【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 根 據(jù)不同場(chǎng)合的需要，太陽(yáng)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)和混合光伏發(fā)電系統(tǒng)。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng) 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指不與電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立供電的光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于電網(wǎng)覆蓋不到的邊遠(yuǎn)山區(qū)或者是太陽(yáng)光照不足，不能滿足與電網(wǎng)互通需要的地區(qū)，主要用于滿足單個(gè)用戶的一天工作，生活用電，必須帶有儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，滿足黑夜或者光照不足的陰雨天的用電需要，這種供電方式設(shè)備復(fù)雜，蓄電池受環(huán)境和使用方法的影響，壽命一般不長(zhǎng)，而且當(dāng)有多余的電能或者是電能不足的情況下就 會(huì)產(chǎn)生浪費(fèi)或者影響工作和生活。 獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)組成 與負(fù)載有關(guān)， 直 流負(fù)載和交流負(fù)載都包含光伏陣列、蓄電池組、控制電路。獨(dú)立光伏系統(tǒng)的負(fù)載如果是直流負(fù)載不含逆變回路， 可直接 與蓄電池相連， 對(duì) 蓄電池的輸出電壓進(jìn)行升 （降） 壓后提供給負(fù)載。這類 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。由于負(fù)載直流電壓的不 同，很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性，特別是生活用電，負(fù)載主要為交流，而且直流系統(tǒng)也很難實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。 因 此， 交流光伏逆變電源正在逐漸取代直流光伏電源。 交流光伏逆變電源系統(tǒng)與直流光伏電源系統(tǒng)的主要差別是在負(fù)載和蓄電池之間加入了逆變器，逆 變器承擔(dān)了將直流電壓轉(zhuǎn)化為交流電壓的功能。圖（ ） 為典型的獨(dú)立光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。光伏陣列安裝在戶外接受太 陽(yáng) 能，通過充電控制器給蓄電池充電，逆變電路將直流電轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需要的三相或單相交流電。 D C / D C 蓄 電 池 直 流 負(fù) 載交 流 負(fù) 載逆 變 器控 制 器光 伏 陣 列 圖 11 獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 光伏并網(wǎng)發(fā)電是太陽(yáng)能發(fā)電的發(fā)展方向，把太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)聯(lián)系起來(lái)，這樣當(dāng)電能多余的時(shí)候，可以把多余的電能輸送到電網(wǎng)，當(dāng)電能不足時(shí)可以從電網(wǎng)獲得電能補(bǔ)償，滿足工作和生活的需要，另外，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)第 1章 緒論 5 不需要儲(chǔ)能環(huán)節(jié)，這就大大節(jié)省了設(shè)備成本和維修率。 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)連接，其中逆變器起很重要的作用，要求具有與電網(wǎng)連接的功能。目前常用的并網(wǎng)光伏發(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(chǔ)能環(huán)節(jié)。帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)中逆變器配有主開關(guān)和重要負(fù)載開關(guān)，使得系統(tǒng)其有不間斷電源的作用，這對(duì)于一些重要負(fù)荷甚至某些家庭用戶來(lái)說(shuō)具有重要意義；此外，該系統(tǒng)還可以充當(dāng)功率調(diào)節(jié)器的作用，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、抵消有害的高次諧波分量從而提 高電能質(zhì)量。不帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能，當(dāng)主電網(wǎng)斷電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止向電網(wǎng)供電。當(dāng)有日照照射、光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的交流電能超過負(fù)載所需時(shí)，多余的部分將送往電網(wǎng)；夜間當(dāng)負(fù)載所需電能超過光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能時(shí)，電網(wǎng)自動(dòng)向負(fù)載補(bǔ)充電能。 