【正文】 度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流。 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 13頁 光伏電池的輸出特性 目前市面上用得最多的是硅太陽能電池，所以本文主要分析硅太陽能電池的輸出特性，及光照、溫度對(duì)輸出特性的影響。如果將此 PN結(jié)兩端與外部負(fù)載相連構(gòu)成回路，就會(huì)形成電流并產(chǎn)生一定的輸出功率。由于本文主要研究的是小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)蓄電池的充電方法，所以該系統(tǒng)主要考慮三個(gè)部分：太陽能電池，蓄電池和控制器。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 。 通過 電壓 /電流的雙環(huán)控制策略 對(duì)逆變電路進(jìn)行閉環(huán)控制，包括閉環(huán)控制電路的硬件電路設(shè)計(jì)。 沙漠所處的地理位置恰好是太陽能資源豐富區(qū) ， 盡管不同的地區(qū)均可獲取太陽能 ， 但在沙漠地區(qū)建設(shè)太陽能電站 ， 不僅具備較好的太陽能光照資源 ， 而且不占用寶貴的耕地 。 （ 2） 太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)造價(jià)依舊較高 ， 從而導(dǎo)致市場規(guī)模相對(duì)較小 ， 達(dá)不到理想的規(guī)模經(jīng)濟(jì)程度 ， 制約了光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用 。 2020年前太陽能電池發(fā)電量的一半以上將來自薄膜太陽能電池 。 歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(huì) （ EPIA） 對(duì)光伏發(fā)電的預(yù)測為 :2020年世界太陽能光伏組件年產(chǎn)量將達(dá)到 40GWh,總裝機(jī)容量為 195GW,發(fā)電量為274TWh,占全球發(fā)電量的 1%,太陽電池的組件成本下降到每 1峰瓦 1美元 。 太陽能發(fā)電研究現(xiàn)狀 國外太陽能發(fā)電現(xiàn)狀 自從 20世紀(jì) 70年代全球發(fā)生世界性石油危機(jī)以來 ,太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國家引起了極大的重視 ,各國政府從環(huán)境保護(hù)和能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的角度出發(fā) ,紛紛制定政策 ,鼓勵(lì)和支持太陽能光伏發(fā)電技術(shù) 。煤炭剩余可采年限 230年 ,其年占世界能源總消耗量的 %。鈾剩余可采年限 73年 ,其年占世界能源總消耗量的 %。 光伏發(fā)電技術(shù)帶來的產(chǎn)業(yè)在政策法規(guī)的強(qiáng)力助推下 ,呈快速 、 增速發(fā)展 。2040年光伏發(fā)電量達(dá) 7368TWh,占全球發(fā)電量的 21%。 上海交通大學(xué)太陽能研究所 、 中科院電工所等在太陽能應(yīng)用 、 光伏建筑一體化 、 大型并網(wǎng)光伏電站設(shè)計(jì) 、 建設(shè)和運(yùn)行等方面積累了豐富的產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn) 。 作為本國可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)環(huán)節(jié) ， 太陽能光伏發(fā)電要想進(jìn)一步發(fā)展不僅需要政府的鼓勵(lì)政策以及優(yōu)惠補(bǔ)貼 ， 更需要政府加大推動(dòng)力度 ， 建立起協(xié)調(diào)推進(jìn)機(jī)構(gòu) ， 組織項(xiàng)目的具體實(shí)施 ， 研究制定可行性強(qiáng)的支持政策 ， 解決與之相關(guān)的資金 、 技術(shù) 、 法律和安全等問題 。 在建造太陽能電站的同時(shí)也對(duì)沙漠的環(huán)境進(jìn)行了改造 ， 可以說一舉兩得 。 