【正文】 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２５附錄．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．２６光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變技術(shù)應用研究姓名： 學號： 班別：據(jù)記載，人類利用太陽能已經(jīng)有3000年的歷史，但是將太陽能作為一種能源和動力加以利用只有300多年的歷史。真正將太陽能作為“近期急需的補充能源”，“未來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)”，則是近來的事。20世紀70年代以來，太陽能科技突飛猛進，太陽能利用日新月異。自從實用性的硅太陽能電池問世以來，世界上很快就開始太陽能光伏發(fā)電的應用。隨著太陽能電池技術(shù)的提高和價格的下降，光伏發(fā)電逐漸在地面得到硬功，規(guī)模也日益礦大。本課題主要研究光伏發(fā)電系統(tǒng)中的逆變器，逆變器是一種將直流電能變換成交流電能的變流裝置。我們將討論光伏發(fā)電系統(tǒng)中各種類型的逆變器，并對其中某一至兩種類型進行詳解。自從 1954 年第一塊實用光伏電池問世以來，太陽光伏發(fā)電取得了長足的進步。但比計算機和光纖通訊的發(fā)展要慢得多。其原因可能是人們對信息的追求特別強烈，而常規(guī)能源還能滿足人類對能源的需求。1973 年的石油危機和90 年代的環(huán)境污染問題大大促進了太陽光伏發(fā)電的發(fā)展。光伏電池的早期應用主要局限于科學研究及軍事，航空等特殊領(lǐng)域。受20世紀70年代的石油危機和90年代的環(huán)境污染問題影響，人們對能源和環(huán)境問題的認識不斷提高，光伏發(fā)電越來越受到各國政府的重視，科研投入不斷加大，鼓勵和支持光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策也不斷出臺。太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。這種把光能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換器，就是光伏電池。太陽光照在半導體pn結(jié)上，形成新的空穴電子對，在pn結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。太陽能功能電池組件就是將數(shù)十個太陽能電池單元進行耐候性封裝。把太陽能電池組件內(nèi)的太陽能電池單元以適當方式相連接能得到規(guī)定的電壓和輸出功率。太陽能電池組件的轉(zhuǎn)換效率，單晶硅太陽能電池為12%15%，多晶硅太陽能電池為10%13%，非晶硅太陽能電池和化合物半導體太陽能電池是6%9%，由于實驗的限制，我們大多采用第三者。，所以使用時必須串聯(lián)接作為電池組件使用。太陽能電池鎮(zhèn)流是有太陽能電池組件集合體的太陽能電池組件串、防止逆流元件、旁路元件和接線箱等構(gòu)成的。這里所謂太陽能電池組件串，是指由太陽能電池組件串聯(lián)連接構(gòu)成的太陽能電池陣列滿足所需輸出電壓的電路。在電路中各太陽能電池組件串通過防止逆流元件相互并聯(lián)連接。PV系統(tǒng)的容量是標準太能能電池陣列輸出功率來表示的。PV系統(tǒng)的輸出功率受輻射照度的強烈影響，也受太陽能電池組件內(nèi)的太陽能電池單元的溫度影響，因此用在日照強度為1kw/m單元溫度為25攝氏度的標準條件下的最大輸出功率表示標準太陽能電池陣列的輸出功率。圖11太陽能電池陣列結(jié)構(gòu)圖從上世紀 70 年代開始，各國政府都投入了很大的力量來支持太陽能電池的發(fā)展。美國于1973 年首先制定了政府光伏發(fā)電發(fā)展計劃，明確了近、中、遠期的發(fā)展戰(zhàn)略目標；日本于1974 年開始執(zhí)行“陽光計劃”，投資5 億美元，迅速發(fā)展成為世界太陽能電池的生產(chǎn)大國。自上世紀80 年代以來，其他發(fā)達國家，如德國、英國、法國、意大利、西班牙、瑞士、芬蘭等，也紛紛制定了光伏發(fā)展計劃，并投入了大量資金進行技術(shù)開發(fā)和加速工業(yè)化進程。近年來世界太陽能光伏一直保持著快速發(fā)展，十世紀九十年代后期世界光伏市場更是出現(xiàn)了供不應求的局面，進一步促進了發(fā)展速度。綜觀進入新世紀后世界太陽電池的總產(chǎn)量，年增長率達到3040%。充分開發(fā)利用包括太陽能在內(nèi)的可再生能源、實現(xiàn)能源工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重大的戰(zhàn)略意義。