毕业设计--5KW离网型光伏逆变器的设计.doc

本科毕业设计5kw离网型光伏逆变器的设计the design of off grid-connected photovoltaic power inverter with 5kw rating学院（部）： 电气与信息工程学院 专业班级： 电气 08-5 学生姓名： 朱 红 指导教师： 祝龙记教授 贾晓芬讲师 年 月 日安徽理工大学毕业设计5kw离网型光伏逆变器的设计摘要太阳能作为一种巨量的可再生能源，每天到达地球表面的辐射能量相当于数以万桶石油燃烧的能量。开发和利用丰富、广阔的太阳能，可以对环境不产生或产生很少污染，太阳能几时近期急需的能源补充，又是未来能源结构的基础，不论是从经济社会走可持续发展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的高度来审视，还是从特殊用途解决现实能源供应问题出发，开发利用太阳能具有重大战略意义。本课题主要研究的是独立光伏发电系统中的离网型光伏逆变器，对逆变器的电压型单相全桥逆变电路及一次回路二次回路的主要控制芯片进行介绍。并且详细的介绍了下逆变器的各部分的硬件设计，包括一些重要参数的设定。简单的介绍了uc3842及ipm驱动模块。设计采用dsp处理器tms320lf2812a设计实现了5kw离网型光伏逆变器，可满足中小功率应用场合的需求。关键词：太阳能发电，离网型光伏逆变器，最大功率点跟踪，tms320lf2812a6the design of off grid-connected photovoltaic power inverter with 5kw ratingabstractsolar energy as a massive amount of the renewable energy, daily radiation reaching the earths surface energy equivalent to tens of thousands of barrels of oil burning energy. development and utilization of rich, broad solar, can not generate environmental or produce little pollution, solar energy when the recent much-needed energy supplement, is the future energy structure foundation, whether from the economic society and take the road of sustainable development and the protection of human survival of the earth ecological perspective, or from the special purpose to solve the realistic problems of energy supply, solar energy development and utilization is of great strategic significance.the main issue is independent photovoltaic power generation system of off-grid pv inverter, the inverter voltage single-phase full bridge inverter circuit and a two loop circuit of main control chip are introduced. and introduced in detail the inverter under each part of the hardware design, including some important parameters setting. a simple introduction of the uc3842and ipm drive module.the design of dsp processor design and implementation of tms320f2407 5kw off-grid pv inverter, which can meet the demand of small and medium power application.keywards：solar power，photovoltaic off grid inverter，maximum power point tracking，tms320lf2812a安徽理工大学毕业设计目录摘要iabstracti1绪论11.1 本课题的意义11.2 太阳能光伏发电的现状11.3 太阳能光伏发电的概述21.4 