要在此段時(shí)間內(nèi)將虧損的蓄電池電量補(bǔ)充起來(lái)，需補(bǔ)充的蓄電池容量Bcb為：Bcb=AQLNL=1.2x66.7x1=80.04AhQl=2/220*4+5/（3*220）*4=66.7Ah式中：A：安全系數(shù)，取1.1-1.4之間Ql：負(fù)載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時(shí)數(shù)Nl：最長(zhǎng)連續(xù)陰雨天數(shù)4.太陽(yáng)能電池組件并聯(lián)數(shù)Np的計(jì)算方法計(jì)算方法如下：Np=(Bcb+NwQl)/QpNw*n*Fc=(80.04+7*66.7)/(7.732*7)=10.10≈12n：蓄電池充電效率的溫度修正系數(shù)，蓄電池充電效率受到環(huán)境環(huán)境溫度的影響，修正系數(shù)見表7-6Fc：太陽(yáng)能電池組件表面灰塵、贓物等其他因素引起的損失的總修正系數(shù)（通常取1.05）太陽(yáng)能電池方陣的功率計(jì)算P=PoNsNp=38*19*12=8.664kwPo：太陽(yáng)能電池組件的額定功率。綜上，太陽(yáng)能電池功率為8.664kw，蓄電池容量為324Ah。3.3本章小結(jié)綜上，蓄電池選擇NP65-12，浮充電壓為1.2V。太陽(yáng)電池采用38D97x400型組件，組件的標(biāo)準(zhǔn)功率為38w，工作電壓為17.1v，工作電流為2.22A，安裝地水平面上接收的平均日輻射量為13572（KJ/m2），Kop值為1.1548,最佳傾角44.9o。太陽(yáng)能電池功率為8.664kw，蓄電池容量為324Ah。第4章重要部分的設(shè)計(jì)4.1太陽(yáng)能電池方陣太陽(yáng)能電池單體是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，尺寸一般為4cm2到100cm2不等。太陽(yáng)能電池單體的工作電壓約為0.5V,工作電流約為20－25mA/cm2,一般不能單獨(dú)作為電源使用。將太陽(yáng)能電池單體進(jìn)行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽(yáng)能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元。太陽(yáng)能電池組件再經(jīng)過串并聯(lián)組合安裝在支架上，就構(gòu)成了太陽(yáng)能電池方陣，可以滿足負(fù)載所要求的輸出功率(見圖4－1)。（1）硅太陽(yáng)能電池單體常用的太陽(yáng)能電池主要是硅太陽(yáng)能電池。晶體硅太陽(yáng)能電池由一個(gè)晶體硅片組成，在晶體硅片的上表面緊密排列著金屬柵線，下表面是金屬層。硅片本身是P型硅，表面擴(kuò)散層是N區(qū)，在這兩個(gè)區(qū)的連接處就是所謂的PN結(jié)。PN結(jié)形成一個(gè)電場(chǎng)。太陽(yáng)能電池的頂部被一層抗反射膜所覆蓋，以便減少太陽(yáng)能的反射損失。圖4-1太陽(yáng)能電池單體、組件和方陣太陽(yáng)能電池的工作原理如下：光是由光子組成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波長(zhǎng)決定，光被晶體硅吸收后，在PN結(jié)中產(chǎn)生一對(duì)對(duì)正負(fù)電荷，由于在PN結(jié)區(qū)域的正負(fù)電荷被分離，因而可以產(chǎn)生一個(gè)外電流場(chǎng)，電流從晶體硅片電池的底端經(jīng)過負(fù)載流至電池的頂端。這就是“光生伏打效應(yīng)”。將一個(gè)負(fù)載連接在太陽(yáng)能電池的上下兩表面間時(shí)，將有電流流過該負(fù)載，于是太陽(yáng)能電池就產(chǎn)生了電流；太陽(yáng)能電池吸收的光子越多，產(chǎn)生的電流也就越大。