【正文】 經(jīng)過理論分析知自然采樣法和面積等效法相對(duì)于規(guī)則采樣法來說諧波較小，自然采樣法的實(shí)現(xiàn)需要占用單片機(jī)較多的運(yùn)算時(shí)間及大量的內(nèi)存，采用等效面積法產(chǎn)生的SPWM波形具有精度高、輸出波形諧波小，對(duì)稱性好等優(yōu)點(diǎn)[[] 王曉峰．基于單片機(jī)控制的逆變電源研究 [D] ．成都：電子科技大學(xué)，2008．－][[] 熊軍華，王亭嶺，陳建明等．三種SPWM波形生成算法的分析與實(shí)現(xiàn)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2008年，24(7):307309．]，故本設(shè)計(jì)采用面積等效法作為SPWM波形輸出理論方法。具有較強(qiáng)的通訊監(jiān)控功能，易于管理維護(hù)； 數(shù)字控制SPWM生成的幾種方法SPWM（Sinusoidal PWM）控制技術(shù)是電力電子逆變器研究和應(yīng)用領(lǐng)域非常關(guān)鍵的技術(shù)，在逆變器中生成PWM波形常用的方法有調(diào)制法、計(jì)算法、規(guī)則采樣法、跟蹤控制法和空間電壓矢量法等［[] 李鵬飛，施金良，劉顯榮等．電力電子技術(shù)與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2012．］。就噪聲和漂移效應(yīng)而言，數(shù)字軟件控制器比相應(yīng)的模擬控制器優(yōu)越得多，能快速計(jì)算復(fù)雜算法，且很少受到外部器件環(huán)境干擾，抗干擾能力極強(qiáng)。模擬控制與數(shù)字控制的比較[[] 彭力．基于狀態(tài)空間理論的PWM逆變電源控制技術(shù)研究 [D] ．武漢：華中科技大學(xué)，2004．]：數(shù)字軟件控制設(shè)計(jì)靈活方便，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜控制算法。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和微處理器的性能飛速提高，成本價(jià)格不斷下降，使得開關(guān)型電力變換裝置的全數(shù)字化控制日益增多。純模擬電路的方法產(chǎn)生的SPWM波形，具有輸出波形紋波小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等特點(diǎn)。通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比和基波頻率就可以很方便的調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅度和頻率[[] Holtz Modulationa Survey[J].IEEE Transactions on Industrial ,39(5):410415．]。PWM(Pulse Width Modulation)即脈沖寬度調(diào)制，把通訊技術(shù)領(lǐng)域中的調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，開創(chuàng)了DCAC技術(shù)研究的新篇章。自動(dòng)恢復(fù)保護(hù)功能：逆變器在發(fā)生各種異常狀態(tài)保護(hù)性停機(jī)時(shí)，在故障消除后可以自動(dòng)重新投入運(yùn)行，一般在再次啟動(dòng)幾次后，歷史故障還存在，逆變器徹底停機(jī)，需要人工才能啟動(dòng)，防止逆變器一直工作在故障狀態(tài)和故障消失時(shí)不會(huì)自動(dòng)恢復(fù)現(xiàn)象。交流側(cè)輸出過載功能：為了適應(yīng)需要大電流啟動(dòng)的電器，如電冰箱、洗衣機(jī)、電動(dòng)機(jī)等，使電機(jī)可以正常啟動(dòng)工作，逆變器應(yīng)該具備在短時(shí)間內(nèi)輸出較大的過載能力。因此逆變器對(duì)直流的過電流狀態(tài)必須具有保護(hù)切斷的功能。直流側(cè)電壓過低時(shí)，往往是由于蓄電池儲(chǔ)能不足引起的，蓄電池長時(shí)間工作在欠壓狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致其使用壽命大大縮短，為避免這種情況發(fā)生，在檢測(cè)到蓄電池電壓過低時(shí)停止工作。直流側(cè)電壓檢測(cè)功能：檢測(cè)直流側(cè)輸入電壓，直流側(cè)過高或者過低的電壓會(huì)對(duì)逆變系統(tǒng)本身或蓄電池造成損壞，當(dāng)直流電壓過高或過低時(shí)逆變器停止工作。 逆變硬件電路及功能實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)逆變器為單相，采用工頻模式，功率管選用IRF840，單項(xiàng)逆變器的主電路如圖41。通常情況下高頻模式的效率要高于工頻模式，但高頻模式在輸出功率達(dá)到額定功率時(shí)，效率才是最高的，自身能耗較高，工頻模式在輸出功率較小時(shí)，效率就很高，且自身能耗較低，能承受更高的負(fù)載功率沖擊。