【正文】 有表 所列的型號可供選擇。這樣既減少了板卡的尺寸，也降低了開發(fā)難度。 30 5 最大功率跟蹤及其實(shí)現(xiàn) 最大功率點(diǎn)跟蹤 在太陽能發(fā)電應(yīng)用領(lǐng)域中盡可能的提高太陽能電池板的輸出效率一直是研究的熱點(diǎn)。 光伏電池的最大功率點(diǎn)跟蹤方法 光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤 (Maximum Power point Tracking， MPPT)控制的實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)動態(tài)自尋優(yōu)過程，通過對光伏陣列當(dāng)前輸出電壓和電流的檢 測，得出當(dāng)前陣列的輸出功率，再與前一時(shí)刻存儲的功率相比較，舍小存大，得到下次改變的方向，再檢測，再比較，如此不停的周而復(fù)始，便可使光伏陣列實(shí)時(shí)工作在最大功率點(diǎn)上，其控制框圖如圖 所示。當(dāng)其工作在最大功率點(diǎn)左邊時(shí)有 0?dudp ；當(dāng)其工作在最大功率點(diǎn)右邊時(shí)有 0?dudp ；通過判斷 dudp 的乘法器 當(dāng)前功率 記憶功率 比較器 PWM 信號輸出（控制器） 光伏陣列電流 光伏陣列電壓 32 值來確定當(dāng)前系統(tǒng)輸出的改變方向。系統(tǒng)不會出現(xiàn)振蕩，有很好的穩(wěn)定性 。若△ P0，則說明參考電壓調(diào)整的方向錯(cuò)誤，需要改變調(diào)整的方向。 擾動觀察法實(shí)現(xiàn)太陽電池的最大功率跟蹤，它的實(shí)質(zhì)是在 CVT 控制的基礎(chǔ)上實(shí)時(shí)地改變太陽電池給定電壓，這個(gè)過程一般通過軟件完成。 其二，電壓源型逆變器直流側(cè)電壓高于交流側(cè)電壓 ,在光伏電池陣列輸出電壓較低的系統(tǒng)中 ,DCAC 逆變電路前必須增加一個(gè)升壓電路進(jìn)行電壓匹配。當(dāng)占空比 D 改變時(shí)，輸出電壓也隨之改變。 (6)按逆變器輸出交流電的波形分類 :正弦波逆變器、非正弦波逆變器等。 (4)按逆變器主電路形式分類 :單端式、推婉式、半橋 式和全橋式。假設(shè)開關(guān) S 關(guān)斷的時(shí)間為 Toff，則電感 L 釋放的能量為(V0Vin)IlToff。 DC／ DC 變換器的實(shí)現(xiàn) 控制單元部分對 DCDC 進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂?,以便負(fù)載從光伏方陣獲得最大功率。由于在 尋優(yōu)過程中 34 不斷地調(diào)整參考電壓，因此，太陽電池的工作點(diǎn)始終在最大功率點(diǎn)附近振蕩，無法穩(wěn)定工作在最大功率點(diǎn)上。它通過對太陽電池輸出電壓、電流的檢測，得到電池當(dāng)前的輸出功率，再將它與前一時(shí)刻的記憶功率相比較，從而確定給定電壓調(diào)整的方向。為了克服環(huán)境溫度差異給系統(tǒng)帶來的影響，可以事先將不同溫度下測得的最大功率值 Upmax存于微處理器的 ROM 中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)微處理器通過陣列上的溫度傳感器獲取環(huán)境 33 溫度，然后通過查表得到當(dāng)前溫度下的 Upmax 值。其控制思想如圖 所示。 而對于光伏發(fā)電系統(tǒng)，太陽能電池的內(nèi)阻不僅受日照強(qiáng)度的影響，而且受環(huán)境溫度及負(fù)載的影響，因而處在不斷的變化中。正弦波輸出時(shí)逆變器的發(fā)展趨勢，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，有 PWM 功能的微處理器也已問世，因此正弦波輸出的逆變技術(shù)已經(jīng)成熟。使用 TI公司模擬器件與 DSP 結(jié)合使用的好處有： ① 在使用 TI 公司的 DSP 的同時(shí)，使用 TI 公司的模擬可以和 DSP 進(jìn)行無縫連接。 DSP 控制器的選擇 微處理器的選型也是逆變器設(shè)計(jì)的另一個(gè)重點(diǎn)，一般應(yīng)選擇帶有多個(gè) PWM口的微處理器，可供選擇的微處理器較多，如表 所示。 （ 4）質(zhì)量輕 由于在 DCDC 推挽電路階段采用了鐵氧變壓器，系統(tǒng)的質(zhì)量減輕了；同時(shí)使用了 DSP，更少的元器件也可以減輕質(zhì)量。 