太阳能光伏电系统及光伏建筑一体化

1、. . 山东农业大学毕 业 论 文 太阳能光伏发电系统及光伏建筑一体化 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化班 届 次 学生姓名 学 号 指导教师 年月日装订线. . . 25 / 30文档可自由编辑打印目 录摘要IAbstractII引言11 课题研究的背景、目的和意义11.1 课题研究的背景11.2 课题研究的目的11.2.1 太阳能发展历史21.2.2 太阳能资源的优缺点21.2.3 我国太阳能资源分布及利用21.3课题研究的意义32 太阳能光伏发电系统的国内外发展现状32.1 国际上太阳能发展现状42.2我国太阳能发展现状82.2.1 发展中的问题市场82.2.2

2、发展中的问题技术92.2.3 发展中的问题成本103 光伏并网发电系统逆变器的对比和选择103.1 用于光伏并网发电系统的逆变器设计113.1.1 光伏并入电网对逆变器的要求113.1.2 光伏阵列对逆变器的要求123.1.3 用电客户对逆变器的要求123.1.4 光伏发电逆变器的主要性能指标133.2光伏发电并网系统逆变器结构的比较143.2.1高频链结构153.2.2直流链结构173.2.3 结构选择及其对比194光伏建筑一体化的应用214.1光伏并网发电系统与独立光伏发电系统的不同214.2 建筑与光伏器件的结合225结论与展望235.1 结论235.2 展望23参考文献24致谢25Co

3、ntentsAbstractIIIntroduction11 Background,purpose and significance of the research11.1 Background11.2 Purpose11.2.1 History of the development21.2.2 Advantages an disadvantages21.2.3 Distribution and utilization21.3 Research 32 Domestic and international development32.1 Current state of internationa

4、l solar energy development42.2 Current state of solar energy development in China82.2.1 Issues in development - Market82.2.2 Issues in development - Technology92.2.3 Issues in development - Cost103 The comparison and selection of inverter103.1 Inverter design for photovoltaic systems113.1.1 Requirem

5、ent for photovoltaic grid inverter 113.1.2 Requirement of inverter for photovoltaic array123.1.3 Requirement of inverter by electric client123.1.4 The main performance indexes of inverter 133.2 Comparison of inverter structure143.2.1 High frequency chain structure153.2.2 DC chain structure173.2.3 Th

6、e structure selection and comparison194 Application of BIPV214.1 The difference between photovoltaic grid connected PV system and stand-alone PV power system214.2 Combination of architecture and photovoltaic devices225 Conclusion and prospect235.1 Conclusion235.2 Prospect23References24Acknowledgemen

7、t25太阳能光伏发电系统及光伏建筑一体化（山东农业大学 机械与电子工程学院 ）摘要：由于当今社会对煤、石油天然气等化石能源不断的开发和使用，以至于这些非再生能源无法避免出现存量降低甚至枯竭，人们开始对水能、风能以及太阳能等清洁能源给予越来越多的关注。本文首先指出了全球及我国能源的分布存储及利用情况并提出了发展太阳能光伏发电系统的必要性和重要性。进而介绍了太阳能光伏发电系统的历史由来、国内外发展应用现状和简单划分。为了提高太阳能发电系统的运行效率和降低其运行费用，通过已有的部分知识对太阳能光伏发电系统中的逆变器做了对比选择。最后对光伏建筑一体化（BIPV）做了简单的介绍和光伏建筑一体化现在的发展

8、和应用以及未来的发展前景。关键词：光伏发电 太阳能 逆变器 光伏建筑一体化Solar photovoltaic systems and photovoltaic building integratedJimeng Wang(Mechanical & Electrical Engineering College of Shandong Agricultural University, Taian, Shandong 271000)Abstract Because of energy such as coal, oil, long-term continuous exploitation

9、and use of lead to these non-renewable energy inevitably appear to reduce or even dried up, people start to wind energy, hydropower, nuclear and solar energy to give more attention.This article first points out the global and the distribution of energy storage and utilization situation in our countr

10、y and put forward the necessity and importance of the development of solar photovoltaic power generation system. And then introduces the historical origin of the solar photovoltaic power generation systems, development and application status at home and abroad, and simple division. In order to impro

11、ve the efficiency of solar power system and reduce the operation cost, through the part of the existing knowledge of solar photovoltaic power generation system made some optimization. Finally, photovoltaic building integrated photovoltaic (BIPV) made simple introduction and the development and appli

12、cation of building integration now and the future development prospect.Keywords: photovoltaic power generation; inverter; the solar energy; solar building integration引言能源作为人类经济、文化等一切活动的动力来源，具有非常重要的地位。在第一次工业革命之后的能源结构中，人类主要使用的能源有煤炭、石油、天然气等存在污染的化石能源，其均为一次能源。这些化石能源，其本质就是太阳能照射到地球上的一部分能源后来被储存在古生物体内，然后经过上万

