单相光伏发电逆变系统主电路

单相光伏发电逆变系统主电路

的设计TheMainCircuitDesignofSingle-phase

PhotovoltaicInverterSystem毕业设计任务书题目单相光伏发电逆变系统主电路的设计、设计内容光伏发电系统中，逆变系统是极其重要的环节，其可靠性直接影响光伏发电系统的正常运行。逆变系统主电路采用单相单极性SPWM全桥式逆变电路（单相全桥+输出变压器隔离）拓扑结构，对主电路及IGBT吸收电路原理进行理论分析，并在MATLAB下进行建模仿真。逆变系统主电路输出电能有大量高频谐波存在，而负载要求电能清洁无污染，因此，在主电路输出端加一个低通滤波器，滤除高频谐波。二、设计条件逆变系统主电路的各项参数为：输入电压：230VDC--270VDC输出电压：220VAC输出额定电流：5A开关频率：17KHz最大输出功率：1.1kW三、基本要求分析光伏发电逆变系统的工作原理，对系统进行总体设计;设计逆变系统主电路、参数计算、器件选型；主电路仿真实现；设计缓冲电路，进行参数计算，缓冲电路仿真实现；输出滤波器的设计。四、应收集的资料及参考文献五、进度计划第1-2周第3周第4-6周五、进度计划第1-2周第3周第4-6周第7周第9-13周第14-15周开题报告搜集资料，进行系统总体设计设计主电路，参数计算，器件选型，主电路仿真实现中期检查设计缓冲电路，参数计算，仿真实现，输出滤波器的设计答辩毕业设计开题报告题目 单相光伏发电逆变系统主电路的设计一、 研究背景随着全球人口的增加以及工业的发展，人类对能源的需求越发的增多，但是，自然界的一次能源储量有限，能源危机迫在眉睫。就连近代才发展起来的核能发电的原料铀的储量也是有限的，而且还存在着安全与污染的难题，同样不能解决长期的稳定的供电难题。同时，一次能源的开采、运输及使用的过程中都会对人类生存的环境造成严重的污染。目前，由于大量使用一次能源，全世界每年产生约1亿吨的温室效应气体，已经造成了特别严重的大气污染，全秋表面气温逐年增高，造成冰山融化，海平面上升，如果再不加以控制，人类的生存空间也将会受到限制。与此同时人们对环境保护的意识也在不断的提高，因此寻找清洁的可再生的代替能源变得越来越重要。通过研究和实践发现，太阳能是一种绿色的清洁替代能源。并且太阳能是取之不尽的可再生能源并且不需要开采和运输。太阳能作为一种新能源还有一个优点就是清洁无污染，没有任何物质的排放，不会留下污染物。太阳能光伏发电是直接将太阳能转换为电能，而且太阳能发电本身不向外界排放废物，没有机械噪声。因此太阳能是一种非常理想的替代能源。随着电力电子的技术的不断完善，越来越多的国家大力开发太阳能光伏发电技术。二、 国内外研究现状国内研究现状国内太阳能光伏应用仍然以独立供电系统为主，并网系统刚刚起步，但是也取得了不少成果。例如:提出了光伏发电系统并网的一种新方案，即一种应用于光伏发电系统中逆变器的直接电流跟踪滞环控制方法;通过应用状态反馈线性化方法设计了一种非线性控制器，实现了并网逆变器有功、无功分量的独立控制;小功率、高效率等光伏并网逆变器控制系统的设计得以实现;最大功率点跟踪得以研究。高校研究方面，教育部在合肥工业大学成立教育部光伏工程系统研究中心，取得了一系列可喜成果。中科院电工所也致力于光伏发电的研究并于1998年10月在西藏安多县建成100KW光伏电站，这是目前我国发电容量最大、设备配套最先进、最完善的大型光伏电站。此外，清华大学和浙江大学以及武汉大学也在光伏发电方面取得了一定的成果。国外研究现状在国外，并网发电逐渐成为太阳能光伏发电的主要应用领域，太阳能光伏产业已经逐渐形成，并持续高速发展。目前国外并网逆变器技术发展十分迅速，其研究主要集中在数字锁相技术、数字DSP控制技术、孤岛检测技术，和运用模糊控制、神经网络控制、鲁棒控制实现最大功率点跟踪技术，以及综合考虑以上方面的系统总体设计等，解决了最大功率点跟踪及逆变器设计问题，在一定程度上提高了太阳能光伏阵列的转换效率。此外，国外有些并网逆变器同时具有独立运行和并网运行功能。综上所述，目前国外光伏并网逆变器产品的研发主要集中在最大功率跟踪和逆变环节集成的单级能量变换上，功率主要为几百瓦到五千瓦的范围，控制电路主要采用数字控制，注重系统的安全性、可靠性和扩展性，均具有各种完善的保护电路。三、 主要技术指标本设计主要就是进行单相光伏发电逆变系统的主电路的设计。逆变系统是极其重要的环节。其中逆变系统主电路采用单相单极性SPWM全桥式逆变电路（单相全桥+输出变压器隔离）拓扑结构，需要对其进行参数计算以及器件选型，也要对IGBT缓冲电路进行详细的理论分析计算，并在MATLAB下进行了仿真研究。