光子的能量由波長(zhǎng)決定，低于基能能量的光子不能產(chǎn)生自由電子，一個(gè)高于基能能量的光子將僅產(chǎn)生一個(gè)自由電子，多余的能量將使電池發(fā)熱，伴隨電能損失的影響將使太陽(yáng)能電池的效率下降。（2）硅太陽(yáng)能電池種類目前世界上有3種已經(jīng)商品化的硅太陽(yáng)能電池：?jiǎn)尉Ч杼?yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池和非晶硅太陽(yáng)能電池。對(duì)于單晶硅太陽(yáng)能電池，由于所使用的單晶硅材料與半導(dǎo)體工業(yè)所使用的材料具有相同的品質(zhì)，使單晶硅的使用成本比較昂貴。多晶硅太陽(yáng)能電池的晶體方向的無(wú)規(guī)則性，意味著正負(fù)電荷對(duì)并不能全部被PN結(jié)電場(chǎng)所分離，因?yàn)殡姾蓪?duì)在晶體與晶體之間的邊界上可能由于晶體的不規(guī)則而損失，所以多晶硅太陽(yáng)能電池的效率一般要比單晶硅太陽(yáng)能電池低。多晶硅太陽(yáng)能電池用鑄造的方法生產(chǎn)，所以它的成本比單晶硅太陽(yáng)能電池低。非晶硅太陽(yáng)能電池屬于薄膜電池，造價(jià)低廉，但光電轉(zhuǎn)換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅太陽(yáng)能電池，目前多數(shù)用于弱光性電源，如手表、計(jì)算器等。一般產(chǎn)品化單晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為13――15%產(chǎn)品化多晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為11――13%產(chǎn)品化非晶硅太陽(yáng)電池的光電轉(zhuǎn)換效率為5――8%（3）太陽(yáng)能電池組件一個(gè)太陽(yáng)能電池只能產(chǎn)生大約0.5V電壓，遠(yuǎn)低于實(shí)際應(yīng)用所需要的電壓。為了滿足實(shí)際應(yīng)用的需要，需把太陽(yáng)能電池連接成組件。太陽(yáng)能電池組件包含一定數(shù)量的太陽(yáng)能電池，這些太陽(yáng)能電池通過導(dǎo)線連接。一個(gè)組件上，太陽(yáng)能電池的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量是36片（10cm×10cm），這意味著一個(gè)太陽(yáng)能電池組件大約能產(chǎn)生17V的電壓，正好能為一個(gè)額定電壓為12V的蓄電池進(jìn)行有效充電。通過導(dǎo)線連接的太陽(yáng)能電池被密封成的物理單元被稱為太陽(yáng)能電池組件，具有一定的防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能力，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域和系統(tǒng)。當(dāng)應(yīng)用領(lǐng)域需要較高的電壓和電流而單個(gè)組件不能滿足要求時(shí)，可把多個(gè)組件組成太陽(yáng)能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。太陽(yáng)能電池的可靠性在很大程度上取決于其防腐、防風(fēng)、防雹、防雨等的能力。其潛在的質(zhì)量問題是邊沿的密封以及組件背面的接線盒。這種組件的前面是玻璃板，背面是一層合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太陽(yáng)能電池也是被鑲嵌在一層聚合物中。在這種太陽(yáng)能電池組件中，電池與接線盒之間可直接用導(dǎo)線連接。組件的電氣特性主要是指電流－電壓輸出特性，也稱為Ⅴ－Ⅰ特性曲線，如圖1－3所示。Ⅴ－Ⅰ特性曲線可根據(jù)圖1－3所示的電路裝置進(jìn)行測(cè)量。Ⅴ－Ⅰ特性曲線顯示了通過太陽(yáng)能電池組件傳送的電流Im與電壓Vm在特定的太陽(yáng)輻照度下的關(guān)系。