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1、硕 士 学 位 论 文光伏并网发电系统及其控制研究 原 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名： 日期： 关于学位论文使用权的说明本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的
2、，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容（保密学位论文在解密后遵守此规定）。签 名： 日期： 导师签名： 日期： 中文摘要光伏并网发电可以高效的利用太阳能这种绿色清洁能源，光伏并网发电技术的研究成为发展趋势和热点。本论文在分析了光伏并网发电国内外进展的基础上，本文分析了单相光伏并网发电系统的组成结构和工作原理。在分析了不同控制策略的优缺点的基础上，采用电流跟踪控制和电网电压前馈控制的策略，对控制系统进行了数学建模。设计并制作了基于光伏并网发电系统的硬件电路，包括系统的主电路、信号的采样与处理电路、PWM及SPWM信号的隔离与驱动电路以及电源电路。对这些电路的工作过程进行了
3、详细的分析，对电路中的参数进行了计算，完成了硬件电路的制作与实验调试。研究了最大功率点跟踪控制(MPPT)的原理和方法，并采用电导增量法来实现光伏阵列的最大功率点跟踪关键词： 太阳能 并网发电 PWM MPPT ABSTRACTGrid-Connected photovoltaic technology is a good way to make full use of solar energy,which is green and clear energy.the grid-connected photovoltaic system has been a hot spot.Based on
4、the introduce of the current condition of grid-connected photovoltaic system，the basic foundmental of Grid-Connected photovoltaic system is analyzed.After analyze different control strategy,current follow up amethod is used. Mathematic model is established. Furthermore,Grid-Connected photovoltaic ci
5、rcuit is designed, including maincircuit,signal sample and process circuit ,PWM and SPWM wave generation circuit and order driver and source circuit. These circuit operation foundamental is analyzed in detail.Circuit manufaction and debug is finished.maximum power follow technique is studed, and con
6、duction increment method is adopted.KEY WORDS：solar energy, Grid-Connected, PWM, MPPT目 录第一章 综述11.1 课题研究背景11.2 国内外光伏并网发电系统的研究进展21.2.1 国外进展部分21.2.2 国内进展部分41.3 本论文的研究思路6第二章 光伏发电系统的总体设计72.1 硅太阳电池的性能特点72.2 太阳能电池的模拟技术102.3 电源变换器112.4 系统的总体设计132.4.1 光伏并网发电系统的组成132.4.2 光伏发电控制系统的数学模型152.4.3 PI控制算法162.5 最大功率点