D C / D C 電 網(wǎng)交 流 負(fù) 載逆 變 器控 制 器光 伏 陣 列 圖 12 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 混合光伏發(fā)電系統(tǒng) 圖 為混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)，它區(qū) 別于以上兩個(gè)系統(tǒng)之處是增加了一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)組，當(dāng)光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池儲(chǔ)量不足時(shí)，可以啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組，它既可以直接給交流負(fù)載供電，又可以經(jīng)整流器后給蓄電池充電，所以稱為混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 D C / D C 蓄 電 池 直 流 負(fù) 載交 流 負(fù) 載逆 變 器控 制 器光 伏 陣 列主 開 關(guān)發(fā) 電 機(jī) 組 圖 13 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng) 第 2章 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理 7 第 2 章 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)基本原理 圖 21 典型光伏發(fā)電系統(tǒng)框圖 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)由四部分組成，即太陽(yáng)能電池方陣、蓄電池組、逆變器和控制器，其典型的系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。 并網(wǎng)光伏 發(fā)電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是，與公用電網(wǎng)發(fā)生緊密的電聯(lián)系。光伏發(fā)電系統(tǒng)多余的電力向電網(wǎng)供電，不足的電力由電網(wǎng)補(bǔ)。其工作的基本原理是，太陽(yáng)能電池方陣受到太陽(yáng)輻照，通過太陽(yáng)能電池的光生伏打效應(yīng)，將太陽(yáng)光能直接轉(zhuǎn)換為直流電能，太陽(yáng)能電池方陣的輸出端經(jīng)防反充二極管接至控制器。控制器的一對(duì)輸出端接至蓄電池組，對(duì)其進(jìn)行充、放電保護(hù)控制；控制器的另一對(duì)輸出端通過開關(guān)接至逆變器，將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，可以向交流?fù)載供電，也可以通過鎖相環(huán)節(jié)向電網(wǎng)輸出與電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電。這樣就構(gòu)成了一個(gè)完整的發(fā)電、輸電和供電系統(tǒng) 。 對(duì)于光伏 并網(wǎng)系統(tǒng)而言，將太陽(yáng)能經(jīng)光伏電池陣列轉(zhuǎn)化成電能饋送給交流電網(wǎng)，其間能量的傳遞與轉(zhuǎn)換可以有很多種方式，并網(wǎng)逆變器的結(jié)構(gòu)也因而有所不同，可以是直接從太陽(yáng)能電池到電網(wǎng)的單級(jí) DC AC 變換結(jié)構(gòu)，也可以是 DC DC和 DC AC的兩級(jí)變換結(jié)構(gòu)。對(duì)于小功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 由于光伏電池陣列的輸出電壓比較低，因而更多的采用了先通過一級(jí) DC DC 變換器升壓，然后再通過一級(jí) DC AC 逆變器的兩級(jí)變換并網(wǎng)結(jié)構(gòu)。 太陽(yáng)能并網(wǎng)逆變器的控制目標(biāo)是控制并網(wǎng)逆變器的輸出電流為穩(wěn)定的高質(zhì)量的正弦波電流，同時(shí)還要求并網(wǎng)逆變器輸出 的電流與電網(wǎng)電壓同頻、同相，因此需要采用合適的控制策略以達(dá)到上述的控制目標(biāo)。 光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 由于太陽(yáng)能電池，燃料電池每個(gè)單元的輸出電壓較低，所以在串聯(lián)數(shù)量很少的情況下，并網(wǎng)逆變器的輸入電壓較低，這樣并網(wǎng)逆變器就需要具有直流電壓的提升和逆變的功能。通常并網(wǎng)逆變器依照級(jí)數(shù)可以劃分為單級(jí)式逆變器和多級(jí)式逆變器。單級(jí)指直流電壓的提升和產(chǎn)生正弦波的輸出電流或者輸出電壓在同一級(jí)電路中完成。多級(jí)即指在前一級(jí)或者前幾級(jí)電路中實(shí)現(xiàn)了電壓的升降或者隔離，在后級(jí)的電路中實(shí)現(xiàn)了 DC/AC的變換，常見的是兩級(jí)逆 變器。還有一些逆變器可以認(rèn)為是兩級(jí)也可以認(rèn)為是一些復(fù)雜的單級(jí)變換器。 