在此基础上完成主电路的设计调试，给出实验结果。2.采用的方法、手段根据设计要求，输入电压为230VDC--270VDC，输出电压为220VAC，光伏发电就是将太阳能转换为电能，此时的转换的电为直流电，再将得到的直流电转换成为220V的交流电。分析光伏发电逆变系统的工作原理，逆变系统的主电路采用单相单极性SPWM全桥式逆变电路，还需设计一个IGBT的缓冲电路起到保护作用。并且由于逆变系统主电路输出电能有大量高频谐波存在，而负载要求电能清洁无污染，因此，在主电路输出端加一个低通滤波器，滤除高频谐波，以达到预期的效果，并在MATLAB下进行建模仿真。四、预期达到的结果实验结果与理论分析计算及仿真结果吻合，主电路输出波形良好，缓冲电路性能达到设计要求，主电路及IGBT缓冲电路研究方案正确可行有效。随着社会经济的快速发展，人类对能源的依赖日益加重，能源短缺和环境污染与经济快速发展的矛盾日益突出。人类为寻求经济的可持续发展，不断在探索可再生的环保的新能源。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生的环保能源，成为人类研究及开发利用的热点，并已经取得了显著的成果。本文以光伏发电逆变系统为研究对象，逆变系统的主电路采用单相全桥+输出变压器隔离，IGBT缓冲电路采用的是RCD缓冲电路，进行了输出滤波器的设计。并且对主电路、IGBT缓冲电路以及输出滤波器进行参数计算和器件选型，最后在MATLAB环境下完成建模与仿真。最终，在MATLAB中完成建模，单相全桥逆变电路实现将直流电转变为交流电，输出电压为220V和输出电流为5A。缓冲电路消除了尖峰电压，实现了对IGBT的保护。关键词：光伏发电逆变系统主电路MATLABAbstractWiththerapiddevelopmentofsocialeconomy,thehumandependenceonenergyincreasing,energyshortageandenvironmentalpollutionandrapideconomicdevelopmentofincreasinglyprominentcontradictions.Humanbeingstoseekfortheeconomicsustainabledevelopment,andconstantlyexploringrenewablenewenergyofenvironmentalprotection.Solarenergyasaninexhaustible,inexhaustiblerenewablegreenenergy,isbecomingahotspotofresearchanddevelopmentandutilizationofhuman,andhasmadesignificantprogress.Photovoltaicinvertersystemastheresearchobjectinthispaper,TheSingle-phasefull-bridgeandtheisolationofoutputtransformertopologyisselectedinmaincircuitofinvertersystem.TheIGBTbuffercircuitisusedinRCDbuffercircuit.Butalsotocompletetheoutputfilterdesign.Andcompletethemaincircuit,IGBTbuffercircuit,anoutputfilterparametercalculationanddeviceselection.Finally,completedmodelingandsimulationintheMATLABenvironment.Finally,CompletedthemodelinMATLAB,Single-phasefull-bridgeinvertercircuitsachievetheDCintotheAC,theoutputvoltageis220Vandtheoutputcurrentis5A.BuffercircuiteliminatesthevoltagespiketoprotecttheIGBT.Keywords:PhotovoltaicinvertersystemThemaincircuitMATLABTOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第1章绪论 1\o"CurrentDocument"1.1课题研究的目的意义 1\o"CurrentDocument"1.2国内外研究现状 