【文章內(nèi)容簡介】 上，采用電流跟蹤控制和電網(wǎng)電壓前饋控制的策略，對控制系統(tǒng)進行了數(shù)學建模。設計并制作了基于光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的硬件電路，包括系統(tǒng)的主電路、信號的采樣與處理電路、PWM 及 SPWM 信號的隔離與驅(qū)動電路以及電源電路。對這些電路的工作過程進行了詳細的分析，對電路中的參數(shù)進行了計算，完成了硬件電路的制作與實驗調(diào)試。研究了最大功率點跟蹤控制 (MPPT)的原理和方法 ，并 采用電導增量法來實現(xiàn)光伏陣列的最大功率 點跟蹤 。 設計的主要目標如下： （ 1） 具有最大功率點跟蹤（ MPPT）功能： RS和 RL在給定范圍內(nèi)變化時，使dS12UU?， 相對 偏差的絕對值不大于 1%。 （ 2） 實現(xiàn)了全數(shù)字控制及數(shù)碼顯示； （ 3） 實現(xiàn)了輸出電壓可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍： AC ； （ 4）實現(xiàn)了輸出頻率可調(diào)，調(diào)節(jié)范圍： 30Hz250Hz。 （ 5） 當 RS=RL=30Ω時， DCAC 變換器的效率 ? ≥ 60%。 （ 6） 當 RS=RL=30Ω時， 輸出電壓 uo 的 失真度 THD≤ 5%。 第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設計 7 第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設計 硅太陽電池的性能特點 太陽電池是一種對光有響應并能將光能轉換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應的材料有許多種，如 :單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化稼，硒錮銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，當光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收 。光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在 P 一 N 結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的的實質(zhì)是 :光子能量轉換成電能的過程。太陽能電池主要由下面的幾個部分組成 [10]： （ 1） 基體材料：用于制備 空間用硅太陽電池的基體材料為硅單晶，對材料的基本要求在 GJB43192 中作了規(guī)定，其主要技術要求包括單晶制備方法、導電類型、基體電阻率、晶向、少數(shù)載流子壽命和位錯密度 （ 2） PN 結，是構成太陽電池的核心，制備 PN 結是制造太陽電池的關鍵，所謂 PN結制備是在一塊具有確事實上導電類型的基體上再摻雜另一種不同導電類型的元素，形成一個勢壘區(qū)。這個區(qū)域稱為太陽電池的 PN 結。 （ 3） 上下電極： 在已制備 PN 結硅單晶上，制作一層金屬后，才成為一個可輸出電能的器件即電極。對 N+P 結構的太陽電池而言， N+層為電池 的光照面，其上制備上電極，與電池背面接觸的電極稱為下電極。采用鈦鈀銀三種金屬作為電極材料。電極的結構中通常下電極為全覆蓋形式，而電池光照面上的電極設計要綜合考慮減少電極對電池的遮擋面積和由電極引起的串聯(lián)電阻。通常使用梳狀或王字形電極 （ 4） 減反射膜，因為入射到光亮的硅表面光能有近 1/3 被反射掉，為了減少對光反射損失 ，在光照面上要鍍一層多層減反射膜，來提高電池對光能的利用率。 