7、跟踪算法172.5.1 最大功率点跟踪方法172.5.2 系统总体结构框图19第三章 软硬件电路设计203.1 PWM信号的生成方法203.1.1 用于生成PWM信号生成Saber模型203.1.2 PWM波形生成的软件实现方法223.2 BOOST变换器模块233.3 加入PI反馈控制器的Boost电路273.4 SPWM波形生成模块303.5 桥式逆变器模块323.6 控制电路工作原理343.6.1 辅助电源设计343.6.2 IGBT与MOSFET驱动电路设计343.6.3 桥式MOSFET驱动电路设计363.6.4 反馈调压电路设计373.6.5 arm微控制器及外围电路383.7 软
8、件系统的设计393.8 PCB制作及成品图片42第四章 实验结果分析454.1 实测各种波形454.2 数据记录474.3 结论48第五章 总结和展望495.1 全文的总结495.2 展望和后续的相关工作49参考文献51发表论文和科研情况说明53致 谢54- ii - 1 -第一章 综述第一章 综述1.1 课题研究背景在跨入21世纪以来，人类正面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济己经成为全球热点问题。而能源问题将更为突出，不仅表现在常规能源的匾乏不足，更重要的是化石能源的开发利用带来了一系列问题，如环境污染，温室效应等都与化石燃料的燃烧有关。目前
9、的环境问题，很大程度上是由于能源特别是化石能源的开发利用造成的，人类要解决这些能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源1。国际能源机构预测，全世界煤炭只能用220年，油气开采峰值位于2012年，并将在3060年后消耗殆尽。据估计我国的煤炭只可开采80年，天然气可开采30年，石油可开采20年。同有限的化石燃料能源相比，太阳辐射能预计在100亿年里可保持近似恒定的辐射输出，堪称无限的能源。太阳能每秒钟到达地球的能量高达80万千瓦，如果把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率为5%，那么每年发电量可达 千瓦时，相当于目前全世界能耗的40倍。光子能量完全可以转换成人
10、类需要的能源，其中，光能转换为电能是最为重要的一种转化过程，这是因为电能是一种高级的能源形式，电能可以方便地转换成热能、动力能、化学能等各种形式的能源，从而满足人类生活、生产的不同需要2。因此，在寻找和开发新能源的过程中，人们很自然的把目光投向了各种可再生的替代能源，光伏发电就是其中之一。相对而言，目前这项技术的发展还处在初期阶段，到2030年之后将会有很稳定和很高的增长率，会成为可行的电力供应者。除此之外，与其它的能源相比，太阳能是一种理想的可再生能源，开发利用太阳能的主要途径是光伏发电，它具有如下优点:无噪声、无污染，能量随处可得且取之不尽，不受地域限制，可以无人值守，建设周期短，规模设计
11、自由度大等，这些优点都是常规发电和其他发电方式所不能比拟的3。因此，开发利用太阳能己成为世界上许多国家可持续发展的重要战略决策。光伏发电己经在许多应用领域都被证明在技术上是成熟的，在经济上是合算的。分析表明，在目前光伏电站有效系统功率与输电距离的比值小于100瓦/公里时，建光伏电站较常规电网延伸供电经济。因此，阳光发电是解决我国边远地区和特殊领域供电的重要途径。我国是个发展中国家，地域辽阔，有许多边远省份和经济不发达地区。据统计，目前尚有约900万户、2800万人口还没有用上电，60%的有电县严重缺电。一些地区的农牧民，居住分散，远离电网，而且用电水平很低，平均年用电仅为120千瓦时，在10年
12、甚至20内都不可能靠常规电力解决他们的用电问题，光伏发电则是解决分散农牧民用电的理想途径，市场潜力十分巨大5。目前太阳能光伏发电系统大致可分为三类:(1)离网光伏蓄电系统。这是一种常见的太阳能应用方式，在国内外应用己有若干年。系统比较简单，而且适应性广。只因其一系列种类蓄电池的体积偏大和维护困难而限制了使用范围。光伏并网发电系统。当用电负荷较大时，太阳能电力不足就向市电购电;而负荷较小时，或用不完电力时，就可将多余的电力卖给市电。在背靠电网的前提下，该系统省掉了蓄电池，从而扩张了使用的范围和灵活性，并降低了造价。离网和并网两者混合系统，这是介于上述两个方之间的系统。该方案有较强的适应性，例如可