本课题的内容和设计要求32光伏发电系统42.1 光伏发电系统的组成42.2 光伏发电系统的分类43光伏电池73.1 光伏电池的工作原理73.2 光伏电池的分类73.3 光伏电池组件83.3.1 光伏阵列的基本组合83.3.2 光伏阵列的分类103.4 光伏电池的数学模型113.5 最大功率点跟踪143.5.1 经典mppt算法的稳态特性分析143.5.2 几种常见的最大功率点算法164离网型光伏逆变器194.1 光伏逆变器的概述194.2 逆变器的基本结构194.2.1 boost电路204.2.2 输入滤波电路的设计204.2.3 逆变电路的设计214.2.4 spwm的实现214.2.5 工频隔离变压器224.2.6 lc输出滤波电路225控制回路的设计245.1 辅助电源设计245.2 系统检测与保护电路设计285.2.1 直流电压电流采样电路285.2.2 交流电压与频率的采样295.2.3 温度检测电路295.2.4 功率驱动模块igbt305.2.5 逆变器保护电路设计336系统软件设计356.1 系统主程序设计流程356.2 设计366.3 a/d中断程序的设计流程37结论40参考文献41致谢43附图44安徽理工大学毕业设计1绪论1.1 本课题的意义目前，传统的石化能源与经济、环境的矛盾越来越突出。能源是经济与社会发展的基本动力，但由于常规能源的有限性和分布不均匀性，造成世界上大部分国家的能源供应不足，不能满足经济可持续发展的需要。从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二、三百年。而传统的石化能源所带来的环境问题也令人担忧。每年有数十万吨二氧化硫和二氧化碳等有害物质排向空间，使大气环境遭到严重污染，直接影响居民的身体健康和生活质量；局部地区形成严重的酸雨区，又严重污染水土。同时由于排放大量温室气体而产生的温室效应，已引起全球气候恶化。发展可再生能源已成为全球课题。而综观可再生能源种类，风能、生物能、太阳能中，太阳能的利用前景最好，潜力最大。近30年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。而其中的太阳光伏发电是世界上节约能源、倡导绿色电力的一种主要的高新技术产业。发展光伏产业已经成为全球各国解决能源与经济发展、环境保护之间矛盾的最佳途径之一。而随着我国光伏发电系统的迅速发展，尤其是光伏屋顶计划的实施，国内对离网型光伏逆变器的需求将越来越大。离网型光伏发电系统主要是由光伏电池阵列、控制器、逆变器、储能装置等环节组成，其中逆变器则是光伏系统中重要的器件之一，其可靠性和转换效率队推行光伏系统、降低系统造价至关重要。1.2 太阳能光伏发电的现状近几年，国际上光伏发电快速发展，美国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发电发展计划。国际光伏市场开始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，光伏发电已由补充能源向替代能源过渡。美国政府最早制定光伏发电的发展规划，1997年又提出“百万屋顶”计划，能源部和有关州政府制定了光伏发电的财政补贴政策，总光伏安装量已达到3000mw以上，美国连续三年光伏产业均高于30%的年增长率上升，其主要原因是光伏组件并网应用和政策激励引起的。日本于1974年开始执行“阳光计划”，投资5亿美元，一跃成为世界太阳电池的生产大国，1994年提出朝日七年计划，计划到2000年推广16.2万套太阳能光伏屋顶，已完成。1997年又宣布7万光伏屋顶计划，到2010年将安装7600mw太阳电池。1993年，德国首先开始实施由政府投资支持，被电力公司认可的1000屋顶计划，继而扩展为2000屋顶计划，现在实际建成的屋顶光伏并网系统已经超过5000。德国政府并于1999年开始实施10万太阳能屋顶(每户约3kw5kw)计划。并且1999年德国光伏上网电价为每千瓦时0.99马克，极大地刺激德国乃至世界的光伏市场。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。印度、马来西亚等东南亚国家，也制定了国家的光伏发展计划。我国光伏发电经历了两次飞跃。第一次飞跃始于二十世纪80年代末，当时，我国正处于改革开放蓬勃发展时期。国内先后引进多条太阳能电池生产线，太阳能电池生产能力由原来的几百瓦升至几兆瓦。引进的光伏电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。第二次飞跃在2000年以后，为光伏产业的大力发展阶段。在国际大环境影响下，国际项目的启动和市场需求以及国家政策的促进下，我国光伏技术及应用显著发展。如2002年国家实施的送电到乡和送电到村的工程，都采用了光伏发电技术。我国西部居住人口分散，太阳能资源丰富，太阳能光伏发电成为首选能源。