圖 光伏并網(wǎng)控制器原理框圖 DCDC 變換電路 升 壓 電 路 SG3525 PWM控制 電壓檢 測 DClink電路 后級逆變電路 交流負(fù) 載 光伏電 池 DSP 控制 雙極性SPWM 脈沖 MPPT 脈沖控制 鋰離子電池 24 基于 DSP 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)勢 （ 1）高效 和傳統(tǒng)的方波以及修正正弦波逆變器中采用的 CRGO 和 CRNGO 磁芯比較，由于采用了鐵氧體磁芯，減少了磁芯損耗，同時(shí)高頻變壓 器的低導(dǎo)要求同樣在很大程度上減少了銅損，因此最大程度上增加了效率。由于 DSP的資源比較豐富，可以利用同一塊 DSP 來處 理。圖 表示太陽能電池的 I— V 曲線隨太陽輻射強(qiáng)度變化而變化的規(guī)律。 定義在開路狀態(tài)下 : Io=0， Uo=Uoc，則由 () 所以有 : 19 短路電流 :Uo=0， Io=Isc，由 式得 光照強(qiáng)度變大， Uoc基本不變， Tsc變大 : 溫度變大， Uoc減小， Isc微變大 : 公式中各參數(shù)的具體定義見表 表 公式中參數(shù)定義 Uoc:開路電壓 Uocr：標(biāo)準(zhǔn)溫度光強(qiáng)下的開路電壓 Isc:短路電流 Iscr:標(biāo)準(zhǔn)溫度光強(qiáng)下的短路電流 Uo：光伏電池輸出電壓 Rs：內(nèi)部串聯(lián)電阻 Io:光伏電池輸出電流 Rsh： 內(nèi)部并聯(lián)電阻 Id：流過二極管的電流 Ido：二極管反向飽和電流 Iph：光電流 Ish：太陽能光伏電池的漏電流 A：二極管理想因數(shù) ~ n：多個(gè)太陽能電池串聯(lián)系數(shù) q:電子電荷 10175。太陽電池組件的 I— V 特性強(qiáng)烈地隨日射強(qiáng)度 S 和較強(qiáng)烈地隨電池溫度 T而變化，即 I=f(V， S， T)。但由于此類電池的研究和開發(fā)剛剛起步，估計(jì)不久的將來會逐步走上市場。唯一的問題是材料的來源，由于錮和硒都是比較稀有的元素，因此，這類電池的發(fā)展又必然受到限制。如果能進(jìn)一步解決穩(wěn)定性問題及提高轉(zhuǎn)換率問題，那么非晶硅大陽能電池?zé)o疑是太陽能電池的主要發(fā)展產(chǎn)品之一。 硅太陽能電池分為單晶硅太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池和非晶硅薄膜 16 太陽能電池三種。由于 PN 結(jié)勢壘區(qū)存在較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，在內(nèi)建電場的作用下，光生的電子和空穴被分離，各向相反方向作漂移運(yùn)動，于是 PN 結(jié)兩端出現(xiàn)正負(fù)電荷的積累，形成“光生電壓”，這就是 PN 結(jié)的光生伏特效應(yīng)。包括單晶硅太陽電池，多晶硅太陽電池和非晶硅太陽電池。） 0~500 10 20 500~1500 5 15 1500~10000 3 10 (5) 電壓諧波要求 系統(tǒng) 獨(dú)立逆變運(yùn)行時(shí)的電壓諧波要求如表 所示 : 表 電壓諧波技術(shù)指標(biāo) 奇次諧波 H H11 11≤ H17 17≤ H23 23≤ H35 35≤ H 總諧波（ THD） （ %） (6) 關(guān)于功率因素的要求，在該標(biāo)準(zhǔn)中沒有明確指出，可在其他相關(guān)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)中查詢。所以針對國內(nèi)的工頻 50Hz 市電，將該標(biāo)準(zhǔn)按照比例修改后作為參考。其功能不僅是將太陽電池陣列產(chǎn)生的直流電能逆變后輸向電網(wǎng)，同時(shí)還經(jīng) DC/DC 變換后向蓄電池充電 。這種系統(tǒng)通常能夠并行使用市電和太陽能光伏組件陣列作為本地交流負(fù)載的電源。 : 一般為鉛酸電池，微小型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳福電池或鏗電池?？刂破鲗?shí)現(xiàn)了光伏電池最大效率的利用，并且最大限度地降低了逆變部分的諧波畸變率。目前，國外并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)日趨成熟，已開發(fā)出并網(wǎng)發(fā)電專用的逆變器及相應(yīng)的配套組件。