【文章內(nèi)容簡介】 如下圖，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)主要包含如下幾個部分：光伏陣列、控制電路、蓄電池組、升壓電路、逆變電路。光伏陣列 將太陽能轉(zhuǎn)化為電能 ，通過斬波電路實現(xiàn)對功率的控制，蓄電池用來貯存白天產(chǎn)生的多余的電量，到夜間或陽光不充足的白天釋放能量供負載使用，而對蓄電池和光伏組件輸出的直流電進行處理使之能讓負載使用的是逆變器的工作任務(wù) [6]。 圖 系統(tǒng)主回路電路圖 光伏陣列 光伏陣列的組成 陽光中的能量在光伏發(fā)電系統(tǒng)中是通過光生伏打效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能的。“光生伏打效應(yīng)”產(chǎn)生有兩種情況，一種是在半導體和金屬相接觸面上光電子的聚攏，還有就是在半導體不均勻的部分發(fā)生聚集。光電子的聚集 產(chǎn)生電位差，這種光電子產(chǎn)生的電能是十分微小的，沒有辦法直接用的，所以為了使得到電量足夠大可以具有使用價值，可以通過把這些單個的光伏電池經(jīng)過串聯(lián)或者并聯(lián)使之電壓和電流疊加。這樣就構(gòu)成一個太陽能電池片，然后依據(jù)負載對電量的要求選擇一定內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 11 數(shù)量的電池片連接成為光伏電池方正，作為系統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備使用。 光伏電池的參數(shù) 光伏電池的參數(shù)有：短路電流 Ise 、開路電壓 V 、填充因子 FF 、還有轉(zhuǎn)換效率等。 1）短路電流 Ise ：正常的工作狀態(tài)下，使 u=0 時，此時的電流就是電池片的短路電流，短路電流隨著光強的變化而變化。在實際的電路中，影響光伏電池短路電流的因素有電池材料、制作工藝等。 2）開路電壓 Voc 將太陽能電池的正負極不接負載，測量到的兩端電壓的值就是開路電壓。單片太陽能電池的開路電壓不隨電池片面積的增 減而變化，一般為 ～ 。 3）光電轉(zhuǎn)換效率 η 太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率這一參數(shù)是一塊電池好與不好的標志，決定一個系統(tǒng)能不能高效的運行。它指太陽能電池受光照時的最大輸出功率與照射到電池上的太陽能量功率的比值 [7]。計算公式如下 : inmAPP?? () 式中 A 為太陽電池的面積， mP 為電池的最大輸出 功率， inP 為單位面積的入射光功率。 4）填充因子 FF 光伏裝置不是線性電路，電路中負載值得大小會對工作電壓和電流產(chǎn)生影響， 在 I V曲線上，存在這樣一點，在這點處電壓和電流相乘就可得到最大功率點。在其工作的各種狀態(tài)中，只有開路電壓和短路電流相乘的數(shù)值是最大的。 用實際工作的最大工作點與上述的最大值相比就可以的到填充因子。如公式： scI?? ocmVPFF () FF 值得確定隨并聯(lián)電阻及串聯(lián)電阻的數(shù)值，反向飽和電流的取值、光照強度變化而變動。 太陽能電池特性曲線 對太陽能電池輸出特性產(chǎn)生影響的因素有光照情況、溫度等。下圖是太陽能電池的等效電路。內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 12 圖 太陽能電池的 IV特性： ? ?pc e l lc e l lIRVs atphc e l l RIRVqeIII s c e l lc e l l s c e l lA T K 1 ??????????? ? () 式中： T：太陽能電池內(nèi)部的絕對溫度 Vcell、 Icell：輸出電壓和輸出電流 Isat：是二極管飽 和電流 Iph：光生電流，它的數(shù)值和當時光照強度關(guān)系密切 Rpcell：內(nèi)部并聯(lián)電阻， RScell：內(nèi)部串聯(lián)電阻， Q：電子電荷，為 10 19C， A：是二極管系數(shù) K 是波爾茲曼常數(shù)， K = 1023J /K。 