离网型太阳能光伏发电系统研究与设计.docx

毕 业 论 文题 目：离网型太阳能光伏发电系统研究与设计 专 业 光伏材料应用技术 学生姓名 准考证号 指导教师 摘要随着煤炭、石油和天然气等化石燃料迅速消耗，以及由此带来的能源危机与环染日益加剧，近年来世界各国都在积极寻找和开发新的、清洁、安全可靠的可再生能源。太阳能具有取之不尽、用之不竭和清洁安全等特点，是理想的可再生能源。20世纪70年代后，太阳能光伏发电在世界范围内受到高度重视并取得了长足进展。太阳能光伏发电技术作为太阳能利用的一个重要组成部分，并被认为是二十一世纪最具发展潜力的一种发电方式。太阳能光伏发电系统的研究对于缓解能源危机、减少环境污染以及减小温室效应具有重要的意义。太阳能是最普遍的自然资源，也是取之不尽可再生资源。为了解决边远的农牧地区、偏僻的山区、孤立等的岛屿地方人们的日常生活、生产用电的需要、改善人们的生活水平，进行了离网型（独立）家用光伏发电系统的设计。根据当地的气象、环境状况及具体用电情况，给出了系统的设计方法及施工要求，包括控制器、蓄电池组组件、逆变器、离网型太阳能系统的设计等。安装运行以来，系统工作稳定正常，验证了这集的合理性、正确性。关键字:太阳能光伏发电系统；最大功率点跟踪；离网光伏发电。目 录1 绪论11.1 世界能源结构和发展新能源的背景11.2 太阳能光伏发电国内外研究现状与发展趋势42 太阳能离网型光伏发电系统基本组成和特性62.1 太阳能离网型光伏发电系统概述62.2 太阳能电池62.3 铅酸蓄电池83 太阳能电池最大功率点跟踪113.1 太阳能电池最大功率点跟踪原理113.2 太阳能电池最大功率点跟踪方法114 太阳能离网型光伏发电系统主电路设计134.1 方框图，主电路图以及技术路线图134.2 太阳能离网型光伏发电系统常用DC/DC变换器及其特点144.3 带双向变换器的太阳能离网型光伏发电系统164.4 双向BUCK-B00ST变换器194.5 逆变电路20结束语23参考文献24致谢25 1 绪论1.1 世界能源结构和发展新能源的背景自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。随着社会的发展，能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危机问题，更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。根据BP世界能源统2005的统计数据，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40多年，天然气和煤炭则分别可以供应67年和164年。而我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按2000年底的统计，探明可开发能源总储量约占世界总量的10.1%。我国能源剩余可开采总储量的结构为:原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。我国能源可开发剩余可采储量的资源保证程度为129.7年。自从工业革命以来，约80%温室气体造成的附加气候强迫是由人类社会活动引起的，其中CO2的作用约占60%，而化石能源的燃烧是CO2的主要排放源。随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。研究和实践表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。根据国际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源与可再生能源的比例，将会发展到世界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升温。20世纪90年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大力开发利用可再生能源，连续10年可再生能源发电的年增长速度都在15%以上。以德国、西班牙为代表的一些国家通过立法方式，促进可再生能源的发展，1999年以来可再生能源年均增长速度均达到30%以上。西班牙2003年风力发电装机占到全机总量的4%，德国在过去11年间，风力发电增长21倍，2003年占全的3.1%。瑞典和奥地利的生物质能源在其能源消费结构中高达15%以上。我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近十年来的高长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源的开发利用，以解决能源题，保障能源供应安全。近年来，由于各级政府和社会各界的高度重视可再生能源的开发和利用方面取得了较快发展，并于2005年2月28日通过了再生能源法，该法已于2006年1月1日起实施，这对于我国可再生能具有十分重要的意义。