在白天有光照的時(shí)候發(fā)出電能，通過逆變控制器向用戶負(fù)載供電，同時(shí)與電網(wǎng)并聯(lián)，將多余的電能輸入電網(wǎng) 。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由光伏陣列、并網(wǎng)逆變器、控制器和集成的繼電保護(hù)裝置組成，光伏陣列是光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的主要部件，由其將接收到的太陽光能直接轉(zhuǎn)換。 光伏發(fā)電具有如此廣闊的前景，相比世界發(fā)達(dá)國家，我國的光伏市場仍然處于起步階段，目前國內(nèi)生產(chǎn)的光伏電池 /組件主要用于出口，但是從總體上來講， 7 與國外發(fā)達(dá)國家相比，我國的光伏發(fā)電技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)還有很大的差距，這些差距表現(xiàn)在 :①硅材料緊缺 。 從國家產(chǎn)業(yè)政策來看， 2021 年 1 月 1 日，《可再生能源法》正式實(shí)施，明確提出“國家鼓勵(lì)單位和個(gè)人安裝和使用太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能供熱采暖和制冷、新能源光伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽能利用系統(tǒng)”，為可再生能源地位確立、價(jià)格保障、稅收優(yōu)惠政策等提供了法律保障。在中國廣闊的土地上，有著豐富的太陽能資源。從 目前發(fā)展?fàn)顩r來說，新能源光伏發(fā)電雖然發(fā)展整體規(guī)模要小于風(fēng)能，但是增長速度最快。根據(jù)歐洲光伏工業(yè)協(xié)會的預(yù)測，到 2020 年世界新能源光伏發(fā)電總裝機(jī)容量將達(dá) 195GW 一 200Gw，市場前景廣闊。 國內(nèi)外光伏發(fā)電現(xiàn)狀 傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出。 4 其中，以太陽能電池技術(shù)為核心的太陽能光伏利用成為太陽能開發(fā)利用中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，利用太陽能發(fā)電，具有明顯的優(yōu)點(diǎn) : 1. 太陽能取之不盡，用之不竭且不受地域限制。即利用太陽輻射所產(chǎn)生的熱能發(fā)電。 :根據(jù)目前太陽產(chǎn)生的核能速率估算，氫的貯量足夠維持上百億年，而地球的壽命也約為幾十億年，從這個(gè)意義上講，可以說太陽的能量是用之不竭的。地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽 。嚴(yán)重的環(huán)境污染還會造成社會問題?？梢姡茉吹目砷_采量已經(jīng)是屈指可數(shù)。在人類社會發(fā)展的今天，物質(zhì)文明己經(jīng)空前繁榮，但要使人類社會不斷地可持續(xù)發(fā)展，能源問題成為了最重要的制約因素之一。本文就是在此背景下，對太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的核心器件并網(wǎng)控制器進(jìn)行了重點(diǎn)研究?？刂破鲗?shí)現(xiàn)了光伏電池最大效率的利用，并且最大限度地降低了逆變部分的諧波畸變率。太陽能是當(dāng)前世界上最清潔、最現(xiàn)實(shí)、最有大規(guī)模開發(fā)利用前景的能源之一，由于其本身的優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的關(guān)注，已成為世界各國研究的熱點(diǎn)。環(huán)境污染問題也成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)，如溫室效應(yīng)、酸雨和臭氧層的破壞等。 面臨實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，人類文明的高度發(fā)展與地球生存環(huán)境的快速惡化己經(jīng)形成一對十分突出的矛盾，因此，在有限資源和環(huán)保嚴(yán)格要求的雙重制約下，人類要解決能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。