太阳能光伏发电系统的设计.pdf

太阳能光伏发电系统的设计摘要太阳能发电作为一种典型的新能源发电方式具有可持续发展和绿色环保 两大优势。在太阳能发电的众多课题中，三相并网型光伏发电具有更高的实 用价值和研究意义。本文重点分析研究了三相并网型光伏发电系统，提出一 套可行的硬件选型和电路设计方案，并最终通过MATLAB仿真验证了硬件系 统设计的可行性。首先本文依次研究了三相并网光伏发电系统的光伏阵列模块、直流变换 与最大功率点跟踪控制模块、逆变并网模块，其中又涉及到光电幕墙的选用，以及直流变换电路、最大功率点跟踪算法、逆变电路及其并网方式的对比选 取。然后选定了三相并网光伏发电系统的结构方式，将各个模块选取的硬件 整合，并配合外围电路和CPU控制回路的设计，完成了三相并网光伏发电系 统模型的整体设计。最后对硬件系统在MATLAB SIMULINK环境下经行仿 真初探，它运用了先进空间矢量脉宽调制的技术，验证了本文设计的具体可 操作性。I关键词：光伏发电系统；最大功率点跟踪；三相逆变并网；仿真The design of solar photovoltaic power generation systemAbstractAs a k in d of t ypical g en erat in g n ew en erg y way,solar power has t he sust ain able developmen t an d g reen en viron men t al prot ect ion t wo advan t ag es.Man y of t he subject s in solar power,t hree-phase g rid t ype phot ovolt aic power syst em has hig her pract ical value an d sig n ifican ce of t he research.This paper focus on t he st udy of t hree-phase g rid t ype phot ovolt aic power syst em,an d put s forward a feasible hardware select ion an d circuit desig n project.Fin ally t his paper verified t he feasibilit y of hardware syst em desig n by MATLAB simulat ion.First ly t his paper st udied phot ovolt aic array module,DC t ran sformat ion an d t he maximum power poin t t rack in g(MPPT)con t rol module,in vert er g rid modules of t he solar phot ovolt aic power g en erat ion syst ems in t urn.It also in volves t he comparat ive select ion of phot oelect ric curt ain wall,DC t ran sform circuit,maximum power poin t t rack in g alg orit hm an d AC g rid way.Then it select ed t he solar phot ovolt aic power g en erat ion syst ems st ruct ure,an d in t eg rat e t he select hardware derive from each module,an d cooperat e wit h peripheral circuit an d CPU con t rol circuit desig n complet ed solar phot ovolt aic power g en erat ion syst ems model overall desig n.Fin ally it did simulat ion for hardware syst em in MATLAB SIMULINK en viron men t.It s used t he advan ced space vect or pulse widt h modulat ion(SVPWM)t echn olog y t hat verified t he specific desig