光伏发电系统MPPT控制方法的研究.pdf

华北电力大学硕士论文摘要摘 要能源犹如人体的血液。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。随着能源危机与环境污染的加剧，太阳能的利用越来 越受到人们的重视，而太阳能光伏发电技术的应用更是人们普遍关注的焦点。本文 针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率，从建模仿真方面对具有最大功率点 跟踪的控制器进行了研究，提出了一种基于模糊参数自校正PI D控制实现最大功率 点跟踪的方法，仿真表明该方法能够很好的处理好控制精度和速度这一矛盾，使光 伏系统始终输出最大功率。光伏并网是光伏发电未来发展的大趋势，将该控制策略 应用于单极式光伏并网系统最大功率点跟踪控制，并结合消谐PWM控制，实现了 系统的高效率并网运行。关键词：光伏系统，最大功率点跟踪，模糊参数自校正PID控制，消谐PWM控制ABSTRACTEnergy sources are like the body blood.As a novel green and renewable energy,the solar energy is abundant,economic and non-pollution.With the energy crisis and worsing of environment pollution taken into consideration,the power generation system based on solar energy has attracted a lot of attention and the solar photovoltaic energy technology has been the focus which people attend to.Aims at how to increase the efficiency of conversion for the photovoltaic energy system,this paper carried out researches on the solar controller with maximum power point tracking(MPPT)and the fuzzy parameter selftuning PI D control method is adopted in the paper to achieve the MPPT control of PV system.Simulation results demonstrate that the method adopted has gained comparatively satisfactory effects in handling both control precision and control speed,and kept the system working invariably with the greatest output power.The grid-connected PV system enjoys bright prospect in the future.At last,the control strategy is applied to the maximum power point tracking control of single-stage grid-connected PV system in combination with the harmonic elimination PWM control of inverter to achieve grid-connected operation with high efficiency.Wang Yan(Power System and its Automation)Directed by prof.Li PengKEY WORDS：photovoltaic system,MPPT,the fuzzy parameter self-tuning PID control,harmonic elimination PWM control华北电力大学硕士论文摘要摘 要能源犹如人体的血液。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，具有储量大、利用经济、清洁环保等优点。随着能源危机与环境污染的加剧，太阳能的利用越来 越受到人们的重视，而太阳能光伏发电技术的应用更是人们普遍关注的焦点。本文 针对如何提高太阳能光伏发电系统的转换效率，从建模仿真方面对具有最大功率点 跟踪的控制器进行了研究，提出了一种基于模糊参数自校正PI D控制实现最大功率 点跟踪的方法，仿真表明该方法能够很好的处理好控制精度和速度这一矛盾，使光 伏系统始终输出最大功率。光伏并网是光伏发电未来发展的大趋势，将该控制策略 应用于单极式光伏并网系统最大功率点跟踪控制，并结合消谐PWM控制，实现了 系统的高效率并网运行。