單級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器 單級(jí)式逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，但是單級(jí)式非隔離型升壓的程度有限，靠電感的儲(chǔ)能實(shí)現(xiàn)，所以僅適用于較小功率場(chǎng)合，不適合于并網(wǎng)運(yùn)行。 單級(jí)式結(jié)構(gòu)的逆變器所有的控制都在逆變環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)，即最大功率點(diǎn)的跟蹤控制和逆變并網(wǎng)控制。單級(jí)式結(jié)構(gòu)逆變器所并電網(wǎng)為低電壓電網(wǎng)，可以直接接入電網(wǎng)供電 ； 如果單級(jí)式結(jié)構(gòu)逆變器所并電網(wǎng)為高電壓電網(wǎng)，并且光伏陣列輸入電壓較低，則逆變器輸出需升壓變壓器后接入電網(wǎng)，該變壓器不僅具有升壓作用，還具 備濾波和隔離作用。單相單級(jí)式逆變器的結(jié)構(gòu)如圖 所示。 單級(jí)式逆變器系統(tǒng)由光伏陣列、穩(wěn)壓濾波電容、單相全橋逆變電路、并網(wǎng)濾波電感和市電電網(wǎng)組成。單級(jí)式逆變器系統(tǒng)只有一個(gè)逆變環(huán)節(jié)，因此該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，相應(yīng)的效率比較高，但是所有的控制算法都在在該環(huán)節(jié)中實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致整個(gè)的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。另外，由于光伏陣列的輸出直接輸入逆變器中，導(dǎo)致光伏陣列的電壓輸出有兩倍工頻的紋波電壓，因此需要第 2章 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理 9 在光伏陣列的輸出側(cè)加入大功率的濾波電容，來(lái)抑制電壓紋波，如果濾波電容的選取較大，將會(huì)降低光伏系統(tǒng)的 MPPT 的響應(yīng)速度。 1L4VT 4D 1R1VT 1D 3VTD2VT 2D 圖 22 單相單級(jí)式隔離型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 兩級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器 針對(duì)以上對(duì)單級(jí)式光伏并網(wǎng)逆變器缺點(diǎn)，采用了兩級(jí)式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。兩級(jí)式逆變器最大的特點(diǎn)是光伏陣列的 MPPT 控制與逆變并網(wǎng)控制分開實(shí)現(xiàn)，因此控制的復(fù)雜程度相應(yīng)的降低。兩級(jí)式逆變器系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要包括光伏陣列、 BOOST 電路、 三相 橋 式 逆變器、濾波器和市電電網(wǎng)構(gòu)成，如圖 所示。前級(jí)的 BOOST 電路主要實(shí)現(xiàn)升壓作用和 MPPT 控制，升壓作用保證后級(jí)直流母線達(dá)到實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)的電壓 的幅值要求， MPPT 的控制保證光伏陣列的最大功率的輸出 ；后級(jí)三相 橋 式 逆變電路主要實(shí)現(xiàn)直 流母線的穩(wěn)壓和并網(wǎng)電流的控制，保證并網(wǎng)電流與市電電網(wǎng)電壓的同頻同相，保證功率因數(shù)為 1。 1L4VT 4D1VT 1D 3VTD2VT 2D 圖 23 單相兩級(jí)式非隔離型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 兩級(jí)式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含的電路都是比較簡(jiǎn)單和技術(shù)比較成熟的電路，但是如果工程要求實(shí)現(xiàn)電氣隔離，就必須在后級(jí)并網(wǎng)輸出電壓處加變壓器，這樣就增加了光伏系統(tǒng)成本，光伏并網(wǎng)逆變器體積和重量也相應(yīng)的增加。 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本設(shè) 計(jì)決定采用帶變壓器的兩級(jí)結(jié)構(gòu)，前級(jí) DC DC 變換器和后級(jí) DC AC 逆變器，兩部分通過 DCLink 相連。 前級(jí) DC DC 變換器，考慮到輸入電壓較低，而輸出電壓較大，因此這里采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便的 Boost 升壓電路。 前級(jí) Boost 高頻升壓電路負(fù)責(zé)完成太陽(yáng) 能電池陣列的最大功率跟蹤控制 (MPPT)輸出并把太陽(yáng)能電池陣列的輸出電壓升高至某一數(shù)值，確保直流母線電壓的穩(wěn)定，從而使得后級(jí)逆變部分的輸入電壓穩(wěn)定。后級(jí)全橋逆變電路負(fù)責(zé)將經(jīng) Boost 升壓后的直流電變?yōu)檎医涣麟?，輸出與電網(wǎng)電壓同頻同相的交流電流。 由于該電路中沒有采用變壓器，從而使得系統(tǒng)的體積和 重量大大減輕，產(chǎn)生噪聲小，成本也低，但是在某些特殊對(duì)電氣隔離要求嚴(yán)格的場(chǎng)合不適宜使用。 