【正文】 (4)在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變電源的輸出應(yīng)為失真度較小的正38弦波。 (2)要有較高的可靠性和可恢復(fù)性 目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠(yuǎn)地區(qū)，許多電站無人值守和維護(hù)，這就要求逆變電源具備一定的抗干擾能力、環(huán)境適應(yīng)能力、瞬時過載能力以及各種保護(hù)功能，如輸入直流極性接反保護(hù)，交流輸出短路保護(hù)，過熱、過載保護(hù)等。中小功率的逆變器在滿載時也應(yīng)在 85%或者 90%以上。一般典型值設(shè)為 toff(oc)IGBT 時,并不危險,過流保護(hù)不予理睬,當(dāng)檢測出過流時,IGBT 將被有控制地軟關(guān)斷,同時輸出一個故障信號。IGBT 應(yīng)用的失敗,很大程度上取決于過流保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣。IGBT 的柵射驅(qū)動接線應(yīng)用絞線。其驅(qū)動電路信號延遲≤1μs,所以此混合 IC 適用于高達(dá) 40 kHz 的開關(guān)頻率。該端可由過流、過壓檢測等控制。TRIP：輸出 TRIP 狀態(tài),無 PWM 輸出時為低電平。PWMT ： PWM 輸出信號, T T L 電平, 用來驅(qū)動與電源相連的高端功率開關(guān)。RD ( R/ W) ： Int el CPU 寫選通( Mot orola CPU 讀/ 寫選擇) 。ALE ( AS) ： Int el CPU 地址鎖存允許端( AS MotorolaCPU 地址通端) 。如圖 38 所示, SA8381 為 20 腳雙列直插小封裝, 圖中：RST 為內(nèi)部計數(shù)器復(fù)位端, 當(dāng)初始化時RST 置0, 無PWM 輸出, 初始化完成后RST 置 1, 此時才有PWM 輸出。最小脈寬和死區(qū)時間通過軟件設(shè)置完成,省掉了硬件電路,提高了可靠性。調(diào)制頻率精度高(12位)。 適應(yīng)于Int el 和Mot orala 兩種總線格式, 接口通用性好。352．SA8381 的結(jié)構(gòu)SA838 系列集成電路可提供高質(zhì)量的單機(jī)正脈寬調(diào)制波形,其僅與時鐘、微處理器或微控制器、驅(qū)動電路、逆變功率電路相連,即可構(gòu)成性能優(yōu)異的逆變系統(tǒng),該系統(tǒng)接口簡捷、編程容易、成本低廉。同時為過壓、過流保護(hù)提供取樣信號。即通過 CPU 與 SA8381 接口很方便地將載波頻率、調(diào)制頻率、輸出幅值、脈沖取消時間、脈沖延遲時間等寫入 SA8381 內(nèi)部寄存器，并只需改變工作方式時才刷新。 SPWM 產(chǎn)生電路1．微控制器與 SA8381 實現(xiàn) SPWM 波形的原理微控制器與 SA8381 實現(xiàn) SPWM 波形的原理框圖如圖 37 所示。逆變器輸出所接的濾波器通常為低通濾波器，由電感器和電容器構(gòu)成 型?低通濾波形式。典型的逆變器交流輸出頻率為 50HZ，逆變器開關(guān)頻率可以幾百到幾十千赫。其逆變過程為：光伏陣列或蓄電池輸出的直流電進(jìn)入逆變器直流母線，經(jīng)開關(guān)34電路（如橋式電路）將直流電變成正反方向輸出的、脈寬為正弦調(diào)制的交流脈沖波，此脈寬調(diào)制的交流電壓經(jīng)濾波電路變成正弦交流電壓輸出，如需要升壓則外接升壓變壓器，再經(jīng)輸電線路將交流電力送往負(fù)載。PWM 型逆變器廣泛使用功率場效應(yīng)管（Power MOSFET） 、絕緣柵雙極型晶體管(IGBT) 、可關(guān)斷型晶閘管（GTO）等作為開關(guān)管，而控制部分使用專用型 PWM 開關(guān)集成電路以及帶有 PWM 輸出的 DSP 和單片機(jī)芯片。當(dāng)此交替導(dǎo)通的頻率與負(fù)載所需的交流頻率相同時，其輸出的電壓就為方波電壓。