【正文】 ????shssrtsc R IRUA k TIRUqIGTTKII 上文提到， 由 于 shR 是 由硅片邊緣不清潔或體內(nèi)的缺陷引起 的，其大小為數(shù)千歐姆，因此， 當(dāng)光照較強時，光電流 phI 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 流經(jīng)并聯(lián)電阻 shR 的電流shssh RIRUI ?? ，所以我們 將忽略 shR ，得到簡化后的 IU 輸出特性方程為 ? ?? ? ? ? ? ?921e xp1000 0 ??????? ?????? ?????? A k TIRUqIGTTKII srtsc 這里選擇 無錫尚德公司生產(chǎn)的 STP0950S36 型號的光伏陣列 ， 它由 36個單 晶硅光伏電池串聯(lián)而成 ，其 各項參數(shù) 如表 所示 。 當(dāng)光照射太陽電池時，將產(chǎn)生一個由 N 區(qū)到 P 區(qū)的 光生電流 Iph．同時，由于 PN 結(jié)二極管的特性，存在正向二極管電流 ID，此電流方向從 p 區(qū)到 n區(qū)，與光生電流相反。它由理想電流源 phI 、 并聯(lián)二極管D 、并聯(lián)電阻 shR 和串聯(lián)電阻 sR 組成。若果外電路與負(fù)載連接，處于通路狀態(tài)， PN 結(jié)產(chǎn)生的光生電動勢就開始供電， 產(chǎn)生從 P 區(qū)流出， N 區(qū)流入的電流，從而帶動負(fù)載工作 。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）擴散到結(jié)界面處，也會被內(nèi)建電場迅速被拉向 N 區(qū)結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的電子 –空穴對在內(nèi)建電場的作用下分別移向 N 區(qū)和 P 區(qū)。在耗盡區(qū)中，正負(fù)電荷間形成 電場，電場方向由 N 區(qū)指向 P燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 區(qū)，這個電場稱為內(nèi)建電場。只要少數(shù)載流子離 PN 結(jié)的距離小于它的擴散長度，總有一定幾率擴散到結(jié)界面處。 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，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)光子被吸收會產(chǎn)生電子–空穴對。在氣體，液體和固體中均可產(chǎn)生這種效應(yīng)。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。 太陽能是一種輻射能，它必須借助于能量轉(zhuǎn)換器才能轉(zhuǎn)換成為電能。由若干個這種器件 封裝成光伏電池組件，再根據(jù)需要將若干個組件組合成一定功率的光伏陣列。 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能轉(zhuǎn)換為電能。后級的 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，實現(xiàn)逆變向電網(wǎng)輸送功率。 在本系統(tǒng)中，太陽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。后級全橋逆變電路負(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。 前級 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)簡單，控制方便的 Boost 升壓電路。 1L4VT 4D1VT 1D 3VTD2VT 2D 圖 23 單相兩級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（論文） 10 兩級式逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含的電路都是比較簡單和技術(shù)比較成熟的電路，但是如果工程要求實現(xiàn)電氣隔離，就必須在后級并網(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。兩級式逆變器系統(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。 1L4VT 4D 1R1VT 1D 3VTD2VT 2D 圖 22 單相單級式隔離型逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 兩級式光伏并網(wǎng)逆變器 針對以上對單級式光伏并網(wǎng)逆變器缺點，采用了兩級式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。單級式逆變器系統(tǒng)只有一個逆變環(huán)節(jié)，因此該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)比較簡單，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)中實現(xiàn)，導(dǎo)致整個的控制系統(tǒng)比較復(fù)雜。單相單級式逆變器的結(jié)構(gòu)如圖 所示。 單級式結(jié)構(gòu)的逆變器所有的控制都在逆變環(huán)節(jié)中實現(xiàn)，即最大功率點的跟蹤控制和逆變并網(wǎng)控制。還有一些逆變器可以認(rèn)為是兩級也可以認(rèn)為是一些復(fù)雜的單級變換器。單級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電路中完成。 光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 由于太陽能電池，燃料電池每個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。對于小功率光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（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 DC DC 變換器升壓，然后再通過一級 DC AC 逆變器的兩級變換并網(wǎng)結(jié)構(gòu)。這樣就構(gòu)成了一個完整的發(fā)電、輸電和供電系統(tǒng) 。其工作的基本原理是，太陽能電池方陣受到太陽輻照，通過太陽能電池的光生伏打效應(yīng)，將太陽光能直接轉(zhuǎn)換為直流電能，太陽能電池方陣的輸出端經(jīng)防反充二極管接至控制器。 并網(wǎng)光伏 發(fā)電系統(tǒng)的主要特點是，與公用電網(wǎng)發(fā)生緊密的電聯(lián)系。 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) 別于以上兩個系統(tǒng)之處是增加了一臺備用發(fā)電機組，當(dāng)光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池儲量不足時，可以啟動備用發(fā)電機組，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)。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，系統(tǒng)自動停止向電網(wǎng)供電。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能環(huán)節(jié)。 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)電是太陽能發(fā)電的發(fā)展方向，把太陽能發(fā)電系統(tǒng)與電網(wǎng)聯(lián)系起來，這樣當(dāng)電能多余的時候，可以把多余的電能輸送到電網(wǎng)，當(dāng)電能不足時可以從電網(wǎng)獲得電能補償，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 不需要儲能環(huán)節(jié)，這就大大節(jié)省了設(shè)備成本和維修率。