民用光伏单相发电系统设计.doc

新型民用光伏单相发电系统设计

摘 要
化石能源日益枯竭、 大家对环境保护问题重视程度也在不停提升, 新能源发展问题变得越来越迫切。太阳能作为一个可再生能源它洁净无污染, 并可连续利用, 所以有着宽广应用前景, 光伏发电技术也越来越受到大家关注。本文叙述了一个小功率光伏逆变电源结构、 控制原理和设计。关键内容以下:
1.介绍现在中国外光伏发电现实状况和发展前景, 并对光伏发电系统结构组成和分类作了简单介绍, 对光伏发电系统建立了一个总体认识。
2.研究了光伏电池基础发电原理和输出特征。
3.对光伏逆变器进行研究, 叙述了全桥逆变器工作原理、 控制策略、 软硬件设计。控制方法采取输出电流滞环跟踪方法, 提出了有效检测方法并用专业软件仿真验证其有效性。
关键词 太阳能; 光伏组件; 蓄电池; 控制器; 逆变器; 跟踪系统
一.太阳能家用发电系统设计要求
太阳照在太阳能电池方阵上辐射光光谱、 光强受到大气层厚度（即大气质量）、 地理位置、 所在地气候和气象、 地形地物等影响, 其能量在一日、 一月和一年内都有很大改变, 甚至各年之间每年总辐射量也有较大差异。所以在设计家用太阳能电站系统时, 要尽可能掌握当地气象、 环境情况, 要考虑用户用电需求情况经过综合考虑和计算, 最大程度发挥系统各部件性能做到尽可能最大优化设计, 另外因为家用太阳能光伏电源系统大多都用于偏远落后地域,交通不便,用户维护水平不高, 这就要求系统含有很高可靠性。

图1-1伏电源系统通常结构组成
二.太阳能家用光伏发电系统设计
太阳能家用光伏发电系统依据用电负载特点, 可分为直流系统、 交流系统和交直流混合系统等多个。其关键区分是系统是否带有逆变器。通常来说, 太阳能家用光伏发电系统关键由太阳能电池组件、 控制器、 蓄电池组、 直流/交流逆变器等部分组成。太阳能家用光伏发电系统结构如图1所表示, 图2为太阳能光伏发电系统组成框图。

图2-1家用光伏发电系统结构图

图2-2能光伏发电系统组成框图
1.太阳能电池光伏组件
太阳能电池一个关键指标是光电转换效率, 是指电池受光照时最大输出功率与照射到电池上入射光功率P比值, 用符号η表示。太阳能电池光电转换效率是衡量电池质量和技术水平关键参数, 它与电池结构、 结特征、 材料性质、 工作温度、 放射性粒子辐射损伤和环境改变等相关。数据表明, 在大气质量为AM1.5条件下测试, 现在硅太阳能电池理论光电转换率上限值为33%左右; 现在商品单晶硅太阳能电池光电转换率通常为16%～20%, 现在商品多晶硅太阳能电池光电转换率通常为15%～18%。
2.蓄电池
太阳辐射强度受气候、 昼夜和季节等原因影响较大, 白天太阳辐射强, 太阳能电池输出功率大, 而在阴雨天或夜间, 基础没有太阳能辐射, 太阳能电池输出功率就极小。在独立光伏发电系统中, 期望在光照强时能把太阳能电池多出输出能量储存起来, 以确保系统在光照弱时也能正常使用, 这时就需要配置储能装置。而光伏发电系统中常见储能装置通常选择阀控式密封免维护铅酸蓄电池, 因为它含有容量大、 价格低廉、 寿命长、 免维护、 自放电率低、 使用方便等优越性, 与传统蓄电池相比, 在使用、 维护和管理上有着显著优点。
现在中国与光伏发电系统配套使用蓄电池关键是铅酸蓄电池, 铅酸蓄电池用正极二氧化铅和负极海绵状铅作为活性物质参与电化学反应, 以密度为1.28～1.32 g/mL（浓度为27%～37%）硫酸溶解液作为电解液, 统称为铅酸蓄电池（亦称铅酸电池”）。为了取得足够容量, 在工程中往往将单体蓄电池进行串并联而形成蓄电池组。
3.控制器
在独立家用光伏发电系统中, 控制器基础作用是为蓄电池提供最好充电电流和电压, 快捷、 平稳、 高效地为蓄电池充电, 并在充电过程中降低损耗, 尽可能延长蓄电池使用寿命, 同时保护蓄电池, 含有输入充满和容量不足时断开和恢复接连功效, 以免过充电和过放电现象发生, 同时还含有最大功率点跟踪控制功效, 以确保系统效率。假如用户使用直流负载, 需要时控制器还能够有稳压功效, 为负载提供稳定直流电。
4.逆变器
逆变器是将直流电变换成交流电设备。因为太阳能电池方阵和蓄电池组发出是直流电, 当负载是交流负载时, 逆变器是不可缺乏。对逆变器基础要求是: 能输出一个电压稳定交流电。

