【正文】 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。 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。 太陽能 光伏發(fā)電的現(xiàn)狀 近幾年，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渡。 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，其主要原因是光伏組件并網(wǎng)應(yīng)用和政策激勵(lì)引起的。 日本于 1974 年開始執(zhí)行 “ 陽光計(jì)劃 ” ，投資 5 億美元，一躍成為世界太陽 電池 的生產(chǎn)大國(guó)， 1994 年提出朝日七年計(jì)劃，計(jì)劃到 2021 年推廣 萬套太陽能光伏屋頂，已完成。 1997 年又宣布 7 萬光伏屋頂計(jì)劃，到 2021 年將安裝 7600MW 太陽 電池 。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 1993 年，德國(guó)首先開始實(shí)施由政府投資支持，被電力公司認(rèn)可的 1000 屋頂計(jì)劃，繼而擴(kuò)展為 2021 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 5000。德國(guó)政府并于 1999 年開始實(shí)施 10 萬太陽能屋頂 (每戶約 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) 馬克，極大地刺激德國(guó)乃至世界的光伏市場(chǎng)。 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)開發(fā)和加速工業(yè)化進(jìn)程。印度、馬來西亞等東南亞國(guó)家，也制定了國(guó)家的光伏發(fā)展計(jì)劃。 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)正處于改革開放蓬勃發(fā)展時(shí)期。國(guó)內(nèi)先后引進(jìn)多條太陽能電池生產(chǎn)線，太陽 能電池生產(chǎn)能力由原來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 2021 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)家政策的促進(jìn)下，我國(guó)光伏技術(shù)及應(yīng)用顯著發(fā)展。如 2021 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，太陽能資源豐富，太陽能光伏發(fā)電成為首選能源。 自 20世紀(jì) 80 年代，我國(guó)太陽能光伏技術(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，世界光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展年均增長(zhǎng)超過了 60%，經(jīng)歷了從小規(guī)模到現(xiàn)在的地面睡覺大規(guī)模利用的時(shí)代。 20212021 年，光伏發(fā)電技術(shù)在我國(guó)的優(yōu)勢(shì)顯現(xiàn)出來。特別是在 2021 年近 800 個(gè)無電鄉(xiāng)政府用電問題被解決。這樣巨大的規(guī)模在國(guó)際上也是很小見得。接下來的 20212021 年，我國(guó)解決了上萬個(gè)自然村和行政村的用電問題。這些村莊都處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，十分分散，只能建造獨(dú)立的太陽能發(fā)電系統(tǒng)。 2021 年以后，我國(guó)光伏產(chǎn)業(yè)的年增長(zhǎng)率超過 100%。 經(jīng)過近 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 相比仍然有一些差距：我國(guó)的光伏發(fā)電的生產(chǎn)規(guī)模較??；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，缺乏培育和開拓的支持政策、措施。 太陽能光伏發(fā)電 的概述 太陽能發(fā)電可分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種。通常而言，太陽能發(fā)電指的是太陽能光伏發(fā)電，簡(jiǎn)稱“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)鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)即 可形成大面積的 太陽電池 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。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 根據(jù)需求和應(yīng)用場(chǎng)合的不同 ，太陽能光伏發(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。 本課題的內(nèi)容和設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)圍繞著光伏發(fā)電展開的，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)計(jì)： （ 1）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，概述了下光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類，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。 （ 2）分析光伏發(fā)電的原理及光伏電池的工作原理及分類，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。 （ 3）對(duì)逆變器中逆變電路的設(shè)計(jì)，其中包括硬件電路的設(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)。 （ 4）設(shè) 計(jì)通過 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)。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 2 光伏發(fā)電系統(tǒng) 光伏發(fā)電系統(tǒng)的 組成 光伏發(fā)電系統(tǒng)，是利用光伏電池的光伏效應(yīng)，將太陽能轉(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，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 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。 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能轉(zhuǎn)換成電能，儲(chǔ)存或者直接供給負(fù)載使用。 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。 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。 逆變器是將直流電逆變成交流的 220V，供給交流負(fù)載使用。 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。 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 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) 。 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)指與公共電網(wǎng)相連接的光伏發(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 能光伏發(fā)電的重要方向和主流趨勢(shì)。 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足負(fù)載需要時(shí)，電網(wǎng)自動(dòng)向負(fù)載補(bǔ)充電能。 安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 圖 21 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。 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)。 交 流 負(fù) 載蓄 電 池控制器光伏電池組件D C / D C 變換 器直 流 負(fù) 載D C / A C 變換 器電 網(wǎng) 圖 21 并網(wǎng) 光伏發(fā)電系 統(tǒng) 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 22所示是典型獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 光伏電池組件控制器D C / A C 變換 器D C / D C 變換 器直 流 負(fù) 載交 流 負(fù) 載蓄 電 池 圖 22 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng) 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日照時(shí)蓄電池通過太陽能電池方陣放電。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。在方陣工作時(shí)，阻塞二極管兩端有一定的電壓降。 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) ，常用來為一些無電或電網(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)村程控電話系統(tǒng)、部隊(duì)通訊系統(tǒng)、鐵路安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 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)儀器電源等，甚至還可以用在航空設(shè)備以及飛機(jī)、車輛、船舶等交通 。 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的供電不連續(xù)。較 為常見的混合型光伏發(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 23所示。 光 伏 陣 列 D C / D C 變 換 器風(fēng) 力 發(fā) 電 A C / D C 變 換 器蓄 電 池逆 變 器直 流 負(fù) 載交 流 負(fù) 載 圖 23 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng) 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)電與太陽能發(fā)電具有很好的互補(bǔ)性，其優(yōu)點(diǎn)顯見：利用太陽能、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， 一次性投資較大，并需要定期更換蓄電池等缺點(diǎn)。安徽理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 3 光伏電池 光伏 電池的工作原理 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，其特性與二極管類似。光伏電池單體實(shí)際上是一個(gè) PN 結(jié)， PN結(jié)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，從而產(chǎn)生電 能。 光伏電池的分類 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)展至今種類繁多，無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 ： （ 1）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。 （ 2）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。 （ 3）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 MS 光伏電池）。其原理是基于在一定條件下金屬 — 半導(dǎo)體接觸時(shí)產(chǎn)生類似于PN 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。 （ 4）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 μ m計(jì)）從而大大地降低了光伏電池的成本?？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)。 （ 5）疊層光伏電池。指