13、以根据电网的峰谷电价来调整自身的发电策略。但是其造价和运行成本较上述两种方案高。从远期看，光伏并网发电将以分散式电源进入电力市场，并部分取代常规能源;从近期看，光伏并网发电可以作为常规能源的补充，解决特殊应用领域，如通信、信号电源，和边远无电地区民用生活用电需求，从环境保护及能源战略上都具有重大的意义1.2 国内外光伏并网发电系统的研究进展1.2.1 国外进展部分在国外，近年来太阳能光伏电源己开始由补充能源向替代能源过渡，并从偏远无电地区中火功率的独立发电系统向并网发电系统的方向发展。我国光伏技术虽然经过40年的努力，已具有一定的水平和基础。但是，与世界先进国家相比仍有不少的差距。目前我国光伏
14、产品的市场份额为:启用光伏电源和独立光伏电站占30%，通信领域占40%，铁路、公路信号源、气象台站电源等其他工业领域占20%，各种民用商品占10%。随着常规能源资源的有限性和环境压力的增加，使世界上许多国家重新加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。近几年，国际光伏发电迅猛发展。世界光伏组件在过去巧年平均年增长率约15%。90年代后期，发展更加迅速，最近3年平均年增长率超过30%。1999年光伏组件生产达到200MW。在产业方面，各国一直通过扩大规模、提高自动化程度、改进技术水平、开拓市场等措施降低成本，并取得了巨大进展。商品化电池效率从10%13%提高到13%15%，生产规模从1MW/年发
15、展到5MW/年，并正在向50MW甚至100MW扩大;光伏组件的生产成本降到3美元/W以下6。发展中国家印度处于领先地位，目前有50多家公司从事与光伏发电技术有关的制造业，其中有6个太阳电池制造厂和12个组件生产厂，累计装机容量约40MW7。国际光伏发电正在由边远农村和特殊应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电己由补充能源向替代能源过渡。到目前为止，世界太阳电池年销售量己超过60兆瓦，电池转换效率提高到12%以上，系统造价和发电成本己分别降至4美元/峰瓦和25美分/度电;在太阳能利用方面，由于技术日趋成熟，应用规模越来越大，仅美国太阳能热水器年销售额就逾10亿美元。太阳能热发电在技术
16、上也有所突破，目前己有20余座大型太阳能热发电站正在运行或建设。并网型户用太阳能发电设备，从1994年后迅速发展，到2003年己占当年太阳能发电设备市场的55%。其中比较突出的是美国，1997年提出的“百万太阳能屋顶计划”，按每户3kw计算，计划到2010年将在100万个用户屋顶上安装共计3000MW的太阳能发电设备。德国1999年开始实施的10万太阳能屋顶计划，在2005年安装共计300SOOMW的太阳能发电设备。日本从1994年开始发展并网型户用太阳能发电设备，到2004年已安装58000套，到2008年要达到247600套，。日本为了发展并网型户用太阳能发电设备，把它作为一种新的家用电器
17、来对待，突破关键技术，降低成本。这其中包括把太阳电池的转换效率提高到15%以上，发展新型的高频变压器绝缘方式或正激变压器绝缘方式逆变器。据资料介绍，2005年日本太阳电池价格为140日元/W，并网型户用太阳能发电设备价格为370日元/W，发电成本为30日元/kWh。2010年将分别下降为120日元/W，300日元/W和25日元/kwh。2020年将分别下降为60日元/W，200日元/W和巧日元/kw。到那时完全可以和火力发电价格相竞争。然而，在开发太阳能技术的过程中，人们把大部分注意力都放在了如何提高光电池的效率上。但另一个不能忽略的重要问题是，如何设计将电池产生的直流电高效率地转换成交流电的
18、电路。为了在成本上与燃烧媒、石油等化石燃料的发电方式相竞争，提高逆变器每一个百分点的效率都是非常重要的。逆变器是光伏发电系统中主要组成部分之一，80年代末日本学者.Nonaka等率先研制成功一种电流源型光伏阵列并网逆变器。这种并网逆变器较好地适应了光伏电池类似电源的特性，取得了较好的性能。但由于采用了电流源逆变主电路，使主电路及控制复杂化，因而没有得到很好的发展。90年代以来，随着电力电子及控制技术的发展，电压型PWM可逆变流技术越趋成熟。由于其优越的双向功率变流及其电流控制性能，使这类技术直接应用于光伏阵列的并网发电，并获得了网侧正弦波电流特性，真正实现了“绿色”电能变换8。随着技术的不断更