下圖是在不同溫度的情況下的特性曲線： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 13 圖 日照強度恒定時光伏電池 V— I、 P— I 曲線 從上圖可以觀察光照恒定時，太陽能電池的工作溫度改變，它的輸出也會跟著改變。在電壓變化的過程中，功率有一個最高點，他就是太陽能電池的最大功率點。在溫度降低的過程中，太陽能 電池的功率會有增大。 DC/DC 變換器 DCDC 變換器在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用很廣闊，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中也有著十分重要的地位?？茖W技術(shù)的進步，現(xiàn)在的變換器有了很大的改進。重量變輕，體積也變小，效率也有極大的提升 [8]。 DC/DC 變換器的工作原理是通過控制電路中可控開關(guān)器件的導通和關(guān)斷，以電容和電感為儲能器件，輸出直流電壓的斬波變換電路。 變換器的分類 變換器可以分為兩種，一種是帶隔離的，另一種是不帶隔離的變換器。具體分類如下圖： 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 14 圖 DC/DC變換器的分類 常用變換器的特 點 隨著科技的不斷發(fā)展， DC/DC 變換器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中越來越多地應(yīng)用。直流斬波電路中由續(xù)流用的二極管和用來濾波的 LC 電路構(gòu)成。直流斬波變換器的工作原理主要是通過調(diào)節(jié)控制開關(guān)，將一種持續(xù)的直流電壓變換成另一種直流電壓，或可調(diào)或固定，其中二極管起續(xù)流作用，用 LC 電路來濾波。重量輕、體積小、效率高是相對于傳統(tǒng)的 DC/DC 變換器最大的優(yōu)點。 Buck 電路通過斬波形式，使平均輸出電壓降低，由開關(guān)器件、電壓源、電容器、電感器和二極管構(gòu)成 [9]。 Buck 電路具有結(jié)構(gòu)簡單，高效，易控制的優(yōu)點，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中廣泛使 用著。但是他只能用于降壓，不能升壓，而且輸入端必須并聯(lián)電容。 Boost 變換器組成原件有電感、二極管、開關(guān)管、電容。與 Buck 電路相比，不同之處是 Buck 變換器中的電感是在開關(guān)的輸出端，而 Boost 變換器中的電感是在開關(guān)的輸入端。它在獨立廣發(fā)發(fā)電系統(tǒng)中可以用在升高光伏陣列或者蓄電池輸出端的電壓。以滿足下級電路需要。但是與 Buck 電路相比， Boost 電路的輸入電流更大，因而電路損耗更大，轉(zhuǎn)化效率低 Buck/Boost 電路 ,它同時也可以叫做 反極性斬波電路 ，與其它直流變化電路相比，它的電壓輸出有更寬的范圍值，同時具有升高電壓或降低電壓的作用，不足在于電路中的需要有儲能電容，使得電路變得笨重而且效率也不高。 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 15 Cuk 電路也是有電壓升降的作用。輸入它的電壓是不間斷的，并且輸出的負載電流是連續(xù)的，波動很小，這樣使得輸出輸入的濾波更容易進行。但是 Cuk變換電路的成本高于其他，因為使用的器件多于 boost 電路等。而且電路中電容的值偏大，電路臃腫損耗也高。 光伏發(fā)電系統(tǒng)中變換器的作用 1）跟蹤最大功率工作點。