关键词：光伏系统，最大功率点跟踪，模糊参数自校正PID控制，消谐PWM控制ABSTRACTEnergy sources are like the body blood.As a novel green and renewable energy,the solar energy is abundant,economic and non-pollution.With the energy crisis and worsing of environment pollution taken into consideration,the power generation system based on solar energy has attracted a lot of attention and the solar photovoltaic energy technology has been the fbcus which people attend to.Aims at how to increase the efficiency of conversion for the photovoltaic energy system,this paper carried out researches on the solar controller with maximum power point tracking(MPPT)and the fuzzy parameter selftuning PI D control method is adopted in the paper to achieve the MPPT control of PV system.Simulation results demonstrate that the method adopted has gained comparatively satisfactory effects in handling both control precision and control speed,and kept the system working invariably with the greatest output power.The grid-connected PV system enjoys bright prospect in the future.At last,the control strategy is applied to the maximum power point tracking control of single-stage grid-connected PV system in combination with the harmonic elimination PWM control of inverter to achieve grid-connected operation with high efficiency.Wang Yan(Power System and its Automation)Directed by prof.Li PengKEY WORDS：photovoltaic system,MPPT,the fuzzy parameter sei佐tuning PID control,harmonic elimination PWM control华北电力大学硕士学位论文第一章绪论1.1 课题背景1.1.1 能源危机及环境污染问题十八世纪的工业革命，大大推动了人类社会的生产力水平，使人类进入了机器 大生产的工业时代。从此，人类大规模的开采矿产、石油、砍伐森林、开垦草原，满足世界经济的发展。可以说，世界经济的现代化，得益于传统能源，如石油、天 然气、煤炭与核裂变能的广泛的投入应用。因而它是建筑在传统能源基础之上的一 种经济。然而，这一经济的资源载体将在21世纪上半期迅速地接近枯竭。能源危 机迫在眉睫。在21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量 为39.9年，天然气可采量为61年，煤炭可采量为227年。可见，化石能源的可采 量己经是屈指可数了。传统能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲 突的加剧，最终将葬送现代市场经济。事实上，近10年来，中东及海湾地区与非 洲的战争都是由传统能源的重新配置与分配而引发。总之，能源危机随时会爆发，它的爆发将具有爆炸性！环境污染问题也成为人们普遍关注的焦点。环境污染是指对生态系统有害的 物质进入环境后对生态系统所造成的干扰和损害的现象，对人类以及其他生物的生 存和发展会产生不利影响。例如，由于化石燃料的燃烧，大气中的颗粒物和二氧化 硫浓度增高，危及人类和其他生物的身体健康，同时还会腐蚀材料，给人类社会造 成损失；工业废水和生活污水的排放，使人体质量恶化，危及水生生物的生存，使 水体失去原有的生态功能和使用价值，给生态系统造成直接的破坏和影响。除此之 外，污染物的积累和迁移转化还会引起多种衍生的环境效应，给生态系统和人类社 会造成间接的危害，有时这种间接的环境效应的危害比直接危害更大，更难消除。例如，温室效应、酸雨和臭氧层的破坏就是由大气污染衍生出的环境效应。这种由 环境污染衍生的环境效应具有滞后性，往往在污染发生的当时不容易被察觉或预料 到，然而一旦发生就表示环境污染已经发展到相当严重的地步。环境污染所带来的 最直接、最容易被人们所感受的后果就是使人类环境的质量下降，影响人类的生活 质量、身体健康和生产活动。例如城市的空气污染造成空气污浊，人类的发病率上 升等等；水污染使水环境质量恶化，饮用水源的质量普遍下降，威胁人的身体健康，引起胎儿早产或畸形等等。严重的环境污染还会造成社会问题。随着污染的加剧和 人们环境意识的提高，由污染引起的人群纠纷和冲突R益增加。随着经济和贸易的 全球化，环境污染也日益呈现国际化趋势，近年来出现的危险废物越境转移问题就 是这方面的突出表现。华北电力大学硕士学位论文正是在这样的背景下，世界各国相继制定了各种政策来减缓能源危机和提倡环 境保护。