19、新，控制电路中的调制技术也得到了很大的发展，其中SPWM调制与滞环调制是目前逆变器中最常见的两种调制方式，它们分别从数字通信的脉宽调制和Delta调制发展而来。通信中调制的目的是为了远距离传输信号，而在电力电子装置中则是为了减小系统的体积、提高系统的动态响应和降低输出谐波含量。从改善输出波形1.2.2 国内进展部分我国是以煤炭为主要消费能源的国家。较之以油、气为主的能源消费主流方式，能源结构很不合理。在相当长的历史时期，我国曾把发展能源、交通作为国民经济的发展重点，对能源资源过度的开采和粗放型使用，不惜以环境污染作为代价，试图突破能源和交通，致使我国现在的能源开发面临着极大的挑战。况且，我国太
20、阳能资源非常丰富，与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优势大得多，开发和利用太阳能资源对解决我国的能源问题有着很重要的作用。但是，我国太阳能光伏技术开始于20世纪70年代，开始时主要运用于空间技术，而后逐渐扩大到地面并形成了中国的光伏产业。目前我国已经成为世界上最大的太阳能热水器生产和销售国，产值突破100亿元，技术水平也处于国际先进行列。但在光伏工业和太阳能热发电领域与国外还有相当的差距。在国内，光伏发电的应用主要集中于农村电气化和离网型光伏产品。以前阻碍光伏推广的最直接因素是政策和成本，但在气候变化和能源短缺的背景下，太阳能发电越来越受到国家和投资者的重视。因而，1995年国家
21、计委、科委和经贸委就制定了新能源和可再生能源发展纲要。纲要明确提出了我国在1996年2010年间新能源和可再生能源的发展目标任务以及相应的对策和措施。1996年9月，“世界太阳能高峰会议”提出了在全球无电地区推行“光电工程”的倡议时，中国政府立即做出积极响应，制定并实施了“中国光明工程”的计划。2005年3月，正式颁布了中华人民共和国可再生能源法，并将于2006年开始实施。该政策的出台，促进了太阳能光伏发电产业的发展，使太阳能光伏发电量上升到一个新的水平。截止到2006年，中国国内光伏发电累计装机为8万千瓦，累计总投资40多亿元人民币，中国可再生能源计划和国家送电到乡工程，已利用太阳能发电为我
22、国内蒙古、甘肃、新疆、西藏、青海和四川等地共16万无电户解决了用电问题8。但是，在过去30多年里，尽管光伏发电的成本由每度5美元下降到0.5美元左右，但是其成本仍远远高于常规电价。又由于电力部门尚未正式接受光伏发电上网，并网型的光伏市场没有真正启动。根据专家的测算，到2010年我国并网光伏发电安装量占光伏发电的20%，从2010年到2020年，中国光伏发电将会由离网发电系统转向并网发电系统，包括沙漠电站和城市屋顶发电系统。2020年和2050年将分别上升至60%和80%目前我国光伏发电系统主要是直流系统，即将太阳电池发出的电能给蓄电池电，而蓄电池直接给负载供电，如我国西北地区使用较多的太阳能户
23、用照明系统及远离电网的微波站供电系统均为直流系统。此类系统结构简单，成本低廉，但于负载直流电压的不同(如12V、24V、48V等)，很难实现系统的标准化和兼容性特别是民用电力，又由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为民品进入市场。另外，光伏发电最终将实现并网运行，这就必须采用成熟的市场模今后交流光伏发电系统必将成为光伏发电的主流9。我国光伏应用己经进行了许多研究，开发了各种光伏系统的控制器及逆变器，光伏水泵已形成一定生产能力，各种太阳能灯具已推广应用，各种级别的并网逆器己开始结合实际需要进行研制。但是，光伏用的控制器、逆变器等关键平衡设从总体上说，技术性能不够高，可靠性尚低，品种
24、规格少，功能不多，与国外产品有不小差距，特别是并网逆变器和智能控制器差距更大。光伏并网发电系统分为可调度式并网系统(带少量蓄电池)和不可调度式并系统(不带蓄电池)，后者由于没有蓄电池，造价相对较低，但由于不能够控制网时间，作为调峰使用效果较差，这类并网系统要求逆变器只有单一的并网工作式，当电网失电时停止工作。国外开发可调度性并网系统的目的是电网调峰，虽带有蓄电池，但其容量只要求满足每天3到4个小时调峰，不如独立光伏系统要求存储量满足3天使用，因此造价比独立光伏系统大大下降。由于上网时间可以控制，可调度式并网系统的调峰效果大大提高，深受电力部门的欢迎。可调度式并网系要求逆变器同时具有独立工作和并