13、年的累积而形成。伴随着经济持续快速的发展、人类社会生活水平的不断提高与人口数量的不断增长，近百年来，由于人类对化石能源消耗速度的大幅提速，导致这些化石能源的存储量越来越少。在未来的一段时间甚至几百年的时间内，世界对能源的需求量将会持续增加，世界上的化石能源最终将会消耗殆尽，达到最终极限。然而，大量化石能源的消耗和使用也给人类的赖以生存的环境造成了非常大的影响，对人类的健康生存造成了巨大的威胁并引发了一系列严重的问题。当前社会，世界范围内的企业、居民生活所消耗的能源仍旧是化石能源，根据有关部门统计，每天全世界的温室气体排放量大约为 1 亿吨，这已经对大气环境造成了非常严重的污染。由化石能源燃烧而

14、产生的二氧化碳会导致温室效应的产生，而温室效应将会导致全球气候变暖，若温室气体排放还在毫无节制的增加，将会导致南北极的冰山融化，进而会导致海平面持续上升，这将会严重威胁到海洋生物的生存，人类的生命安全及其生存空间。总而言之，当前高度发达的人类文明，与迅速恶化的地球环境之间已经成为一对十分突出的矛盾。 对于解决目前这种难以调和的矛盾，需要我们进一步压缩、减少化石能源的消耗量，大力开发、推广与利用各种绿色能源和可再生能源，这是当今时代人类实现可持续性发展的重要举措与必由之路。1 课题研究的背景、目的和意义1.1 课题研究的背景中国虽然地大物博，但是也有众多的企业，作为世界上的能源生产大国,同时也是

15、世界上的能源消费大国。尤其是最近几年来,我国的国民经济每年都在以8%左右的速度迅猛发展着,工业的发展也迫使各种能源的消耗急剧增加。在2012年中国一次能源消费总量为27.35亿吨油当量，大约占世界总量的22%，同比增长为7.28%，并且连续4年占世界消费总量第一。同期中国GDP增长率为7.8%。我国能源发展中的各种问题因为最近几年能源消耗的急剧增加而不断凸现,如各种能源分布不均且开发利用率低等,但最主要的能源问题还是集中凸显在能源结构上。我国常规能源的储量比例严重失谐,我国煤炭存储量占能源资源总储量的98%以上,然而石油与天然气所占总量的比例却很小,不到2%,这是我国常规能源储量组成的一大特点

16、。建国以来,作为我国最主要的能源以支撑着我国国民经济持续不断发展的能源就是煤炭,但是因为煤炭的大量开采和使用，中国同样为此也付出了相当沉重的代价。1.2 课题研究的目的1.2.1 太阳能发展历史太阳能是地球的生命之源,早在远古时期,远古人类就开始利用太阳能来服务自己日常生活。但是在当时的生产力水平和低科技水平下，长久以来,人类利用太阳能的方式始终是晾晒、取火等简单形式,一直处于一种初级阶段。随着新时代的到来，工业革命的发生，人类社会在受到常规能源有限的发展限制的国际背景下,尤其是后来发生的两次全球石油危机以后,人们开始越来越重视对于太阳能的开发,从而慢慢的人来开始进入利用太阳能的高级阶段。19

17、61年联合国在罗马召开国际新能源会议,会议中最重要的一个议题就是如何充分利用太阳能的问题。此次会议的召开也标志着在世界范围里太阳能开始了有组织的开发利用和大规模的研究。1992年在里约热内卢召开世界环境发展会议,会议提出了发展可持续建筑是今后建筑的发展方向,标志着太阳能建筑的发展进入了一个崭新的时代1。在诸多因素下，许多国家开始充分发挥自己的优势和长处并不断地投入大量的人力、物力、财力到太阳能发展技术的研究中,并且取得了让人满意的成果。1.2.2 太阳能资源的优缺点作为一种绿色可再生能源,太阳能是指太阳光辐射到地球上的能量,与常规能源相比太阳能有以下几个优点:第一:太阳能具有取之不尽,用之不竭

18、的优点，只要有太阳存在,就会有太阳辐射,它每秒钟辐射到地球陆地表面上的能量大约为170000亿千瓦,相当于目前全世界一年内各种能源消耗总量的3.5万多倍。第二:地球上任何照射到太阳的地方,都可以对太阳能进行就地开发。第三:清洁无污染，在开发利用太阳能时,不会产生残渣、废水、废气、不会产生噪音,不会破坏生态平衡,也不会危及人类的身体健康,属于绿色能源之一。1.2.3 我国太阳能资源分布及利用 我国大陆面积每年能接收到的太阳能辐射总量能达到33408400MJ/(m2.a)之间,在全球范围内，我国属于太阳能资源丰富的国家之一, 有着发展太阳能的先天条件。为了更充分的利用太阳能,我国曾在20世纪80

19、年代根据各地接受太阳辐射能量的多少,将全国划分为多个区域。丰富的太阳能资源为我国进行太阳能的开发和利用提供了得天独厚的先天条件,同时各个区域太阳能辐射的差异性也向我们提出了挑战。我国的太阳能事业起步较晚，但是在国家的鼓励和科技不断发展的情况下也开始迅猛发展。1975年，国家相关部门为了推动太阳能产业在国内的发展，在河南安阳举行了“全国第一次太阳能利用经验交流会”,这次会议标志着我国的太阳能开发开始获得国家的支持并纳入到正常发展轨道。在1992年,国务院又批准了中国环境发展十大对策,文件中明确提出要各个地方要根据自身的优势条件发展太阳能等可再生资源。从此,我国太阳能资源的开发利用进入了迅速发展的