1.1.1 太阳能与太阳能光伏发电太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天的能源。在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为的未来能源，有无尽的潜力。目前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化利用，太阳能生物利用和太阳能光-光利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前具有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发太阳能电池单元是光电转化的最小单位，将太阳能电池单元进行串并联可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组件可以单独作为电源使用的最小单元，可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。太阳能光伏发电之所以发展如此迅速，是因为其具有以下优点(l)取之不尽，用之不竭。地球表面所接受的太阳能约为1.071014GWh/年，是全球能量年需求的35000倍，可以说是一种无限的资源。(2)无污染。光伏发电本身不消耗工质，不向外界排放废物，无转动部件，不产生噪声，是一种理想的清洁能源。(3)资源分布广泛。不同于水电受水力资源限制，火电受到煤炭资源及运输成本等影响，光伏发电几乎不受地域的限制，理论上讲在任何可以得到太阳能的地方都可以利用太阳能进行发电。(4)建设周期短，建造灵活方便，运行维护费用低。光伏发电系统可以按照需要将光伏组件灵活地串并联，达到所需功率，所以其建设周期短，扩容方便;安装于房顶，沙漠，还可与建筑相结合，从而节约占地面积，节省安装成本;太阳能光伏发电所消耗的太阳能无需付费，一年中往往只需在遇到连续阴雨天最长的季节前后去检查太阳能电池组件表面是否被污染，接线是否可靠以及蓄电池电压是否正常等，因而太阳能光伏发电的运行费用很低。(5)光伏建筑集成。光伏产品与建筑材料集成是目前国际上研究及发展的前沿，这种产品不仅美观大方，还节省发电站使用的土地面积和费用。(6)分布式。光伏发电系统的分布式特点将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，更具有明显的意义。1.1.2 太阳能光伏发电系统简介太阳能光伏发电系统按是否与电网连接可分为独立离网光伏发电系统和并网光伏发电系统。太阳能光伏发电系统结构，该系统中的能量能进行双向传输。在有太阳能辐射时，由太阳能电池阵列向负载提供能量;当无太阳能辐射或太阳能电池阵列提供的能量不够时，由蓄电池向系统负载提供能量。该系统可为交流负载提供能量，也可为直流负载提供能量，当太阳能电池阵列能量过剩时，可以将过剩能量存储起来或把过剩能量送入电网。该系统功能全面，但是系统过于复杂，成本高，仅在大型的太阳能光伏发电系统中才使用这种结构，并具有上述全面的功能;而一般使用的中小型系统仅具有该系统的部分功能。 (一)离网型（独立）光伏发电系统离网光伏发电系统是指未与公共电网相连接的独立太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载(交流负载或直流负载)的发电系统。其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处所提供电源。图1.1离网光伏发电系统图1.1所示为一种常用的太阳能独立光伏发电系统结构示意图，该系统由太阳能电池阵列、DC/DC变换器、蓄电池组、DC/AC逆变器和交直流负载构成。DC/DC变换器将太阳能电池阵列转化的电能传送给蓄电池组存储起来供日照不足时使用。蓄电池组的能量直接给直流负载供电或经DC/AC变换器给交流负载供电。该系统由于有蓄电池组，因而系统成本增加，但可在无日照或日照不足时为负载供电。(二)并网光伏发电系统与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。并网光伏发电系统将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、同频、同相的交流电，并实现与电网连接，向电网输送电能。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。1.2 太阳能光伏发电国内外研究现状与发展趋势当今世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。20世纪80年代以来，即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期，太阳能光伏发电产业也一直以10%-15%的递增速度在发展。