n in t his paper is man euverabilit y.Keywords:Phot ovolt aic syst em;MPPT;Three-phase in vert er g rid;Simulat ionin目录摘要.IAbst ract.TII第一章绪论.11.1 光伏发电的背景及意义.11.2 国内外太阳能光伏发电应用的现状.21.2.1 世界太阳能光伏发电的发展现状.21.2.2 国内太阳能光伏发电的发展现状.21.3 课题主要研究内容.31.4 本章小结.3第二章光伏发电系统的概述.42.1 光伏电池技术.42.1.1 光伏电池的发电原理.52.1.2 光伏电池的分类及特点.62.2 光伏阵列之光电幕墙.72.2.1 光电幕墙特点.8222光电幕墙的工作原理.82.2.3 选用光电幕墙的优越性.82.3 光伏发电系统的结构分类.82.3.1 基于是否带有储能装置的分类.82.3.2 基于是否与电力系统并网的分类.102.4 光伏发电系统并网的结构方式.122.4.1 工频变压器绝缘方式.122.4.2 高频变压器绝缘方式.122.4.3 无变压器方式.132.5 本章小结.13第三章 DC/DC变换与MPPT控制部分.143.1 最大功率点跟踪的概述.143.1.1 最大功率点跟踪的原理.14IV3.1.2 最大功率点跟踪研究的现状.153.2 最大功率点跟踪的算法.163.2.1 恒压跟踪法(CVT).163.2.2 扰动观察法(P&0).173.2.3 电导增量法(INC).183.3 DC/DC 变换器.193.3.1 降压式变换器(Buck Con vert er).203.3.2 升压式变换器(Boost Con vert er).203.3.3 升降压式变换器(Buck-Boost Con vert er).223.3.4 库克式变换器(Cuk Con vert er).223.4 DC/DC变换器与 MPPT的适用.233.4.1 适用于光伏MPPT的DC/DC变换器.233.4.2 MPPT在DC/DC变换器中功能的实现.233.5 本章小结.25第四章三相并网光伏发电系统的逆变部分.264.1 光伏并网逆变器的基本构成.264.2 光伏并网逆变器的分类.274.2.1 三相半桥式逆变器.284.2.2 三相全桥式逆变器.294.2.3 组合式逆变器的电路.294.3 光伏并网逆变器并网的控制策略.304.3.1 电流滞环比较方式.304.3.2 定时比较方式.324.3.3 三角波比较方式.334.3.4 无差拍控制方式.334.4 本章小结.36第五章三相并网光伏发电系统的硬件设计.375.1 三相并网光伏发电系统的主电路设计.375.1.1 三相并网光伏发电系统主电路结构.375.1.2 三相并网光伏发电系统的调度方式.38v5.2 三相并网光伏发电系统的主要参数设计.385.3 三相并网光伏发电系统的逆变电路设计.395.3.1 DC/DC 电路设计.395.3.2 DC/AC 电路设计.395.4 三相并网光伏发电系统的逆变外围电路设计.405.4.1 控制电源的选择.40542信号检测电路.415.4.3 驱动和保护电路.415.5 三相并网光伏发电系统的CPU控制回路设计.425.5.1 TMS320LF2407 控制芯片简介.425.5.2 选用TMS320LF2407芯片的原因.445.6 三相并网光伏发电系统的整体设计.445.7 本章小结.45第六章 三相并网光伏发电系统的仿真.476.1 SVPWM 的原理.476.2 SVPWM 的算法.486.3 三相并网光伏发电系统的仿真初探.506.3.1 SVPWM 的 Simulin k 仿真.506.3.2 三相并网光伏发电系统的仿真.526.3.3 三相并网光伏发电系统的仿真波形.546.4 本章小结.55结论与展望.56附录A.57附录B.58参考文献.59致谢.60VI内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)第一章绪论1.1光伏发电的背景及意义随着科学技术的不断发展，人类进入20世纪后对能源的需求也不断增长。与此同 时，人们对保护环境的重要性也有了越来越明确的认识。由于化石燃料的枯竭环境的破 坏所引起了温室效应、全球变暖、农林水产资源的减少等，如果再进一步恶化，人类就 会收到大自然的警告，到时后果将不堪设想。现在的世界能源构成中主要的能源还是化 石能源，包括石油、煤、天然气，另外还有可再生能源核能、水能，其他的可再生能源 只占微乎其微的小部分。传统的化石能源是不可再生的，世界范围内发展可再生能源是 解决能源危机的必经之路。