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，脈寬調(diào)制技術(shù)的普及，大容量 PWM 型正弦波逆變器逐漸成為逆變器的主流產(chǎn)品。圖 36 單相全橋電壓型逆變器的主電路2．正弦波脈寬調(diào)制（SPWM）逆變控制原理正弦波逆變器的優(yōu)點是輸出波形基本為正弦波，在負(fù)載中只有很少的諧波損耗，對通信設(shè)備干擾小，整機(jī)效率高。該33逆變器以對角線 和 、對角線 和 構(gòu)成兩組聯(lián)動開關(guān)，兩組開關(guān)交替開1Q423Q通，其結(jié)果是在負(fù)載端輸出分別為正負(fù)的方波電壓。其主電路框圖見圖 35直流驅(qū)動隔離放大SA8381SPWM 波形發(fā)生器逆變 交流87C52 微處理器顯示，報警反饋圖 35 逆變系統(tǒng)原理框圖1．常用電壓型逆變器逆變器按輸出類型，又分為電壓型逆變器和電流型逆變器。SPWM 電路輸出的電能性能質(zhì)量較好，諧波分量較小，容易濾波。全橋逆變電路克服了推挽電路的變壓器利用率低和帶動感性負(fù)載能力較差的缺點。PV 系統(tǒng)若安裝在易遭雷擊的地方時可在控制器輸入端并接壓敏電阻或增設(shè)其它防雷措施。在太陽電池正極輸入端串接防反充二極管或者其他開關(guān)方式防蓄電池電流倒流。可在蓄電池負(fù)極端與蓄電池正極相串聯(lián)的熔斷器間并接一大功率二極管。世界銀行的標(biāo)準(zhǔn)是回路壓降應(yīng)小于系統(tǒng)電壓的 5%，這跟電路的設(shè)計與開關(guān)器件的選擇密切相關(guān)。特別是在小系統(tǒng)的應(yīng)用中成為一個重要指標(biāo)，世界銀行的標(biāo)準(zhǔn)是自耗電流小于額定工作電流的 1%，因此電路的設(shè)計與低功耗器件的選擇非常重要。 控制器的幾個重要指標(biāo)控制器除應(yīng)具有防蓄電池過充功能、過放功能、防負(fù)載短路的功能外，還有以下的幾個重要指標(biāo)。本設(shè)計采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻進(jìn)行溫度補(bǔ)償。防反充保護(hù)：采用反向二極管 IS5401 或肖特基二極管串接在電路上，防止極性接反。為了穩(wěn)定充放電保護(hù)負(fù)載，程序設(shè)定由過充或過放時到正?？梢怨ぷ鲿r持續(xù)一分鐘后（確保此正常電路并非短暫瞬間的正常）再正常放電或充電。工作狀態(tài)顯示太陽能電池 控制芯片蓄電池直流負(fù)載或逆變器圖 33 控制器主電路 FlagL=1 30開 始初 始 化檢測蓄電池停止放電 停止充電檢測太陽能電池最大功率充電放 電FlagL=1 FlagH=1FlagL=0 且持續(xù) 1 分鐘以上 FlagH=0Flag，UsunUxu 且持續(xù) 1 分鐘以上圖 34 控制器主程序流程圖31注：流程圖中標(biāo)示變量 FlagL 和 FlagH 分別標(biāo)示蓄電池的電壓過低和過高,初始化包括各寄存器的初始化以及 Flagl=0。根據(jù)蓄電池充放電的性質(zhì)，可以將蓄電池的過充點和過放點分別設(shè)為 2 個閥值電壓點，充放電過程中不停地檢測蓄電池的電壓，當(dāng)蓄電池輸出電壓低于過放電點時就切斷蓄電池與負(fù)載的連接停止放電，當(dāng)蓄電池的電壓高于過充點時切斷蓄電池與太陽能電池的連接，停止充電。圖 32 硅太陽能電池伏安特性 充放電控制設(shè)計由于太陽能電池的不穩(wěn)定性和蓄電池充放電比較復(fù)雜的特性，本設(shè)計采用29ATMEGA16 單片機(jī)控制充放電過程。d 39。b 39。利用單片機(jī)的 AD 轉(zhuǎn)換功能不停地循環(huán)監(jiān)測太陽能電池的輸出端就可以得到太陽能電池的輸出功率，然后根據(jù)溫度調(diào)整負(fù)載功率，使太陽能電池工作在最大功率點處。39。39。人們發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度保持在某一固定值時， 、 、 、 、 這些點39。d39。b39?？梢钥闯?，這些工作點并不正好落在陣列可能提供的最大功率點 、 、 、 、 ，這就不能充39。 