90年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。1.2.1 国外太阳能光伏发电现状与发展趋势到2004年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到964.9MW，到2005年底，达到4961.69MW。己经商业化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池以及薄膜电池等几类。在国际市场上目前太阳能光伏电池的价格大约为3.15美元/W，并网系统价格为6美元/w，发电成本为0.25美元/(kwh)。光伏电池的发电转化效率也不断提高，晶体硅光电池转化率达到15%，单晶硅光电池转化率是23.3%，砷化镓光电池转化率是25%，在实验室中特制的砷化嫁光电池转化率己达35%-36%。太阳能光伏电池/组件使用寿命大大增长，可使用30多年。目前，太阳能光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占13%-15%，到2100年将约占64%。1.2.2 我国太阳能光伏发电现状与发展趋势20世纪90年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展的时期，在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，2004年累计容量达35MW，约占世界份额的3%。10多年来，我国太阳能光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。到2020年前，我国太阳能光伏发电产业将会得到不断的完善和发展，成本将不断下降，太阳能光伏发电市场发生巨大的变化:2005-2010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为1.20元/(kWh);2010-2020年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0.60元/(kwh)。到2020年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。2 太阳能离网型光伏发电系统基本组成和特性2.1 太阳能离网型光伏发电系统概述一般来说，太阳能离网型光伏发电系统主要包括太阳能电池阵列、控制器、蓄电池组和逆变器等部分。太阳能电池阵列是整个系统能源的来源，它把照射到其表面的太阳能转化为电能;控制器是整个系统的核心部件之一，其运行状态决定着系统的运行状态，系统在控制器的管理下运行;蓄电池的功能在于储存太阳能电池阵列受光照时所发出的电能并在无光照时向负载供电;逆变器是将直流电变换为交流电的设备，由于太阳能电池阵列和蓄电池发出的是直流电，因此当系统向交流负载供电时，逆变器是不可缺少的。常用的太阳能离网型光伏发电系统如图1.1所示。2.2 太阳能电池2.2.1 太阳能电池原理及分类在太阳能光伏发电系统中，实现光电转换的最小单元是太阳能电池单体。太阳能电池单体实际上是一个PN结，PN结在光照下会产生电动势，这种效应称为光生伏特效应。当PN结处于平衡状态时，PN结处有一个耗尽层，耗尽层中存在着势垒电场，电场方向由N区指向P区。当PN结受到光照时，硅原子受光激发而产生电子空穴对，在势垒电场的作用下，空穴向P区移动，电子向N区移动，从而P区就有过剩的空穴，N区就有过剩的电子，这样便在PN结附近形成与势垒电场方向相反的光生电动势。光生电动势的一部分抵消势垒电场，另一部分使P区带正电，N区带负电，从而在P区与N区之间产生光生伏特效应。若在太阳能电池单体两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。由上可知，太阳能电池单体将光能转换成电能的工作原理可概括为以下四个过程:(l)太阳能电池单体吸收光子，在PN结两侧产生称为“光生载流子”的电子一空穴对，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电;(2)在太阳能电池单体PN结光生载流子，通过扩散作用到达空间电荷区;(3)到达空间电荷区的光生载流子被势垒电场分离，电子被分离到N区，空穴被分离到P区;(4)被势垒电场分离的电子和空穴分别被太阳能电池单体的正、负极收集，若在太阳能电池单体正负极之间接入负载，则有光生电流流过，从而获得电能实际中使用的太阳能电池是若干个太阳能电池单体经过串并联并封装后形成的太阳能电池组件，是可以单独作为电源使用的最小单元，其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦。太阳能电池组件再经过串并联组合可以形成太阳能电池阵列，以满足负载功率要求。