電陽電池的評價和判斷光照時性能好壞的標準有 4 個主要的參數(shù)：短路電流、開路電壓、轉換效率和填充因子。當受到光照時，光生電流流過負載，并在負載兩 端建立起電壓，其等效電路如下： 太陽電池可看成一個由一個能恒定產(chǎn)生光電流 IL 的電流源、一個與之相并聯(lián)的處于正偏壓的處于正偏壓下的二極管和負載電阻三部分組成，太陽電池受光照后第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設計 8 產(chǎn)年的光電流中一部分流過二極管，稱為正向電流 ID，余下部分流過負載電阻，稱為負載電流 I。在實際太陽電池中，存在串聯(lián)電阻 Rs 和并聯(lián)電阻 Rsh，其實際的等效電路如下： 圖 2－ 1 中顯示的是常用的光照太陽能電池的電流一電壓特性曲線，如果太陽能電池 (組件 )電路短路，即 U=0，此時的電流為短路電流 Isc。如果電路開路，此時的電壓為開路電壓 Uoc。太陽 能電池 (組件 )的輸出功率等于流經(jīng)該電池的電流與電壓的乘積 [11]。 圖 2－ 1 太陽能電池的輸入輸出特性 當太陽能電池 (組件 )的電壓上升時，電池的輸出功率亦開始增加 。當電壓達到一定值時，功率可達到最大，這時當阻值繼續(xù)增加時，功率將躍過最大點，并逐漸減少至 0，即電壓達到開路電壓 Uoc。電池輸出功率達到最大的點，稱為最大功率點 。該點的功率，則稱為最大功率 Pmax。 溫度的變化會顯著改變太陽能電池的輸出特性。由半導體物理理論可知，載流子的擴散系數(shù)隨溫度的升高而增大，因此，光生電流工 L 也隨溫度的升高有所增加。對于 硅材料來說，電池的工作溫度每升高 1℃，開路電壓約下降 ZmV，大約是正常室溫時的 的 %。隨著溫度的升高，電池的光電轉換效率會下降 由若干太陽能電池組件或太陽能電池板按一定的機械和電氣方式組裝在一起稱為太陽能電池陣，它有固定的支撐結構構成直流發(fā)電單元。一般含有太陽電池電路、基板、連接架、壓緊及展開機構等。按對日定向方式分為定向式和不定向式兩種。定向式太陽電池陣又分成單軸定向太陽能電池陣和雙軸定向太陽能電池陣。前者采用單軸轉動方式來跟蹤太陽，這種方式不能很精確的跟蹤太陽，為了盡可能 跟蹤太陽可在安裝時 預設一個安裝角；后者用兩根不同方向軸轉動來跟蹤太陽，可以更準確的跟蹤太陽以獲得最大的輸出功率。一般應用的太陽電池陣都是無聚光器式太陽電池陣，但在某些應用中采用鏡子或透鏡來增加照射到太陽電池上的陽光，達到增加太陽能電池陣功率的目的，這種太陽能電池陣稱為聚光太陽電池陣 [12]。 第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設計 9 太陽電池陣的電性能設計主要包括單體太陽電池的選擇、太陽電池組件的研制和太陽電池陣的設計和組裝。單體太陽電池是組成太陽電池陣的基礎，正確合理選擇太陽電池對太陽電池陣的設計至關千重要。選擇太陽電池基本原則是選擇性能優(yōu)良、技術成熟、能批量生 產(chǎn)的電池 。太陽電池的關鍵參數(shù)是光電轉搗效率、抗輻照能力以及開路電壓和短路電流、填充因子等。按材料分主要有硅太陽電池和砷化鎵太陽電池兩種，硅太陽電池主要有常規(guī)硅太陽電池、淺結、密柵、背反射和背場背太陽電池。其中常規(guī)太陽電池的轉換效率相對較低（ 10%左右），抗輻照性能好，技術和工藝相當成熟，成本較低。背表面反射電池 (BSR)轉換效率較高 (12%以上 )抗輻照性能好，在 1MeV 能量，累計通量 15101? 電子數(shù) /cm2情況下， BSR 硅太陽電池歸一化后最大衰減小于 18%，對抗輻照性能有 較高要求場合應選 BSR 電池。背表面場太陽電池 (BSFR)轉換效率 14%以上，但耐輻照性能較差，電池性能衰減較快。砷化鎵太陽電池的轉換效率較高（ 19%－ 24%）、耐輻照、溫度特性好，由于目前工藝材料的限制，價格昂貴 [13]。