根據(jù)設(shè)計(jì)電路不同，正弦波逆變器可分為工頻模式和高頻模式，在高頻模式下，功率電源為一組高壓直流，若要輸出220的交流電壓，輸入的直流電源電壓須在330V450V之間，直流側(cè)電源可使用高頻變壓器經(jīng)過DCDC升壓得到。通俗的講，逆變器是一種將直流電(DC)轉(zhuǎn)化為交流電(AC)的裝置。提出基于BoostBuck 升降壓電路實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，無論負(fù)載在什么條件下，調(diào)整占空比大小總能使得內(nèi)外電阻相同，從而實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤，比起單一的Boost斬波升壓電路和Buck斬波降壓電路具有更廣泛的使用范圍。電池輸出功率為： (314)負(fù)載功率等于： (315)忽略升降壓電路功率的損耗，則有： (316) (317)由圖35可得： (318) (319)聯(lián)立式(313)、式(318)和式(319)，可解得升降壓電路的阻值和外部負(fù)載阻值構(gòu)成的等效電阻： (320)從內(nèi)外電阻的角度分析：調(diào)節(jié)占空比D的大小，即可以調(diào)節(jié)的大小，使之等于，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤。 BoostBuck 升降壓電路及算法BoostBuck 升降壓電路如圖35：圖35 BoostBuck升降壓電路Fig35 The BoostBuck chopper circuit由電力電子知識(shí)可知，輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為式 (313)。從電阻的角度分析：電路電阻和負(fù)載電阻構(gòu)成的等效電阻如式(312)。 Boost 斬波升壓電路及算法斬波升壓電路圖圖34 Boost斬波升壓電路Fig34 Boost chopper circuit根據(jù)圖34所示，電壓輸出與輸入之間的關(guān)系(311)： (311) 為太陽能電池輸出電壓，經(jīng)過Boost升壓電路后輸出的電壓，D為控制MOS管的占空比。這里定義電池內(nèi)阻為，外部等效負(fù)載為，即當(dāng)時(shí)，電池輸出功率最大。從電壓角度研究：由于Buck降壓電路只能降低輸出電池電壓，當(dāng)需要輸出高于太陽能電池電壓才能實(shí)現(xiàn)電池最大功率輸出時(shí)，Buck降壓電路跟蹤失效。 Buck 降壓電路及算法 圖33 Buck降壓電路Fig33 Buck chopper circuit圖33所示，輸出電壓為式 (39)： (39)D為控制MOS管的占空比， 為太陽能電池輸出電壓，經(jīng)過Buck后的輸出電壓。 最大功率跟蹤采用的硬件電路最大功率點(diǎn)跟蹤可以用Buck降壓電路或者Boost升壓電路實(shí)現(xiàn)，他們各有優(yōu)缺點(diǎn)，給出這兩種電路的實(shí)現(xiàn)原理圖和計(jì)算方法。電導(dǎo)增量法的缺點(diǎn)：電導(dǎo)增量算法對(duì)采樣精度和硬件電路要求非常高，單片機(jī)需要不斷反復(fù)進(jìn)行微分運(yùn)算，系統(tǒng)的計(jì)算量較大，需要運(yùn)行速度快的處理器，成本相對(duì)較高。 電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)：能夠快速準(zhǔn)確地使系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)處，并在最大功率點(diǎn)處穩(wěn)定運(yùn)行，沒有震蕩。本實(shí)驗(yàn)太陽能電池板最大功率點(diǎn)處的工作電壓=，開路電壓=，太陽光輻射強(qiáng)度不同時(shí)，輸出功率的最大功率點(diǎn)也跟著變化，所以為了更快的找到最大功率點(diǎn)，減少尋找時(shí)間，在啟動(dòng)系統(tǒng)的時(shí)候，首先調(diào)整升壓電路占空比，使得輸出電壓達(dá)到30v，然后再根據(jù)最大功率點(diǎn)判據(jù)進(jìn)一步調(diào)整。實(shí)際運(yùn)用過程中，由于傳感器采樣出來的電壓電流信號(hào)會(huì)有誤差，即使實(shí)際上系統(tǒng)已經(jīng)運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處，但由于采樣誤差的存在，使得判據(jù)不等于零，那么系統(tǒng)就會(huì)繼續(xù)尋找，或增大電壓或減小電壓，這樣系統(tǒng)就會(huì)在最大功率點(diǎn)左右小幅度震動(dòng)，偏離最大功率點(diǎn)，造成不必要的功率損耗。該方法的控制思想：不斷改變太陽能板的輸出電壓，并比較太陽能板輸出功率在電壓改變前后大小，如果輸出功率變大，那么保持電壓改變方向；如果輸出功率變小，則改變電壓擾動(dòng)方向，直到找到太陽能板在規(guī)定誤差范圍內(nèi)的最大功率點(diǎn)（MPP）[[] 羅映紅，熊學(xué)友，張 鵬等．基于改進(jìn)擾動(dòng)觀測(cè)法的光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤策略[J]． 