太阳能电池多为半导体材料制造，种类繁多，形式各样，下面按照太阳能电池的材料进行分类介绍:(l)硅太阳能电池:指以硅为基体材料的太阳能电池，如单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池等，多晶硅太阳能电池又有片状多晶硅太阳能电池、铸锭多晶硅太阳能电池、筒状多晶硅太阳能电池和球状多晶硅太阳能电池等多种。硅太阳能电池特点是由于硅资源丰富，可以大规模生产，性能稳定且光电转化效率高，是目前应用最多的太阳能电池。但其制造过程复杂，成本高。目前市场上使用最多的是单晶硅太阳能电池，转换率为17%左右，多晶硅转换效率为14%左右，非晶硅电池转化效率为6%左右。(2)化合物半导体太阳能电池:指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池，如碲化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池、硒铟铜太阳能电池、磷化铟太阳能电池等。化合物半导体太阳能电池具有转换效率高，抗辐射性好，可在聚光条件下使用等特点，但碲化镉太阳能电池带有毒性，易对环境造成污染，一般用于特定场合，如空间飞行器和航空系统。(3)有机半导体太阳能电池:指用含有一定数量的碳-碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的太阳能电池。该种电池虽然转换率低，但价格便宜、轻便、易于大规模制造。(4)薄膜太阳能电池:指用单质元素、无机化合物或有机材料等制作的薄膜为基体材料的太阳能电池。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、纳米薄膜太阳能电池和微晶硅薄膜太阳能电池等。其特点是转换效率相对较高、成本降低(尤其是大大降低了晶体硅类太阳能电池的硅材料用量)、且适合规模生产，因此薄膜太阳能电池是未来太阳能电池的一个重要发展方向。2.2.2 太阳能电池输出特性(一)标准测试条件下太阳能电池的输出特性太阳能电池的输出特性是指太阳能电池在一定的温度和日照强度下所表现出来的伏安特性，即输出电压和输出电流之间的对应关系，常简称为I-F特性。由于日照强度、电池温度等都会影响太阳能电池的特性，因此需要定义标准测试条件用于地面测试太阳能电池性能。我国应用的准测试条件定义为日照强度为1000W/，太阳能电池温度为25，太阳辐射光谱为AMI.5。一般的太阳能电池组件生产商均提供上述标准测试条件下的五个参数。当太阳能电池输出电压比较小时，随着电压的变化，输出电流的变化很小，太阳能电池近似为一恒流源，当太阳能电池输出电压超过一定的临界值时，太阳能电池输出电流急剧下降，太阳能电池可近似为一恒压源。太阳能电池的输出特性是非线性的，既非恒流源也非恒压源(在最大功率点左侧为近似恒流源段，在最大功率点右侧为近似恒压源段)，且在一定的电池温度和日照强度下有唯一的最大输出功率点。(二)温度和日照强度对太阳能电池输出特性的影响太阳能电池的I-V特性曲线与日照强度和电池温度有关，分别为不同日照光强和不同电池温度时，太阳能电池的输出特性曲线。当温度一定时，太阳能电池短路电流Isc随日照强度的增加而增加，并与日照强度成正比，太阳能电池开路电压Uo随日照强度的增加稍有增加，但增加很小，当日照强度一定时，电池温度升高，太阳能电池开路电压Uo降低，而太阳能电池的短路电流Isc有轻微的增加。2.3 铅酸蓄电池储能是光伏发电系统的重要组成部分，尤其对于独立光伏发电系统而言，储能环节更是不可缺少的组成部分。储能系统的好坏直接影响到光伏发电系统的性能在实际的光伏发电系统中，储能部分又是最易受损、最易消耗的部分。所以获得最佳的储能系统成为光伏系统设计的重要组成部分。目前光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能，常用蓄电池属于电化学电池。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用。一般来讲，光伏发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用。其中常用的蓄电池有铅酸蓄电池、镍镉蓄电池和镍氢蓄电池。目前中国用于太阳能光伏发电系统的蓄电池除有少量用于高寒户外系统采用镍镉蓄电池外，绝大多数是采用铅酸蓄电池。在小型的太阳能草坪灯和便携式太阳能供电系统中使用镍镉或镍氢蓄电池比较多。2.3.1 铅酸蓄电池充电控制方法在太阳能独立光伏发电系统中，对铅酸蓄电池使用的充电控制方法直接影响到系统的性能。充电控制方法的优劣影响到铅酸蓄电池的荷电量的大小，同时也关系到铅酸蓄电池的使用寿命。而电荷量的大小决定着太阳能独立光伏发电系统向负载供电的能力、铅酸蓄电池的使用寿命关系到系统的成本、造价以及系统的使用寿命，因此选择合理的充电控制方法是提高太阳能独立光伏发电系统性能的有效手段。