根据世界能源协会WE(World En erg y Coun cil)的预测，到 2050年，世界的可再生能源将会到达8.7TW-15.OTW(1TW=1O12W),而到时候全社会 能量总需求为26.3 TW-33.0TW。由此可见，可再生能源在21世纪将会变成一种主要的 新兴能源。世界上现有的可再生能源主要是水能发电和地热能，太阳能光伏发电和风力 发电只占其中小部分，而水电和地热能被继续开发的潜力已经微乎其微，在未来十五年 之内发展太阳能光伏发电技术和风力发电技术就迫在眉睫。因此，无论是为了保证能源 的供应，还是为了保护生态环境，开发利用取之不尽而又清洁的新能源已是大势所趋山。在地球上所能利用能量的98.98%最初都来自太阳能。太阳能光伏发电的能源来源 于取之不尽，用之不竭的太阳能，是资源最丰富的可再生能源。太阳能光伏发电是能源 的高新技术，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。太阳能发电不会给空气带来污染,不破坏生态环境，是一种清洁安全的能源，同时又具有在自然界不断生成，并能从自然 界得到有规律的补充，储量巨大，取之不尽，用之不竭，是可再生的清洁绿色能源。充 分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处，能为中国一直追求的和谐社会作出巨大 的能源支持。20世纪70年代，随着能源危机的爆发，世界各国努力发展光伏发电技术,尤其是西方发达国家更是重视研发。20世纪9年代以来一直以30%到40%的速度上升,2004年已经达到60%的增长速度。可以预见，太阳能的开发利用必将在21世纪得到长 足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为21世纪后期的主导能源。太 阳能资源开发利用有如下优点：(1)充分的清洁性。无须论证，太阳能是真正的无污染的可持续发展的绿色能源，这是其他任何能源都无法比拟的；(2)绝对的安全性。并网电压一般在220V以下；内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)(3)相对的广泛性。太阳能的分布范围广，对于绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用；(4)使用寿命长，易维护。光伏电池按目前的研发技术可使用20年以上，并且易于 维护，不用二次投资；(5)利用灵活。既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行。1.2 国内外太阳能光伏发电应用的现状随着科技的进步和环保意识的增强，清洁的绿色能源己逐渐受到了人类的重视。其 中，太阳能无疑成为最受青睐的绿色能源。太阳能的应用领域非常广泛，但最终可归结 为太阳能热利用和光利用两个方面。太阳能可以转换成多种其它形式的能量，比如热能、氢能、机械能、生物能、电能等等，由于电能是现代工业中最常用的直接能源，因此由 太阳能直接转化成电能是太阳能利用中最具有前景的方式。1.2.1 世界太阳能光伏发电的发展现状20世纪90年代，由于太阳电池成本的持续降低，太阳电池实行并网发电，建立太 阳能电站已经成为可，并在全世界范围内逐渐发展。近年来，与住宅屋顶相结合的太阳 电池并网发电也成为重要的应用方向。美国、欧洲和日本先后制定了太阳能发展计划，由政府提供部分研究开发资金和相关的产业扶持政策，众多国家纷纷制定雄心勃勃的发 展规划，推动光伏技术和产业的发展。日本通产省第二次新能源分委会提出，2010年光 伏发电装机达到5GW；欧盟可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”2010年的目标 是，光伏发电装机达到3GW；美国能源部国家光伏规划的目标是，光伏发电装机达到 4.7GW；澳大利亚提出，2010年光伏发电装机达到0.75GW。因此，世界光伏产业有了 突飞猛进的发展，从1997年至2001年，年的平均年增长率达35.5%。2004年世界光伏 电池组件的生产量达到U94MW,比2003年的744.26MW增长60.46%。到2004年底，世界光伏发电的累计装机容量达到4330MW。近儿年各国可再生能源法的颁布、快速发 展的光伏屋顶计划、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏 市场的发展提供了良好的基础。光伏发电的应用领域将逐步由边远地区和农村的补充能 源向全社会的替代能源过渡。预计今后十年，太阳能光电工业将以20%30%的速度增 长，成为世界上最具发展前景的朝阳工业之一。