自20世纪80年代，我国太阳能光伏技术得到了迅速发展，以每年30%-40%的速度持续高速增长，尤其是进入21世纪以来，世界光伏产业的发展年均增长超过了60%，经历了从小规模到现在的地面睡觉大规模利用的时代。2000-2002年，光伏发电技术在我国的优势显现出来。特别是在2002年近800个无电乡政府用电问题被解决。这样巨大的规模在国际上也是很小见得。接下来的2002-2005年，我国解决了上万个自然村和行政村的用电问题。这些村庄都处于偏远地区，十分分散，只能建造独立的太阳能发电系统。2007年以后，我国光伏产业的年增长率超过100%。经过近30年的发展，我国光伏发电产业已初具规模，但在总体上和国外相比仍然有一些差距：我国的光伏发电的生产规模较小；光伏发电的技术水平较低；光伏电池的使用效率及封装水平都与国外存在差距；我国的光伏发电的产出成本高；光伏发电的材料性能与国外有一定的差距，而且部分只能采用进口材料；市场培育和发展迟缓，缺乏培育和开拓的支持政策、措施。1.3 太阳能光伏发电的概述太阳能发电可分为光热发电和光伏发电两种。通常而言，太阳能发电指的是太阳能光伏发电，简称“光电”。它是利用半导体界面的光生伏特效应将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护即可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件，就形成了光伏发电装置。根据需求和应用场合的不同，太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并网光伏发电系统两种。1.4 本课题的内容和设计要求本设计围绕着光伏发电展开的，对于光伏发电系统中的独立光伏发电系统的光伏电池、逆变器进行全面的分析研究，重点对光伏逆变器做了详细的设计，包括对其硬件电路和软件编程的设计。结合实际需求，设计出一个单相离网型光伏逆变器，可以广泛用于离网型光伏发电系统、风光互补发电系统，具有输出电压精度高、波形好、现场总线实现智能控制等特点。本文的重点是设计一种离网型的光伏逆变器，从以下几个方面进行研究设计：（1）首先介绍光伏发电的基本情况及前景。了解光伏发电系统的组成和分类，概述了下光伏发电系统的分类，并提出离网型光伏逆变器的作用与发展及设计的目的。（2）分析光伏发电的原理及光伏电池的工作原理及分类，分析了光伏电池的输出特性，并针对其输出特性介绍了mppt方法。（3）对逆变器中逆变电路的设计，其中包括硬件电路的设计以及软件的设计。硬件设计包括对主回路的设计以及辅助电路的设计，对滤波电路的设计选型以及对功率驱动模块ipm 和uc3842的介绍。软件设计包括生成spwm的程序以及在线计算spwm波的占空比的编程的设计。（4）设计通过tms320lf2812a实现对全桥逆变电路的控制，实现对光伏离网型逆变器的运行状况的监测与保护。2光伏发电系统2.1 光伏发电系统的组成光伏发电系统，是利用光伏电池的光伏效应，将太阳能转化为电能，储存或直接供给负载使用的一种新型发电系统。白天，日照达到一定强度，由光伏电池阵列直接向负载和蓄电池提供电能，或者是部分电能直接送到电网。夜晚或阴雨雾天，光伏电池阵列输出的能量太小，则由蓄电池向负载提供能量。负载可以是直流负载，也可以是交流负载。如果是直流负载，发电系统直接对其进行供电；如果是交流负载，光伏电池输出的直流电通过dc/ac电路逆变，向其提供交流电能。基本的光伏系统主要是由光伏电池阵列、控制器、变换器、逆变器及蓄电池组成。光伏电池是整个系统的核心部分，其主要功能是将太阳能转换成电能，储存或者直接供给负载使用。控制器的主要作用是控制光伏电池的工作状态的，使其工作在最大功率点上，同时控制蓄电池的充放电，对蓄电池和负载起到保护作用。变换器是将光伏电池阵列提供的直流电压变换成适合负载使用的电压。逆变器是将直流电逆变成交流的220v，供给交流负载使用。蓄电池是当白天日照强度大的时候，光伏电池发出的直流电除了提供给负载外还有剩余，就存贮在蓄电池中，以供夜晚或阴雨天没有光照或者光照强度不足时，提供给负载。提高了系统供电可靠性。2.2 光伏发电系统的分类光伏发电系统根据系统本身的结构、系统运行环境情况、输出容量的大小、本地负载容量的大小以及交流电网的情况，把光伏发电系统可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统和混合型光伏发电系统。并网光伏发电系统指与公共电网相连接的光伏发电系统，将光伏电能馈送给公共电网。当太阳能光伏发电进入大规模商业化发展阶段，并网光伏发电系统成为电力工业重要的组成部分，是太阳能光伏发电的重要方向和主流趋势。并网光伏发电系统有带蓄电池组和不带蓄电池组之分。带蓄电池组是并网光伏发电系统称为可调度式并网发电系统，该系统具有不间断电源的作用，还可以充当功率调节器，稳定电网电压、消除高次谐波分量，从而提高电能质量；不带蓄电池组的并网发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，逆变器将光伏电池阵列提供的直流电能逆变成为和电网电压同频、同相的交流电能，送往公共电网；当光伏电池阵列提供的电能不能满足负载需要时，电网自动向负载补充电能。