20、新阶段。几十年来,我国的太阳能利用科技在产品开发、商业化运转、市场开拓方面都获得了较好的发展,太阳能产业已经成为一个朝气蓬勃的新兴产业。太阳能利用、环保节能观念逐渐深入人心,成绩喜人。随着化石能源的不断开发和国内外经济发展对能源的需要，开发和利用各类可再生能源等各种绿色能源，已经成为人类能够实现可持续发展的关键和采取的必要措施。我们从能源供应安全等多个角度对绿色能源综合权衡，太阳能被公认为是实现能源与环境可持续发展的最理想的绿色能源。因此，在此大背景下我展开了对本课题的研究，意在通过对太阳能光伏发电系统逆变器的结构对比设计和进一步优化，对该系统的实际推广应用提供一些理论依据，同时希望本文的研究

21、能够对国内外相关研究起到一定的促进作用。1.3课题研究的意义 太阳能被全球能源专家们一致认为是 21 世界全球范围内最重要的能源之一。与常规电能相比，太阳能发电的优点如下： （1）没有机械转动零件，不会产生噪声； （2）不会产生空气污染，不会排放污水； （3）没有燃烧过程，不需要任何燃料； （4）维修、保养相对简单，养护费用较低； （5）系统运行具有良好的可靠性和稳定性； （6）太阳能光伏电池使用期限长，晶体硅太阳能光伏电池寿命可以达到 25 年以上； （7）后期扩容性良好，便于增大发电规模； （8）太阳能光伏发电与建筑一体化，可以节约太阳能光伏电站建设所使用的土地面积、费用等。 最近这些年，

22、随着对太阳能电池研究力度的加深加大、太阳能发电相关技术的发展及太阳能电池转换效率的不断提升，太阳能光伏发电的成本变得越来越低并呈现出不断下降的趋势。我们可以做出预测，随着人类社会科技的不断进步，太阳能光伏发电将会占据越来越重要的位置，并将会发挥越来越大的作用。总的来说，发展太阳能光伏发电是综合了改善生态环境、维护生态平衡、提升综合国力和人民生活水平与实现能源、开发和利用绿色可再生能源、经济和社会的可持续发展的十分重大的一个课题，同时又包含了电子技术、光电子半导体、自动控制理论、电力电子技术、电机学、电气工程基础等多学科知识。研究和发展太阳能发电将会产生巨大的社会效益、经济效益与政治效益，同时太

23、阳能光伏发电也具有较高的学术研究价值和意义。2 太阳能光伏发电系统的国内外发展现状 进入21世纪以来，太阳能光伏发电产业作为当今世界最受关注的新兴产业之一，其当之无愧。光伏发电有着安全无污染等众多优点，被认为是21世纪最重要的新能源，可广泛应用于航天、通讯、能源、农业、办公设施、民宅以及交通等诸多领域。世界上的许多国家政府都在增大对该产业的政策扶持力度，试图把太阳能光伏发电等绿色新能源产业作为引领经济发展的重要举措。中国的太阳能光伏发电产业最近几年发展也较为迅速，通过将国外的先进技术引进和自主创新，国内太阳能光伏产业的发展规模不断壮大，随着时间的慢慢推移，目前中国已经成为了全球最大的光伏产品制

24、造基地之一。伴随着中国经济的发展，未来中国将会在光伏产业做出更好的成绩。2.1 国际上太阳能发展现状国际上光伏产业发展呈现出的一个突出特点就是起步晚，发展快，其中光伏发电产业发展势头尤为迅猛。自进入20世纪以来，世界光伏发电并网增长率高达百分之六十多，超过了光伏应用的百分之五十。2007年太阳能电池组件的年增长率达到了56.2%，世界上太阳能电池产量达到了4000兆瓦。到2008年的时候，世界并网光伏发电份额超过了85%以上。全球的太阳能安装总量已经累计达到15GW2。2011年是中国光伏产业会、中国光伏产业联盟1周年。在慕尼黑展会上，国家发改委能源研究所展示了一下截至2011年世界光伏产业的

25、发展规模（图2-1、图2-2、图2-3）以及世界上几个光伏产业发展大国的光伏生产规模和未来光伏生产规模预测(图2-4、图2-5、图2-6、图2-7）。图2-1世界太阳能电池发货量图2-2 2009和2010年国际光伏市场和安装量图2-3分地区的全球光伏累计安装量图2-4美国光伏市场预测图2-5日本光伏市场预测图2-6印度光伏市场预测图2-7意大利光伏市场预测2.2我国太阳能发展现状2009年，国务院总理温家宝主持召开的国务院常务会议决定，通过大力发展可再生能源、积极推进核电、水电、风电、光电建设等行动。即到2020年，中国水电将提高至30万兆瓦、太阳能提高到1800兆瓦，风电提高至5万兆瓦，到