25、网工作两种模式，具有更大的灵活性，更容易电力部门作为电力调峰所接受。目前关于可调度型并网逆变器的研制方案大多是用80C96 16位单片机配合D/A转换和MOSFET功率模块实现的。这种电路简单实施，但所需的外围电路较多，且功能简单。目前，逆变电源控制方式大多采用正弦波脉宽调制，即所谓的SPWM技术。控制电路大多采用模拟方法实现，模拟控制技术虽然已经非常成熟，但其存在很以逆变电源数字化控制是发展的趋势，是现代逆变电源研究的一个热点。由于我国并网型太阳能发电设备还未形成规模生产，如何正确选定并网型太阳能发电设备用逆变器和控制器，提高并网发电系统的能量转换效率，降低供电成是太阳能并网发电系统必须面对
26、的一个重要课题1.3 本论文的研究思路本文分析了单相光伏并网发电系统的组成结构和工作原理。分析了不同主电路拓扑结构的优缺点。在分析了不同控制策略的优缺点的基础上，采用电流跟踪控制和电网电压前馈控制的策略，对控制系统进行了数学建模。设计并制作了基于光伏并网发电系统的硬件电路，包括系统的主电路、信号的采样与处理电路、PWM及SPWM信号的隔离与驱动电路以及电源电路。对这些电路的工作过程进行了详细的分析，对电路中的参数进行了计算，完成了硬件电路的制作与实验调试。研究了最大功率点跟踪控制(MPPT)的原理和方法，并采用电导增量法来实现光伏阵列的最大功率点跟踪。设计的主要目标如下：（1） 具有最大功率点
27、跟踪（MPPT）功能：RS和RL在给定范围内变化时，使，相对偏差的绝对值不大于1%。（2） 实现了全数字控制及数码显示；（3） 实现了输出电压可调，调节范围：AC 12.3V-50V；（4）实现了输出频率可调，调节范围：30Hz-250Hz。（5）当RS=RL=30时，DC-AC变换器的效率60%。（6）当RS=RL=30时，输出电压uo的失真度THD5%。 - 55 -第二章 光伏发电系统的总体设计第二章 光伏发电系统的总体设计2.1 硅太阳电池的性能特点太阳电池是一种对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如:单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化稼，硒锢铜等。它们的发电
28、原理基本相同，当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P一N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是:光子能量转换成电能的过程。太阳能电池主要由下面的几个部分组成10：（1） 基体材料：用于制备空间用硅太阳电池的基体材料为硅单晶，对材料的基本要求在GJB431-92中作了规定，其主要技术要求包括单晶制备方法、导电类型、基体电阻率、晶向、少数载流子寿命和位错密度（2） PN结，是构成太阳电池的核心，制备PN结是制造太阳电池的关键，所谓PN结制备是在一
29、块具有确事实上导电类型的基体上再掺杂另一种不同导电类型的元素，形成一个势垒区。这个区域称为太阳电池的PN结。（3） 上下电极：在已制备PN结硅单晶上，制作一层金属后，才成为一个可输出电能的器件即电极。对N+P结构的太阳电池而言，N+层为电池的光照面，其上制备上电极，与电池背面接触的电极称为下电极。采用钛钯银三种金属作为电极材料。电极的结构中通常下电极为全覆盖形式，而电池光照面上的电极设计要综合考虑减少电极对电池的遮挡面积和由电极引起的串联电阻。通常使用梳状或王字形电极（4） 减反射膜，因为入射到光亮的硅表面光能有近1/3被反射掉，为了减少对光反射损失，在光照面上要镀一层多层减反射膜，来提高电池
30、对光能的利用率。电阳电池的评价和判断光照时性能好坏的标准有4个主要的参数：短路电流、开路电压、转换效率和填充因子。当受到光照时，光生电流流过负载，并在负载两端建立起电压，其等效电路如下：太阳电池可看成一个由一个能恒定产生光电流IL的电流源、一个与之相并联的处于正偏压的处于正偏压下的二极管和负载电阻三部分组成，太阳电池受光照后产年的光电流中一部分流过二极管，称为正向电流ID，余下部分流过负载电阻，称为负载电流I。在实际太阳电池中，存在串联电阻Rs和并联电阻Rsh，其实际的等效电路如下：图21中显示的是常用的光照太阳能电池的电流一电压特性曲线，如果太阳能电池(组件)电路短路，即U=0，此时的电流为