如果太陽(yáng)能電池組件電路短路即V＝0，此時(shí)的電流稱為短路電流Isc；如果電路開路即I＝0，此時(shí)的電壓稱為開路電壓Voc。太陽(yáng)能電池組件的輸出功率等于流經(jīng)該組件的電流與電壓的乘積，即P＝VI。I:電流Isc:短路電流Im:最大工作電流V:電壓Voc:開路電壓Vm:最大工作電壓圖4-2太陽(yáng)能電池的電流－電壓特性曲線當(dāng)太陽(yáng)能電池組件的電壓上升時(shí)，例如通過增加負(fù)載的電阻值或組件的電壓從零（短路條件下）開始增加時(shí)，組件的輸出功率亦從0開始增加；當(dāng)電壓達(dá)到一定值時(shí)，功率可達(dá)到最大，這時(shí)當(dāng)阻值繼續(xù)增加時(shí)，功率將躍過最大點(diǎn)，并逐漸減少至零，即電壓達(dá)到開路電壓Voc。太陽(yáng)能電池的內(nèi)阻呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的非線性。在組件的輸出功率達(dá)到最大點(diǎn)，稱為最大功率點(diǎn)；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓，稱為最大功率點(diǎn)電壓Vm（又稱為最大工作電壓）；該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流，稱為最大功率點(diǎn)電流Im（又稱為最大工作電流）；該點(diǎn)的功率，稱為最大功率Pm。隨著太陽(yáng)能電池溫度的增加，開路電壓減少，大約每升高1C每片電池的電壓減少5mV，相當(dāng)于在最大功率點(diǎn)的典型溫度系數(shù)為－0.4%/C。也就是說，如果太陽(yáng)能電池溫度每升高1C，則最大功率減少0.4%。所以，太陽(yáng)直射的夏天，盡管太陽(yáng)輻射量比較大，如果通風(fēng)不好，導(dǎo)致太陽(yáng)電池溫升過高，也可能不會(huì)輸出很大功率。由于太陽(yáng)能電池組件的輸出功率取決于太陽(yáng)輻照度、太陽(yáng)能光譜的分布和太陽(yáng)能電池的溫度，因此太陽(yáng)能電池組件的測(cè)量在標(biāo)準(zhǔn)條件下（STC）進(jìn)行，測(cè)量條件被歐洲委員會(huì)定義為101號(hào)標(biāo)準(zhǔn)，其條件是：光譜輻照度 1000W/m2大氣質(zhì)量系數(shù) AM1.5太陽(yáng)電池溫度 25℃在該條件下，太陽(yáng)能電池組件所輸出的最大功率被稱為峰值功率，表示為Wp(peakwatt)。在很多情況下，組件的峰值功率通常用太陽(yáng)模擬儀測(cè)定并和國(guó)際認(rèn)證機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化的太陽(yáng)能電池進(jìn)行比較。通過戶外測(cè)量太陽(yáng)能電池組件的峰值功率是很困難的，因?yàn)樘?yáng)能電池組件所接受到的太陽(yáng)光的實(shí)際光譜取決于大氣條件及太陽(yáng)的位置；此外，在測(cè)量的過程中，太陽(yáng)能電池的溫度也是不斷變化的。在戶外測(cè)量的誤差很容易達(dá)到10％或更大。如果太陽(yáng)電池組件被其它物體(如鳥糞、樹蔭等)長(zhǎng)時(shí)間遮擋時(shí)，被遮擋的太陽(yáng)能電池組件此時(shí)將會(huì)嚴(yán)重發(fā)熱，這就是“熱斑效應(yīng)”。這種效應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能電池會(huì)造成很嚴(yán)重地破壞作用。有光照的電池所產(chǎn)生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的電池所消耗。為了防止太陽(yáng)能電池由于熱班效應(yīng)而被破壞，需要在太陽(yáng)能電池組件的正負(fù)極間并聯(lián)一個(gè)旁通二極管，以避免光照組件所產(chǎn)生的能量被遮蔽的組件所消耗。