图2-1所示是典型的并网光伏发电系统结构示意图，主要包括光伏电池阵列、dc/ac逆变器、dc/dc变换器、控制器和电网五个组成部分。根据负载及系统的供电可靠性的需要，在dc/dc变换器输出端连接蓄电池组。独立光伏发电系统是不与公共电网相连接的，主要在一些离公共电网太远的五点地区和一些特殊场合所使用，如一些偏僻农村、牧场和偏远的岛屿，即公共电网难以覆盖到的地区，为其提供照明、广播电视等基本生活用电。还有像边防哨所、气象台站、通信中继站、大型海洋浮标等特殊场所也使用独立光伏发电系统。图2-1 并网光伏发电系统独立光伏发电系统主要包括光伏电池阵列、蓄电池组、控制器和逆变器及负载等部分。图2-2所示是典型独立光伏发电系统的结构示意图。图2-2 独立光伏发电系统控制器中含有阻塞二极管，阻塞二极管的主要作用是利用二极管的单向导电性阻止无日照时蓄电池通过太阳能电池方阵放电。对阻塞二极管的要求是工作电流必须大于方阵最大输出电流，反向耐压要高于蓄电池组的电压。在方阵工作时，阻塞二极管两端有一定的电压降。由于光伏发电系统具有使用方便，安全可靠，维护简单等优点，常用来为一些无电或电网供电不稳定场所供电。独立光伏发电系统的应用范围非常广泛，如光纤通讯系统、微波中继站、卫星通讯和卫星电视接收系统、农村程控电话系统、部队通讯系统、铁路和公路信号系统、灯塔和航标灯电源、海洋浮标电源、石油和天然气输送管道阴极保护、气象和地震台站、水文观察、污染检测等灾害测报仪器电源等，甚至还可以用在航空设备以及飞机、车辆、船舶等交通。混合型光伏发电系统是指在光伏发电的基础上增加一组发电系统，以弥补光伏发电系统受环境变化影响较大造成的阵列发电不足，或电池容量不足等因素带来的供电不连续。较为常见的混合型光伏发电系统是风光互补系统，系统结构框图如下图2-3所示。图2-3 混合型光伏发电系统在通常情况下，白天日照强，夜间风多；夏季日照强，风小；冬春季日照强度小但是风大。显然风能发电与太阳能发电具有很好的互补性，其优点显见：利用太阳能、风能的互补特性可以产生稳定的输出，提高系统供电的稳定性和可靠性；在保证供电情况下，可以大大减少储能蓄电池的容量；对混合型光伏发电系统进行合理的设计和匹配，可以基本上由风光系统供电，不需要启动备用电源和备用发电机，一次获得较好的经济效益。但是，风光互补联合发电系统的存在，一次性投资较大，并需要定期更换蓄电池等缺点。3光伏电池3.1 光伏电池的工作原理在光伏发电系统中，光伏电池是实现光能转换成电能的器件，光伏电池阵列是多个特性相同的电池单体经过串并联后构成的，一般是由半导体材料制成的，其特性与二极管类似。光伏电池单体实际上是一个pn结，pn结处于平衡状态时，中间处有一个耗散层存在着势垒电场，形成了方向由n指向p区的电场。当太阳光照射到pn结时，就会产生一定量的电子和空穴对，n区就有过剩的电子，这样就形成了光生电动势，其方向与势垒电场方向相反。光生电动势使p区和n区分别带正负电，从而产生光生伏特效应。这样如果用导线连接两个电极，就会有“光生电流”流过，从而产生电能。3.2 光伏电池的分类光伏电池多用于半导体固体材料制造，也有用半导体家电解质的光电化学电池，发展至今种类繁多，无论采用何种材料生产光伏电池，它们对材料的一般要求是：半导体材料的禁带不能太宽；要有较高的光电转换效率；材料本身对环境不造成污染；材料便于工业化生产，而且材料的性能要稳定。下面以电池结构和材料形式加以阐述：1.按电池结构分类（1）异质结光伏电池。由两种不同禁带宽度的半导体材料构成，在相接的界面上形成一个异质pn结。像硫化亚铜光伏电池、硫化镉光伏电池都为异质结光伏电池。（2）同质结光伏电池。在同一个半导体材料构成一个或多个pn结。像砷化镓光伏电池、硅光伏电池都为同质光伏电池。（3）肖特基光伏电池。指用金属和半导体接触组成一个“肖特基势垒”的光伏电池（又称ms光伏电池）。其原理是基于在一定条件下金属半导体接触时产生类似于p-n结可整流接触的肖特基效应。这种结构的电池现已发展成为金属氧化物半导体光伏电池（mos光伏电池）、金属绝缘体半导体光伏电池（即mis光伏电池）等。（4）薄膜光伏电池。指利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料扑在非报道提的衬底上而构成的光伏电池。这种光伏电池大大地减少半导体材料的消耗（薄膜厚度以m计）从而大大地降低了光伏电池的成本。可用于构成薄膜光伏电池的材料有很多种，主要包括多晶硅、非晶硅、碲化镉以及cis等，其中以多晶硅薄膜光伏电池性能较优。（5）叠层光伏电池。指将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成的光伏电池。鉴于波长短的光子能量大，在硅中的穿透深度小的特点，充分利用太阳光中不同波长的光，通常是让波长最短的光线被最上边的宽禁带材料电池吸收，波长较长的光线能够透射进去让下边禁带较窄的材料电池吸收，这就有可能最大限度地将光能变成电能。