31、短路电流Isc。如果电路开路，此时的电压为开路电压Uoc。太阳能电池(组件)的输出功率等于流经该电池的电流与电压的乘积11。图21 太阳能电池的输入输出特性当太阳能电池(组件)的电压上升时，电池的输出功率亦开始增加;当电压达到一定值时，功率可达到最大，这时当阻值继续增加时，功率将跃过最大点，并逐渐减少至0，即电压达到开路电压Uoc。电池输出功率达到最大的点，称为最大功率点;该点的功率，则称为最大功率Pmax。温度的变化会显著改变太阳能电池的输出特性。由半导体物理理论可知，载流子的扩散系数随温度的升高而增大，因此，光生电流工L也随温度的升高有所增加。对于硅材料来说，电池的工作温度每升高1，开路电
32、压约下降ZmV，大约是正常室温时的0.55V的0.4%。随着温度的升高，电池的光电转换效率会下降由若干太阳能电池组件或太阳能电池板按一定的机械和电气方式组装在一起称为太阳能电池阵，它有固定的支撑结构构成直流发电单元。一般含有太阳电池电路、基板、连接架、压紧及展开机构等。按对日定向方式分为定向式和不定向式两种。定向式太阳电池阵又分成单轴定向太阳能电池阵和双轴定向太阳能电池阵。前者采用单轴转动方式来跟踪太阳，这种方式不能很精确的跟踪太阳，为了尽可能跟踪太阳可在安装时预设一个安装角；后者用两根不同方向轴转动来跟踪太阳，可以更准确的跟踪太阳以获得最大的输出功率。一般应用的太阳电池阵都是无聚光器式太阳电
33、池阵，但在某些应用中采用镜子或透镜来增加照射到太阳电池上的阳光，达到增加太阳能电池阵功率的目的，这种太阳能电池阵称为聚光太阳电池阵12。太阳电池阵的电性能设计主要包括单体太阳电池的选择、太阳电池组件的研制和太阳电池阵的设计和组装。单体太阳电池是组成太阳电池阵的基础，正确合理选择太阳电池对太阳电池阵的设计至关千重要。选择太阳电池基本原则是选择性能优良、技术成熟、能批量生产的电池。太阳电池的关键参数是光电转捣效率、抗辐照能力以及开路电压和短路电流、填充因子等。按材料分主要有硅太阳电池和砷化镓太阳电池两种，硅太阳电池主要有常规硅太阳电池、浅结、密栅、背反射和背场背太阳电池。其中常规太阳电池的转换效率
34、相对较低（10%左右），抗辐照性能好，技术和工艺相当成熟，成本较低。背表面反射电池(BSR)转换效率较高(12%以上)抗辐照性能好，在1MeV能量，累计通量电子数/cm2情况下，BSR硅太阳电池归一化后最大衰减小于18%，对抗辐照性能有较高要求场合应选BSR电池。背表面场太阳电池(BSFR)转换效率14%以上，但耐辐照性能较差，电池性能衰减较快。砷化镓太阳电池的转换效率较高（19%24%）、耐辐照、温度特性好，由于目前工艺材料的限制，价格昂贵13。成本最低的锗衬底砷化镓太阳电池的价格大约是硅太阳电池的6倍以上，对于那些功率要求较大，又受布片面积限制的场合必须采用此类太阳电池。太阳电池的组件是组
35、成太阳电池阵的基本单元，主要由整体电池、旁路二极管、隔离二极管组成。其中整体电池是将已选取的裸体电池加上抗辐射盖片和连接条。盖片的作用是提高太阳电池热辐射本领，以降低太阳电池的工作温度提高效率，常用的有熔融石英盖片和掺铈玻璃盖片。太阳电池的另一个重要元件是互连条，它把单片太阳电池并联或串联起来。它可以简单地由一根导线组成，但一般都用金属网格和蚀刻或冲剪成形的金属条构成，它必须导电性能好、耐温度交变、耐振动、冲击性能好，可靠性高。太阳能电池阵那些受遮挡的电池可能会由于高反向电压而受到过量加热形成所谓热斑，如果太阳电池在12分种或更长时间受到超过15V反向电压，电池的功率会发生一定的永久性损失。安
36、装旁路二极管就可以限制这种有害高反向偏压，避免出现热斑，保护太阳电池阵，它安装在太阳电池并联条的两端和太阳电池反向连接。当太阳电池组件没有受到遮挡时旁路二极管处于反向偏置；如果有电池被遮挡或破裂，流过该电池所在并联条的电流就要受到限制，并联条自动变成反向偏压而旁路二极管成正向偏置。隔离二极管的作用是隔离太阳电池和母线的作用，因为未受光照太阳电池组件相当于一串串联在一起的二极管，它们以正向导通方式接到太阳电池阵的输出母线上，如果接到母线上所有并联太阳电池不接隔离二极管未受光照太阳电池组件成为一个负载，将增加电池阵的功率消耗。太阳能电池阵的总体布局是要在布贴太阳电池的基板上尽可能多排列太阳电池组件