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 10頁 第二章太陽能光伏發(fā)電站的組成 和原理 太陽能發(fā)電站系統(tǒng)的組成 太陽能 光伏 發(fā)電 站系統(tǒng) 是利用以光生伏打效應(yīng)原理制成的將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。 圖 太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng) 離網(wǎng) 發(fā)電系統(tǒng)的工作 流程 是： 當(dāng)陽光充足時(shí) ， 太陽能 電池 陣列 受到太陽光照產(chǎn)生電能， 電能 直接供給直流 負(fù)載 或交流負(fù)載， 這時(shí)其 富余的能量則給蓄電池組充電 ，若太陽能電池陣列電能不足以提供負(fù)載工作，蓄電池開始放電 ；在 陽光不充足或無陽光時(shí) ，太陽能電池 陣列產(chǎn)生的電能不足以帶動(dòng)負(fù)載， 蓄電池組 就會(huì)為負(fù)載提供電 。 光伏電池的工作原理和輸出特性 光伏電池工作原理及分類 太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光能通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程是通過 “ 光生伏打效應(yīng) ” 實(shí)現(xiàn)的，因此又被稱為 “ 光伏電池 ” 。光伏電池的光電效應(yīng)是靠日照下的半導(dǎo)體 PN結(jié)來完成的，因此 P— N結(jié)的構(gòu)造是光伏電池的基本特征。硅太陽能電池的輸出特性指的是 太陽能電池在一定的溫度和 光照 強(qiáng)度下所表現(xiàn)出來的伏安特性，即輸出電壓和輸出電流之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系 。 最大功率點(diǎn)功率 Pm：在 給定溫度和日照強(qiáng)度下最大功率點(diǎn)的輸出功率 ，即 Pm=VmI m () 太陽能電池 的轉(zhuǎn)換效率 η ：輸出功率 Po與光 照 投射到電池表面上的功率 Ps之比，其值取決于 太陽能電池的 工作點(diǎn)。但是 VOC增加的幅度沒有 ISC的大，所以光照強(qiáng)度主要影響 太陽能電池的短路電流 ISC。為了保證光伏發(fā)電的使用效率，在發(fā)電量充裕時(shí)電能不會(huì)自自損耗，而在發(fā)電量不足時(shí)能保證對(duì)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 17頁 負(fù)載的持續(xù)供電，獨(dú)立光伏系統(tǒng)中就必 須有儲(chǔ)能部件一蓄電池。 太陽能電池發(fā)電充足時(shí)會(huì)對(duì)蓄電池貯存電能、 恢復(fù)容量， 以避免產(chǎn)生的電能因無法存儲(chǔ)而浪費(fèi) 。 2恒壓充電法 恒壓充電就是以一恒定電壓對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。 這兩種方法 簡單容易實(shí)現(xiàn)， 簡易 的 控制系統(tǒng) 即可 實(shí)現(xiàn)此類 控制 。相當(dāng)于在二階段充電法后，再加入一個(gè)恒流充電階段。 ③變電壓變電流波浪式間歇正負(fù)零脈沖快速充電法：綜合了多種充電的優(yōu)點(diǎn)，此方法控制模式，脈沖電流幅值和 PWM 信號(hào)的頻率均固定 ， PWM 占空比可調(diào)。 就因?yàn)檫@兩個(gè)問題，光伏發(fā)電到現(xiàn)在還沒有被大范圍應(yīng)用。 對(duì)硬件尤其是傳感器要求較高，步長和閥值的選擇存在一定的困難。而逆變器與整流器恰好相反，它的功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。 有 關(guān)逆變器分類的原 則很多 ,根據(jù)逆變器輸出交流電壓的相數(shù)，可分為單相逆變器和三相逆變器；根據(jù)輸出波形的不同可分為方波逆變器和正弦波逆變器；根據(jù)逆變器使用的半導(dǎo)體器件類型不同，可分為晶體管逆變器、 MOSFET模塊及可關(guān)斷晶閘管逆變器等；根據(jù) 功率轉(zhuǎn)換電路又可分為推挽電路、橋式電路和高頻升壓電路逆變器等。例如圖 5． 1所示的三個(gè)窄脈沖形狀不同，圖 5． 1(a)為矩形脈沖，圖 5． 1(b)為三角形脈沖，圖 5． 1(c)為正弦半波脈沖，但它們的面積 (即沖量 )都等于 1，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一個(gè)環(huán)節(jié)上時(shí)，其輸出響應(yīng)基本相同?？