1.2.2 国内太阳能光伏发电的发展现状中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，1980年以前，应用项目十分有限功率很 小，光伏电池年销售量不超过10KW。20世纪80年代后期，随着儿条光伏电池生产线 2内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)的引进，光伏电池价格大幅度下降，产量大大提高，应用领域不断开辟市场大为拓展。90年代以来，改革开放的大好形势为光伏技术的广泛应用和市场开拓创造了有利条件，光伏电池用量每年在以20%以上的速度递增。经过30多年的努力，已迎来了快速发展 的新阶段。进入21世纪后，在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目 及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。2003年底，中国光伏发电 的累计装机容量约达55MWO到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到 100MW,2008年太阳能电池的产量达到了 2000MW虽然近几年我国太阳能发电产业取 得了巨大的进步，但是，与发达国家相比还存在相当大的差距。首先，我国生产规模较 国外比较小、产业链不完整，自动化水平低。其次，平衡设备薄弱落后，特别是并网逆 变器和智能控制器差距更大。而且，专用材料的国产化程度不高，性能有待改进，光伏 电池成本价格尚高，标准规范也不够健全。因此，我国光伏产业在国内外市场上仍面临 着非常严峻的考验。1.3 课题主要研究内容(1)对光伏电池的工作原理及工作特性进行介绍，对几种传统的最大功率点跟踪(MPPT)控制算法和DC/DC转换电路进行了研究、分析和比较，提出各自优缺点。(2)对三相并网光伏发电系统中的逆变部分做重点的分析，对DC/DC部分和DC/AC 部分工作原理、电路选型与MPPT控制算法选取过程进行了详细的分析，并注重对逆变 部分做了仿真探究。(3)基于光电幕墙对三相并网光伏发电系统进行设计，选用TMS320LF2407高速数 字信号处理器，结合PWM控制技术对系统中逆变部分的开关器件进行开断控制，从而 实现与公共电网的并网，使其与公共电网电压同幅、同频、同相位。(4)基于硬件电路对三相并网光伏发电系统做了 MUTLAB仿真初探，在SIMULINK 平台下实现了逆变并网模块的构建与仿真运行。其中采用了先进的SVPWM技术，使得 逆变控制更加精确。最终对仿真波形进行分析比较，进而验证了硬件电路的的可实行性。1.4本章小结本章主要介绍了光伏发电技术在国内外的发展和现状，提出了本课题研究的0的和 意义。光伏发电技术拥有节约能源、保护环境、促进可持续发展的优势，在克服光伏电 池成本问题后，逐渐成为替代火力发电的一种主要发电形式。3内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第二章光伏发电系统的概述光伏（Phot。Volt aic）发电技术采用面积通常只有几个平方厘米的半导体电池（晶 片）。从物理方面来看，电池基本上可以看成是一个大面积的PN二极管，其结贴近顶面。电池的功能是将太阳光照射转换为直流电，发电就是将大量的电池并成一个组件，将大 量的太阳光照射转化成所需的电能。与动态风力机不同，光伏机组是静态的，不需要坚 固的高塔，也不会产生震动或噪音，也无需主动冷却。2.1 光伏电池技术各种不同材料的公共结被光子辐射照射之后，这两种材料之间便产生了电动势，这 种现象就是光伏效应。这一现象是法国物理学Becquerel在1839年首次发现的。光伏电 池可以将光能转化为的电能直接加以利用。在1954年，贝尔实验室制造了第一块硅电 池。光伏电池的物理机理与经典的PN结二极管非常相似。当结吸收光时，吸收的光子 转换成材料的电子一质子系统，并产生质子流，分散在结中。电解液中的电子一离子对 和固体半导体材料中的电子一空穴对都可能成为载流子，并产生了电动势梯度，经电场 加速后与外电路形成环流。电功率即为电流的平方与电路电阻的乘积。剩余的光子功率 则转换成电池的热功率，升高电池温度并散发。图2光伏效应转换光子能量 图2.2光伏的基本结构光伏电动势的来源是两种相互绝缘的材料中电子的化学电势差，称为费米能级。当 两种材料结合到一起时，结就会达到一个新的热动态平衡。这种平衡只有在两种材料中 费米能级相等的情况下才能实现。电子从一种材料流向另一种材料，直到两者间建立了 一定的电压差，具有的电动势与初始的费米能级差相等。这个电动势驱动着光电流在光 伏电路中流动。图2.2给出了基本的电池构造。结的两面都有金属电极，由于光子碰撞而引起的电流。顶面（被照射）上有一层由银纤制成的薄薄的导电网格，既能手动电流，又能使光穿过。