連接盒是一個(gè)很重要的元件：它保護(hù)電池與外界的交界面及各組件內(nèi)部連接的導(dǎo)線和其他系統(tǒng)元件。它包含一個(gè)接線盒和1只或2只旁通二極管。4.2光伏電源充放電控制器4.2.1控制器的功能：（1）高壓（HVD）斷開和恢復(fù)功能：控制器應(yīng)具有輸入高壓斷開和恢復(fù)連接的功能。（2）欠壓（LVG）告警和恢復(fù)功能：當(dāng)蓄電池電壓降到欠壓告警點(diǎn)時(shí)，控制器應(yīng)能自動(dòng)發(fā)出聲光告警信號(hào)。（3）低壓（LVD）斷開和恢復(fù)功能：這種功能可防止蓄電池過放電。通過一種繼電器或電子開關(guān)連結(jié)負(fù)載，可在某給定低壓點(diǎn)自動(dòng)切斷負(fù)載。當(dāng)電壓升到安全運(yùn)行范圍時(shí)，負(fù)載將自動(dòng)重新接入或要求手動(dòng)重新接入。有時(shí)，采用低壓報(bào)警代替自動(dòng)切斷。（4）保護(hù)功能：①防止任何負(fù)載短路的電路保護(hù)。②防止充電控制器內(nèi)部短路的電路保護(hù)。③防止夜間蓄電池通過太陽(yáng)電池組件反向放電保護(hù)。④防止負(fù)載、太陽(yáng)電池組件或蓄電池極性反接的電路保護(hù)。⑤在多雷區(qū)防止由于雷擊引起的擊穿保護(hù)。（5）溫度補(bǔ)償功能：當(dāng)蓄電池溫度低于２５℃時(shí)，蓄電池應(yīng)要求較高的充電電壓，以便完成充電過程。相反，高于該溫度蓄電池要求充電電壓較低。4.2.2控制器的分類光伏充電控制器基本上可分為五種類型：并聯(lián)型、串聯(lián)型、脈寬調(diào)制型、智能型和最大功率跟蹤型。（1）并聯(lián)型控制器：當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，利用電子部件把光伏陣列的輸出分流到內(nèi)部并聯(lián)電阻器或功率模塊上去，然后以熱的形式消耗掉。因?yàn)檫@種方式消耗熱能，所以一般用于小型、低功率系統(tǒng)，例如電壓在１２伏、２０安以內(nèi)的系統(tǒng)。這類控制器很可靠，沒有如繼電器之類的機(jī)械部件。（2）串聯(lián)型控制器：利用機(jī)械繼電器控制充電過程，并在夜間切斷光伏陣列。它一般用于較高功率系統(tǒng)，繼電器的容量決定充電控制器的功率等級(jí)。比較容易制造連續(xù)通電電流在４５安以上的串聯(lián)控制器。（3）脈寬調(diào)制型控制器：它以PWM脈沖方式開關(guān)光伏陣列的輸入。當(dāng)蓄電池趨向充滿時(shí)，脈沖的頻率和時(shí)間縮短。按照美國(guó)桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究，這種充電過程形成較完整的充電狀態(tài)，它能增加光伏系統(tǒng)中蓄電池的總循環(huán)壽命。（4）智能型控制器：采用帶CPU的單片機(jī)（如Intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）對(duì)光伏電源系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)采集，并按照一定的控制規(guī)律由軟件程序?qū)温坊蚨嗦饭夥嚵羞M(jìn)行切離/接通控制。對(duì)中、大型光伏電源系統(tǒng)，還可通過單片機(jī)的RS232接口配合MODEM調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制。（5）最大功率跟蹤型控制器：將太陽(yáng)電池的電壓U和電流I檢測(cè)后相乘得到功率P，然后判斷太陽(yáng)電池此時(shí)的輸出功率是否達(dá)到最大，若不在最大功率點(diǎn)運(yùn)行，則調(diào)整脈寬，調(diào)制輸出占空比D，改變充電電流，再次進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，并作出是否改變占空比的判斷，通過這樣尋優(yōu)過程可保證太陽(yáng)電池始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，以充分利用太陽(yáng)電池方陣的輸出能量。