（6）湿式光伏电池。指在两侧涂有光活性半导体膜的导电玻璃中间加入电解液而构成的光伏电池。这种形式的电池不但可以减少半导体材料的消耗，还未建筑物和太阳能应用的一体化设计创造了条件。按电池材料分类：（1）硅光伏电池：包括单晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。其中单晶硅材料结晶完整，载流子迁移率高，串联电阻小，光电转换效率高，可达20%左右，但成本比较昂贵。多晶硅材料晶体方向无规律性。由于在这种材料中的正负电荷有一部分会因晶体晶界连接的不规则性而损失，所有不能全部被p-n结电场分离，使之效率一般要比单晶硅光伏电池低。但多晶硅光伏电池成本较低。多晶硅材料又分为带状硅、铸造硅、薄膜多晶硅等多种类型。用它们制造的光伏电池又分为薄膜和片状两种。而非晶硅光伏电池是采用内部原子排列“短程有序而长程无序”的非晶体硅材料（简称si）制成。非晶硅材料基本被制成薄膜电池形式。其造价低低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅光伏电池，目前主要用于弱光性电源，如手表、计算器等的电池。（2）非硅半导体光伏电池。主要有硫化镉光伏电池和砷化镓光伏电池。硫化镉分单晶或多晶两种，它常与其他半导体材料合成使用，如硫化亚铜/硫化镉光伏电池、碲化镉/硫化镉光伏电池、铜铟硒/硫化镉光伏电池等。而砷化镓具有较好的温度特性，理论效率高，较适合于制成太空光伏电池。即采用同质结形式也可以采用异质结形式，既可采用单晶切片结构也可采用薄膜结构以制成光伏电池。（3）有机半导体光伏电池：用含有一定数量的碳碳键，导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成。其特点是转换效率低、价格便宜、轻便，易于大规模生产。3.3 光伏电池组件3.3.1 光伏阵列的基本组合单体光伏电池又称光伏电池片，是光伏电池的最基本单元。在使用光伏电池供电时，光伏电池片容量较小，输出电压只有零点几伏、输出峰值功率也只有1w左右。一般不能满足负载用电的需要，也不便于安装使用，所以通常不直接使用。因此要将单体的太阳能电池根据负载需要进行串、并联构成组合体，在京啊组合体通过一定的工艺流程封装在透明的薄板盒子内，引出正负极引线，方可独立发电使用。封装前地组合体称之为光伏电池模块组件（module）；而封装后的薄板盒子称之为光伏电池组合板（简称光伏电池板）。工程上使用的光伏电池板是光伏电池使用的基本单元，其输出电压一般在十几至几十伏左右。此外，还可将若干个光伏电池板根据负载容量大小要求，再串、并联组成较大功率的实际供电装置，称为光伏阵列。在构成光伏阵列时，根据负荷用电量、电压、功率、光照情况等，确定光伏电池的总容量和光伏电池的串、并联数量。当将光伏电池板串联使用时，总的输出电压是单个电池组件工作电压之和，而总的输出电流受原有电池组件中工作电流最小的已组建所限，总的输出电流智能等于该电池组件的电流。所以要选择工作电流相等或近似相等的电池组件方可串联使用，以免造成电流浪费。若将电池组件并联使用时，总的输出电压是各电池组建工作的电压的平均值，而总的电流为各单个电池组件工作电流之和。确定光伏电池板串联数，及光伏阵列总的输出电压时，主要考虑负载电压的要求，同时考虑蓄电池的浮充电压、温度以及控制电路等的影响。如果总的输出电压过低不能满足要求，就可能出现光伏电池只有电压无电流输出的现象。而且光伏电池的输出电压随温度的升高还会呈现负特性，所以在计算电池组件串联级数时，要留有一定的余量，但也不能把串联技术定的过高，造成较大的浪费。最佳选择是使其工作于光伏阵列总的伏安特性曲线的最大工作点位置。光伏阵列串联后的伏安特性曲线参考见图3-1。确定光伏电池板并联数，及光伏阵列总的输出电流时，主要考虑负载每天的总耗电量、当地年平均峰值日照时数，同时考虑蓄电池组的充电效率、电池表面不清洁和老化等带来的不良因数。一般光伏电池组件的并联数乘以每一待并支路的最佳工作电流即为蓄电池的充电电流。图3-1 硅光伏电池串联的输出特性 表3-1 光伏阵列的主要性能指标名称单位定义输出功率pw光伏阵列一天内为负载提供的有效平均功率或峰值功率输出能量ewh光伏阵列在一天内所产生的能量，即为功率对时间的积分输出安培小时eah能量的另一种表示方法，主要用于蓄电池提供的光伏阵列效率功率效率p%光伏阵列功率输出与太阳能输入之比能量效率e%光伏阵列能量输出与太阳能输入之比重量（质量）mkg表示该光伏阵列所含材料的多少成本元表示该光伏阵列的经济效应功率密度w/m2表示该光伏阵列单位面积的功率能量密度wh /m2表示该光伏阵列单位面积的能量质量密度kg/m2表示该光伏阵列单位面积的质量单位成本元/w表示该光伏阵列单位功率的成本3.3.2 光伏阵列的分类按外形结构来分,光伏阵列主要有平面式光伏阵列、曲面式光伏阵列以及聚光式光伏阵列，以安装形式分则分为固定安装式光伏阵列、定向安装式光伏阵列及加固定装式光伏阵列，按使用场合分则可分为地面光伏阵列、高空光伏阵列、宇宙光伏阵列以及潜水光伏阵列。