通過對光伏電池板的輸出的 電量信息進行采集和計算，確定出調(diào)整方向，變換器通過調(diào)整電壓的升降使輸出與輸入匹配，使系統(tǒng)工作在最大工作點附近。 2）蓄電池充電控制。檢測到蓄電池的狀態(tài)之后，再確定了對蓄電池的控制方式。這時候就應(yīng)該用 DCDC 變換器的電壓調(diào)節(jié)作用，改變蓄電池的輸入，用來匹配蓄電池的狀態(tài)。 3）線路中的升 /降壓作用 [10]。在整個系統(tǒng)的主回路中，光伏電池產(chǎn)生的電能電壓最低，到最后供負載使用的 220V交流點差距很大，所以，回路中難免要用到 DCDC 升壓電路，另外，在進行最大功率跟蹤控制的時候有時候還需要降低電壓。 蓄電 池 蓄電池的分類 下表是對幾種常見蓄電池比較 : 內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 16 表 各種蓄電池的比較 在當前的太陽能發(fā)電系統(tǒng)中 ,用的最多的是鉛酸蓄電池 .從表可以看出雖然鎳氫電池、鎳鎘電池和鋰電池有各自的優(yōu)點但是昂貴的價格和復雜的維護和使用使得在實際應(yīng)用中不夠廣泛。 在目前市場上用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的鉛酸蓄電池有一下幾種 : 1）普通蓄電池：它的內(nèi)部材料為鉛和鉛的氧化物 .用硫酸水溶液做電解液 . 他的主要優(yōu)點是 ,輸出電壓穩(wěn)定 ,市場上銷售價格低于其他電池 . 但缺點也比較突出 ,比能低 ,需要經(jīng)常維護比較繁瑣 ,而且最重要的是使用壽命相對短。 2）干荷蓄電池：它對電能儲存能力強，能把電量存儲兩年左右 .再使用時加入電解液 , 稍候 2030 分鐘之后即可使用。 3）免維護蓄電池：免維護電池在實際應(yīng)用中對點電解液的消耗小 ,不需要時常添加蒸餾水 .而且它還有普通電池耐震 ,在溫度高的環(huán)境也可以正常工作 ,自身體積也小于一般電池 .他的使用壽命也長于其他電 池 . 蓄電池的作用 在獨立家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的作用體現(xiàn)在如下幾點： 1）能量存儲，為獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)不間斷的供電。太陽能有一個不足之處就是夜晚或者陰雨天沒有陽光時候太陽能電池組件不能產(chǎn)生電能，所以蓄電池需要在沒有太陽光的時候為系統(tǒng)提供能量。在有陽光充足的條件下，蓄電池要把太陽能電池產(chǎn)生的電能中用電設(shè)備沒有使用的那部分電能儲存起來 ,在沒有陽光的時候給負載供電 . 2）穩(wěn)壓和鉗位。如果把光伏陣列直接與負載連起來 ,由于陣列受太陽光強度內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 17 和溫度的影響 ,負載不能穩(wěn)定在最大功率附近工作 ,不利于效率的提升 .如果用蓄電池隔離開負載與光伏陣列的直接連接 ,可以減小對負載的影響 ,使其工作功率接近最大功率 ,由此提高系統(tǒng)的效率 . 3）提供啟動電流。當有的用電設(shè)備需要的啟動電流很大 ,超出光伏陣列所能提供的電流值 ,這時候可以用蓄電池來短暫的提供這個電流讓設(shè)備啟動 .增強系統(tǒng)的實用性 . 在家用光伏發(fā)電系統(tǒng)中 ,我們對蓄電池有以下幾點要求 : 1）具有深循環(huán)放電性能。； 2）耐過充電能力強； 3）放電深度超過正常值時蓄電池容量容易恢復； 4）良好的充電接受能力； 5）電解液不出現(xiàn)嚴重的分層現(xiàn)象； 6）有著穩(wěn)定的輸出特性； 7）在不是特別良好的環(huán)境下也可以正常工作； 8）蓄電池組中各個單體的性能能保持一致 蓄電池充電方式介紹 給蓄電池充電的控制策略有很多，好的充電控制策略對蓄電池有極大的好處，能提高它的使用價值，可以延長它的使用壽命和工作的穩(wěn)定性 [11]。