梢钥闯觯髅}沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。通常采用等腰三角形作為載波，因?yàn)榈妊切紊舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且左右對(duì)稱，當(dāng)它與任何一個(gè)平緩變化的調(diào)制信號(hào)波形相交時(shí)，如在交點(diǎn)時(shí)刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號(hào)波幅值的脈沖，這正好符合 PWM 控制的要求。這種方法只在三角波的頂點(diǎn)或底點(diǎn)位置對(duì)正弦波采樣而形成階梯波，其原理如圖 ： 圖 規(guī)則采樣法生成 SPWM波 SPWM 逆變 器 電 路的設(shè)計(jì) 太陽能電站系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于太陽能電池板或蓄電池輸出的電壓一般為直流48V左右，這樣的大小不足以提供逆變器輸出 220V的交流電壓，所以需要利用一種直流．直流變流電路將太陽能系統(tǒng)輸出的 48V直流電壓升高到 310V左右的直流電壓提供給逆變器作為輸入電壓。 =一 Vd)，負(fù)載電流方向由電流流經(jīng) TA、 TB+來決定，因此只要控制開關(guān)元件的導(dǎo)通，我們就可以將直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸出。 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 32頁 逆變電源的目的是產(chǎn)生一個(gè) 220V， 50Hz 的正弦交流電壓供給負(fù)載使用。 為了解決以上所提問題，單相 SPWM 逆變的基礎(chǔ)上，采用前饋調(diào)整三角載波進(jìn)行控制方案，即利用輸入電壓的變化，在輸出電壓變化前 對(duì)電路的控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié) ， 用來獲得良好的輸出電壓波形。 =kU1Vc/V（ k 為常數(shù) )。 因此根據(jù)上述原理三角波產(chǎn)生電路如圖 5． 17，輸入直流電壓分壓后經(jīng)斬波電路斬波，得到電壓幅值隨輸入電壓變化的方波電壓，方波電壓 Us經(jīng)有源積分電路積分后得到三角波電壓 Ur。 圖 圖 全橋式逆變器電路原理框圖 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 37頁 圖 SPWM 產(chǎn)生電路 根據(jù) PWM原理，全橋式逆變器的控制方式義可分為單極性 PWM控制方式和雙極性 PWM控制方式兩種，本設(shè)計(jì)采用單極性 PWM控制方式。 由以上說明可知，其工作原理首先由三角波產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個(gè)高頻三角波，將此三角波反向之后分別與調(diào)制信號(hào)進(jìn)行比較產(chǎn)生 SPWM控制信號(hào)。由自動(dòng)控制理論可知，系統(tǒng)中加入微分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。通常采用串聯(lián) PI調(diào)節(jié)器的方法，即利用 PI調(diào)節(jié)器來提高穩(wěn)態(tài)精度。 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 44頁 結(jié) 論 由于可持續(xù)發(fā)展的要求及對(duì)能源需求的日益增長，光伏系統(tǒng)應(yīng)用迅速發(fā)展，人們對(duì)光伏系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)與研究正在逐步加深。 在 本科生 學(xué)習(xí) 階段 和本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，首先誠摯的感謝我的 指導(dǎo)教師章麗紅 ， 在學(xué)習(xí)階段和畢業(yè)設(shè)計(jì)階段章老師給了我很多幫助。章 老師以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)之道、積極樂觀的生活態(tài)度，為我樹立了學(xué)習(xí)的典范，他的教誨與鞭策將激勵(lì)我在以后的 學(xué)習(xí) 道路上開拓創(chuàng)新。 