37、以获得大的输出功率，并安排好太阳电池组件汇流条、导线的安装位置。太阳电池阵的电缆质量也很重要，它包括电缆引线和接插件，使用铜导线，常用多股绞合线。太阳阵电池阵做为新能源已经越越受到人们的重视2.2 太阳能电池的模拟技术13为了对电阳能电池阵进行调试，需要太阳能电池的模拟技术，太阳能模拟器的作用有两个。一个是模拟产生太阳电池阵的IV输出特性，另一个是动态改变I-V输出特性。各分阵模拟器经隔离二极管并接在一起，形成供电主母线，每个分阵模拟器由隔离数字接口、开路电压D/A，短路电流D/A，曲线形成电路、功率输出和过压保护电路几个部分组成。来自计算机或手控装置的控制数据经隔离数字接口电路锁存后分别送到
38、开路电压D/A和短路电流D/A，它们输出的模拟量分别代表了开路电压和短路电流的大小，并控制曲线形成电路，产生需要的I-V曲线，改变送往数字接口电路的控制数据，就可改变I-V曲线，因此通过软件编程可很容易实现对太阳电池输出特性的实时模拟。曲线形成电路是根据设定开路电压、短路电流值大小产生相对应的I-V曲线，并在负载发生变化时，改变工作点，实现自我调节，曲线形成电路如图22所示。图22 太阳能电池模拟器原理图A1开路电压调节放大器，A2为短路电流调节放大器，A2的输出电压以电压电流变换器控制输出电流的大小，当输出电压小于Vf1时A1输出为负，二极管由于反偏而截止。输出电流由Vf2大小决定，等于短路
39、电流。随着负载电阻的增大，输出电压Vo逐渐升高。当Vo接近于Vf1时，A1输出为正，二极管由于正偏而开始导通。这时A2的输出电压等于Vf2与二极管的电压之差，输出电压开始减少，至使输出负载电流按指数形式随之下降。当输出电压Vo增加到使二极管电压等于Vf2时，输出负载电流下降到零，这时输出电压Vo就等于开路电压Voc。这样利用二极管指数特性使电流减少量作为输出电压的函数，就可精确地模拟太阳电池阵的I-V特性曲线。2.3 电源变换器常用的电源变换器有DC-DC变换器和DC-AC变换器两种，DC-DC变换器有降压型、升压型、和降压升压型三种14。降压型DC-DC变换器又称串联开关调节器，图23是这种
40、调节器的原理图。图23 降压式DCDC变换器原理图当控制信号为正半波时，晶体管T导通，续流二极管D因此反偏截止。输入电源通过电感L向负载供电，并同时向滤波电容C充电，此时电感L处于储能状态。当控制信号为负半波时，晶体管T截止。由于通过储能电感L的电流不能突变，所以在它两端感应出一个左负右正的自感电势，使续流二极管导通。此时储能电感L便把原先储存的磁能转换成电能。降压调节器的输出电压为： （21）其中为母线电压；Q为控制脉冲的占空比；Vin为输入电压。升压型调节器又称并联型开关调节器，它的原理图如下图24 升压式DC-DC变换器原理图在图24中，当晶体管T导通时，输入电压全部加到电感L上并以电磁
41、能的形式储存在电感中，在此期间，负载由电容器C供电；当晶体管T截止时，在电感L中的感应电势与蓄电池电压叠加起来向电容C充电并给负载供电，从而在输出端形成高于输入的电压。T导通期间，电感L上的电压跳变的幅值与控制脉冲的占空比Q有关，Q愈大，导通时间愈长，Lr 峰值电流愈大，储存的能量也愈多，在晶体管截止期间的感应电压也愈高 （22）完成DC到AC的转换需要用到逆变器，在光伏并网系统中，并网逆变器是核心部分。其主要功能是将太阳能电池板发出的直流电逆变成单相交流电，并送入电网。当然也要有完善的并网保护功能，保证系统能够安全可靠地运行。根据太阳能发电用逆变器分为以下几种形式15:(l)工频变压器绝缘方
42、式用于独立型太阳能发电设备，可靠性高，维护量少，开关频率低，电磁干扰小。(2)高频变压器绝缘方式用于并网型太阳能发电设备，体积小，重量轻，成本低。要经两级变换，效率问题比较突出，采取措施后，仍可达到90%以上，高频电磁干扰严重，要采用滤波和屏蔽措施。(3)无变压器非绝缘方式本来希望进一步降低成本，从两级变换变为单级变换，提高效率，使它成为并网型太阳能发电设备中更理想的逆变器，但是使用中出现一系列问题。无变压器非绝缘方式逆变器不能使输入的太阳电池与输出电网绝缘隔离，输入的太阳电池矩阵正、负极都不能直接接地。太阳电池矩阵面积大，对地有很大的等效电容存在，将在工作中产生等效电容充放电电流。其中低频部