1972年6月5 FI,联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了第一次人类环境保 护会议，随后，联合国设立了环境保护规划署。环境保护从此提到联合国和各国政 府的议事日程上来，并规定每年的六月五日为世界环境保护日，“世界只有一个地 球”，“地球是你我共同的家”，“让地球充满生机”等环保口号充分反映了全人类的共 同心声。1.1.2 太阳能的开发和利用21世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。由于传统能源（如煤、石油、天 然气等）的供给已出现严重短缺局面，人类开始将目光转向可再生能源的发展。大规 模地开发利用可再生洁净能源，以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样性 的能源结构代替以资源有限、污染严重的传统化石能源为主的能源结构己成为人们 关注的焦点。可再生能源特点，主要有：1）能源密度较低并且高度分散；2）资源丰富，可以再生：3）清洁干净，使用中几乎没有损害生态环境的污染物排放；4）太阳能、风能、潮汐能等资源具有间歇性和随机性；5）开发利用的技术难度大。可再生能源的种类，主要有：1）联合国开发计划署（UNDP）分为3大类：a）大中型水电。b）新可再生能源。包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能和海洋 能等。c）传统生物质能。2）我国目前是指除常规化石能源和大中型水力发电及核裂变发电之外的生物 质能、太阳能、风能、小水电、地热能、海洋能等一次能源以及氢能、燃料电池等 二次能源。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比可利用最大，是最 理想的可再生能源。特别是近几十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能及其相 关产业成为世界发展最快的行业之一叵工因为它具有以下的特点：1）普遍。阳光普照大地，处处都有太阳能，可以就地利用，不需要到处寻找，更不需要火车、轮船、汽车等R夜不停的运输。这对解决偏僻边远地区以及交通不 便的乡村、海岛的能源供应，具有很大的优越性。2）无害。利用太阳能作能源，没有废渣、废料、废水和废气排出，没有噪声，2华北电力大学硕士学位论文不产生对人体有害的物质，因而不会污染环境，没有公害。3）长久。只要存在太阳，就有太阳辐射能。因此，利用太阳能作能源，可以 说是取之不尽，用之不竭的。4）巨大。一年内到达地面的太阳辐射能的总量，要比地球上现在每年消耗的 各种能源的总量大几万倍。太阳能的开发利用主要有光热利用、光化学利用、光生物利用和光伏利用等四 种形式。光热利用是将太阳能转换为热能储存起来，其中太阳能热水器是光热利用 最成功的领域，还有太阳房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤 消毒杀茵技术等，这些技术尤其在我国的北方和西部应用较广，成效显著。光化学 利用是一种利用太阳辐射能直接分解水制氢的光化转换方式。光生物利用是通过植 物的光合作用来实现将太阳能转换成为生物质的过程。目前主要有速生植物、油料 作物和巨型海藻等。以太阳能电池技术为核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利 用中最重要的应用领域，利用太阳能发电，具有明显的优点12，叫1）可靠：在恶劣的环境和气候条件下，光伏发电系统很少产生故障，因此光 伏系统经常用在要求供电可靠性很高的场合。2）耐用：目前绝大数太阳电池组件的生产技术，都足以保证10年以上其性能 不下降，一般可以发电25年或更长的时间。3）维护费用低：在远离城镇的边远地区，为了维护或维修常规发电设备，需 要将材料和人员运到很远的地方，其费用很高。光伏系统只需要周期性地检查和很 小的维护工作量，因此维护费用比常规发电系统少得多。4）无需燃料费用：由于光伏系统不需要燃料，从而免去了购买、运输和储存 燃料的费用。5）减少噪声污染：光伏发电系统运动部件很少，基本没有噪声。6）安装组件积木化：便于用户根据自己的需要，选择和调整发电系统容量大 小，安装方便灵活。7）安全：光伏系统不用易燃的燃料，只要设计合理和安装适当，系统具有很 高的安全性。8）自主供电：离网运行的光伏发电系统具有供电的自主性、灵活性。有些用 户采用光伏发电的目的，就是由于该系统独立于公用电网的自主性。9）非集中电网：小型分散的光伏发电站，可减少公用电网故障给用户带来的 不良影响及危害。10）高海拔性能：在高海拔地区，随着H照的增强光伏系统的输出功率将增加，因此使用光伏发电非常有利。相反，由于在高海拔地区空气稀薄，柴油发电机的工 作效率降低，机组的实际输出功率减少很多。3华北电力大学硕士学位论文1.2 太阳能光伏发电产业的广阔前景1.2.1 国外光伏发电产业的发展太阳能光伏发电产业自20世纪80年代以来持续高速发展，目前，世界光伏产 业正以31.2%的平均年增长率高速发展，是全球增长率最高的产业，己成为当今世 界最受关注、增长幅度最快的能源产业之一。光伏发电技术的应用在当今世界，特别是在非洲、南美、澳洲及亚洲等各国，普遍受到重视。尽管利用太阳能光伏发 电具有许多优点，但是其发电的价格比常规电力价格高出许多，在电力市场上无法 与常规能源进行竞争。20世纪90年代以前，太阳能光伏发电主要应用在边远的农 村无电地区以及远距离通讯、光伏水泵等产业领域。