26、时可再生能源的消费比例将占全部能源消费的15%3。从国家中长期发展规划和各个光伏投资企业的近期投资来看，我国国内的光伏市场还是非常大的，尤其随着我国科学技术的不断发展特别是最近几年光伏产业技术的迅猛发展，光伏发电成本不断下降，再加上政府资金、政策的大力支持，光伏应用是一个非常有前途的投资领域，但是作为新兴产业的太阳能光伏发电领域也有许多潜在的威胁因素，不应该盲目投资。2.2.1 发展中的问题市场在2006年之前国内太阳能电池所用的硅材料主要依赖进口，硅片的价格高达80美元/片，国内公司无锡尚德电力和美国的硅片供应商MEMC公司以40美元/ 片的价格签订了长达十年的硅片供应协议，再加上其从国外带

27、回来的技术，因此在太阳能电池行业占得发展先机，逐步发展成为我国最大的太阳能光伏发电企业4,5。2006年的毛利率高达24.9%，2007年的毛利率也高达20.3%。这么高的利率对于投资者有着很大的诱惑力。自从2006年起，国内硅材料的供应量迅速提升，打破了国外对于硅材料供应的控制，至此硅片的价格开始大幅度下降，截至2011年硅片的价格已经降至3美元/片。从此，太阳能电池生产所需要的硅原料的供应量跟价格已不再是问题。我国从上世纪五十年代就开始研究太阳能电池，国外留学生也带回了先进的太阳能光伏发电技术，太阳能电池技术门槛已经降得很低，太阳能光伏发电产业并不是人们心中的高科技产业。在市场、材料、技术

28、条件准备充分的前提下，加上地方政府的推波助澜，投资太阳能光伏发电产业成为当时一大热点，国内企业从刚开始不到100多家以常人难以想象的速度增至将近600家，太阳能电池组件的产能从刚开始不到1000MW增至30000MW，但是买方市场并没有因此而扩张。截至目前，我国生产的太阳能电池组件95%以上都出口至国外，尤其是欧洲。后来在欧债危机爆发后，由于欧洲国家对于太阳能产业的补贴减少，欧洲太阳能电池组件需求量迅速下降，从而导致我国依赖出口欧洲的太阳能光伏电池行业出现了严重的发展危机。2011年上半年，我国的几个太阳能光伏发电产业的几个大型公司都出现了较大的亏损。而一些中小太阳能光伏发电企业在亏损严重的情

29、况下直接将产品低价抛售，使太阳能电池行业竞争更加激烈，以至于整个行业都陷入了不景气的状态。像这种拼抢市场以致对市场造成的恶果，除非采取特别针对措施，短时间内还会继续，并且依靠开发国内市场，也无法解决供大于求的问题。温家宝总理在第十一届全国人大第五次会议所做的政府报告中，明确提出“将推动战略性新兴产业健康发展，建立促进新能源利用的机制，项目配套、政策引导、扩大内需、制止光伏、风能等产业的盲目扩张。”我国的太阳能光伏发电产业就要这样，要与国内外市场需求相匹配，进行必要的整改，去掉无用多余产能，只有这样才能健康而持续的发展。2.2.2 发展中的问题技术 至今，我国的太阳能光伏发电产业仍然缺乏核心技术

30、，即使是以技术起家的无锡尚德太阳能电力，我国的太阳能光伏发电产业一直注重的的是国内扩产能，国外抢市场，却始终把开发创新放在次要位置。太阳能光伏发电技术的核心部分就是太阳能电池板，太阳能电池的发展方向就是提高转换效率，降低成本，发展太阳能薄膜电池是降低成本的主要方向。利用现在的技术可以使用价格较为便宜的陶瓷、石墨和金属片等不同的材料当作基板来制造太阳能薄膜电池，制作形成的可产生电压薄膜的厚度只有数m，目前太阳能薄膜的转换效率已经可以达到13%。薄膜太阳能电池除了可以制作成平面之外，因为其具有可挠性也可以制作成非平面构造，其应用范围广泛，可与建筑物相结合变成建筑物的一部份。对于薄膜太阳能电池，其中

31、以非晶硅太阳能薄膜电池发展最快，大约占太阳能电池总产量的一般左右，非晶硅太阳能电池具有着以下优点。（1）非晶硅太阳能电池在弱光的条件下也能产生电能，在早晚、弱光的条件下，在相同地区、相同的太阳能辐射条件下，使用相比其他太阳能电池有着很大的优点。（2）非晶硅太阳能电池生产时间短，大约四个小时左右。（3）成本低，由于生产非晶硅电池使用的材料较少，因此生产电池所需成本要比生产其他电池成本低很多。（4）生产过程中排出的污染物较少，对于晶体硅电池在生产过程中产生较多的污染物，排放出大量的污染气体。而对于非晶硅太阳能电池的生产，生产过程中只产生很少的污染气体，经过处理后，气体也可以安全排放。（5）非晶硅太