最基本的是以下幾種： 1）恒壓充電 充電時給蓄電池輸入的是穩(wěn)定的電壓。恒壓充電實現(xiàn)起來是相對容易的，但是容易出現(xiàn)初始充電電流太大，有可能對蓄電池造成損害。 2）恒流充電 恒流充電是指輸入給蓄電池的是恒定的電流。此電流在蓄電池的最大允許電流之內(nèi)。使用此充 電方法是，電流越大，充電速度越快。 3）階段充電 階段式充電是綜合了前兩者方式上產(chǎn)生的一種充電方式。有兩階段和三階段兩種方法。三階段充電是先用恒流充電到預(yù)先設(shè)定的電壓后轉(zhuǎn)變?yōu)楹銐撼潆娭钡叫铍姵剡_到飽和，然后進行浮充。充電放電循環(huán)次數(shù)相對減少，浮充電流除了維內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 18 持自身放電之外，還能維持蓄電池內(nèi)部氧的循環(huán)，這樣可以大大延長了蓄電池的壽命。兩階段充電沒有浮充階段。 4）脈沖充電 脈沖充電的方式是把一種周期性的電流注入到蓄電池。電解液在有間斷的充電中過程中容易擴散。從而提高從電能轉(zhuǎn)變效率。 逆變器 逆變器作用及原理 整流器是指可以將交流電轉(zhuǎn)化為直流電的設(shè)備，逆變器的作用是與之相反，逆變器是一種把直流電能（電池、蓄電池）轉(zhuǎn)變成交流電（一般為 220 伏 50HZ正弦波或方波）的裝置。我們常見的應(yīng)急電源，一般都是把直流電瓶逆變成 220V交流的。不管是在偏遠山村，或是野外需要或是停電應(yīng)急，逆變器都是一個非常不錯的選擇。他通過與蓄電池的配合可以為用電設(shè)備提供出穩(wěn)定的不間斷的電能 它主要的工作原理是加在逆變器輸入端的直流電壓通過控制開關(guān)在負載上變成具有正負極性的交流。其中開關(guān)器件的控制使得直流電加在負載上 供電時具有兩個回路，兩個回路交替的周期性進行就在負載形成交流電。 逆變器分類 逆變器的分類有很多種，根據(jù)逆變原理的不同，可以將逆變器分為脈寬調(diào)制? ?PWM 逆變器、 梯波疊加自激振蕩型逆變器和階 逆變器等。根據(jù)逆變器主回路拓撲的不同，分為全橋拓撲結(jié)構(gòu)、半橋拓撲結(jié)構(gòu)和推挽拓撲結(jié)構(gòu)等。根據(jù)控制輸出波形類型不同分為電流跟蹤型逆變器和電壓跟蹤型逆變器。 小型離網(wǎng)光伏發(fā)電 系統(tǒng)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)分類 家用光伏發(fā)電系統(tǒng)使用的設(shè)備一般功率較小，所以大都使用單相逆變器。單相逆變器從電路結(jié)構(gòu)上可的不同，可以分為三類。推挽式逆變電路、板橋逆變電路、全橋逆變電路 [13]。 圖 所示的是推挽電路的結(jié)構(gòu)：電路中的 Q Q2 兩個開關(guān)器件的基極收到 PWM 控制信號的控制，交替在導通和關(guān)斷兩個狀態(tài)。在Q1 導通的時候，電流經(jīng)過 Q1 連接在變壓器的原邊上。到了 Q1 基極上的脈沖消失的時候，兩個開關(guān)管都關(guān)斷，集電極和發(fā)射極的電壓都成了直流輸入電壓。到內(nèi)蒙古科技大學畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 19 PWM 下個周期時，輪到 Q2 導通。就這樣交替導通，不斷重復來達 到逆變效果。 圖 全橋逆變電路結(jié)構(gòu)如下圖所示：橋兩臂由 S S S3 和 S4 組成，兩個橋臂的中間連接到濾波電路最終送給負載。電路中的四個開關(guān)管按照給定 PWM信號交替導通。其工作過程與推挽電路相同。 圖 家用太陽能發(fā)電系統(tǒng)逆變器要求 逆變器是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中最后的一步，它把來自蓄電池或者光伏陣列的直流電逆變成交流供