成本最低的鍺襯底砷化鎵太陽電池的價格大約是硅太陽電池的 6 倍以上，對于那些功率要求較大，又受布片面積限制的場合必須采用此類太陽電池。 太陽電池的組件是組成太陽電池陣的基本單元，主要由整體電池、旁路二極管、隔離二極管 組成。其中整體電池是將已選取的裸體電池加上抗輻射蓋片和連接條。蓋片的作用是提高 太陽電池熱輻射本領，以降低太陽電池的工作溫度提高效率，常用的有熔融石英蓋片和摻鈰玻璃蓋片。太陽電池的另一個重要元件是互連條，它把單片太陽電池并聯(lián)或串聯(lián)起來。它可以簡單地由一根導線組成，但一般都用金屬網(wǎng)格和蝕刻或沖剪成形的金屬條構成，它必須導電性能好、耐溫度交變、耐振動、沖擊性能好，可靠性高。 太陽能電池陣那些受遮擋的電池可能會由于高反向電壓而受到過量加熱形成所謂熱斑，如果太陽電池在 12 分種或更長時間受到超過 15V 反向電壓，電池的功率會發(fā)生一定的永久性損失。安裝旁路二極管就可以限制這種有害高反向偏壓，避免出現(xiàn)熱 斑，保護太陽電池陣，它安裝在太陽電池并聯(lián)條的兩端和太陽電池反向連接。當太陽電池組件沒有受到遮擋時旁路二極管處于反向偏置；如果有電池被遮擋或破裂，流過該電池所在并聯(lián)條的電流就要受到限制，并聯(lián)條自動變成反向偏壓而旁路二極管成正向偏置。隔離二極管的作用是隔離太陽電池和母線的作用， 因為未受光照太陽電池組件相當于一串串聯(lián)在一起的二極管，它們以正向?qū)ǚ绞浇拥教栯姵仃嚨妮敵瞿妇€上，如果接到母線上所有并聯(lián)太陽電池不接隔離二極管未受光照太陽電池組件成為一個負載，將增加電池陣的功率消耗。太陽能電池陣的總體布局是要在布貼太陽 電池的基板上盡可能多排列太陽電池組件以獲得大的輸出功率，并安排好太陽電池組件匯流條、導線的安裝位置。太陽電池陣的電纜質(zhì)量也很重要，它包括電纜引第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設計 10 線和接插件，使用銅導線 ，常用多股絞合線。 太陽陣電池陣做為新能源已經(jīng)越越受到人們的重視 太陽能電池的模擬技術 [13] 為了對電陽能電池陣進行調(diào)試，需要太陽能電池的模擬技術，太陽能模擬器的作用有兩個。一個是模擬產(chǎn)生太陽電池陣的 I－ V 輸出特性，另一個是動態(tài)改變 IV輸出特性。各分陣模擬器經(jīng)隔離二極管并接在一起，形成供電主母線，每個分陣模擬器由隔離數(shù)字接口、開路電壓 D/A，短路電流 D/A，曲線形成電路、功率輸出和過壓保護電路幾個部分組成。來自計算機或手控裝置的控制數(shù)據(jù)經(jīng)隔離數(shù)字接口電路鎖存后分別送到開路電壓 D/A 和短路電流 D/A，它們輸出的模擬量分別代表了開路電壓和短路電流的大小，并控制曲線形成電路，產(chǎn)生需要的IV 曲線，改變送往數(shù)字接口電路的控制數(shù)據(jù)，就可改變 IV 曲線，因此通過軟件編程可很容易實現(xiàn)對太陽電池輸出特性的實時模擬。曲線形成電路是根據(jù)設定開路電壓、短路電流值大小產(chǎn)生相對應的 IV曲線，并在負載發(fā)生變化時，改變工作點，實 現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，曲線形成電路如圖 2－ 2 所示 。 功 率 控 制I s cV o cA 1A 2 圖 2－ 2 太陽能電池模擬器原理圖 A1 開路電壓調(diào)節(jié)放大器， A2 為短路電流調(diào)節(jié)放大器， A2 的輸出電壓以電壓電流變換器控制輸出電流的大小，當輸出電壓小于 Vf1 時 A1 輸出為負，二極管由于反偏而截止。輸出電流由 Vf2 大小決定，等于短路電流。隨著負載電阻的增大，輸出電壓 Vo 逐漸升高。