32、阳能电池生产过程耗电量较低，晶硅太阳能电池耗电量是非晶硅太阳能电池的六倍左右。但是非晶硅太阳能电池也有很多的缺点，其转换效率不如晶硅太阳能电池。还有就是非晶硅太阳能电池的初投资成本要比晶硅太阳能电池大的多，主要原因就是国内并没有形成通用的技术和通用设备的供应企业。主要是由国外供应，这样就容易造成国外的垄断。而且，非晶硅生产的原料也是由国外供应，这样更容易造成国外对于国内的垄断。因此虽然国内已经有企业投资生产非晶硅太阳薄膜电池，但是产能不大，而且生产成本也相当高。我国的太阳能产业要想获得发展，首先就必须要突破国外的垄断。只有我国在技术上突破国外的垄断，我国太阳能产业才能更好更健康的发展。太阳能发

33、电技术的另一个核心部件就是逆变器，其发展方向就是提高效率，降低成本。逆变器又叫做电源调整器，根据逆变器在光伏发电系统中的用途可分为并网用和独立型电源用两种。根据波形调制的方式又可分为阶梯波逆变器、方波逆变器、组合式三相逆变器和正弦波逆变器。对于用于并网系统的逆变器，根据有无变压器又可分为无变压器型逆变器和变压器型逆变器。如果从提高效率、降低成本这个方向出发，首选的就是无变压器非绝缘方式。没有变压器，成本会更低；不经过变压器，效率也会更高。做好逆变器也是太阳能光伏发电领域的一大技术。2.2.3 发展中的问题成本要想把太阳能发电产业的预期市场发展成现实，其关键在于要降低太阳能光伏发电产业的生产、运

34、行成本。从现在我国已建成的太阳能光伏发电的运行情况来看，太阳能发电的运行成本要高于风电的发电成本，在没有国家补贴的份上要想很好的发展太阳能发电，向百姓推广太阳能发电设备也是一大难题。太阳能光伏发电的成本由太阳能光伏发电设备的初投资和利息、发电设备的维护费用和发电站的运行费用组成。太阳能发电站在运行过程中不消耗燃料，除了蓄电池外，基本上不用维修，因此发电成本主要取决于设备的初投资和利息。根据资料了解，太阳能光伏发电的初投资主要分为太阳能电池组件占60%，蓄电池占15%，逆变器占15%，其它的施工基建大约占到10%。其中，太阳能电池所占比例最大，是投资的关键。太阳能光伏发电的成本是关系到太阳能光伏

35、发电能否顺利发展最关键的因素，要想使太阳能光伏发电在国内全面推展开来，就要想方设法降低太阳能发电设备的生产、运行成本，将电价降低到人们的心理预期范围之内。当然成本也是投资者所考虑的投资因素之一，低的成本才是大利润的前提。3 光伏并网发电系统逆变器的对比和选择投资资金大、成本比较高是太阳能光伏发电系统最大的缺点。所以，对于光伏发电系统的优化主要强调两个点：一个是探索较低的成本、较好性能的光电变换器件和材料；第二个是减少系统本身的损耗，提升太阳能光伏发电的效率。并入电网光伏发电系统的逆变器的效率，不仅仅会影响发电系统容量的选择，光电元件和其他设备的优化配置，而且还会影响到自身损耗。因此，逆变器的选

36、择和使用，已经成为了制约太阳能光伏并网发电的效率、运行及其可靠性和安全性的决定因素。加大对于逆变器研究的投资力度，优化其结构和控制运行方式，在降低生产制造成本的同时提高系统的效率等具有重大的意义6。最近几年，太阳能光伏并网发电系统逆变器的造构及与其相对应的控制方式的研究成为研发者讨论的重点和热点。在以往光伏并网发电的研究中，为了满足并网要求得到足够高的直流电压，科研人员一般都采用串并联的方式将多块光伏阵列模块进行组合。但是，当多块光伏阵列模块组合时，不可避免的会受到部分阴影的遮挡，从而使得系统发电的效率有所下降。为了解决多块光伏阵列模块组合而产生的诸如此类的缺陷，于是科研人员将各个模块去分别对

37、应一个逆变系统，并据此提出一个新概念交流模块。交流模块的出现有利于对组合中所有的模块实施单独的控制，以便实现太阳能电池的最大功率点（MPPT）追踪，确保实现逆变效率的最大化。由此可知，光伏并网中的交流模块能够有成效的降低太阳能光伏发电成本，已经变为优化太阳能光伏并网发电系统结构的发展方向，并且得到越来越广泛的应用。本章从光伏并网发电系统光伏阵列模块设计及其结构的基本要求作为出发点，对光伏发电系统逆变器的主要技术指标进行了研究比较，并对几种主流逆变器的选择性拓扑结构进行了较为详细的比较和分析。3.1 用于光伏并网发电系统的逆变器设计一般情况下，太阳能光伏并网发电系统由三个部分组成，如图3-1所示

38、，分别为光电阵列、控制器与逆变器。其中，逆变器是太阳能光伏并网发电系统中连接光电阵列模块的关键部件，其主要任务一是实现 MPPT 最大功率点追踪，二是实现光伏并网发电系统中向电网注入正弦电流。图3-1光伏并网发电系统结构框图3.1.1 光伏并入电网对逆变器的要求实现光伏并网发电系统的逆变器和国家电网的成效连接，必须要满足三个基本点，即高电网电能质量、安全的隔离与接地、防止出现孤岛效应。太阳能光伏并网发电为一些分布式发电，会对公共电网会产生很多不好的影响，例如谐波污染等，所以为了将这些问题解决，太阳能光伏并网发电系统的逆变器应当将输入的正弦波失真度降到最低，进而消除污染谐波7。导致波形失真的最关