图2-3桥逆变电路图SPWM调制技术
（1）SPWM调制技术
SPWM调制技术是指用正弦波为调制波, 而以N倍于调制波频率三角波为载波进行波形比较, 在调制波大于载波分产生一组幅值相等, 而宽度按正弦规律改变矩形脉冲序列来等效正弦波, 用开关量替换了模拟量, 并经过对开关管通断控制, 就能够得到交流SPWM波形。下图是单相桥式PWM逆变电路, 依据调制脉冲极性, 可分单极性SPWM和双极性SPWM。

图2-4 SPWM 逆变电路
(2) 双极性PWM控制方法
在调制信号ur和载波信号uc交点时刻控制各开关器件通断。在ur半个周期内, 三角波载波有正有负, 所得PWM波也是有正有负, 在ur一个周期内, 输出PWM波只有±Ud两种电平。在ur正负半周, 对各开关器件控制规律相同。当ur>uc时, V1和V4导通, V2和V3关断, 这时如io>0, 则V1和V4通, 如io<0, 则VD1和VD4通, 不管哪种情况都是uo=Ud。当ur0, 则VD2和VD3通, 不管哪种情况都是uo=-Ud。

图2-5双极性PWM控制方法波形
5.自动跟踪系统
阳位置是由太阳高度角与方位角决定, 太阳能电池板必需绕两条不一样方向轴线运动才‘能正确地跟踪太阳, 这就是双轴跟踪系统。单轴跟踪系统是指太阳能电池板以南北方向为旋转轴跟伴随太阳自东向西运动, 因为太阳俯仰角以一年为周期, 改变量很小, 所以只要每过一个月时间手动调整一次太阳能电池板与南北方向倾斜角就能够满足使用要求。即使双轴跟踪系统跟踪精度高, 可大大提升发电量, 不过结构复杂, 成本较高。单轴跟踪系统结构简单, 控制简单, 可靠性高, 在功率较低光伏发电系统中含有很高性价比, 所以本人采取单轴跟踪系统。

图2-6自动跟踪系统结构图
工作原理: 传感器将太阳光信号转换为电信号, 送到单片机内部集成A/D转换器上转换为数字信号单片机经过分析与比较, 经过驱动电路来控制步进电机（步进电机是一个将电脉冲信号转化为角位移或线位移控制电机）, 从而带动机械传动机构, 使太阳光一直垂直照射在太阳能电池板上, 提升了太阳光有效利用率。
三、 结语
本文设计民用光伏单相发电系统采取了数字控制技术, 控制灵活, 功效完善。逆变电源采取SPWM控制技术, 试验结果证实, 逆变器输出功率可达成300w, 效率在85%以上。为了提升光伏发电系统效率, 还设计太阳自动跟踪系统, 经过反复试验, 本文设计太阳自动跟踪系统原理上是可行。
因为本人时间有限, 学习和实践水平不足, 在民用光伏单相发电系统设计当中还存在以下部分问题需要深入研究和处理:
(l)改善SPWM技术降低元器件开关次数, 从而降低开关损耗, 提升效率。
(2)没有设计发电系统与上位机间通讯, 在上位机上不能监控系统各个状态量。
(3)太阳自动跟踪系统缺乏一套设计合理机械传动机构, 造成该系统只能
证实原理上是可行, 但能否利用于实际生活中还不能确定。这要考虑到自动跟踪系统成本与光伏发电系统发电量两方面原因。
(4)太阳自动跟踪系统只是对太阳能电池板进行控制, 但没有对太阳能电池输出功率进行检测, 控制算法过于简单, 跟踪精度要深入提升。