圖（ ） 為典型的獨立光伏系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。 因 此， 交流光伏逆變電源正在逐漸取代直流光伏電源。這類 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉。 獨立運行光伏發(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。 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng) 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)是指不與電網(wǎng)相連的光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)是提高電能質(zhì)量和降低成本的另一途徑。但兩者特點各異。而更大容量（ MW級）的并網(wǎng)型太陽能發(fā)電設(shè)備的投產(chǎn)是降低成本的途徑之一。 （ 3）目前，太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率比較低，比如小尺寸（ 1cm2）多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 %，而大尺寸（ 1000cm2）多晶硅太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率為 12%，為了降低太陽能發(fā)電的成本必須提高太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率。 （ 2）太陽能發(fā)電的成本在每千瓦小時 3 元以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前居民電網(wǎng)用店家的每千瓦小時 元。 （ 3）逆變技術(shù)是太陽能發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于在大功率開關(guān)器件開發(fā)和逆變技術(shù)的應(yīng)用等方面，我國已取得長足進(jìn)步，生產(chǎn)出適用于光伏并網(wǎng)、高效率、高可靠性、低污染、低成本的逆變器成為可能。 （ 2）我國太陽能電池的生產(chǎn)能力超過日本、美國和歐洲，居世界第一位， 2020 年我國太陽能電池的產(chǎn)量約為 1180 兆瓦。我國總面積 2/3 以上的地區(qū)年平均日照時數(shù)在 2020h 以上，年平均日輻射量在 4000MJ/m2 以上，要優(yōu)于歐洲和日本，與美國 相近。 我國太陽能發(fā)電的優(yōu)勢和難點 發(fā)展太陽能發(fā)電的需求主要來自滿足農(nóng)村和邊遠(yuǎn)地區(qū)的生產(chǎn)與生活用電和 21 世紀(jì)中持續(xù)發(fā)展我國電力事業(yè)兩個方面。未來十幾年我國太陽能裝機容量的復(fù)合增長率將高達(dá) 25%以上。 根據(jù)國家《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》到 2020年，我國力爭使太陽能發(fā)電裝機容量達(dá)到 （百萬千瓦），到 2050年將達(dá)到 600GW（百萬千瓦）。 h)； 20202020年，光伏發(fā)電將會由獨立系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電成本到 2020年將約為 /(kW 10多 年來，我國光伏產(chǎn)業(yè)長期平均維持了全球市場 1%左右的份額。 （ 2） 國內(nèi)光伏發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 20 世紀(jì) 90 年代以來是我國光伏發(fā)電快速發(fā)展的時期。今后光伏發(fā)電系統(tǒng)主要圍繞高效率、低成本、長壽命、美觀實用等方向發(fā)展。在中國光伏燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與挑戰(zhàn)的報告中指出：“ 2020年全世界太陽能發(fā)電裝機容量達(dá)2826MWp，而到了 2020年，這一數(shù)字增加到了 ，目前全球太 陽能安裝總量已累計達(dá) 15GW。 目前太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域遍及我們生活的各個方面，如交通、通訊、公共設(shè)施 (如照明 )、家庭生活用電等，尤其是在邊遠(yuǎn)地區(qū)，太剛能光伏發(fā)電更加顯示它的優(yōu)勢。隨著光伏組件價格的不斷降低和光伏技術(shù)的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)將逐漸由現(xiàn)在的補充能源向替代能源過渡。 在世界各國競相發(fā)展綠色可再生能源的今天， 從能源的穩(wěn)定性、可持久性、數(shù)量、設(shè)備成本、利用條件等諸多因素考慮，太陽能將成為最為理想的可再生能源和無污染能源 ， 受到了一致的青睞。新能源應(yīng)用正成為全球的熱點。人們預(yù)計，到 2025 年全球能源消耗還將再增加一倍。從資源的角度看，地球的礦物能源儲量是有限的，按目前消耗的速度計，石油還可供開采 40 年左右，天然氣約 60 年，煤可望達(dá) 200 年。 III 目 錄 摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第 1 章 緒論 ........................................................................................................ 1 課題背景 ............................................................................................... 1 選題的依據(jù)和目的 ........................................................................ 1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 ................................................................ 1 我國太陽能發(fā)電的優(yōu)勢和難點 ........................................................... 2 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 ................................................................ 3 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng) ......................................................................... 4 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) ......................................................................... 4 混合光伏發(fā)電系統(tǒng) ......................................................................... 5 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 單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)基本原理 ....................................................... 7 光伏發(fā)電系統(tǒng)逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ........................................................ 8 單級式光伏并網(wǎng)逆變器