39、键因素之一就是逆变器的开关效率，因此提升逆变器的开关频率对于数控逆变系统十分的重要。在当下的发展情况下，高速数字信号处理器已经被广泛应用于提高光伏并网发电逆变器的开关效率，这已经成为研究太阳能光伏并网发电系统理论界和应用界的共识，并且受到了系统设计应用人员广泛的好评，已经成为了数字控制逆变系统中广泛采用的最主流的技术之一。除此之外，并网发电系统逆变器中的主元件选择也十分重要，一般情况下，超大容量的系统会较多的采用具有着自断能力的可断晶闸管（GTO），高压大容量的系统多会采用绝缘栅双极晶体管（IGBT），而对于小容量抵押系统则多会采用功率场效应晶体管（MOSFET），但 MOSFET 的通态电阻

40、具有正稳定系数，其通态电阻将会随着电压的升高而增大。依据专用的标准IEEE Std.2000-929和UL1741所规定，所有投入安装使用的的并网逆变器必须具有防止孤岛效应的功能。所谓的孤岛效应，就是指当电网突然断电时，并网光伏发电系统仍能够保持对接入电网中的临近部分线路保持供电状态的一种效应。孤岛就是一种电气现象，发生在当一部分电网和主电网断开时，而这部分电网完全由光伏发电系统来供电。在国际光伏并网标准化的课题上，这仍然是一个争论点，因为孤岛会损害大众和电力公司维修人员的安全和供电质量，在自动或手动的重新闭合供电开关而向孤岛电网重新供电的时候有可能损坏设备。因此，逆变器通常被要求带有防止孤岛

41、效应。由此可以看出，对电网进行及时有效的断电检测是防止孤岛效应出现的关键8。除此之外，先进的逆变器接地技术、逆变器与电网安全而有效的隔离等也是用来保证电网与逆变器等器件安全、可靠与高效稳定运行的关键。在输出为三相的太阳能光伏发电系统中，逆变器中的变压器输出连接方式为三相四线制，因此逆变器的接地方式可以完全参照国际电工委员会规定常用的三种方式，即非接地方式（NT）、变压器中性线接地方式和单个保护接地（TT）方式；用电设备的外壳要通过PE线和地极做金属性连接（TN）以保证用电安全。3.1.2 光伏阵列对逆变器的要求由于太阳能光伏阵列输出的功率还受着太阳光辐射强度和环境温度的影响，因此必须要通过逆变

42、器的调节，使得光伏阵列模块能够最大限度的输出接近最大功率输出点的输出电压，以保证其在最大功率点可靠而安全稳定的运行9。3.1.3 用电客户对逆变器的要求对于利用太阳能光伏发电系统供电的用户来说，用电高安全性，发电稳定性、可靠性、低成本、高效率与具有较长的使用年限等，是其对选择逆变器最基本的要求。因此，太阳能光伏发电系统逆变器的设计和发展应当遵循下面这几个原则： （1）逆变器要具有严格合理且科学的电路拓扑结构，要对其元件进行严格挑选，此外还要求逆变器应该具备各种保护功能，如过热保护与过载保、直流电输入极性接反保护、交流输出短路保护等； （2）逆变器要具有较宽的直流输入电压调整区域。由于太阳光照射

43、强度和环境温度不断地改变，因此会导致并网光伏阵列模块端的输出电压也处于不断的变化之中，因而逆变器需要保持在较宽的范围直流输入电压内正常运行，并且能够输出稳定的交流电压；3.1.4 光伏发电逆变器的主要性能指标根据对逆变器的设计要求，总结其主要的性能指标如下： (1)额定输出电压：逆变器的输入直流电压应该在允许的波动范围内,逆变器能够输出稳定的额定电压值,其精度又如下要求:在系统稳定运行时,允许输出电压在一定的范围内波动。在系统负载突然发生改变或存在严重干扰时,输出的电压偏差应小于额定值的±8%至±10%。(2)额定输出容量：光伏并网逆变器的额定输出容量表示逆变器向负载提供电

44、力的能力,该值越大,表明逆变器带负载能力越强;当逆变器所带负载是非电阻性时,这时功率因数要小于1,逆变器负荷能力小于系统的输出额定容量,因此良好的逆变器需要有足够额定输出容量以及承受过载能力。(3)逆变输出交流电压的稳定度：它表征了逆变器输出电压的稳压能力。多数逆变器产品给出的是输入直流电压在允许波动范围内该逆变器输出电压的偏差百分比，通常称为电压调整率。高性能的逆变器应同时给出当负载由0%100%变化时，该逆变器输出电压的偏差百分比，通常称为负载调整率。性能良好的逆变器的电压调整率应±3%，负载调整率应±6%。(4)输出电压失真度：系统逆变输出的电压波形是正弦波,其应小于