21世纪，世界光伏市场发生了 很大变化，开始由主要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航标灯等特殊应用 领域解决供电问题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供电方向及商业化应用 方向发展。为了鼓励太阳能的开发和利用，各国政府分别积极制定各种优惠政策来 推动太阳能光伏发电的发展。其中，以美H德等西方发达国家为主*L1）1996年，在美国能源部的支持下，美国政府开始了一项“光伏建筑物计划。投资20亿美元；1997年美国政府在全世界率先宣布发起“百万太阳能屋顶计划。计划到2010年安装100万套太阳能屋顶；2002年，美国的光伏电池生产总量达到 112.9MW,计划到2010年要求发电成本降到7.7美分/千瓦时。2）日本政府早在1974年就公布了“阳光计划”，1993年又提出“新阳光计划”，旨在推动太阳能研究计划全面、长期地发展。日本相继颁布了一系列鼓励包括太阳 能在内的可再生绿色能源研究与应用的法规，极大地推动了日本光伏工业的发展与 应用。2002年，H本的光伏电池生产总量已达到254.5MW,并且以世界最快的增 长速度一4 8.6%增长，计划到2010年一半以上的新居屋顶将安装光伏太阳能系统。3）德国政府是世界上最早和最积极倡导鼓励光伏应用的国家之一。1990年，德国政府率先推出“1000太阳能屋顶计划”，1993年，德国首先开始实施由政府投资 支持，被电力公司承认的1000屋顶计划，继而扩展为2000屋顶计划；1998年德国 政府进一步提出了 10万光伏屋顶计划，同时研究开发与建筑相结合的专用光伏组 件等，1999年1月起开始实施“十万太阳能屋顶计划德国政府颁布的“可再生能 源法”于2000年4月1日正式生效。此外，意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙都有类似的计划，并投巨资 进行技术开发和加速工业化进程。从世界范围来讲，光伏发电己经完成了初期开发 和规模应用发展，其应用范围几乎遍及所有的用电领域，并且光伏集中发电、光伏 建筑等发展迅速，已逐渐成为市场主力。预计到2050年左右，太阳能发电将达到 世界总发电量的10%20%久4华北电力大学硕七学位论文1.2.2 我国光伏发电产业的发展旧同我国的太阳能光伏发电系统起步较晚，但是发展速度很快。我国的光伏电池技 术是从60年代发展空间用太阳能电池开发起步的,地面用光伏电池的生产是从1970 年代初开始，主要的低成本技术以及生产能力则在80年代中期建立起来。80年代 中期，我国光伏电池/组件总生产能力达到4.5MW,光伏产业初步形成。经过十年 的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光伏电池转换效率不断提高。至90 代初中期，我国光伏产业已处于稳定发展时期，生产量逐年稳步增加。“九五”期间，国家科委开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划，企业界率先在深圳和北京 分别建成了 17KW和7KW的光伏发电屋顶系统。1999年，我国光伏电池的主要产 品是单晶硅电池和非晶硅电池，多晶硅电池只限于实验室和中试产品，但在2000 年之后，多晶硅产品逐步走出实验室，开始形成规模生产，与发达国家相比，技术 差距不断减小。为了推动光伏技术及其产业发展，2003年10月，国家发展改革委 员会、科技部制定出未来五年太阳能资源开发计划，发改委“光明工程”将筹资100 亿用于推进太阳能光伏发电技术的应用，计划到2005年全国光伏发电系统总装机 容量达到300MW。至2003年底，我国光伏产业总的生产能力达到38MW,太阳能 电池/组件的实际生产量达到13MW。在市场方面，截至2003年底我国光伏系统累 计装机容量达到4 5MW。2004年，我国在深圳建成了亚洲最大并网太阳能光伏电 站，电站总容量达1兆瓦，年发电能力约为100万千瓦时；2005年2月28日第十 届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的中华人民共和国可再生能源 法自2006年1月1日起正式施行，国家鼓励可再生能源利用；2008年北京奥运 会，国家计划将太阳能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能 等绿色能源利用技术，绿色能源的应用正是绿色奥运的具体体现。我国光伏产业在 满足国内市场需要和提高边远无电地区人民的生活水平及特殊工业应用中发挥了 重要作用。但是，与发达国家相比还存在相当大的差距。差距表现在：生产规模 小，自动化水平低，规模化效应没有充分发挥出来；专用原材料国产化程度不高，品种不全，性能有待进一步改进。这些差距使我国光伏组件的成本比国际市场高，在国际竞争中处于不利地位，特别是在加入WTO后的零关税情况下，我国光伏产 业在国内外市场上面临着非常严峻的考验。可以说，我国的光伏产业虽是任重而道 远，但前景是一片光明的。1.2.3 并网发电成为光伏发电的发展趋势太阳能光伏并网发电系统的作用是将太阳能转换为可供利用的交流电能。光伏 并网发电开始于80年代初，大都是较大型的光伏并网电站，规模从100KW到1MW 不等，都是政府投资的试验性电站。但由于太阳能电池成本过高，其发电成本很难 5华北电力大学硕上学位论文让电力公司接受。90年代后，国外发达国家掀起“屋顶光伏并网系统”的热潮，其灵 活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，受到了各国的重视。