低壓電器，2011年，(14)1016．] 電導(dǎo)增量法實(shí)驗(yàn)采用電導(dǎo)增量法作為最大功率點(diǎn)跟蹤方法，給出太陽能光伏電池特性曲線如圖31：圖31 光伏電池特性曲線Fig31 PV cell characteristic curve由太陽能電池特性曲線知，最大功率點(diǎn)在處，電導(dǎo)增量法根本控制思想就是要找到處的電壓，其方法是是通過比較的符號(hào)不斷的改變控制信號(hào)，直到找到的點(diǎn)。 恒電壓控制法恒壓法控制原理：在光伏電池溫度一定，太陽輻射強(qiáng)度不同的時(shí)候，光伏板電池輸出最大功率點(diǎn)處，其輸出電壓值幾乎分布在一個(gè)固定電壓值的兩側(cè)。恒定電壓法的控制簡單且易實(shí)現(xiàn)，但MPPT精度差；擾動(dòng)法的控制方法簡單，實(shí)現(xiàn)方便，能夠提高系統(tǒng)的利用效率，但穩(wěn)態(tài)時(shí)只能在最大功率點(diǎn)附近運(yùn)行，而且跟蹤時(shí)間相對(duì)較長電導(dǎo)增量法的控制效果好，穩(wěn)定度高，不受功率時(shí)間曲線的影響，但是其控制算法較復(fù)雜，對(duì)控制系統(tǒng)要求較高。由于論文介紹太陽能光伏建筑系統(tǒng)，光伏陣列作為幕墻或者屋頂，無法使用物理跟蹤裝置功能，下面主要詳述根據(jù)太陽能電池特性來跟蹤最大功率點(diǎn)的方法。單軸跟蹤裝置指只跟隨太陽的方位角，不跟隨仰角的跟蹤裝置，其又可分為平單軸和斜單軸。物理跟蹤是指跟蹤系統(tǒng)通過改變光伏方陣表面太陽入射角和太陽跟蹤角從而保證太陽入射光線始終與光伏電池陣列保持最佳的角度，提高太陽光照輻射量，提高光電轉(zhuǎn)化效率，此方法是目前提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率、降低光伏系統(tǒng)發(fā)電成本最為有效的方式。 試驗(yàn)用太陽能電池參數(shù)本實(shí)驗(yàn)裝置使用的太陽能電池組幾個(gè)主要參數(shù)如下：最大功率()：250W；最大功率點(diǎn)的工作電壓()：；最大功率點(diǎn)的工作電流()：；開路電壓：；短路電流：；最大系統(tǒng)電壓：1000V(IEC)/600V(UL)。國內(nèi)中國科學(xué)院電工研究所的研究結(jié)果表明：平單軸跟蹤系統(tǒng)能使光伏系統(tǒng)發(fā)電量提高10%20%；斜單軸跟蹤系統(tǒng)能使光伏系統(tǒng)發(fā)電量提高20%30%；雙軸跟蹤系統(tǒng)能使光伏系統(tǒng)發(fā)電量提高30%40%。第3章 太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤太陽能電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電源，其輸出功率隨太陽光照強(qiáng)度和電池溫度的變化而變化。缺點(diǎn)：太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)初期投資大，從經(jīng)濟(jì)上考慮，性價(jià)比不如傳統(tǒng)發(fā)電模式；太陽能系統(tǒng)對(duì)光照強(qiáng)度嚴(yán)重依賴，由于光照強(qiáng)度隨時(shí)變化，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率也跟著變化，特別是在夜間，發(fā)電失效；為了可持續(xù)輸出電能，需增加輔助儲(chǔ)能設(shè)備蓄電池，增加了系統(tǒng)規(guī)模、成本及維護(hù)的工作量。無儲(chǔ)能系統(tǒng)送入電網(wǎng)的電力完全取決于日照情況，不可以調(diào)度。根據(jù)是否配置儲(chǔ)能裝置，又可將光伏發(fā)電系統(tǒng)分為有儲(chǔ)能裝置和無儲(chǔ)能裝置。多余時(shí)向電網(wǎng)送電，不足時(shí)由電網(wǎng)提供。分散式小型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)一般為住宅并網(wǎng)系統(tǒng)，特別是目前發(fā)展迅速的與建筑結(jié)合的住宅屋頂并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，具有許多優(yōu)點(diǎn)，建設(shè)容易，投資不大，將成為主流。大型并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是所發(fā)的電能被直接輸送到電網(wǎng)上，由電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)配向用戶供電。并網(wǎng)光伏系統(tǒng)把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，經(jīng)過并網(wǎng)逆變器，將電能送上公共電網(wǎng)。根據(jù)負(fù)載的不同，戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)又可以分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和交直流混合系統(tǒng)。