45、波形的最大失真度(或称谐波含量),一般釆用波形总失真度表示。其中,单相并网逆变器的输出电压失真度应不大于10%。(5)输出额定频率：通常光伏并网逆变系统输出交流电额定频率为工频50Hz,为保持系统正常运行,频率偏差应该小于±1%。(6)负载功率因数：其反映了并网逆变器带非阻性负载能力,当系统输出电压波形为正弦波时,该值为0.7-0.9 (滞后),其中0.9为额定值。(7)额定输出电流：其表示逆变器在允许负载功率因数变化范围内输出的额定电流。(8)额定输出效率：其反映了逆变器对于上级光伏电池输出功率的转化率,是光伏发电系统的一项重要经济技术指标。现实情况下,光伏发电系统采用专门设计的逆

46、变器来减少自身功率耗损,以达到提高整机效率的目的。(9)保护功能：由于过电流或短路等故障很容易破坏逆变器的正常运行,因此逆变器必须要具有良好自我保护功能,这样才能保证光伏发电系统正常、可靠运行。(10)起动特性：它映了逆变器在带载情况下起动能力以及正常运行工作状态下的动态性能,逆变器应能够在带额定负载下可靠起动。一般,小型逆变器可采用软起动方式或限流起动的方法,这样可以做到保证逆变器的安全。(11)噪声容限：在正常运行状态下,逆变器中的滤波电感、散热风扇以及变压器等部件都会发出噪声,要求小型逆变器的噪声小于65dB。3.2光伏发电并网系统逆变器结构的比较在太阳能光伏并网发电系统的研发过程中，所

47、用过得单级逆变器具有着结构相对简单、所含元件少、损耗较低、转化效率高等优点，能够有成效的降低发电成本，提高并网性价比。但使用单级逆变器却对最大功率点跟踪上的控制策略能力较弱，无法独立进行控制操作，以至于会降低整个系统的输出功率；除此之外，单级逆变器结构不具有很好的灵活性，无法进行功能拓展，且需要较高的直流输入，无法适应并网光伏阵列模块中较宽的直流输入范围。因此，为了提高并网光伏发电系统的运行效率与降低系统开发成本，一般对光伏阵列模块采用两级甚至多级转化结构，即通过DC-DC 变换器实现光伏阵列中每个光伏模块最大功率点的跟踪、将单个光伏模块所得的太阳能通过 DC-AC 逆变器投入电网的光伏并网发

48、电系统中10。普通的逆变器和用于并网系统的逆变器是不同的，而对于用于并网系统的逆变器，根据逆变器在光伏发电系统中的不同用途可以分为独立型电源用和并网用两种。根据波形调制方式不同又可分为阶梯波逆变器、方波逆变器、正弦波逆变器与组合式三相逆变器。对于用于并网系统的逆变器，又可根据有无变压器分为变压器型逆变器与无变压器型逆变器。而有变压器型又可作进一步的细分，可以分为工频型与高频型。对于无变压器型而言，一旦有人员不慎碰触到了光伏侧的正极或者负极，电网就会通过该桥臂形成闭合回路，进而对人体会造成非常大的伤害甚至会出现生命危险。因而，基于安全角度考虑，在某些地方，光伏并网发电逆变器的最后一级必须要加入变

49、压器，才能输入电网。工频型逆变器在当前并网系统中也被较为广泛的使用，但该结构体积大、重量大、效率较低；高频型逆变器也是被光伏发电系统常用的结构之一，与工频型逆变器相比具有重量轻、体积小等诸多优点，且其系统的转换效率较前者也改善很多，提升大约12%的幅度；对于DC-DC环节可以采用多种形式的拓扑结构，通过调控连接在光伏阵列和负载之间的 DC-DC 变换器占比空间来有效实现最大功率点跟踪：解耦交流能量和直流能量是通过调控DC-DC变换器的输出电容来实现。该变换器输入端的电压受高频开关控制影响产生波动变化会较小，其缺点是若无法有成效控制后一级的输出，则并网发电系统则会向电网馈入直流分量，对于这种情况

50、，可以采用较为先进的控制器或者采取优化控制等方式有效解决这种问题。一般情况下，小型光伏并网发电系统的逆变器，特别是与光伏组件集成在一起的逆变器中多采用这种拓扑结构，这是因为直流侧电压会因为高频变压器会发生较大的变比而得以有效降低11。总的来说，光伏并网发电系统逆变器结构的最佳结构模式当属两级高频型结构。本节主要对几类光伏并网发电系统的典型结构进行对比分析，对结构中存在的问题只进行进行浅浅的探讨，由于学科知识有限等原因，对于结构复杂、承载电流大或设备电压大的光伏发电系统不再进行探讨。其中，并网发电系统的运行效率、对于系统的开发成本费用与系统使用寿命是并网系统结构开发设计中参考的三大主要性能指标。

51、当前，太阳能光伏并网发电系统中使用的逆变器的结构种类多种多样，根据以往研究成果，通常将逆变器分类为高频链结构和直流链结构两种，其结构分类比较如下图3-2所示：图3-2代表性的光伏并网逆变器结构分类3.2.1高频链结构高频链逆变器属高频DC- AC变频器，它可以放大光伏阵列模块所产生的电压，并调制其产生的电流，使之成为正弦波并进一步输入电网12。依据图3-3，把AC - AC转换器与DC-AC变频器进行连接，高频电流从而转换成低频电流并进一步输入电网。高频链逆变器结构需要大的电解电容和光伏阵列模块之间并联以实现各级功率间的解藕。另外，该逆变器的各级间缺乏能量缓存，因此其每级要承受双倍的额定功率能