目前铅酸蓄电池常用的充电控制包括恒流充电、恒压充电、两阶段和三阶段充电等方法，(一)恒流充电恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着铅酸蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于多个铅酸蓄电池串联的铅酸蓄电池组进行充电，能使落后的铅酸蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。这种充电方式的不足之处在于:铅酸蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长。(二)恒压充电法恒压充电就是以一恒定电压对铅酸蓄电池进行充电。在充电初期由于铅酸蓄电池电压较低，充电电流较大，但随着铅酸蓄电池电压的逐渐升高，电流逐渐减少。在充电末期只有很小的电流通过，这样充电过程中就不必调整电流。相对恒流电来说，此法的充电电流自动减少，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低。这种充电方法不足之处在于:在充电初期，如果铅酸蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电器的安全，而且铅酸蓄电池可能因过流而受到损伤;如果铅酸蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的铅酸蓄电池组充电。铅酸蓄电池电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方法在小型的太阳能光伏发电系统中经常用到，因为这种系统中来自太阳能电池阵列的电流不会太大，而且这种系统中铅酸蓄电池组串联不多。(三)两阶段充电法这种方法是为了克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。它首先对铅酸蓄电池采用恒流充电方式充电，铅酸蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压充电方式充电。采用这种充电方式，在充电初期，铅酸蓄电池不会出现很大的电流，在充电后期也不会出现铅酸蓄电池电压过高，使铅酸蓄电池产生析气。(四)三阶段充电法三阶段充电法是在两阶段充电完毕后，铅酸蓄电池容量己经达到额定容量时，再继续以很小的电流向铅酸蓄电池充电以弥补铅酸蓄电池由于自放电损失的电量，这种以小电流充电的方式也称为浮充。在浮充时，铅酸蓄电池充电电压要比恒压阶段的充电电压低。在太阳能光伏发电系统中，综合考虑日照强度以及环境温度对光伏系统充电电流的影响、铅酸蓄电池性能以及系统成本等因素，使用三阶段充电法对铅酸蓄电池充电较为合理。3 太阳能电池最大功率点跟踪目前，太阳能电池阵列在太阳能光伏发电系统造价中占很大比重，而且太阳能电池的转化效率本身就不高，因此有必要研究提高太阳能电池利用效率的方法，以降低系统单位价格的成本，促进太阳能光伏发电系统的应用推广。太阳能电池最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking ，简称MPPT)是其中的途径之一，它能最大程度的利用太阳能电池转化所得的电能。3.1 太阳能电池最大功率点跟踪原理由第二章可知，太阳能电池的输出特性受电池温度和日照强度等因素的影响，电池温度主要影响太阳能电池的开路电压，日照强度主要影响太阳能电池的短路电流。在一定日照强度和温度下，太阳能电池有唯一的最大输出功率点，太阳能电池只有工作在最大功率点才能使其输出的功率最大。3.2 太阳能电池最大功率点跟踪方法目前使用的太阳能电池最大功率点跟踪方法主要有恒电压法、观察扰动法、电导增量法以及其它的一些跟踪方法。1. 恒电压法（简称CVT）温度一定时，在不同的日照强度下，太阳能电池阵列输出曲线的最大功率点基本是分布在一条垂直线的附近，因此只要保持太阳能电池阵列输出电压为常数且等于某一日照强度下太阳能电池阵列最大功率点的电压，就可以大致保证在该温度下太阳能电池阵列输出最大功率。恒电压法具有控制简单，易于实现，稳定性好，可靠性高等优点，比一般太阳能光伏系统可望多获得20%的电能，较之不带CVT的直接藕合要有利得多。然而恒电压法忽略了太阳能电池温度对太阳能电池阵列最大功率点的影响，一般硅太阳能电池的开路电压都在较大程度上受结温影响，以常规单晶硅太阳能电池而言，当太阳能电池温度每升高1时，其开路电压下降率约为0.35%-0.45%，这说明太阳能电池的最大功率点对应的电压也随电池温度的变化而变化，其中对太阳能电池温度影响最大的因素是环境温度和日照强度。因此对于四季温差或日温差较大的地区，CVT方式并不能完全跟踪太阳能电池阵列最大功率点，从而导致系统功率损失。研究结果表明，虽然许多太阳能光伏系统仍然采用这种最大功率点跟踪方法，但这种方式所带来的功率损耗相比于微电子技术的迅速发展及微电子器件的大幅度降价，已经显得很不经济。2. 