在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器扮演著重要的角色。其中 Kif是電流反饋系數(shù)， Kvf是電壓反饋系數(shù)。 (1)電流環(huán) 電流環(huán)的設(shè)計(jì)目的是保證電流閉環(huán)具有較好的穩(wěn)定性，同時(shí)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和抗噪聲干擾能力。本文采用 IXDP630來產(chǎn)生此段時(shí)間，這樣就會(huì)使每一開關(guān)由 OFF狀態(tài)至 ON狀態(tài)之間需要一段時(shí)間缸。 A橋臂的控制信號(hào)由基準(zhǔn)正弦波 Vtrol與三角波 (Vtri)比較產(chǎn)生， B橋臂的控制信號(hào)由和基準(zhǔn)正弦波 Vtrol相位相反的正弦波 Vtrol與三角波 (Vtri)比較產(chǎn)生，兩組信號(hào)同時(shí)產(chǎn)生。此三角波電壓的峰值是正比于方波幅值電壓的，于是三角波峰值電壓隨輸入電壓成比例地變化，保持了輸出電壓的穩(wěn)定。根據(jù)這個(gè)原理，把輸入電壓變化反饋給控制電路，使三角波峰值隨輸入電壓成比例的變化，保持了輸出電壓的穩(wěn)定。 a. 控制電路由分立元件構(gòu)成； 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 33頁 圖 三角波控制原理圖 由分立元件構(gòu)成的控制電路多采用調(diào)制法，即把正弦波信號(hào)作為調(diào)制波，用三角波作為載波，當(dāng)三角波與正弦波相交時(shí)對(duì)電路中的開關(guān)器件進(jìn)行控制。因此如何使輸出為 220V，50Hz 的電壓且波形保持和參考電壓盡量一致，是設(shè)計(jì)本 電 壓逆變器的重點(diǎn)。首先，我們做如下的假設(shè)： 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 31頁 (1)開關(guān)元件都為理想元件，忽略開關(guān)元件切換時(shí)的導(dǎo)通損失。半橋結(jié)構(gòu)主要用于降壓電路；推挽式電路需要大容量的功率 MOSFET管，而大容量的功率 MOSFET管價(jià)格大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 30頁 比較昂貴，并且需要設(shè)計(jì)漏感泄放回路。一般根據(jù)三角波載波在半個(gè)周期內(nèi)方向的變化，又可以分為兩種情況。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到 PWM波形。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D 5． 1(d)的單位脈沖函數(shù) 8q)時(shí)，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。此外，保護(hù)功能齊全，對(duì)電感性和電容型性負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)。太陽能電池在陽光照射下產(chǎn)生直流電，然而以直流電形式供電的系統(tǒng)有很大的局限性。 算法復(fù)雜，需要處理的數(shù)據(jù)兩大，對(duì)處理器的算速度和存儲(chǔ)容量要求較高 小結(jié) 本章分析了一些常用的最大功率點(diǎn)跟蹤的算法， 恒壓控制法 、 增量電導(dǎo)法、擾動(dòng)觀測法。因?yàn)樘柲茈姵卦谝欢l件下時(shí)存在唯一的最大功率點(diǎn)， 太陽能電池 的 最大功率點(diǎn)跟蹤 (Maximum Power Point Tracking， MPPT)成為提高太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的一種途徑 ，它能在最大程度上利用太陽能電池轉(zhuǎn)化所得的電能。 綜上所述，為了較 好的保護(hù)蓄電池， 并實(shí)現(xiàn)蓄電池的快速充電，可采用快速充電法和三階段充電法相結(jié)合的方法，即把三階段充電法第一階段的恒流階段改為快速充電階段，這樣既可快速給蓄電池充電，又能夠通過 PWM 控制實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（第 4部分做詳細(xì)說明）。 這種以小電流充電的方式也稱為浮充 充電 。 3階段充電