同時(shí)采用PWM調(diào)制方式，使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化，提高充電效率。4.2.3控制器的基本電路和工作原理（1）單路并聯(lián)型充放電控制器：圖4-3單路并聯(lián)型充放電控制器并聯(lián)型充放電控制器充電回路中的開關(guān)器件T1是并聯(lián)在太陽(yáng)電池方陣的輸出端，當(dāng)蓄電池電壓大于“充滿切離電壓”時(shí)，開關(guān)器件T1導(dǎo)通，同時(shí)二極管D1截止，則太陽(yáng)電池方陣的輸出電流直接通過T1短路泄放，不再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，從而保證蓄電池不會(huì)出現(xiàn)過充電，起到“過充電保護(hù)”作用。D1為防“反充電二極管”，只有當(dāng)太陽(yáng)電池方陣輸出電壓大于蓄電池電壓時(shí)，D1才能導(dǎo)通，反之D1截止，從而保證夜晚或陰雨天氣時(shí)不會(huì)出現(xiàn)蓄電池向太陽(yáng)電池方陣反向充電，起到“放反向充電保護(hù)”作用。開關(guān)器件T2為蓄電池放電開關(guān)，當(dāng)負(fù)載電流大于額定電流出現(xiàn)過載或負(fù)載短路時(shí)，T2關(guān)斷，起到“輸出過載保護(hù)”和“輸出短路保護(hù)”作用。同時(shí)，當(dāng)蓄電池電壓小于“過放電壓”時(shí)，T2也關(guān)斷，進(jìn)行“過放電保護(hù)”。D2為“防反接二極管”，當(dāng)蓄電池極性接反時(shí)，D2導(dǎo)通使蓄電池通過D2短路放電，產(chǎn)生很大電流快速將保險(xiǎn)絲BX燒斷，起到“防蓄電池反接保護(hù)”作用。檢測(cè)控制電路隨時(shí)對(duì)蓄電池電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電壓大于“充滿切離電壓”時(shí)使T1導(dǎo)通進(jìn)行“過充電保護(hù)”；當(dāng)電壓小于“過放電壓”時(shí)使T2關(guān)斷進(jìn)行“過放電保護(hù)”。（2）串聯(lián)型充放電控制器：串聯(lián)型充放電控制器和并聯(lián)型充放電控制器電路結(jié)構(gòu)相似，唯一區(qū)別在于開關(guān)器件T1的接法不同，并聯(lián)型T1并聯(lián)在太陽(yáng)電池方陣輸出端，而串聯(lián)型T1是串聯(lián)在充電回路中。當(dāng)蓄電池電壓大于“充滿切離電壓”時(shí)，T1關(guān)斷，使太陽(yáng)電池不再對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，起到“過充電保護(hù)”作用。其它元件的作用和串聯(lián)型充放電控制器相同，不再贅述。圖4-4單路并聯(lián)型充放電控制器（3）檢測(cè)控制電路的組成和工作原理：圖4-5單路并聯(lián)型充放電控制器檢測(cè)控制電路包括過壓檢測(cè)控制和欠壓檢測(cè)控制兩部分。檢測(cè)控制電路是由帶回差控制的運(yùn)算放大器組成。A1為過壓檢測(cè)控制電路，A1的同相輸入端由W1提供對(duì)應(yīng)“過壓切離”的基準(zhǔn)電壓，而反相輸入端接被測(cè)蓄電池，當(dāng)蓄電池電壓大于“過壓切離電壓”時(shí)，A1輸出端G1為低電平，關(guān)斷開關(guān)器件T1，切斷充電回路，起到過壓保護(hù)作用。當(dāng)過壓保護(hù)后蓄電池電壓又下降至小于“過壓恢復(fù)電壓”時(shí)，A1的反相輸入電位小于同相輸入電位，則其輸出端G1由低電平跳變至高電平，開關(guān)器件T1由關(guān)斷變導(dǎo)通，重新接通充電回路?！