近年来，光伏并 网发电更是成为光伏发电应用的重要方向和研究热点，这标志着太阳能光伏并网发 电技术己经进入了一个新的历史阶段，即太阳能光伏发电己开始向大能源、替代能 源过渡，也就是说，光伏发电应用己经开始由边远农村地区逐步向并网发电和建筑 结合的常规供电方向发展。据统计，近几年世界光伏并网发电市场发展迅速，在光 伏行业中的市场比例上升迅猛，至2000年已上升50%。并网所用的太阳能电池已 占全球产量的一半以上，成为太阳能发电最重要的应用领域，而且随着大规模的应 用，发电成本还将不断下降，作为一种分散供电的新模式，有着十分广阔的应用前 景【。特别值得提出的是，并网发电和光伏建筑集成发展迅速，2001年并网发电占 总光伏应用的51%,已成为最大的光伏市场。目前，国外并网发电技术日趋成熟，已开发出并网发电专用的逆变器及相应的配套组件。我国虽已成功地实现了部分地 区的并网发电，但在联网的光伏发电方面，我国只有lOOKWp以下等级的系统，仍 然缺乏MW级以上光伏发电系统联网的经验，特别是太阳能光伏发电屋顶系统的安 装经验。但随着电力电子及微电子技术的快速发展，并网发电系统将会得到不断的 改善。总之，从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代能源的角色 进入电力市场，而并网发电将是光伏发电进入电力市场的必由之路。1.3 本文的主要工作本文在分析了光伏发电系统的基础上，对光伏发电系统MPPT控制做了定量研 究，系统的分析了光伏发电系统MPPT控制对光伏发电效率的影响，通过建模与仿 真，完成了模糊参数自校正P1D控制实现光伏发电系统MPPT控制的研究。1.概述了太阳能光伏发电系统的组成，介绍了目前我国太阳能光伏发电技术 的应用，并根据不同的场合，对太阳能光伏发电系统进行了分类。2.比较分析了四种常用的DC/DC变换器的工作原理，在本文中提出利用 BOOST型DC/DC变换器实现转换，并对参数进行分析和设计，建立BOOST型 DC/DC变换器的仿真模型并仿真验证其可行性。3.分析了最大功率点跟踪原理，比较了几种常用的最大功率点跟踪方法，并 在此基础上提出了基于模糊参数自校正PI D控制实现光伏发电系统MPPT控制的方 法，仿真结果表明此方法的可行性。4.考虑到在实际应用的太阳能并网发电系统中，太阳能电池的输出及电网的 电压是不断波动的。因此，提出了采用模糊参数自校正PI D控制对光伏并网系统输 出功率进行控制并结合逆变器的消谐PWM控制实现了光伏系统的高功率因数的并 网运行。华北电力大学硕士学位论文第二章太阳能光伏发电系统概述2.1 太阳能光伏发电系统的组成太阳能发电是指无须通过热过程直接将太阳光能转换成电能的发电方式。它包 括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电池 这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转换成电能的直接方式，是 当今太阳能发电的主流。时下，人们通常所说的太阳能发电就是指太阳能光伏发电。太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光生伏打效应（光是由光子组成的，而光子是含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定。光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对的正负电荷，由于在PN结区域的正负电荷被分离，于是一 个外电流场就产生了，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的负端），将 太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。一套基本的光伏发电系统一般 是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池（组）构成。1）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作 用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。太阳能电池板 的转化率，即将太阳能转换成电能的比率是其很重要的参数。太阳能电池板的质量 和成本将直接决定整个系统的质量和成本。2）太阳能控制器：太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流 和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长 蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户 使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电（由于受天气等 外界因素的影响，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定）。3）逆变器：逆变器是将直流电变成交流电的一种设备。由于太阳能电池和蓄 电池发出的是直流电，当用于交流负载时，逆变器是不可或缺的。逆变器按运行方 式，可分为独立逆变器和并网逆变器。独立逆变器应用于独立运行的太阳能光伏发 电系统，可为独立负载供电；并网逆变器用于并网运行的太阳能光伏发电系统，可 将发出的电馈入电网。4）蓄电池（组）：蓄电池（组）的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存 起来，供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电；当R照量小时，这部分储存的能量将逐步 放出。