52、量。因此升压若运用变压器，会使变压器工作在高频。图3-3高频链逆变器的构成与各级电流波形图(1) 单晶体管Flyback型逆变器图 3-4 属于光伏并网 Flyback 型逆变器，它的输出二极管Dac1与输出二极管Dac2 可以选择忽略不计，一旦这两个二极管被忽略，则输出MOSFET管Sac1与输出 MOSFET 管Sac2就意味着应在高频工作，并同步于主晶体管Spv；由此可以看出，尽管两个二极管被省掉了，但是输出晶体管的控制却变得麻烦与困难起来13。图3-4单晶体管Flyback高频逆变器此结构的缺点最主要为变压器与主 MOSFET 管两者均具有高电流峰值，以50kHz、160W逆变器为例，

53、此时工作的峰值电流可以达到 60A。如果主MOSFET管选择关闭，这种状况下变压器二次侧电压就会产生反向传输，至变压器原始边。鉴于变压器泄漏电阻以及磁电流，从而导致主 MOSFET 管关闭时产生一系列的过电压。如果想要避免过电压的产生，我们可以选择 RCD、LCDD 或者主动 SC位电路，但仍不可避免电压反向传输到原边。因而， Spv管道可以对电压幅值大小进行承受：式中，N代表变压器原副边的变比。 如果想要进一步解决钳位电路所具有的问题，一些文献提出将单晶体管Flyback型替换成双晶体管Flyback型逆变结构。 电流通过零点，此时逆变器不具备电流注入电网，此时电网电流会相应产生细微的畸变，

54、从而使功率因数较低。另外，单晶体管 Flyback 型逆变结构下每一级的设计都应该可以承受双倍的额定功率能量，并使大的电解电容并联于光伏阵列模块从而达到各级功率之间的解藕。(2) Flyback与 Buck-Boost组合型逆变器该逆变器结构，可以使直流端的平波电路得到增加，参考下图 3-5，Flyback变换器可以不必与大的电解电容进行并联，但此结构的工作方式要复杂于Flyback型变换器。图3-5大功率解耦Flyback型逆变器当一个新周期开始时，Spv导通，从而变压器磁电流的线性得到加大；如果电流上升并达到参考电流值，晶体管Spv会选择关断，磁电感中的能量会被转移至电容CDC中；一旦电容

55、CDC被充电，晶体管SDC就会被导通；SDC的体二极管被导通，则会产生零电压投切。除此之外，使输出级的一个晶体管和SDC同一时间导通。较于图 3-4的逆变器，此种变压器二次侧具有开关频率更高的晶体管。当二极管DPV对能量从变压器原边向副边转移进行控制时，变压器反向传输会产生一种反向电压。而储能电容CDC则需要承受整个负载电流，因此逆变器就需要具有极强的抗电流纹波能力。如果晶体管关断，变压器自身的漏感将会产生电压尖峰。因此，一般情况下可以用RCD钳位电路进行过电压消除。但是，由于RCD钳位电路会对Buck-Boost转换电路产生影响，导致逆变器无法正常工作。相较于单晶体管 Flyback型逆变器

56、，Flyback与 Buck-Boost 组合型逆变器多了直流端平波电路，因此直流输入侧的总电容得到减小，在大功率解藕得到实现的同时，直流端的低频电压纹波也得到了降低14。3.2.2直流链结构 直流链逆变器可以利用高频 DC-DC变换器放大光伏阵列模块所产生的电压，并利用 DC-AC逆变器对 DC-DC变换器生成的直流电流进行转换，使之成为正弦交流电流并进一步输入电网。具体见图 3-6。 图3-6直流链逆变器的结构与电流波形若 DC-DC变换器仅仅可以放大光伏阵列模块所产生的电压，则可以仅运用小电容对直流连接的两端进行并联，实现解藕；由于这种情况下两极间会产生能量缓冲，因此我们可以把 DC-D

57、C变换器容量假设作为额定功率，DC-AC逆变器容量假设作为两倍额定功率。若是 DC-DC变换器需要对输出电网电流进行调节，就应该把较大的电解电容并联于光电阵列模块两侧，因为这种情况下，两级间就会不存在能量缓冲，因而，对每级的量都需要设定成两倍的额定功率15。(1) 带 Flyback 型变换器的低频逆变器见图 3-7，此种带Flyback型变换器的低频逆变器的结构相对简单，它的电网滤波器能够从直流侧转移至电网侧。低频DC-AC逆变器以可控硅晶闸管作为开关器件，鉴于此种闸管的控制需要电流，因此实际操作起来具有一定的复杂性。而此种结构则具有一系列的优点，如结构简单、Flyback变换器在DCM下工作，可以对电网电流进行很好的控制等。 图3-7带Flyback型的DC-DC变换器的低频DC-