下面介绍几种常用的光伏阵列。平板式光伏阵列。将若干电池单元按平板结构组装在一起，且所有光伏电池均朝同方向。这种光伏阵列直接收集自然照射来的太阳光，光伏阵列可固定安装，也可安装成定向形式。因其技术成熟，安装方便、维护简单，所以应用最为广泛。曲面式光伏阵列。直接将光伏电池片贴在应用场地或物体上，如圆弧形、多棱形、圆锥形的房顶和飞行器等。电池片可以贴在凸面，也可以是凹面。因安装较为复杂，太阳遮挡的几率较高，所以适用于飞行器或附加太阳跟踪装置。聚光式光伏阵列。通过反射镜或折射镜将太阳光聚集到一小块光伏电池片上。其特点不但能增强太阳的光强，还可用较少的电池得到较多的电能，但与此同时电池板的工作温度也会升的很高。从光伏阵列的制作和安装成本来说，它要比平板固定式的低一些；但因要附加太阳跟踪装置，由此会带来跟踪装置的维护及光伏阵列在高温下共组的可靠性等问题。固定安装式光伏阵列。将光伏阵列刚性固定安装在地面结构上或飞行器上。其特点是该光伏阵列表面好太阳光之剑的角度是连续变化的。定向安装式光伏阵列。将光伏点多吃安装在特有的定向装置上，使得光伏电池表面总是面向太阳旋转，以获得最大的功率输出。这种定向装置又称太阳能跟踪器。太阳能跟踪器又分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。跟踪运行可以是连续的，也可以是间歇的。3.4 光伏电池的数学模型（1）光伏电池的理论分析模型根据半导体电子学理论，单个光伏电池的等效电路如图3-3所示。图3-3 光伏电池等效电路当日照强度恒定时，光伏电池可看成恒定电流源，二极管的正向电流和并联电阻电流isr都由光电流il提供，剩余的光电流通过串联电阻rs输出给负载，并在负载端产生电压u。根据图中的电流电压参考方向，光伏电池的i-u方程为： (3-1)式中：il-光电流，单位a；i0-二极管反向饱和电流，单位a；q-电子电荷（c）；a-二极管因子；k-波尔兹曼常数（j/k）;t-太阳能电池输出电流，单位a；rs-串联电阻，单位；rsr-并联电阻，单位；i-太阳能电池输出电流，单位a;u-太阳能电池输出电压，单位v;（2）光伏电池的简化分析模型在实际的光伏电池中，由于期间的瞬时响应时间远小于光伏系统的时间常数，在分析时通常忽略结电容cj,并联电阻一般很大（兆欧级）；串联电阻一般很小（零点几欧）。因此，根据具体应用情况，光伏电池的i-u方程可简化： (3-2)或 (3-3)简化的模型结构分别如图3-4（a）和3-4（b）所示。（a）忽略串联电阻等效电阻 （b）忽略并联电阻等效电路图3-4 光伏电池简化模型（1）由光伏电池数学模型分析可知，光伏电池的输出是一个随光照条件及温度等因素变化的复杂变量。图3-5（a）为光伏电池在标准测试条件下，光伏电池的输出特性是指在一定的温度和日照强度条件下，光伏电池所呈现的伏安特性，即输出电压和输出电流之间的对应关系，通常简称为i-u特性曲线。由于电池温度、日照强度等因素都会对光伏电池的特性产生影响，因此，在测试光伏电池性能时，需要定义标准测试条件。我国应用的标准测试条件为：日照强度1kw/m2,电池温度为25，太阳辐射光谱为am1.5。图3-5 (a) 图3-5 (b)图3-5(c)图3-5 光伏电池输出特性其中：图3-5(a)光伏电池典型输出特性曲线图3-5（b）温度一定，日照强度对输出特性的影响图3-5（c）日照强度一定时，温度对输出特性的影响。开路电压（uoc）：标准条件下所能输出的最大电压；最大功率点电压（um）：标准条件下最大功率点的电压；短路电流（isc）:标准条件下所能输出的最大电流；最大功率点电流（im）：标准条件下最大功率点的电流；最大功率点功率（pm）：标准条件下输出最大功率pm=um*im。由上图可看出：光伏电池既不是恒流源也不是恒压源。但是，当光伏电池输出电压较小时，随着电压的变化，输出电流的变化很小，光伏电池近似为一个恒流源；当光伏电池输出电压超过um时，输出电流急剧下降，光伏电池又可近似为一恒压源。在光伏强度和电池温度一定时有唯一的最大输出功率点pm（其左侧为近似恒流源段，右侧为近似恒压源段）。（2）日照强度和温度对光伏电池的输出特性的影响光伏电池的i-u特性曲线与日照强度和电池温度有关。图3-5（b）是当温度一定时，日照强度分别为200w/m2、400w/m2、600w/m2、800w/m2、1000w/m2时太阳能光伏电池的输出特性曲线。可以看出，当温度一定时，光伏电池短路电流isc随日照强度的增加而增加，并与日照强度成正比；开路电压随日照强度的增加略有增加，但是增加幅度很小。图3-5（c）是日照强度一定，不同电池温度时，光伏电池的输出特性曲线。可以看出，随着电池温度的升高，光伏电池的短路电流isc略微增加，而光伏电池开路电压降低。由上面各特性曲线可知，当日照强度一定时，对应于温度的变化，电池的短路电流几乎不受影响，变化很小，但随着温度的升高，光伏电池的开路电压值有明显的下降。