7华北电力大学硕士学位论文2.2 太阳能光伏发电系统的分类根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系 统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。2.2.1 独立供电的光伏发电系统独立供电的太阳能光伏发电系统如图21所示。图24独立供电的光伏发电系统结构框图整个独立供电的光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电 能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。根据负载的需要，系统一般选用 铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池 充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。控制器一般由充电 电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆变器的作用是将直流电转换为与交 流负载同相的交流电。2.2.2 并网光伏发电系统图22并网光伏发电系统结构框图并网光伏发电系统如图22所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器 起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有 两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的 并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开 关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某 8华北电力大学硕士学位论文些家庭用户来说具有重要意义：此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定 电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网 光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳 能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电 时，系统自动停止向电网供电。当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负 载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流 电能时，电网自动向负载补充电能。2.2.3混合型光伏发电系统图23混合型光伏发电系统结构框图图23为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用 发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它 既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光 伏发电系统。2.3太阳能光伏发电系统的应用21世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。太阳能作为一种新兴的绿色能 源，具有储量大、寿命长、利用经济、清洁环保等特点，因此，太阳能的利用越来 越受到人们的重视。其中，将太阳能应用于发电系统更是人们研究的热点。目前我国光伏发电系统的应用一方面以采用户用光伏发电系统和建设小型光 伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，为200万户偏远地区农 牧民（即目前我国三分之一的无电人口）提供最基本的生活用电；另一方面，通过借 鉴发达国家建设屋顶光伏发电系统的经验，在经济较发达、城市现代化水平较高的 大中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明 系统中推广使用光伏电源，建设屋顶光伏发电系统电。此外，还将建立大型的并 网光伏系统，以便于在光伏发电成本下降到一定水平时而开展大型并网光伏系统的 9华北电力大学硕士学位论文大规模应用作好准备。2.3.1 户用光伏发电系统、小型光伏电站户用光伏系统、小型光伏电站属于非并网光伏发电系统（独立系统），多用于我 国的广大无电贫困山区和贫困农村。自投入使用以来，运行可靠，发电正常，性能 优良。例如，辽宁建昌县贫困无电山区已经安装了 353套独立家用太阳能光伏电源 系统，太阳能电池组件总功率可达22650W。此家用光伏电源系统包括直流系统和 交流系统两大类。直流系统由太阳能电池组件及支架、控制器和蓄电池组3部分组 成。交流系统比直流系统多一个逆变器，共由4部分组成。白天，太阳能电池组件 接收太阳光照输出电能，然后经过防反充二极管向蓄电池组充电；夜晚，直流系统 经过控制器将蓄电池组输出的直流电供直流负载使用，交流系统则经过逆变器把蓄 电池组通过控制器输出的直流电变换为交流电供交流负载使用。在此系统中，太阳 能电池组件的功能是将太阳辐射能转换为电能；蓄电池组的功能是将太阳能电池组 件输出的直流电加以储存：防反充二极管的功能是用以阻止蓄电池组通过太阳能电 池组件放电；控制器的功能是对蓄电池组的过充电和过放电进行保护；逆变器的功 能是将蓄电池组输出的直流电变换为交流电。