4内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）网格中导电纤维的间距是导电性能最大化和光阻挡最小化的折中。导电箔（焊接）电机覆 盖在底层（无光）表面和顶层的边缘。除了基本的元件之外，构造中还有集中增强特性。例如，电池的前面有防反射涂层，从而最大限度地降低反射，吸收经可能多的光线；利 用透明粘合剂，添加了一层玻璃表面作为机械保护。与交流发电技术相比，最重要的方 面是输送每千瓦时的电力的能源成本。对于光伏发电，能源成本主要依赖于两个参数：光伏能量转换效率和每瓦容量的投资费用。总之，这两个参数标志了光伏电能的经济竞 争力。光伏电池研发的主要目标是提高转换效率和其他性能参数，以减少商业太阳电池和 组件的成本。次要目标是显著提高产能，同时减少能源消耗和制造成本，减少杂质和缺 陷。要达到这些目标，就要提高对光伏电池的基本物理特性的理解。为了生产出更高效,更低成本的电池，研发在不断地投入，目前市场上已经有各种各样的关于转换效率的组 件成本的光伏技术。2.1.1 光伏电池的发电原理太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光生伏特效应。太阳能电池实际上是由 若干个PN结构成。当太阳光照射到PN结时，一部分光被反射，其余部分被PN结吸 收，被吸收的辐射能有一部分变成热能，另一部分以光子的形式与组成PN结的原子价 电子碰撞，产生电子空穴对，在PN结势垒区内建电场的作用下，将电子驱向N区，空 穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴。这样在PN结附近就形 成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除一部分抵消内建电场外，还使P区带正 电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层产生光生电动势，这种现象称为光生伏特效 应。如图2.3所示。若分别在P区和N区焊上金属引线，接通负载，在持续光照下，外 电路就有电流通过，如此形成一个电池元件，经过串并联，就能产生一定的电压和电流,输出电能，从而实现光电转换网。区NPKOIQQQ 00 00 0 00。IOQQQ0000000000N(-)0000 0000P(+).耗尽层 f H势垒电场 光生窗动势A（a）平衡时（b）光照时图2.3 PN结光生伏特效应原理图5内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）2.1.2 光伏电池的分类及特点如图2.4所示，太阳电池根据其使用的材料可分成硅系太阳电池、化合物系太阳电池 以及有机半导体系太阳电池等类型。硅系太阳电池可分成结晶硅系太阳电池和非晶硅系 太阳电池。而结晶硅系又可分成单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。化合物半导体太阳 电池可分为HI-V族化合物（GaAs）太阳电池、II-VI族化合物（CdS/CdTe）太阳电池以及三 元（I-III-IV族）化合物（Culn S受:CIS）太阳电池等。有机半导体太阳能电池可分成色素增感型太阳能电池以及有机薄膜（固体）太阳电 池等。根据太阳电池的形式、用途等还可分成民生用、电力用、透明电池、半透明电池、柔软性电池、混合型电池（HIT电池）以及球状电池等。展半导体 J结晶太阳能电池 非结晶太阳能电池（III-V族化合物太阳能电池太阳能电池化合物半导体 J-VI族化合物太阳能电池二兀（1-山-lV）化合物人阻流电池色素增感太阳能电池,有机半导体 有机薄膜太阳能电池图2.4太阳能电池的分类太阳电池的特性一般包括太阳电池的输入输出特性、分光特性、照度特性以及温度 特性，本文主要讨论太阳能电池的电学特性即输入输出特性。太阳电池的种类多，大小 不一。太阳电池到底有多大的能力能将太阳的光能转换成电能，从以下的特性可以得知。图2.5为太阳电池的输入输出特性，也称为太阳电池的电压-电流特性。图中的实线为太 阳电池被光照射时的电压-电流特性，虚线为太阳电池未被光照射时的电压-电流特性。6内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)图2.6显示了在光照强度G=1000W/M2环境温度T=25时典型多晶硅光伏电池 板的输出U-I和U-P曲线。由图2.6可得光伏电池主要参数：(1)开路电压开路电压为太阳能电池组件在负载电路开路情况下的端电压，用符号表示。当 不存在有效电场时，光伏效应只要靠PN结内建静电场提供。