而且，由于日照强度不变，即阳光投射到电池表面的功率不变，可见光电转换效率可知电池的光电转换效率受到温度的影响很大。3.5 最大功率点跟踪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。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在某一输出电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这是光伏电池工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点（mpp）。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称之为最大功率点跟踪。（maximum power point tracking，mppt）。3.5.1 经典mppt算法的稳态特性分析有光伏阵列在不同光照强度下的输出功率电压特性可以看到，每条曲线都存在着一个最大功率输出点，并且这个最大功率点在当前的光照条件下是唯一的。在实际应用系统中采用的“上山法”正是利用了最大功率点dp/du为零的特性。先对光伏阵列的输出电压和电流进行连续的采样，并将每次采样的一组电压电流数据相乘折合成功率值，然后减掉上一次采样得到的功率值，即为功率差分值。当功率达到最大值时满足式（3-4），同时还可以推得式（3-5）。 (3-4) (3-5)令 (3-6) (3-7)则当u=i时，即可近似认为达到最大功率点，这样就构成了最经典的一阶算法。在实际的应用系统中，需要对光伏阵列的输出电压和电流进行连续采样。例如,为了避免一些不可预测的干扰，将每次采样的电压和电流数值进行多点平均得到一组电压电流数据，并且减掉上一次平均得到的电压和电流值，即可得到电压和电流差分值，分别记作di(k)和du(k),即 (3-8) (3-9)然后按照上面的式(3-10)和式（3-11）分别计算和。它们具有功率的量纲，可以视作功率差分。 (3-10) (3-11)可以通过比较和的大小来确定光伏阵列的工作区域。如果，则认为阵列输出功率已经满足最大功率点的必要条件，可以近似认为系统已经工作在最大功率点上，只要保持系统有功功率即可；如果,则说明阵列输出功率增大的方向为电压增大而电流减小的方向，即系统工作在恒定电流区域以内，必须降低系统有功输出才能使得系统重新工作在最大功率点上；而如果，则说明光伏阵列输出功率增加的方向为电流增加而电压减小的方向，即系统工作在恒定电压区域以内，此时只有增加系统有功输出才能使得系统工作在当前的最大功率点上。上述具有一阶差分方法的最大功率的跟踪控制的“上山”算法框图如图3-6所示。在图3-6的算法框图中，uref代表系统输出有功指令，c代表输出有功变化的步长。每次对多点采样值进行平均，比较判定后确定当前的工作频率并输出相应的控制指令为一个控制循环。根据以上工作在最大功率点；当电压功率差分值相等时，可以认为外部状态没有改变，洗头膏仍然工作在最大功率点；当电压功率差分值大于电流功率差分值时，说明当前的光照强度有所减弱或由于温度升高导致阵列的输出功率下降，应该相应地降低系统输出有功以满足阵列最大功率输出的要求。当电流功率差分值大于电压功率差分值时，说明当前的光照强度有所增强，应该相应地增加系统输出有功使得光伏阵列总能以最大功率输出。图3-6 最大功率点控制算法框图3.5.2 几种常见的最大功率点算法下面介绍几种常用的最大功率点的算法。a)电压反馈法光伏阵列是一种非线性的电源。其输出特性可以视为由恒电流区域与恒电压区域组成，这两区域的交接点即为最大功率点。因而在不同的光照强度下，光伏阵列都会存在着这样的一个最大功率输出点，恒定电压跟踪法是一种稳压控制，此方法是通过调整太阳能光伏电池在某一照度及温度下的最大功率点的电压大小，此方法即是通过调整太阳能光伏电池的端电压，使其能与事先测试的电压相符，来达到最大功率点跟踪的效果。不过，这种方法的最大缺点就是当大气条件大幅度改变时，系统不能自动地跟踪到太阳能光伏电池的新的最大功率点，因此造成能量的损耗。对于早期应用于人造卫星的太阳能光伏电池而言，由外太空中的照度及温度变化缓慢且幅度较小，因此，电压反馈法仍不失为一个好方法。但是，随着太阳能光伏电池日渐普及到日常生活用品上时，由于有地球公转、自转，造成大气的变化，使得最大功率点瞬息万变，此方法便不能符合我们的需求，因此电压反馈法已经很少被用在最大功率点跟踪上。b)扰动观察法扰动观察法也称爬山法（登山法），它的结构简单，且且需要测量的参数较少，所以它被普遍地应用在太阳能光伏电池的最大功率点跟踪上。通过周期性的增加或减少负载的大小，以改变太阳能光伏电池的端电压及输出功率，并观察、比较负载变动前后的输出电压及功率的大小，以决定下一步的增、减负载动作。假设输出功率较变动前大，则负载继续朝同一方向变动：反之，若输出功率较变动前小的话，则表示我们需要在下一周期改变负载变动的方向。