1\o"CurrentDocument"论文研究的内容 4\o"CurrentDocument"第2章光伏发电系统概述 5\o"CurrentDocument"2.1光伏逆变器的结构 5\o"CurrentDocument"工频隔离型 5\o"CurrentDocument"高频隔离型 5\o"CurrentDocument"非隔离型 6\o"CurrentDocument"2.2单极性调制方式的研究 7\o"CurrentDocument"2.2.1单边单极性调制 8\o"CurrentDocument"双边单极性调制 9\o"CurrentDocument"2.3太阳能电池光伏发电原理 10\o"CurrentDocument"第3章逆变系统主电路结构分析及设计 12\o"CurrentDocument"光伏发电逆变器拓扑分析 12\o"CurrentDocument"3.2光伏逆变系统主电路设计 14\o"CurrentDocument"工作模态分析 14\o"CurrentDocument"3.2.2主开关器件的选择 15\o"CurrentDocument"输出LC滤波器设计 16\o"CurrentDocument"3.4缓冲电路设计 17\o"CurrentDocument"3.4.1缓冲电路原理分析 17\o"CurrentDocument"缓冲电路参数计算 19\o"CurrentDocument"第4章光伏逆变器主电路的MATLAB仿真及结果分析 21\o"CurrentDocument"MATLAB软件介绍 21\o"CurrentDocument"4.2仿真建模的模块介绍与参数设定 21\o"CurrentDocument"4.2单相逆变电路建模及仿真分析 26\o"CurrentDocument"单相逆变电路仿真模型建立 26\o"CurrentDocument"仿真结果与分析 27\o"CurrentDocument"缓冲电路仿真与分析 27缓冲电路电路仿真模型建立 27缓冲电路仿真结果与分析 28\o"CurrentDocument"第5章结论与展望 29\o"CurrentDocument"结论 29\o"CurrentDocument"展望 29\o"CurrentDocument"参考文献 30\o"CurrentDocument"致谢 31附录外文资料 32第1章绪论1.1课题研究的目的意义随着世界经济和社会的快速发展，三大化石能源这些一次能源的储量正在快速的耗尽，能源危机已成为人类面临的最大挑战。因此，为了确保人类生存环境，同时减少空气污染，保持能量的长期稳定供应，国家在发展可再生能源，与水电，风电，核电相比，太阳能发电具有无噪音，无污染，制约少，故障率低，易维护等优势。此外，丰富的太阳能是便宜和取之不尽的能源，太阳能每秒钟到达地球的能量高达80万KW，如果把地球表面的0.1%的太阳能转化为电能，且转化率为5%，那么每年发电量非常可观，相当于目前全球能耗的40倍。随着世界经济社会的快速发展，传统能源大量使用消耗造成了严重的能源匮乏，许多国家都将注意力转向了以太阳能、风能为主要能源的新能源领域。其中，太阳能由于储藏量巨大、不受地域限制、便于安装、利用多元化和技术相对成熟，使得太阳能得到了广泛的开发和利用。现在，一般将光伏发电系统按照容量的大小而划分为大型光伏发电系统和小型光伏发电系统，其中大型光伏发电系统要在光照面积大和光照强度强的的地方去布置大量的光伏列阵来收集电能，然后将收集到的电能去进行并网对其他用户供电，但这也就面临着诸多的难点，比如设备投资会很大，而且适合进行光伏发电的环境比较少从而导致光伏发电站的数量很少。而小型光伏发电系统成本低，分布广泛，具有很高的应用价值。此外，小型光伏发电系统一般可分为离网和并网，由于小型光伏发电系统的容量较小，相对于当地电网所需电能微乎其微，并网价值不大，对电网的安全稳定运行会产生较大影响。离网光伏发电系统成为了目前的研究重点和热点。1.2国内外研究现状随着工业发展，光伏产业也得到了充分发展和利用，根据2011年9月一份由欧洲光伏产业协会公开发布表示，到2020年，欧洲光伏发电产业发展将会与其他传统能源发电产业产生强烈的竞争局势，欧洲部分地区光伏产业将有可能在2020年之前就具备了强大的竞争优势［1。由于适宜的政府政策引导及自由化的市场条件，部分欧洲各国市场上的太阳能光伏发电产业将会在2013年形成具有核心竞争力的发电规模。同时，欧盟各国家正处于努力提升可再生能源等一系列新能源在总能源消费中所占比例，预测至2020年所占比例将有望达到20%。与此相比，德国计划到2020年将达成35%的比例目标，其自从上世纪90年代德国就开始超过整个欧盟平均水平。