當 Vo 接近于 Vf1 時， A1 輸出為正，二極管由于正偏而開始導通。這時 A2 的輸出電壓等于 Vf2 與二極管的電壓之差，輸出電壓開始減少，至使 輸出負載電流按指數(shù)形式隨之下降。當輸出電壓 Vo 增加到使二極管電壓等于 Vf2 時，輸出負載電流下降到零，這時輸出電壓 Vo 就等于開路電壓 Voc。這樣利用二極管指數(shù)特性使電流減少量作為輸出電壓的函數(shù)，就可精確地模擬太陽電池陣的 IV特性曲線。 第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設計 11 電源變換器 常用的電源變換器有 DCDC 變換器和 DCAC 變換器兩種， DCDC 變換器有降壓型、升壓型、和降壓升壓型三種 [14]。 降壓型 DCDC 變換器又稱串聯(lián)開關調(diào)節(jié)器，圖 2－ 3 是這種調(diào)節(jié)器的原理圖。 D CP W M 波 形 圖 2－ 3 降壓式 DC－ DC 變 換器原理圖 當控制信號為正半波時，晶體管 T 導通，續(xù)流二極管 D 因此反偏截止 。輸入電源通過電感 L 向負載供電，并同時向濾波電容 C 充電，此時電感 L 處于儲能狀態(tài)。當控制信號為負半波時，晶體管 T 截止。由于通過儲能電感 L 的電流不能突變，所以在它兩端感應出一個左負右正的自感電勢，使續(xù)流二極管導通。此時儲能電感 L 便把原先儲存的磁能轉換成電能。降壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓為： inbus QVV ? （ 2－ 1） 其中 busV 為母線 電壓； Q 為控制脈沖的占空比； Vin 為輸入電壓。 升壓型調(diào)節(jié)器又稱并聯(lián)型開關調(diào)節(jié)器，它的原理圖如下 D CP W M 波 形 圖 2－ 4 升壓式 DCDC 變換器原理圖 在圖 2－ 4 中，當晶體管 T 導通時，輸入電壓全部加到電感 L 上并以電磁能的形式儲存在電感中，在此期間，負載由電容器 C 供電；當晶體管 T 截止時，在電感 L 中的感應電勢與蓄電池電壓疊加起來向電容 C 充電并給負載供電，從而在輸出端形成高于輸入的電壓。 T 導通期間，電感 L 上的電壓跳變的幅值與控制脈沖的占空比 Q 有關 ， Q 愈大，導通時間愈長， Lr 峰值電流愈大，儲存的能量也愈多，在晶體管截止期間的感應電壓也愈高 第二章 光伏發(fā)電系統(tǒng)的總體設計 12 QVV inbus ??1 （ 2－ 2） 完成 DC 到 AC 的轉換需要用到逆變器，在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器是核心部分。其主要功能是將太陽能電池板發(fā)出的直流電逆變成單相交流電，并送入電網(wǎng)。當然也要有完善的并網(wǎng)保護功能，保證系統(tǒng)能夠安全可靠地運行。根據(jù)太陽能發(fā)電用逆變器分為以下幾種形式 [15]: (l)工頻變壓器絕緣方式用于獨立型太陽能發(fā)電設備，可靠性高， 維護量少，開關頻率低，電磁干擾小。 (2)高頻變壓器絕緣方式用于并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設備，體積小，重量輕，成本低。要經(jīng)兩級變換，效率問題比較突出，采取措施后，仍可達到 90%以上，高頻電磁干擾嚴重，要采用濾波和屏蔽措施。 (3)無變壓器非絕緣方式本來希望進一步降低成本，從兩級變換變?yōu)閱渭壸儞Q，提高效率，使它成為并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設備中更理想的逆變器，但是使用中出現(xiàn)一系列問題。無變壓器非絕緣方式逆變器不能使輸入的太陽電池與輸出電網(wǎng)絕緣隔離，輸入的太陽電