如此反复地扰动、观察及比较，使太阳能光伏电池达到其最大功率点，这就是扰动及观察法的基本动作原理。但是，此方法是通过不断变动太阳能光伏电池的输出电压来跟踪最大功率点的，当达到最大功率点pmax附近之后，其扰动不会停止，而会在pmax左右振荡，因此造成能量损失并降低太阳能光伏电池的效率。尤其是在大气环境变化缓慢时，能量损耗的情况更为严重，此为扰动与观察法的最大缺失。虽然我们可以缩小每次扰动的幅度，通过降低在pmax点的振荡幅度来减小能量损失，不过当温度或照度有大幅度变化时，这种做法会使跟踪到新的最大功率点的速度变慢，此时将有大量的能量被浪费掉，因此当我们采用扰动与观察法时，扰动幅度的大小就需由使用者来做出取舍。图3-7 扰动观测法控制流程图c)电导增量法电导增量法（导纳微分）的基本理念是与功率反馈法时相同的，其出发点为du/di=0这个逻辑判断式，其中的功率（p）可由电压（u）与电流（i）表示。 (3-12) (3-13) (3-14)式中，di表示增量前后测得到的电流差值；同理，du表示增量前后测量到的电压差值。因此，通过测量增量值（di/du）与瞬间太阳能光伏电池的电导值（），可以决定下一次的扰动，当增量值与电导值符合式（3-14）要求时，表示已达到最大功率点，即不进行下一次扰动，此即为电导增量法的基本工作原理。如图3-8所示：图3-8 电导增量法的控制流程图虽然电导增量法仍然是以改变太阳能是以改变太阳能光伏电池输出电压来达到最大功率点（pmax），但是通过修改逻辑判断式来减少在pmax点附近的振荡现象，可以使其更能适应瞬息万变的大气环境。就理论上而言，此法的理论推导是完美的，但是当传感器无法达到非常精密的测量时，其误差是不可避免的，因此，式（3-14）发生的机率是微小的，这意味着此法在实际应用时仍然有很大的误差存在。由此可见，扰动观察法与电导增量法是殊途同归，差别仅在于逻辑判断与测量参数的取舍而已。电导增量法是借着修改逻辑判断式来减少在最大功率点附近的振荡现象，使其更能适应变化的日照强度和温度。这种控制算法实现起来相对复杂，而且检测精度和速度在一定程度上会影响跟踪精度和速度，同时，电导增量步长的选取也会影响跟踪误差的大小和速度444离网型光伏逆变器4.1 光伏逆变器的概述随着我国光伏发电系统的迅速发展，尤其是光伏屋顶计划的实施，国内对离网型光伏逆变器的需求将越来越大。离网型光伏电系统主要是由光伏电池阵列、控制器、逆变器、储能装置等环节组成的，其中逆变器是光伏系统中的重要器件之一，它的可靠性和转换效率对推行光伏系统、降低系统造价至关重要。在很多场合，都需要提供ac220v、ac110v的交流电源。由于太阳能的直接输出一般都是dc12v、dc24v、dc48v。为了能向ac220v的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用dc-ac逆变器。离网型光伏逆变器的主要作用是将光伏电池输出的直流电变换成适合交流负载使用的交流电。4.2 逆变器的基本结构离网型光伏逆变器的结构如下图所示，包含了一次回路和二次回路两部分，该设计采用了双电源供电的模式，其中主回路由输入滤波电路、单相全桥逆变电路和输出滤波电路等组成，辅助回路主要有tms320f2407a控制电路、信号检测电路等组成。如图所示：图4-1 离网型光伏逆变器的结构方框图主回路是通过输入滤波电路对输入的220v直流电进行滤波处理，采用全桥逆变进行逆变处理，输出spwm波，经过工频变压器升压，输出260v的交流电再经过输出滤波器的滤波，输出50hz220v的交流电。4.2.1 boost电路boost电路如图4-2所示，其中q为全控型的功率器件igbt，boost电路是一种输出电压等于或高于输入电压的非隔离直流变换电路，当光伏控制器的输入电压在允许范围内波动时，通过控制功率开关器件q的导通比d，使输出电压保持稳定。图4-2 boost电路根据boost电路中电感电流是否连续可以分为电感电流连续、电感电流断续和电感电流临界连续三种工作模式。当工作临界工作模式时，电感的取值满足式（4-1）。 (4-1)当输出功率等于5kw时，计算得l=20h，当工作在电感电流连续模式下时，输出电压纹波较小，电容充放电电流的变化率也较小，具有很好的电能输出质量，本设计中选取p=100w时所对应的临界电感值l=1mh。电感电流连续模式下，需要的电容值为： (4-2)要想获得输出为220vac的正弦波，考虑到spwm调制技术的最大利用率0.866和调制度，以及igbt管的导通范围，boost变换器需要将直流电压升到420v，纹波电压为直流电压的5，即为2.1v，占空比d选取最大值0.9，代入式（4-2）求得电容值为1033f，考虑到一定裕量，选取3个并联的470f的电解电容。4.2.2 输入滤波电路的设计输入滤波电路是由滤波电容组成是用来减小输入端电压的脉动，假如变换器传输最大功率为pm，由输入输出功率相等可得出一个周期内输入滤波电容所提供的能量约为 (4-3)式（4-3）中，为变换器的效率，fr为功率igbt开关器件的工作频率。将pm=5kw, =0.94,