最大功率跟蹤點控制設(shè)計最大功率點控制方法有多種，大都十分復(fù)雜，而目前國內(nèi)的最大功率點控制尚處于理論階段，并沒有廣泛應(yīng)用于市場，本設(shè)計就采用 CVT（恒定電壓跟蹤法）的最大功率點控制，此方法相對簡單有效。28控制器的功能除了監(jiān)測判斷是否繼續(xù)充放電，為了保護(hù)系統(tǒng)正常運行還要對充放電過程進(jìn)行保護(hù)。計算公式如下：光伏方陣間距或可能遮擋物與方陣底邊的垂直距離應(yīng)不小于 D；[rcsi(648ossin)]HD???????式中： 緯度（在北半球為正、在南半球為負(fù)） ；? H 光伏方陣或遮擋物與可能被遮擋組件底邊的高度差。當(dāng)太陽能電池方陣附近有高大建筑物或樹木時，需要計算建筑物或前排方陣的陰影，以確定方陣間的距離或太陽能電池方陣與建筑物的距離。其2cm?中，峰值日照定義為：1 cal==；1 00mW/ = W/ 。最后要將輻射量換算成每日的峰值日照。~20176。 ；緯度55176。~550，傾角等于緯度加 10176。~10176。~400176。~25176。選擇了最佳傾角太陽能電池方陣面上的冬夏季輻射量之差就會變小，蓄電池的容量也可以減少，系統(tǒng)造價降低，設(shè)計更為合理。 ?設(shè) 計 蓄 電 池 總 容 量最 大 充 電 率 設(shè) 計 光 伏 陣 列 的 峰 值 電 流?并 聯(lián) 蓄 電 池 數(shù) 蓄 電 池 容 量并 聯(lián) 光 伏 組 件 數(shù) 組 件 峰 值 電 流 太陽能電池方陣傾角的確定 如果采用計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行太陽能電池方陣傾角的優(yōu)化計算，要求在最佳傾角時冬天和夏天輻射量的差異盡可能小，而全年總輻射量盡可能大，二者應(yīng)當(dāng)兼顧。蓄電池生產(chǎn)商將提供指定型號蓄電池的最大充電率，計算值必須小于該最大充電率。 ?日 負(fù) 載蓄 電 池 日 放 電 深 度 設(shè) 計 蓄 電 池 的 總 容 量 ?日 負(fù) 載設(shè) 計 并 聯(lián) 蓄 電 池 數(shù) 蓄 電 池 容 量(2) 校核光伏組件方陣對蓄電池組的最大充電率另外一個校核計算就是校核設(shè)計光伏組件方陣給蓄電池的充電率。綜合考慮以上因素，可以得到下面的計算公式： h???日 平 均 負(fù) 載 （ A）并 聯(lián) 組 件 數(shù) 量 =庫 侖 效 率 [組 件 日 輸 出 （ ） 衰 減 因 子 ]系 統(tǒng) 電 壓 （ V）串 聯(lián) 組 件 數(shù) 量 組 件 電 壓 （ ）26 蓄電池和光伏組件方陣設(shè)計的校核 我們有必要對光伏組件方陣和蓄電池的設(shè)計計算進(jìn)行校核，以進(jìn)一步了解系統(tǒng)運行中可能出現(xiàn)的情況，保證光伏組件方陣的設(shè)計和蓄電池的設(shè)計可以協(xié)調(diào)工作。不同的蓄電池其庫侖效率不同，通?？梢哉J(rèn)為有 5%~10%的損失，所以保守設(shè)計中有必要將太陽電池組件的功率增加 10%，以抵消蓄電池的耗散損失。b、將負(fù)載增加 10%以應(yīng)付蓄電池的庫侖效率在蓄電池的充放電過程中，鉛酸蓄電池會電解水，產(chǎn)生氣體逸出，這也就是說太陽電池組件產(chǎn)生的電流中將有一部分不能轉(zhuǎn)化儲存起來而是耗散掉?？梢钥闯墒枪夥到y(tǒng)設(shè)計時需要考慮的工程上的安全系數(shù)。泥土、灰塵的覆蓋和組件性能的慢慢衰變都會降低太陽電池組件的輸出。基本計算公式如下： h?日 平 均 負(fù) 載 （ A）并 聯(lián) 組 件 數(shù) 量 =組 件 日 輸 出 （ ）系 統(tǒng) 電 壓 （ V）串 聯(lián) 組 件 數(shù) 量 組 件 電 壓 （ ）(2)光伏組件方陣設(shè)計的修正25 太陽電池組件的輸出，會受到一些外在因素的影響而降低，根據(jù)上述基本公式計算出的太陽電池組件，在實際情況下通常不能滿足光伏系統(tǒng)的用電需求，為了得到更加正確的結(jié)果，有必要對上述基本公式進(jìn)行修正。