扰动观察法扰动观察法的原理是:在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减少，控制对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动”;然后，通过比较干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”过程，如果检测到输出功率减少，则改变“干扰”的方向。扰动观察法的最大优点就是结构简单，被测参数少，容易实现。但是即使在某一周期太阳能电池阵列运行在最大功率点，由于扰动的存在，下一周期太阳能电池阵列运行点又会偏离最大功率点，因此太阳能电池阵列实际是在最大功率点附近振荡运行，从而导致部分功率损失;其次，难以选择合适的变化步长，步长过小，跟踪的速度缓慢，太阳能电池阵列可能长时间运行于低功率输出区，步长过大太阳能电池阵列在最大功率点附近的振荡又会加大，跟踪精度下降，从而导致更多的功率损失;另外，当外部环境突然变化，太阳能电池阵列从一个稳定运行状态变换到另一个稳定运行状态的过程中，会出现误判现象。 3. 增量电导法为了解决扰动观察法导致的功率损失问题，K.H.Hussein在1995年提出了增量电导法。由太阳能电池阵列输出电气特性知，太阳能电池阵列的输出功率-电压(P-V)曲线是一个单峰曲线，在最大功率点处，功率对电压的导数为零。增量电导法的优点是:在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。增量电导法的缺点是:太阳能电池阵列可能存在一个局部的最大功率点，这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点;如同扰动观察法一样，增量电导法的变化步长也是固定的，步长过小会使跟踪速度变慢，太阳能电池阵列较长时间工作在低功率输出区;步长太长，又会使系统振荡加剧，影响跟踪精度。在实际的光伏系统中，增量电导法的实现对硬件的要求相对较高，控制系统需采用高速微处理器完成数据处理。4 太阳能离网型光伏发电系统主电路设计4.1 方框图，主电路图以及技术路线图本设计的总体方框图为： 图4.1太阳能离网型光伏发电系统总框图主电路图为： 图4.2主电路 图4.3 技术路线图4.2 太阳能离网型光伏发电系统常用DC/DC变换器及其特点到目前为止，在太阳能光伏发电系统中使用的DC/DC变换电路主要有BUCK电路，BOOST电路，BUCKK-BOOSTT电路以及CUK电路。它们的电路拓扑分别如下图4.4 (a)-(d)所示。 a. BUCK电路拓扑图 b. BOOST电路拓扑图c. BUCK-BOOST电路拓扑图 d. CUK电路拓扑图 图4.4太阳能光伏发电系统中常用的DC/DC变换电路拓扑图4.2.1 BUCK电路BUCK电路输入端工作在断续状态，如果直接将BUCK电路接在太阳能电池阵列上将造成太阳能电池阵列输出电流不连续，太阳能电池阵列不能工作于最佳工作状态，因此需要在太阳能电池阵列输出端并联储能电容以保证太阳能电池阵列输出电流的连续，如图4.5。当功率器件关断时，太阳能电池阵列对储能电容充电，使太阳能电池阵列始终处于发电状态。通过调节BUCK电路的占空比D实现调节太阳能电池阵列输出平均功率的目的，从而实现对太阳能电池阵列的MPPT功能。典型的连接太阳能电池阵列的BUCK电路拓扑如图4.5所示，BUCK电路输出连接阻性负载或蓄电池。图4.5连接太阳能电池阵列的BUCK电路拓扑图用BUCK电路实现太阳能电池阵列最大功率点跟踪时，必须在BUCK电路并联一个储能电容，在大功率情况下，由于储能电容始终处于大电流充放电状态，对其可靠工作不利;同时由于储能电容通常为电解电容，使BUCK电路无法工作在较高的频率下，使得BUCK电路装置的体积和重量增加;而且BUCK电路只能用于降压变换。用BUCK电路实现太阳能电池阵列最大功率点跟踪的优点是结构简单，控制易于实现，功率开关管输入电流小，线路损耗小，使得BUCK电路装置转化效率较高。4.2.2 B00ST电路BOOST电路以电感电流源方式向负载放电实现负载电压升高的目的。与BUCK电路相比，BOOST电路的电感在电路的输入端，因此只要输入电感足够大，BOOST电路可以始终工作于输入电流连续的状态下，电感上的纹波电流可以小到接近平滑的直流电流，因此在光伏发电系统应用中，只需在BOOST电路并联容量较小的无感电容甚至可以不加电容，如图4.6，这样就可避免加电容带来的种种弊端。同时BOOST结构也非常简单，并且功率开关管一端接地，使得开关管驱动电路设计更为简单。BOOST电路的不足之处在于其输入端电压较低，在同样的功率下，输入电流较大，因而电路损耗较大，与BUCK电路，BOOST电路转化效率略低一些;而且BOOST电路只能进行升压变换。典型的连接太阳能电池阵列的BOOST电路拓扑如图4.6所示，BOOST电路输出连接阻性负载或蓄电池。 图4.6连接太阳能电池阵列的BOOST电路拓扑图4.3 带双向变换器的太阳能离网型光伏发电系统图4.7所示为本文研究所用离网型光伏发电系统结构图，该独立式光伏发电系统主电路包含以下五个部分:太阳能电池阵列，BOOST变换器和双向BUCK-BOOST变换器，蓄电池组以及负载。