此外，我国在西北偏远地区（如青海、西藏、新疆、甘肃等地）还建立了一些小 型光伏电站口叫由于特殊的地缘，光伏电站特别适合西部特殊的居住环境，特别是 在青藏高原有着得天独厚的地理环境优势，大力开发利用太阳能新能源，将其转换 为电能，既解决了部分无电人口的供电问题，又解决了边远地区的通讯问题，促进 了西部地区脱贫致富，经济和生态环境的协调发展。其中西臧成为我国光伏电站、光伏电池装机容量最大的省区，有效地改善了当地牧民们地用电紧缺现象，而在通 讯方面，微波通讯中继站应用光伏电源达到700KW以上，小型光伏电站有1300个。2.3.2屋顶光伏发电系统随着光伏应用技术的发展，世界各国普遍推出了相应的屋顶光伏计划，“九五”期间，我国国家科委也开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划。将太阳能光 伏发电系统与建筑物相结合之所以备受世界的重视是因为它存在很大方面的优点：1）不占用土地资源，这对于土地昂贵的城市尤为重要；2）可以原地发电，原地使用，减少了电力输送的线路损耗；3）降低了墙面及屋顶的温开，减轻了建筑物的空调负荷，降低了空调的能耗；4）取代和节约了昂贵的外饰材料（如玻璃幕墙等），使建筑物的外观统一协调，美化建筑环境；5）舒缓了高峰电力的需求，配备蓄电池后，还满足了安全用电设施的不断电 要求。华北电力大学硕士学位论文2008年奥运会的申办成功为太阳能利用提供了新的契机，国家计划将太阳能光 伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技术，中 国政府对在奥运村及奥运场馆中太阳能利用和建筑设计相结合进行了研究，并在奥 运场馆及奥运村中应用，降低了建筑能耗，提升了城市的整体形象。当今，诸多城市积极利用小型太阳能光伏电源，于道路、公园、车站甚至家庭 安装了太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能路灯、市政交通及车位标识灯，造型 新颖、美观大方、变化多样，而且经久耐用、融观赏性与实用性于一体，既不用拉 电线、占用空间，还具有节能、环保，维护方便等优点，成为城市一道亮丽的风景 线，为城市美化增添色彩。2.3.3大型并网光伏发电系统并网光伏发电系统是光伏技术进步的重要标志，是未来太阳能光伏发电的趋 势，光伏系统步入大规模发电阶段，意味着现在的能源结构将发生根本的变化，是 人类社会利用能源的一场革命。目前，在世界范围内，如美国、德国等发达国家已 经开始建设了一批千瓦级并网光伏发电系统，今年又正在建设一批兆瓦级的光伏并 网发电系统，甚至印度、菲律宾及非洲一些国家也开始建设大型并网光伏发电系统。我国的并网光伏发电系统起步较晚，与上述国家相比，还有一段很大的差距。但我 国己在深圳国际园林花卉博览园内建成了亚洲最大的并网太阳能光伏电站口叫它在 综合展馆、花卉展馆、管理中心、南区游客服务中心和北区东山坡都安装了太阳能 光伏电站，电站总容量达1兆瓦，并网光伏电站的年发电能力约为100万KWh,相 当于每年可节省标准煤约384余吨，减排粉尘约4.8吨，减排灰渣约101吨，减排 二氧化碳约170余吨，减排二氧化硫约7.68吨，是真正的无污染的绿色能源。深圳 国际园林花卉博览园I MWp并网光伏电站建成后，成为目前亚洲和中国总容量第一 的并网光伏电站，同时，也是世界上为数不多的兆瓦级大型太阳能光伏电站之一。填补了我国在大型并网光伏电站设计和建设上的空白，将成为中国并网太阳能发电 史上的里程碑。2.4本章小结面对能源危机和环境污染等问题，人类对光伏发电技术的研究和开发愈加重 视。本章首先概述了光伏发电系统的组成，一套基本的光伏发电系统一般是由太阳 能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池（组）构成；然后根据不同场合的需要，将太阳能光伏发电系统分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统和混合型 光伏发电系统三种；最后介绍了我国太阳能光伏发电技术的应用，分析了光伏发电 系统不同发展应用阶段各自的优缺点，并指明大型并网光伏发电系统是未来光伏发 电的主要发展趋势。11华北电力大学硕十学位论文第三章DC/DC变换器的设计DC/DC变换器，亦称直流斩波器，其工作原理是通过调节控制开关，将一种持 续的直流电压变换成另一种(固定或可调的)直流电压，其中二极管起续流的作用，LC电路用来滤波。DC/DC变换分类方式有多种，按功率开关器件中的电流或电压的波形来分，可分为方波型和正弦型。前者是由于此类开关变换器在稳态运行中功率开关器件中 电流或电压波形基本上是方波而得名；而后者是由于此类变换器在稳态运行中电流 或电压波形基本上是正弦波而得名。按功率开关器件的控制方式来分，方波型变换器可分为：脉冲宽度调制型(PWM型)，即控制信号的脉冲周期固定，而脉冲宽度可调；脉冲频率调制型(PWF 型)，即控制信号的脉冲宽度固定，而脉冲周期可调：混合调制型，即控制信号的 脉冲宽度和脉冲周期均可调节。而正弦波变换器则可分为：模拟信号离散时间控 制式；脉冲频率控制式；二极管导通角控制式；电容电压控制式。按变换功能分，DC/DC变换器可分为两种：一种是电压一电压变换器，即变换 器的输入和输出均可视为电压源：另一种是电流一电流变换器，即变换器的输入和 输出均可视为电流源。工程上多采用第一种类型的变换器，即电压一电压变换器。而当输入需要为电流源时，通常采取将电压源和电感相