而内建静电场使光生非平 衡电子和空穴各自向反向漂移，因而内建静电场越强，半导体材料两端形成的光生电动 势就越高，开路电压。c也就越高。(2)短路电流短路电流为光伏电池在外电路直接短路情况下流经外电路的电流，用符号七表示。光照强度决定了光伏电池激发的电子-空穴对数，即一定的光照强度下，其电子-空穴对 数也是一定的，使得光电流人的特性像一个恒流源，不受外电路短路与否的影响。(3)最大功率点光伏电池输出U-I特性曲线上，根据负载变化任何一点可以作为工作点。不同的工 作点有不同的输出功率，顾名思义，最大功率点就是在曲线上输出功率的最大值也行对 应的工作点，最大功率点对应的电压和电流为最大功率点电压Pmpp和最大功率点电流 IMPP o对最大功率点进行跟踪，保证电池始终工作在最大功率点附近，能大大提高工作 效率，进一步提高对太阳能的利用率。2.2 光伏阵列之光电幕墙太阳能光电幕墙玻璃。它是用光电池、光电板技术，把太阳光转化为电能，它关键 的技术是太阳能光电池技术。7内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)2.2.1 光电幕墙特点太阳能光电幕墙集合了光伏发电技术和幕墙技术，是一种高科技产品，集发电、隔 音、隔热、安全、装饰功能于一身的新型建材，特别是太阳能电池发电不会排放二氧化 碳或产生对温室效应有害的气体，也无噪音，是一种净能源，与环境有很好的相容性。但因价格比较昂贵，光电幕墙现多用于标志性建筑的屋顶和外墙。这充分体现了建筑的 智能化与人性化特点，代表着国际上建筑光伏一体化技术的最新发展方向。2.2.2 光电幕墙的工作原理设计光电幕墙需考虑电池、模板、导线和变压器各个因素，各电池组成模板，各模 板组成小分格，并通过导线连接，所有导线又组成一个PV变压器。一个PV变压器是 一个封闭的幕墙部分，每套光电设备可由一个或多个变压器组成。每套光电设备都先产 生直流电，再由直流电转变成交流电，并由电压网传输，逆整流器再将230-400V的电 压转变成频率通常为50Hz的电能。晶体电池通过导线相互连通，并被接在大表面的模板上，这些电池被嵌入坚硬的树 脂玻璃中，导线可接在模板背面或玻璃边缘。作为模板一个组成部分的非晶体是一个完 整的平面，相互连通，被嵌入两块玻璃和透明度高的树脂中。所有模板都可作为幕墙的 建筑材料使用，这些模板极为坚固，电绝缘性好，符合二级安全标准。采取这些措施后，即使发生失误，在可触摸部位也不会出现危险的电压。光电模板具备抵御外界环境侵扰 的能力，或在臭氧，或在酸雨，或在零下50摄氏度至90摄氏度的环境中，光电模板仍 可使用几十年，而且是极为美观的造型材料。2.2.3 选用光电幕墙的优越性(1)节能：有效降低墙面及屋面温升，减轻空调负荷，降低空调能耗。(2)环保：不需燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪音污染。(3)实用：舒缓白天用电高峰期电力需求，解决电力紧张地区及无电少电地区供电 情况。(4)效果：玻璃中间采用各种光伏组件，色彩多样，使建筑具有丰富的艺术表现力图。本文采用光电幕墙构建三相并网光伏发电系统的光伏阵列部分。2.3 光伏发电系统的结构分类根据负载的电源以及与电力系统的并网情况不同，我们将太阳能光伏系统分成多种 多样的形式。2.3.1 基于是否带有储能装置的分类8内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)从是否带有储能装置来分，光伏并网系统分为可调度式和不可调度式两种 可调度式光伏并网系统图2.7可调度式光伏并网系统系统带有蓄电池作为储能环节。因为有蓄电池的存在，该类并网系统可控开关切换 于多种运行方式，整个系统可起到能量调节器，有源滤波器和不间断电源的作用。正常情况下，DC/DC级不仅向逆变级电路提供直流电源，同时还向蓄电.逆变级将 直流电能逆变成交流电能送入电网。在电网负荷增加时，可调度式光伏并网系统根据运 行需要，增加上由光伏电池和蓄电池共同起调峰作用。当电网失电时，装置按优先级别 跳闸断开不重要负载，光伏电池提供的直流电能仍通过逆变器为重要负载供电，起到了 不间断电源(UPS)作用。作为电网终端的有源无功补偿器，稳定电网电压，同时亦可抵 消有害波分量以提高电网质量。虽然可调度式光伏并网发电系统配有储能环节蓄电池，在功能和性能方面有若干扩充和提高，但也带来了若干严重的缺点：蓄电池组的寿命较短，目前免维护蓄电池在良好环境下的工作寿命通常估计为 57年，而光伏阵列稳定工作的寿命则在2530年左右。蓄电池组的价格在目前仍相对昂贵，在整个系统中占到40%的投资。蓄电池组需占用较大空间，对于用户是难以接受的。有潜在的污染，若有壳体破裂，则会泄漏出腐蚀性液体，且报废的蓄电池必须进 行后处理，否则将会造成铅污染。