在本系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池板輸出的額定直流電壓通過 DC DC 變換器將電能轉(zhuǎn)換為 DCLink 的 400V直流電。 DCLink 的作用除了連接 DC DC 變換器和 DC AC 逆變器，還實(shí)現(xiàn)了功率的傳遞。后級(jí)的 DC AC 逆變器，采用單相逆變?nèi)珮颍?采用 SPWM 控制， 作用是將 DCLink 直流電轉(zhuǎn)換成220V/50Hz 正弦交流電，實(shí)現(xiàn)逆變向電網(wǎng)輸送功率。 本章小結(jié) 本章首 先介紹了光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的基本原理，接著對(duì)光伏并網(wǎng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹和分類 ， 在分析對(duì)比了隔離型單級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、非隔離型兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，確定了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用無(wú)變壓器隔離的兩級(jí)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前級(jí)是 Boost 升壓電路，后級(jí)是單相全橋逆變電路，兩者通過直流母線 DCLink 相連。 第 3章 光伏陣列基本原理及工作特性 11 第 3 章 光伏陣列基本原理及工作特性 光伏電池的工作原理 光伏發(fā)電首先要解決的問題是怎樣將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。光伏電池就是利用半導(dǎo)體光伏效應(yīng)制成，它是一種能將太陽(yáng)能輻射直接轉(zhuǎn)換為電能的轉(zhuǎn)換器件。由若干個(gè)這種器件 封裝成光伏電池組件，再根據(jù)需要將若干個(gè)組件組合成一定功率的光伏陣列。光伏陣列是光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，其輸出特性受外界環(huán)境影響較大。 太陽(yáng)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。光伏電池是以光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)，可以把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種半導(dǎo)體器件。所謂的光生伏打效應(yīng)是指某種材料在吸收了光能之后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。在氣體，液體和固體中均可產(chǎn)生這種效應(yīng)。在固體，特別是半導(dǎo)體中，光能轉(zhuǎn)換成電能的效率相對(duì)較高。 圖 31 光生伏打效應(yīng) 當(dāng)光照射在距 光伏電池表面很近的 PN 結(jié)時(shí)，只要入射光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度 gE ，則在 P 區(qū)、 N 區(qū)和結(jié)區(qū)光子被吸收會(huì)產(chǎn)生電子–空穴對(duì)。那些在結(jié)附近 N 區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子由于存在濃度梯度而要擴(kuò)散。只要少數(shù)載流子離 PN 結(jié)的距離小于它的擴(kuò)散長(zhǎng)度，總有一定幾率擴(kuò)散到結(jié)界面處。在 P 區(qū)與 N 區(qū)交界面的兩側(cè)即結(jié)區(qū)，存在一 個(gè)空間電荷區(qū)，也稱為耗盡區(qū)。在耗盡區(qū)中，正負(fù)電荷間形成 電場(chǎng)，電場(chǎng)方向由 N 區(qū)指向 P燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 區(qū)，這個(gè)電場(chǎng)稱為內(nèi)建電場(chǎng)。這些擴(kuò)散到結(jié)界面處的少數(shù)載流子（空穴）在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下被拉向 P 區(qū)。同樣，如果在結(jié) 區(qū) 附近 P 區(qū)中產(chǎn)生的少數(shù)載流子（電子）擴(kuò)散到結(jié)界面處，也會(huì)被內(nèi)建電場(chǎng)迅速被拉向 N 區(qū)結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子 –空穴對(duì)在內(nèi)建電場(chǎng)的作用下分別移向 N 區(qū)和 P 區(qū)。如果外電路處于開路狀態(tài)，那么這些光生電子和空穴積累在 PN 結(jié)附近，使 P 區(qū)獲得附加正電荷， N 區(qū)獲得附加負(fù)電荷，這樣在 PN 結(jié)上產(chǎn)生一個(gè)光生電動(dòng)勢(shì)。若果外電路與負(fù)載連接，處于通路狀態(tài)， PN 結(jié)產(chǎn)生的光生電動(dòng)勢(shì)就開始供電， 產(chǎn)生從 P 區(qū)流出， N 區(qū)流入的電流，從而帶動(dòng)負(fù)載工作 。 光伏電池等效電路 phI DI shRsRIshI ocU 圖 32光伏電池等效電路 上圖 是 光伏電池 的等效電路模型圖。它由理想電流源 phI 、