斑^壓切離門限”和“過壓恢復(fù)門限”由W1和R1配合調(diào)整。A2為欠壓檢測(cè)控制電路，其反相端接由W2提供的欠壓基準(zhǔn)電壓，同相端接蓄電池電壓（和過壓檢測(cè)控制電路相反），當(dāng)蓄電池電壓小于“欠壓門限電平”時(shí)，A2輸出端G2為低電平，開關(guān)器件T2關(guān)斷，切斷控制器的輸出回路，實(shí)現(xiàn)“欠壓保護(hù)”。欠壓保護(hù)后，隨著電池電壓的升高，當(dāng)電壓又高于“欠壓恢復(fù)門限”時(shí)，開關(guān)器件T2重新導(dǎo)通，恢復(fù)對(duì)負(fù)載供電?！扒穳罕Ｗo(hù)門限”和“欠壓恢復(fù)門限”由W2和R2配合調(diào)整。4.3DC-DC變換器的設(shè)計(jì)4.3.1DC-DC變換器原理DC-DC變換器，亦稱為直流斬波器。將一種幅值的直流電壓變換成另一幅值固定或大小可調(diào)的直流電壓的過程稱為直流-直流電壓變換。它的基本原理是通過對(duì)電力電子器件的通斷控制，將直流電壓斷續(xù)地加到負(fù)載上，通過改變占空比D來(lái)改變輸出電壓的平均值。它是一種開關(guān)型DC-DC變換電路，俗稱斬波器（Chopper）。DC-DC變換器可以分為很多種，按照調(diào)制形式可分為脈沖寬度調(diào)制（PWM）、脈沖頻率調(diào)制（PFM）、混合調(diào)制。按照變換電路的功能可分為降壓式直流-直流變換（BuckConverter）、升壓式直流-直流變換器（BoostConverter）、升壓-降壓復(fù)合型直流-直流變換器（Boost-BuckConverter）、庫(kù)克直流-直流變換（CukConverter）、全橋式直流-直流變換（FullBridgeConverter）。按輸入直流電源和負(fù)載交換能量的形式又可分為單象限直流斬波器、二象限直流斬波器。以下簡(jiǎn)單以升壓電路為例：升壓式DC/DC變換器主要用于輸出電流較小的場(chǎng)合，只要采用1~2節(jié)電池便可獲得3~12V工作電壓，工作電流可達(dá)幾十毫安至幾百毫安，其轉(zhuǎn)換效率可達(dá)70%-80%。升壓式DC/DC變換器的基本工作原理如圖4-6所示。圖4-6升壓式DC/DC變換器電路中的VT為開關(guān)管，當(dāng)脈沖振蕩器對(duì)雙穩(wěn)態(tài)電路置位(即Q端為1)時(shí)，VT導(dǎo)通，電感VT中流過電流并儲(chǔ)存能量，直到電感電流在RS上的壓降等于比較器設(shè)定的閩值電壓時(shí)，雙穩(wěn)態(tài)電路復(fù)位，即Q端為0。此時(shí)VT截止，電感LT中儲(chǔ)存的能量通過一極管VD1供給負(fù)載，同時(shí)對(duì)C進(jìn)行充電。當(dāng)負(fù)載電壓要跌落時(shí)，電容C放電，這時(shí)輸出端可獲得高于輸大端的穩(wěn)定電壓。輸出的電壓由分壓器R1和R2分壓后輸入誤差放大器，并與基準(zhǔn)電壓一起去控制脈沖寬度，由此而獲得所需要的電壓，即V0=VR*(R1/R2+1)式中:VR——基準(zhǔn)電壓。降壓式DC/DC變換器的輸出電流較大，多為數(shù)百毫安至幾安，因此適用于輸出電流較大的場(chǎng)合。降壓式DC/DC變換器基本工作原理電路如圖所示。VT1為開關(guān)管，當(dāng)VT1導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓Vi通過電感L1向負(fù)載RL供電，與此同時(shí)也向電容C2充電。在這個(gè)過程中，電容C2及電感L1中儲(chǔ)存能量。當(dāng)VT1截止時(shí)，由儲(chǔ)存在電感L1中的能量繼續(xù)向RL供電，當(dāng)輸出電壓要下降時(shí)，電容C2中的能量也向RL放電，維持輸出電壓不變。二極管VD1為續(xù)流二極管，以便構(gòu)成電路回路。輸出的電壓Vo經(jīng)R1和R2組成的分壓器分壓，把輸出電壓的信號(hào)反饋至控制電路，由控制電路來(lái)控制開關(guān)管的導(dǎo)通及截止時(shí)間，使輸出電壓保持不變。