43、分，有可能使供电电路的漏电保护开关误动作。其中高频部分，将通过配电线对其他用电设备造成电磁干扰，而影响其他用电设备工作。这样，必须加滤波和保护，达不到降低成本的预期效果。(4)正激变压器绝缘方式是在无变压器非绝缘方式使用效果不佳之后开发出来的，既保留了无变压器非绝缘方式单级变换的主要优点，又消除无绝缘隔离的主要缺点，是到目前为止并网型太阳能发电设备比较理想的逆变器中、小容量逆变器主电路一般有推挽逆变电路、全桥逆变电路和高频升压逆变电路三种，推挽电路，将升压变压器的中性插头接于正电源，两只功率管交替工作，输出得到交流电力，由于功率晶体管共地边接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，
44、可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器利用率低，带动感性负载的能力较差。全桥逆变电路克服了推挽电路的缺点，功率晶体管调节输出脉冲宽度，输出交流电压的有效值即随之改变。由于该电路具有续流回路，即使对感性负载，输出电压波形也不会畸变。该电路的缺点是上、下桥臂的功率晶体管不共地，因此必须采用专门驱动电路或采用隔离电源。另外，为防止上、下桥臂发生共同导通，必须设计先关断后导通电路，即必须设置死区时间，其电路结构较复杂下图单相全桥逆变电路的原理图，也称为“H”电路，由两个半桥电路组成。功率开关元件Q3与Q6互补，Q4与QS互补，当Q。与Q。同时导通时，负载电压Uo+Udc:当Q;与Q。同
45、时导通时，负载电压UoUdc;Q3、Q5和Q4、Q6认轮流导通，负载两端就得到交流电能。控制功率功率元件的导通与截止的方法有方波调制和正弦波调制两种方式，方波逆变器虽然结构简单，但输出的电能质量较差，谐波分量大。随着功率器件的发展，正弦波脉宽调制(SPWM)技术得到了广泛的应用。采用SPWM控制使脉冲序列的宽度随正弦波幅值变化而变化，经过输出端LC滤波器滤除高次谐波，得到正弦波交流电能图25 单相全桥逆变器原理图2.4 系统的总体设计2.4.1 光伏并网发电系统的组成光伏并网逆变器的控制目标是控制并网逆变器输出为稳定的高质量的正弦波电流，同时要求并网逆变器的输出电流与电网电压同频同相，因此必须
46、采用合适的控制策略以达到上述的控制目标。本文中的并网逆变器被设计成电压型控制的电流源结构，这样并网系统和电网电压。实际上就是一个交流电流源和电压源的并联。逆变器的输出电压幅值自动被钳位为电网电压，只需控制逆变器的输出电流以跟踪电网电压，即可达到并联运行的目的。光伏发电正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，当仅考虑基波频率时，它可以被等效地视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源，它通过电抗器并电网。其等效电路如图26所示。图2-6 光伏并网发电系统等效电路其中Us为电网电压，Ui为逆变器输出电压。X为连接电抗，将逆变器本身的损耗(自
47、关断器件的开关损耗)以及线路电阻用等效电阻R表示，则(Ui-Us)即为X和R上的电压降，流过电抗器X和电阻R的电流可以由其两端的电压来控制，其电流应与电网电压同相，这个电流就是光伏发电装置流向电网的电流I。要使光伏发电系统能输出电流，则Ui必须大于Us，且逆变器本身提供了有功功充电路中的损耗，而电网电压Us与电流I同相，因为线路中电抗器X的存在，使变器输出电网电压Ui与电网电压Us不再是同相，而存在一个相位差，改变这个差，并且改变Ui的幅值，则产生的电流的相位和大小也就随之改变，光伏发电装入电网的有功功率也就因此得到调节。由(2-3)，(2-4)两式子可得输出有功功率改变(通过I的改变)时，输出电压的相角和Ui的变化规律为： （23） （24）这样得控制和Ui，两个参数，可见间接控制实现比较困难，因此本设计采用电流直接控制的方式。直接电流控制，就是采用跟踪型PWM控制技术，根据指令信号和实际供给电流之间的相互关系