它資源豐富，既可免費(fèi)使用，又無需運(yùn)輸，對環(huán)境無任何污染。通常根據(jù)所能達(dá)到的溫度和用途的不同，而把太陽能光熱利用分為低溫利用 (低于 200℃ )、中溫利用 (200 一 800℃ )和高溫利用 (高于 800℃ )。 2) 光 電轉(zhuǎn)換。 4. 光伏發(fā)電系統(tǒng)無機(jī)械轉(zhuǎn)動部件，維護(hù)簡單 :光伏發(fā)電是靜態(tài)運(yùn)行，沒有運(yùn)動部件，壽命長，無需或極少需要維護(hù)。豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭、無污染、廉價(jià)、人類能夠自由利用的能源。日本 1992 年啟動了新陽 光計(jì)劃，到 2021 年日本光伏組件生產(chǎn)占世界的 50%，世界前 10 大廠商有 4家在日本。能源的發(fā)展?fàn)顩r對我國全面實(shí)現(xiàn)建設(shè)小康社會的宏偉目標(biāo)將起到?jīng)Q定性的作用。與同緯度的其他國家相比，與美國相近，比歐洲、日本優(yōu)越 6 得多，因而有巨大的開發(fā)潛能。由此計(jì)算，在未來幾年內(nèi)， 我國太陽能裝機(jī)容量的復(fù)合增長率將高達(dá) 20%左右。④專用原材料國產(chǎn)化程度不高 。 點(diǎn)處，由大電網(wǎng)來接納太陽能所發(fā)的全部電能，提高了太陽能發(fā)電的效率。但由于太陽能電池成本過高，其發(fā)電成本很難讓電力公司接受?？傊?，從能源利用的國際發(fā)展趨勢來看，光伏發(fā)電最終將以替代能源的角色進(jìn)入電力市場，而并網(wǎng)發(fā)電將是光伏發(fā)電進(jìn)入電力市場的必由之路。如圖 所示 : 圖 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)框圖 : 太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。為能向 220VAC蓄電池組 DC/AC 逆變器 交流負(fù)載 直流負(fù)載 控制器 10 的電器提供電能，需要將太陽能發(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。 圖 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 目前常用的光伏并網(wǎng)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能環(huán)節(jié)。電網(wǎng)負(fù)荷增加時(shí)，可以調(diào)度增加光伏并網(wǎng)發(fā)電裝置的上網(wǎng)電流，有助于電網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。 12 表 并網(wǎng)系統(tǒng)電壓異常響應(yīng)時(shí)間 電壓范圍（標(biāo)準(zhǔn)電壓百分比 %） 響應(yīng)時(shí)間（ Ms） V50% 160 50%≤ V88% 2021 110%V120% 1000 V≥ 120% 160 (2) 頻率異常范圍和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中以 60Hz 分布式發(fā)電系統(tǒng)為規(guī)范對象，將數(shù)據(jù)按照比例修改，得到表 的頻率異常范圍和響應(yīng)時(shí)間。電池單元是光電轉(zhuǎn)換的最小單元，一般不單獨(dú)作為電源使用。 未來太陽能光伏電池的發(fā)展趨勢是 :從材料上來說，基于薄膜技術(shù)的光伏電池，采用新型的納米技術(shù)，將使轉(zhuǎn)換率更高 。結(jié)晶狀態(tài)可分為結(jié)晶系薄膜式和非結(jié)晶系薄膜式兩大類，而前者又分為單結(jié)晶形和多結(jié)晶形 。在大規(guī)模應(yīng)用和工業(yè)生產(chǎn)中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，但由于單晶硅成本價(jià)格高，大幅度降低其成本很困難，為了節(jié)省硅材料，發(fā)展了多晶硅薄膜和非晶硅薄膜做為單晶硅太陽能電池的替代產(chǎn)品。因此，并不是晶體硅太陽能電池最理想的替代產(chǎn)品。但以有機(jī)材料制備太陽能電池的研究僅僅剛開始，不論是使用壽命，還是電池效率都不能和無機(jī)材料特別是硅電池相比。現(xiàn)如今量產(chǎn)的