(2)不可调度式光伏并网系统电网图2.8不可调度式光伏并网系统9内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)系统通过DC/DC变换器将太阳能电池产生的直流电能斩波成适于光伏逆变的直流 电压后，直接经DC/AC变换成与电网频率一致的交流电能送到电网。当光伏并网系统 产生的交流电能超过本地负载所需时，超过部分送给电网。而产生的电能不足以供本地 负载时，由电网自动向负载补充电能。当光伏电池输出功率低于某值乃至停止时，通过 运行方式的改变，逆变器对可继续对电网进行无功补偿，而不用解列。当电网故障或维修时，只要电网失去电压，逆变器立即停止工作，而通过跳闸装置 使逆变器、电网和负载者电气断开，光伏并网系统不再向电网和负载提供电能。出于 安全的考虑，这一点是必需的。一方面是出于对电网侧检修人员的安全考虑，在电网失 电后，光伏并网系统必须跳闸与电网隔断开。另一方面，在设计不可调度式并网系统时,是基于该系统作为一种节能装置，作为电网的有效补充，其功率一般不足以带全部的本 地负载，如果电网失电后，该装置不及时地与负载断开，则会出现严重过负荷的情况，对系统本身是极为不利的，有可能引发电气火灾事故。所以电网失电后，不仅是与电网 断开，还必需及时与负载断开。本系统选用不可调度式光伏并网系统，主电路中不含有蓄电池环节。2.3.2 基于是否与电力系统并网的分类从太阳能光伏系统是否与电力系统并网而言，就可将太阳能光伏系统分成独立系统 和并网系统。除此之外，还有混合系统以及小规模电源系统。(1)独立光伏发电系统独立光伏发电系统很明显就是不与常规电力系统相连接而独立运行的发电系统。这 类系统的结构如图2.9所示，一般由光伏电池电池阵列、直流变换器、储能装置、逆变 器等部分构成。通常建设在远离电网的偏远地区或者作为野外移动式便携电源。图2.9独立式光伏发电系统并网光伏发电系统并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统。光伏阵列先将太阳光 10内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）照转换为直流电，并网光伏发电系统再将这些直流电换为符合入网标准的交流电，并与 电网相连接。这类系统结构如图2.10所示，一般由太阳能电池阵列，直流变换器、逆变 器以及相位同步控制能部分组成。目前，并网光伏系统主要朝屋顶光伏系统和电站光伏 系统两大产业化发展。其中覆盖建筑用于给空调和照明设备供电的光伏系统的一个突出 特点是，输出功率与峰值负载吻合得很好。在阳光充足的夏日，并网光伏发电系统会产 生更多的电力来配合用电高峰。为了使光伏组件能更好的与建筑相结合，实现光伏建筑 一体化（BIPV）,光伏屋顶可以延伸到光伏幕墙，光伏屋檐和光伏窗檐等。并网光伏电站 占地面积较大，适合修建在沙漠，海滨等人烟稀少的地方。这种方式需要与高压电网并 联，发电量较大，需要较大的前期投入，是大规模太阳能利用的一个重要方向，本文着 力探究三相并网光伏发电系统的设计与仿真模拟。图2.10并网光伏发电系统（3）混合系统混合系统是指太阳能光伏系统与其他系统（如风力、集热器、燃料电池等）组成的系 统。混合系统主要适用于以下情况：即太阳电池的出力不稳定，需使用其他的能源作为 补充时；太阳电池的热能作为综合能源加以利用时的情况。混合系统一般可分成现地电 源混合系统、柴油机发电混合系统以及太阳光、热混合系统。现地电源混合系统是指由 太阳能光伏系统与风力发电、水力发电以及柴油机发电等组成的系统。图2.11太阳能光伏、燃料电池混合系统11内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)2.4 光伏发电系统并网的结构方式2.4.1 工频变压器绝缘方式工频变压器绝缘方式采用工频变压器进行绝缘和变压，具有良好的抗雷击和消除尖 波的性能，电路简单，变换只有一级，效率较高。其结构图如图2.12所示。虽然主变压 器和滤波电感体积大，但是，采用低频材料制造，因此成本不高。由于电路中的半导体 器件少，可适应比较恶劣的使用条件。开关频率低，产生的电磁干扰小。一般工频逆变 不采用SPWM控制，输出是矩波形，要经过强有力的滤波措施，才能使输出正弦波形 畸变。这种方式的逆变器主要用于独立型太阳光发电站。采用PWM逆变器产生工频交 流，再利用工频变压器进行绝缘和电压变换。因为采用工频，故变压器比较笨重。光伏宝;七阵列图2.12工频变压器绝缘方式结构图2.4.2 高频变压器绝缘方式高频变压器绝缘方式逆变器，就是在直流电源和逆变器之间加入了一级高频电气隔 离变换器，用高频变压器来实现电压比调整和电气隔离，省掉了体积庞大的工频变压器,降低了音频噪声，其结构如图2.13所示。