計算太陽電池組件的基本方法是用負(fù)載平均每天所需要的能量(安時數(shù))除以一塊太陽電池組件在一天中可以產(chǎn)生的能量(安時數(shù))，這樣就可以算出系統(tǒng)那個需要并聯(lián)的太陽電池組件數(shù)，使用這些組件并聯(lián)就可以產(chǎn)生系統(tǒng)負(fù)載所需要的電流。一般來講，建議并聯(lián)的數(shù)目不超過 4 組。這樣做的目的就是為了盡量減少蓄電池之間的不平衡所造成的影響，因為一些并聯(lián)的蓄電池在充放電的時候可能會與之并聯(lián)的蓄電池不平衡。在實際應(yīng)用當(dāng)中，要盡量減少并聯(lián)數(shù)目。如果在沒有詳細(xì)的有關(guān)容量一放電速率的資料的情況下，可以粗略的估計認(rèn)為，在慢放電率(C/ 100 到 C/300)的情況下，蓄電池的容量要比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)多 30%。c、指定放電率指定放電率是考慮慢的放電率將會從蓄電池得到更多的容量。b、溫度修正系數(shù)24當(dāng)溫度降低的時候，蓄電池的容量將會減少。如果在嚴(yán)寒地區(qū)，就要考慮到低溫防凍問題，對此進(jìn)行必要的修正。圖 31 鉛酸蓄電池最大放電深度溫度曲線(3)完整的蓄電池容量設(shè)計計算考慮到以上所有的計算修正因子，我們可以得到如下蓄電池容量的最終計算公式。在設(shè)計時要使用光伏系統(tǒng)所在地區(qū)的最低平均溫度，然后從圖 9 或者是由蓄電池生產(chǎn)商提供的最大放電深度一蓄電池溫度關(guān)系圖上找到該地區(qū)使用蓄電池的最大允許放電深度。即使系統(tǒng)中使用的是深循環(huán)工業(yè)用蓄電池，其最大的放電深度也不要超過 80%。鉛酸蓄電池中的電解液在低溫下可能會凝固，隨著蓄電池的放電，蓄電池中不斷生成水稀釋電解液，導(dǎo)致蓄電池電解液的凝結(jié)點不斷上升，直到純水23的 0℃。在該曲線上可以查到對應(yīng)溫度的蓄電池容量修正系數(shù)，除以蓄電池容量修正系數(shù)就能對上述的蓄電池容量初步計算結(jié)果加以修正。這樣，設(shè)計時需要的蓄電池容量就要比根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)情況(25℃)下蓄電池參數(shù)計算出來的容量要大，只有選擇安裝相對于 25℃時計算容量多的容量，才能夠保證蓄電池在溫度低于 25℃的情況下，還能完全提供所需的能量。如果光伏系統(tǒng)安裝地點的氣溫很低，這就意味著按照額定容量設(shè)計的蓄電池容量在該地區(qū)的實際使用容量會降低，也就是無法滿足系統(tǒng)負(fù)載的用電需求。通常，鉛酸蓄電池的容量是在 25℃時標(biāo)定的。下面考慮溫度對蓄電池容量的影響。在設(shè)計時我們要用到在蓄電池技術(shù)中常用的平均放電率的概念。通常，生產(chǎn)廠家提供的是蓄電池額定容量是 l0h 放電率下的蓄電池容量。這樣就會對我們的容量設(shè)計產(chǎn)生影響。首先，我們考慮放電率對蓄電池容量的影響。為了得到正確的蓄電池容量設(shè)計，上面的基本方程必須加以修正。為了達(dá)到負(fù)載工作的標(biāo)稱電壓，我們將蓄電池串聯(lián)起來給負(fù)載供電，需要串聯(lián)的蓄電池的個數(shù)等于負(fù)載的標(biāo)稱電壓除以蓄電池的標(biāo)稱電壓。設(shè)計蓄電池容量的基本公式如下： ??自 給 天 數(shù) 日 平 均 負(fù) 載 數(shù)蓄 電 池 容 量 最 大 放 電 深 度下面介紹確定蓄電池串并聯(lián)的方法。最大放電深度的選擇需要參考光伏系統(tǒng)中選擇使用的蓄電池的性能參數(shù)，可以從蓄電池供應(yīng)商得到詳細(xì)的有關(guān)該蓄電池最大放電深度的資料。第二步，將第一步得到的蓄電池容量除以蓄電池的允許最大放電深度。首先，給出計算蓄電池容量的基本方法。此外還要考慮光伏系統(tǒng)的安裝地點，如果在很偏遠(yuǎn)的地區(qū)，必須設(shè)計較大的蓄電池容量，因為維護(hù)人