用戶光伏發(fā)電系統(tǒng)是指用戶安裝一套獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)，供其單獨(dú)使用，一般功率較小。電站周圍還有圍欄或圍墻用于保護(hù)隔離。離網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)又可分為集中式和分布式戶用光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電系統(tǒng)按運(yùn)行方式可分為離網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)和并網(wǎng)運(yùn)行系統(tǒng)兩大類。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成220V、50Hz交流電或其他類型的交流電，供給交流用電設(shè)備，最大限度地滿足移動(dòng)供電場(chǎng)所或無電地區(qū)用戶對(duì)交流電源的需要。逆變器：逆變器是系統(tǒng)中的電源轉(zhuǎn)換裝置。當(dāng)檢測(cè)到太陽能電池組件所發(fā)出的電不能滿足負(fù)載需要時(shí)，控制器又把蓄電池的電能送出?？刂破鳎嚎刂破魇窍到y(tǒng)中的核心設(shè)備，它對(duì)系統(tǒng)的電能進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）。蓄電池：蓄電池是系統(tǒng)中的儲(chǔ)能元件，是后備電源，用于在夜間或陰雨天太陽能電池?zé)o電壓輸出時(shí)向負(fù)載供電。晚上或陰雨天無太陽時(shí)，蓄電池組放電，經(jīng)過控制器控制將直流電能送給逆變器，經(jīng)逆變器轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娝徒o負(fù)載。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)通過太陽電池將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，再經(jīng)控制、器逆變器將電能轉(zhuǎn)化。支架應(yīng)保證可靠接地。地面安裝的方陣支架宜采用鋼結(jié)構(gòu)，應(yīng)有足夠強(qiáng)度，滿足方陣靜載荷及動(dòng)載荷要求，保證方陣?yán)喂?、安全和可靠。屋頂、建筑一體化的安裝形式應(yīng)考慮支承面載荷能力。組成太陽電池方陣的太陽電池組件一般用支架固定。聚光式方陣，可比相同輸出功率的平板式方陣少用一些組件，從而使成本下降。不需加裝匯聚陽光的裝置，結(jié)構(gòu)簡單，多用于固定安裝場(chǎng)合。太陽電池方陣可分為平板式和聚光式兩大類。太陽電池方陣可由若干個(gè)單元方陣串并聯(lián)組成，單元方陣由多塊太陽電池組件組成，稱為子方陣。因此，太陽能電池組合時(shí)，應(yīng)該盡量選擇同一批號(hào)參數(shù)一致性高的太陽能電池，防止個(gè)別性能變壞的電池組件混入電池方陣，有利于保護(hù)電池的壽命和性能。當(dāng)兩個(gè)相同的組件并聯(lián)到一起時(shí)，電壓保持不變，電流將加倍。 太陽能組件串/并聯(lián)應(yīng)注意的問題：性能相似的組件串聯(lián)到一起時(shí)，電流保持不變，電壓將加倍。性能相似的太陽能電池并聯(lián)時(shí)，電流值增加，電壓值不變。單個(gè)晶體太陽能電池沒有什么實(shí)際效用，一般根據(jù)實(shí)際電壓電流功率大小的需要，由多個(gè)單體太陽能電池進(jìn)行串并聯(lián)，組成太陽能電池組件，滿足需要參數(shù)值。旁路二極管一般都直接安裝在組件接線盒內(nèi)，根據(jù)組件功率大小和電池組件串的多少，安裝13個(gè)二極管，旁路二極管接法如圖28所示：圖28 帶旁路二極管接法示意圖Fig28 the schematic diagram of connection with bypass diode當(dāng)組件單獨(dú)使用或并聯(lián)使用時(shí)，是不需要接旁路二極管的，因?yàn)閱为?dú)使用時(shí)，如果有陰影或故障，沒有別的電池電流流過故障電池，并聯(lián)使用時(shí)，也不存在別的組件電池電流流經(jīng)故障電池現(xiàn)象。由太陽能電池組件串聯(lián)組成電池方陣支路或電池方陣時(shí)，需要在每塊電池板的正負(fù)極輸出端反向并聯(lián)二極管，該二極管稱為旁路二極管。肖特基二極管雖然正向?qū)▔航递^低，但其耐壓值和功率都較小，只適合在小功率場(chǎng)合使用。在獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，防反充二極管有時(shí)在光伏控制器中連接，此時(shí)電池組件、方陣輸出就沒必要再接二極管了。并聯(lián)的各支路方陣電壓不可能絕對(duì)相等，各支路電壓總有高低，各方陣不接串聯(lián)防反充二極管時(shí)，高電壓支路的電流就會(huì)流向低電壓支路，不但降低方陣總體電壓輸出，還會(huì)對(duì)方陣造成嚴(yán)重破壞。二極管在太陽能光伏發(fā)電