4.3.2基于MATLAB/SIMULINK/SimPowerSystems的仿真運(yùn)用SIMULINK中的SimPowerSystems工具箱可以根據(jù)實(shí)際電路進(jìn)行建模和仿真，給使用者帶來(lái)了極大的方便。圖4-7MATLAB的BoostDC/DC變換器仿真模型如圖4-7中所建模型都是使用理想的器件，可以根據(jù)實(shí)際情況MOSFET管的寄生電容和電感進(jìn)行賦值。仿真參數(shù)設(shè)置如下：Vin=400V、L=5mH、C=16μF、R=156.8?、PWM信號(hào)頻率f=20kHz、占空比D=20%。利用MATLAB軟件對(duì)升壓式DC-DC變換器進(jìn)行建模仿真，仿真模型的輸出電壓仿真結(jié)果如下圖4-3所示：圖4-8SimPowersystems方法的輸出電壓波形4.4DC-AC逆變器的設(shè)計(jì)4.4.1逆變器的原理通常把交流電能變換成直流電能的過程稱之為整流，相控整流是最常見的交-直流變換過程；而把直流電能變換成交流電能的過程稱之為逆變，它是整流的逆過程。在逆變電路中，按照負(fù)載性質(zhì)的不同，逆變分為有源逆變和無(wú)源逆變。如果把該電路的交流側(cè)接到交流電源上，把直流電能經(jīng)過直-交流變換，逆變成與交流電源同頻率的交流電返送到電網(wǎng)上去，稱作有源逆變。相應(yīng)的裝置稱為有源逆變器，控制角大于90°的相控整流器為常見的有源逆變器。而把直流電能變換為交流電能，直接向非電源負(fù)載供電的電路，稱之為無(wú)源逆變電路，又稱為變頻器。逆變器類型有他勵(lì)逆變器、自勵(lì)逆變器、脈寬調(diào)制（PWM）型逆變器。其中他勵(lì)逆變器需要外部交流電壓源，給晶閘管提供整流電壓。他勵(lì)逆變器主要應(yīng)用在大功率并網(wǎng)情況下；對(duì)于功率低于1MW的光伏發(fā)電系統(tǒng)，主要采用自勵(lì)逆變器方式。自勵(lì)逆變器不需要外部交流電壓源，整流電壓由逆變器的一部分儲(chǔ)能元件（比如電容）來(lái)提供或者通過增加待關(guān)斷整流閥（像MOSFET或IGBT）的電阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)。輸出電壓被脈沖調(diào)制的自勵(lì)逆變器被稱為脈沖逆變器。這種逆變器通過增加周期內(nèi)脈沖的切換次數(shù)，來(lái)降低電壓、電流的諧波含量；諧波含量與脈沖切換次數(shù)呈正比。目前，并網(wǎng)逆變器的輸出控制模式主要有兩種：電壓型控制模式和電流型控制模式。電壓型控制模式的原理是以輸出電壓作為受控量，系統(tǒng)輸出和電網(wǎng)電壓同頻同相的電壓信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻很小的受控電壓源；電流型控制模式的原理則是以輸出電感電流作為受控目標(biāo)，系統(tǒng)輸出和電網(wǎng)電壓同頻同相的電流信號(hào)，整個(gè)系統(tǒng)相當(dāng)于一個(gè)內(nèi)阻較大的受控電流源。逆變技術(shù)是將電能由直流變?yōu)榻涣鞯幕究刂萍夹g(shù)，和整流技術(shù)正好相反，也是電力電子技術(shù)中重要的組成部分。逆變技術(shù)的基本原理是通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件(例如SCR，GTO，IGBT和功率MOSFET模塊等)的導(dǎo)通和關(guān)斷將直流電能變換得到能滿足負(fù)載對(duì)電壓和頻率要求的、質(zhì)量較高的交流電能?，F(xiàn)代逆變技術(shù)多種多樣，可以按照多種不同的分類方式進(jìn)行區(qū)分。4.4.2太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變電源的要求采用交流電力輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由光伏陣列、充放電控制器、蓄