隨著對太陽能和可再生能源的廣泛的大規(guī)模的利用，全球的能源結(jié)構(gòu)必將發(fā)生根本性的變化。我國正處在經(jīng)濟轉(zhuǎn)軌和蓬勃發(fā)展時期，但能源問題嚴峻，由于城市中大量使用化石能源，環(huán)境持續(xù)惡化。另一方面，我國具有豐富的太陽能資源，日照時數(shù)大于2000h，太陽能總輻射量高于5016MJ/（m2a）的地方約占全國總面積的三分之二以上，尤其是西部地區(qū)有很大的潛力。在這些地方發(fā)展并網(wǎng)發(fā)電計劃，對于緩解當?shù)氐哪茉簇毞η闆r，提高當?shù)厝藗兩钏接兄鴺O其重要的意義。我國在20世紀50年代開始研究太陽能電池，于1971年首次成功應用于我國發(fā)射的東方紅二號衛(wèi)星。此后，光伏發(fā)電就不斷摸索中發(fā)展。在新世紀初，國家發(fā)改委在2002年啟動了“送電到鄉(xiāng)工程”，該工程光伏系統(tǒng)容量為20MW，極大地拉動了我國光伏市場的需求。盡管我國研制太陽能電池始于1958年，中國的光伏技術(shù)經(jīng)過了50年的努力，已經(jīng)具有一定的水平和基礎(chǔ)，但是與世界先進國家相比仍有不小的差距。近幾年來，我國的光伏發(fā)電技術(shù)己經(jīng)具有了一定的市場潛力和市場吸引力，但光伏并網(wǎng)發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備主要依靠進口，光伏并網(wǎng)發(fā)電的技術(shù)更是剛剛起步，因此，并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的造價高，依賴性強，制約了并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)的發(fā)展和推廣。掌握并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)的核心——并網(wǎng)逆變技術(shù)對發(fā)展并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用。國內(nèi)光伏系統(tǒng)主要采用單位功率因數(shù)并網(wǎng)，不具備電能質(zhì)量控制功能。因此，研究具有電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能的光伏并網(wǎng)系統(tǒng)有重要意義，其研究主要放在并網(wǎng)逆變器的控制方法上，相同的拓撲電路，采用不同的控制方法能夠產(chǎn)生不同的控制效果。對逆變器建立模型并進行分析，采用先進的控制策略對于光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的性能是必不可少的。同時采用先進的控制算法是提高逆變器效率的方法之一。 光伏發(fā)電系統(tǒng)形式典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)是由光伏陣列、蓄電池組、控制器、電力電子變換器、負載等構(gòu)成，而光伏發(fā)電系統(tǒng)按工作條件分為獨立型，并網(wǎng)型和介于兩者之間的可調(diào)度型。獨立型：沒有與電力公司的配電線并網(wǎng)的系統(tǒng)成為獨立型系統(tǒng)。獨立型光伏發(fā)電多用于邊遠山區(qū)，因為這些地方需要的電能容量小，建變電站成本昂貴，宜用獨立型光伏發(fā)電。這種系統(tǒng)中要把使用的電量限制在PV系統(tǒng)的發(fā)電量以下，考慮到夜間和雨天PV系統(tǒng)不能發(fā)點，此時需要由蓄電池供給電力，西電池必須預先充電。此外，在通信基站等需要小量維持供電的情況下獨立型光伏發(fā)電也有應用價值，在獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)中儲能部件是損耗最快，維護最頻繁的組件。太陽能電池逆變器交流負載充電控制器直流負載蓄電池圖12獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng) 并網(wǎng)型：并網(wǎng)型系統(tǒng)分為逆潮流系統(tǒng)和非逆潮流系統(tǒng)兩種。我國現(xiàn)在多數(shù)是非逆潮流系統(tǒng)，并網(wǎng)光伏發(fā)電多見于城市供電系統(tǒng)，區(qū)域內(nèi)的電力需求通常比PV系統(tǒng)的輸出電力大，是城市電網(wǎng)的補充，可以實現(xiàn)用電時段的消峰填谷。與獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)比較，并網(wǎng)型沒用蓄電池，在沒有太陽能光照條件下不能獨立對用戶供電，但極大的節(jié)約設(shè)備成本，簡化了控制結(jié)構(gòu)。如下圖13太陽能電池逆變器計量電表交流負載電網(wǎng)圖13并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng) 可調(diào)度型：可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)是帶有儲能部件且可以并網(wǎng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)。當電網(wǎng)斷電也沒有太陽光照時，蓄電池等部件提供一定時間的能量供給，而在電網(wǎng)正?；蛴泄庹漳芰枯斎霑r，可對蓄電池補充能量。在蓄電池充滿電且又有光照的情況下，則應由光伏電池直接給負載供電或是并入電網(wǎng)?？烧{(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)比并網(wǎng)型和獨立型有更大的靈活性，但成本更高，系統(tǒng)控制也較復雜。如下圖：太陽能電池充電控制器直流負載蓄電池交流負載逆變器S圖14可調(diào)度式光伏發(fā)電系統(tǒng)本論文所主要研究的是獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)與并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)（單相）將直流電變換為交流電的過程稱為逆變換或DC－AC變換，實現(xiàn)逆變的主電路稱為DC－AC變換電路。通常將DC－AC變換電路、控制電路、驅(qū)動及保護電路組成的DC－AC逆變電源稱為逆變器（Inverter）。 根據(jù)輸入直流電源的性質(zhì)、逆變器的直流輸入波形和交流輸出波形，可以把逆變器分成電壓型逆變器（也可以稱為電壓源逆變器）和電流型逆變器（也可以稱為電流源逆變器）。直流母線電容濾波，直流電壓Ud經(jīng)CC2分壓，VTVT2交替導通/關(guān)斷；負載上的電壓幅值為Ud的一半，功率為全橋逆變器的四分之一；開關(guān)管VTVT2上承受的最大電壓為Ud；控制方式主要是PWM脈寬調(diào)制控制，移相控制等圖15電壓型單相半橋逆變電路 半橋逆變電路的優(yōu)點是簡單，使用器件少。其缺點是輸出交流電壓的幅值Um僅僅為Ud/2,且直流側(cè)需要兩個電容串聯(lián)，工作時還要控制兩個電容器電壓的均衡。因此，半橋電路常常用于幾千瓦以下的小功率逆變電源。 圖16電壓型單相全橋逆變電路直流母線電容Cd濾波，VTVT4和 VTVT3交替導通/關(guān)斷；加在負載上的電壓幅值為Ud，輸出功率為半橋逆變器的四倍；開關(guān)管VT1～VT4上承受的最大電壓為Ud；控制方式有單極、雙極式PWM脈寬調(diào)制控制，移相控制，調(diào)頻控制等方式。 直流母線電感Ld濾波，VTVT4和 VTVT3交替導通/關(guān)斷；負載上的電流波形為方波，幅值為Id；開關(guān)管VT1～VT4上承受的電壓為負載上的電壓。負載上的電壓幅值和相位取決于負載阻抗大小和性質(zhì)。 由于電流型不太常用，因此對其不作詳細的討論。圖17電流型單相全橋逆變電路本論文主要討論光伏發(fā)電系統(tǒng)中應用的電壓型單相全橋逆變電路，其中會簡單的涉及到保護電路中的器件簡析，光伏并網(wǎng)中的并網(wǎng)逆變器(PWM控制技術(shù))。在小容量、低壓PVS 中，功率器件多使用金屬氧化物半導體場效應管（MOSFET）。因其在低壓時，具有較低的通態(tài)壓降和較高的開關(guān)頻率，但隨MOSFET 電壓的升高，其通態(tài)電阻增大。因此，在大容量、高壓PVS 中，一般使用絕緣柵晶體管（IGBT）作為功率器件；在100kVA 以上特大容量的PVS 中，一般采用門極可關(guān)斷晶閘管（GTO）作為功率器件。PVS 中的逆變驅(qū)動電路主要針對功率開關(guān)管的門極驅(qū)動。要得到好的PWM脈沖波形，驅(qū)動電路的設(shè)計很重要。近年來，隨著微電子及集成電路技術(shù)的發(fā)展，陸續(xù)推出了許多多功能專用集成芯片，如：HIP4801,TLP520,IR2130,EXB841 等，它們給應用電路的設(shè)計帶來了極大的方便。逆變電源中常用的控制電路主要是為驅(qū)動電路提供要求的邏輯和波形，如PWM，SPWM控制信號等。目前，較常用的芯片有國外生產(chǎn)的8XC196，MP16，PIC16C73 和國內(nèi)生產(chǎn)的TMS320F206，MS320F240