图4.7带双向变换器的独立光伏发电系统太阳能电池阵列是整个系统能量的来源，本系统所使用的太阳能电池阵列由七块无锡尚德太阳能电力有限公司生产的STP155S-24/Ab 型单晶硅太阳能电池并联而成，总功率1KW。STP155S-24/Ab型单晶硅太阳能电池组件参数如表4.1所示: 表4.1 太阳能电池组件参数最大工作电压Vm最大工作电流Im短路电流Isc开路电压Voc功率34.4V4.51A4.9A43.2v153W4.3.I BOOST电路设计系统中BOOST电路设计开关管的开关频率fs=20kHz，输入直流电压Vin25V，45V，额定输入直流电压Vin=34V，输出直流电压Vo=48V，输出电流额定电流I0=22.3A，电感电流工作在电流连续模式(Current Continuous Mode)，效率=0.95。(一)滤波电感的计算 （4-1） （4-2） D=1-Vin/V0 （4-3）式中:D为开关管的占空比，fs为开关管开关频率。由(4-2)和(4-3)可得: (4-4) (4-5)取iL1=0.2IL1，计算可得L1min，=66.5uh(二)滤波电容的估算由文献44可知: (4-6)取Vo=4.8，由上述参数可得: (4-7)为了使输出电压纹波小于4.8V，滤波电容必须大于110.5uF，可取120uF，滤波电容的耐压值不应小于48x1.5=72V，因此滤波电容可取120uF/l00V。(三)功率开关管的选取通过功率开关管的最大电流与通过电感的最大电流相等，为45A，功率开关管承受的最大电压为2Vin=245=90V。考虑到功率开关管电压和电流的设计裕量，开关管的额定电压应为珠的1.5倍，额定电流应大于开关管导通时流过的峰值电流的2倍。BOOST电路中开关管选取Infineon公司的IPBO42N10N3G MOSFET管，其额定耐压值VDS=l00V，额定电流ID=100A，导通电阻RDS(ON)=4.2m(四)二极管的选取通过二极管的最大电流与通过电感的最大电流相等，为45A，功率开关管承受的最大反向电压为Vomax=50.4v。考虑到二极管电压和电流的设计裕量，开关管的额定电压应为Vin的1.5倍，额定电流应大于开关管导通时流过的峰值电流的2倍。BOOST电路中二极管选取Infineon公司的D255N二极管，其最大反向耐压VRRM=600V，最大正向电流IF=400A，反向恢复时间最长131ns。4.3.2 铅酸蓄电池组设计在本系统中铅酸蓄电池组接在双向BUCK-BOOST变换器上充当负载。当铅酸蓄电池组直接接在BOOST电路上充当负载时，系统为铅酸蓄电池充电以储存能量，当无太阳光照射时，铅酸蓄电池可通过双向BUCK-BOOST变换器向负载供电。本系统中铅酸蓄电池选择电压24V、容量为100AH的蓄电池组。4.4 双向BUCK-B00ST变换器4.4.1 双向BUCK-B00ST变换器运行原理双向BUCK-BOOST变换器是在BUCK电路中的续流二极管替换为功率MOSFET管而得到的，其电路结构如图4.7所示。为实现能量的双向自由流动，Q2和Q3互补PWM工作，即Q2导通时，Q3截止，Q3导通时，Q2截止。为了防止Q2，Q3同时导通，两者之间有死区时间，即Q2关断后经死区时间td后才允许Q3导通，反之亦然。4.4.2双向BUCK-BOOST变换器参数设计系统中设计双向BUCK-BOOST变换器的功率开关管的开关频率也为Fs=20kHz，双向BUCK-BOOST变换器按BUCK变换器设计:输入额定直流电压为Vin=48V，输入电压波动Vo=4.8v;输出直流电压Vo=24v，输出电压纹波为2V;输出额定电流I=45A。(一)滤波电感的估算 (4-8) (4-9) (4-10) (4-11)式中:D为开关管的占空比，fs为开关管开关周期。取输出电流纹波i0=3A。可得: (4-12) (4-13) (4-14)取L2=210uh。(二)滤波电容的设计由于本系统中双向BUCK-BOOST变换器的负载为铅酸蓄电池，而铅酸蓄电池本身就相当于一个大电容，因此本双向BUCK-BOOST变换器输出端可以不用滤波电容;另外，省去滤波电容还可以减少由于铅酸蓄电池给滤波电容充电而导致的容量损失。而且省去滤波电容，减少了系统成本，缩小系统的体积，从而简化了电路。(三)功率开关管的选取双向BUCK-BOOST变换器中，功率开关管Q2和Q3承受的最大电压均为Vin=50.4V，功率开关管Q2和Q3的最大工作电流与流过滤波电感的最大电流相同，即IQ2max=IQ3max=IL2max=45A。考虑到功率开关管电压和电流的设计裕量，可选择开关管的容许电压为100v，容许电流为50A。双向BUCK-BOOST变换器电路中开关管选取Infineon公司的IPBO42CN10N3G MOSFET管，其额定耐压值VDS=100V，额定电流ID=100A，导通电阻RDS(ON)=4.2m.4.5 逆变电路 图4.8逆变