该电路由高频逆变器、高频变压器、高频整流 器、PWM逆变以及输入输出滤波构成。前置直流变换器先将输入直流电压变换成后置 级所需的平滑直流电压，再由后置逆变级变换成交流电并网。该结构具有单向功率流、三级功率变换(DC-LFAC-DC-HFAC)、变换效率不够理想 等特点。另外，采用传统的PWM技术还存在开关频率升高时功率器件开关损耗和电磁 十扰(EMI)问题，要采用滤波和屏蔽等抑制措施。士也与;二摸垃图2.13高频变压器绝缘方式结构图12内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）2.4.3 无变压器方式为了进一步提高效率和降低成本，己开发出太阳能发电站用无变压器无绝缘方式逆 变器主电路。其结构电路如图2.14所示，电路前部分为DC/DC升压电路，后部分为工 频逆变电路。升压电路可以和不同输出电压的太阳电池匹配，把太阳电池的输出电压升 高到逆变所需的直流电压，尽管由于天气变化因素使太阳电池输出电压发生变化，有了 升压部分后，可以保证逆变部分输入电压比较稳定。由于升压电路提高了输出电压，这 样输出电流也相应降低，可以减少逆变部分损耗。升压电路还可以对输入的功率因数进 行校正。这种结构直接祸合并网，省去了笨重的工频变压器，所以具有高效率、重量轻、结构简单、可靠性高等优点。但是由于电池板与电网之间没有电气隔离，对人身安全不 利Ml。光点电;三愎奘图2.14无变压器方式结构图2.5 本章小结本章先后介绍了光伏电池的发电原理、分类以及其各项性能指标，并分析了光电幕 墙作为本文构建光伏阵列模块的优越性。随后从是否带有储能装置和是否与电力系统并 网两方面介绍了多种形式的光伏发电系统结构，并进行了对比分析，其中本文将注重探 究三相并网光伏发电系统的设计与仿真，并将在后文中完成不可调度式光伏发电系统的 硬件电路设计。最后简单介绍了光伏并网系统主电路的三种构成方式，为后文主电路硬 件选型做铺垫。13内蒙古科技大学毕业设计说明书(毕业论文)第三章DC/DC变换与MPPT控制部分光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况 影响。根据太阳电池的工作原理，当光照强度，温度等自然条件改变时，太阳电池的输 出特性将随之改变，输出功率及最大工作点亦相应改变。在实际的应用系统中，自然光 的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，这就给光伏系统的应用带来了困难。当 环境温度和光照强度一定的情况下，光伏电池的工作电压是一个随变值，但输出电压只 有在一个合适的值时，光伏电池才能达到最大输出功率，此时光伏电池的工作点就被称 为最大功率点(Maximum Power Poin t MPP)。而最大功率点跟踪(Maximum Power Poin t Track in g MPPT)就是指实时调整光伏电池的输出功率，使之始终工作在最大功率点附近 的过程。鉴于光伏电池的特殊性，需要设置其工作电压和电流以找到最佳工作点。广泛 采用的电路类型为DC/DC变换，其中主要包括升压式(Boost)、降压式(Buck)、升降压 式(Buck-Boost)、库克式(Cuk)。光伏系统的另一个关键问题是最大功率点跟踪算法问 题，在目前提出的众多的处理方法中，主要有恒压跟踪法(CVT)、电导增量法(INC)、扰动观察法(P&0)、模糊逻辑控制法、滞环比较法等。下面对MPPT的这两个关键问题 进行详细的研究分析。3.1 最大功率点跟踪的概述3.1.1 最大功率点跟踪的原理光伏电池的简化的线性电路如图3.1所示，&上的功率为：图3.1简化的线性电路图对上式两边凡求导，因为。、此都是常数，所以可以得出:14内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）dP。二 U2（RR。）（3欧0（4+凡）3因为式（3-2）中&=4.时，4将有最大值，所以对于太阳能电池板简化的线性电 路，如果负载电阻等于电源内阻，光伏电池板电源将有最大功率输出。虽然DC/DC转 换电路和太阳能光伏电池均是强非线性的，但是它们在较短的时间里能够被看作是线性 电路。由简化的电路图3.1得出：&=4时，&=舄两端的电压为U/2,凡是最大值。综上可得，通过调节DC/DC转换电路的等效电阻始终让光伏电池的内阻与转化电路的 等效电阻保持相等，从而实现光伏电池发电的最大功率输出，即光伏电池的MPPT。同 样的，在实际应用中，可以通过调节负载两端的电阻电压，来实现光伏电池发电的最大 功率输出。图3.2最大功率跟踪原理图光伏电池最大功率跟踪的原理如上图3.2所示