同时，美国也推出了一些列发展太阳能的策略，比如光伏先锋计划等等，来大力推进和加速本国光伏发电技术的发展。伴随着全世界光伏产业的不断进步，光伏逆变器的市场也迎来了高峰期。在“十一五”期间，中国的太阳能电池生产水平翻倍的成长。连续5年在世界年产量名列前茅。随着生产设备不断完善，我国光伏设备国产化水平的不断提高，国内光伏市场逐步启动，中国的光伏市场也慢慢地开始稳步提升。到2010年，中国的光伏发电累计装机容量达到800MW，那么新增装机容量足足多达500万千瓦，同比上升了66%几乎实现了翻一番。截至2011年底，光青海电网已并网的大中型光伏电站40座，容量达100MW，全国电网太阳能光伏装机容量2143000千瓦中型网络。虽然中国光伏产业产能和产量达到了世界第一，但现在，随着在国内生产，国外光伏产品实际上是增加进口，这说明国内光伏产品的技术水平还不足，生产效率低下，另外，我国晶硅电池和薄膜电池生产线上的关键设备辅佐材料等还主要依靠进口，这都是我们日前的不足之处。同时根据逆变电路中逆变环节的不同，将逆变器按其作用划分成为工频逆变器和高频逆变器两种。工频逆变器是将输出的50Hz交流电经工频变压器升压到用户或者负载所需的电压值。这种逆变器结构简单、工作稳定，主要运用于太阳能电站。但是其电路结构自身的特点决定了它不合适带感性负载，此外工频变压器绕组匝数多，体积大且价格昂贵。为了解决工频变压器的占地面积大以及设备沉重的问题，技术人员试图在逆变电路中使用高频变压器来减小占地面积大的问题。在20世纪70年代，20kHz的PWM高频开关电源技术被应用于逆变器领域，但由于当时高频功率开关管技术还不成熟且价格较高，高频逆变器的研制进展缓慢。到了80年代，随着MOSFET、IGBT等高频功率开关管的技术成熟和成本下降，高频逆变电源技术才得以快速发展。高频逆变器先将光伏电池组发出的低压直流电压经高频逆变得到低压高频交流电压，在经高频逆变器升为高频高压交流电，接着进行整流得到高压直流，然后对高压直流进行工频逆变得到负载所需的工频交流电压［2。由于采用了高频逆变环节，所以大大减小了逆变器的体积和重量，得到了广泛的应用。虽然高频化有大大缩小了设备的占地面积的优点，但是它也会伴随着一些问题的发生，比如随着电力电子技术的不断提升，开关频率不断加快也就带来这开关的功率消耗不断提升，想使高频带来的开关的功率消耗不断降低，谐振变换的思想被提出并应用在逆变器中。谐振型逆变器即采用零电流开通和零电压关断技术，消除开关损耗，进而提高效率。相关实验证明：谐振型逆变器在相同开关频率下比非谐振逆变器的损耗低30%-40%［3］。此外，模块化也是光伏逆变器的一个发展趋势。逆变器各部分的模块化，有利于系统的可靠稳定运行，减少分立元件相互间的干扰，同时也能降低损耗。与此同时，小型逆变器性能不但依赖于良好稳定的硬件性能，更依赖于高效、稳定的逆变控制算法。逆变控制算法的研究将会是今后国内外光伏逆变领域研究的重点和难点。虽然我国光伏发电在过去几十年在技术上有了飞速的发展，但是，还是存在着一些问题，总结如下：(1)可靠性相对较差相关研究证明，影响逆变器可靠性的主要因素是：光电耦合器、电解电容器和磁性材料。但是，目前国内的逆变器生长厂家多使用第一代的铁磁材料，这种材料饱和磁通密度较低，在时间较长功率较大的情况下很容易出现故障。(2)效率较低与国外同类逆变产品相比，国内逆变器开关损耗较大，且谐振逆变结构采用较少，造成了整体逆变产品效率不高。(3)逆变核心技术还有待研究目前市场上应用的发电系统的逆变器主要采用经典PID控制算法，其结构简单、动态性能良好和具有高可靠性。但是其对稳态误差的控制并不十分理想。基于目前小型发电系统的逆变器控制算法单一同质化的情况，有必要在经典控制算法的基础上研究其他多样化的算法，其中包括现代控制算法。高频链结构的光伏逆变主电路拓扑，这种结构拓扑由推挽逆变电路、高频变压器、整流滤波电路。后级全桥逆变电路和输出滤波电路组成，虽然采用了高频环节节省了整体体积，但是由于环节过多，控制算法相对复杂，一定程度影响了系统的可靠性。此外，电压电流PI双闭环控制由于简单易行控制优良，在逆变器上已广泛使用。虽然双闭环控制中电流内环不但能抑制直流电压的波动，还能对输出LC滤波器产生的相位延迟校正。但是在实际使用中，当系统负载突然变化时，逆变输出电压会发生很大变化，不能满足逆变输出电压要求［4］。此外，传统的逆变器控制是通过模拟分立元件或芯片来进行，随着微处理器技术和数字信号处理技术的发展，对逆变器实行数字化控制也是十分有必要的。因此，基于以上所述，为了研制一种稳定可靠、性能优良和低成本的光伏逆变器，本文提出了带变压器的光伏系统结构，以单相全桥为逆变器主拓扑结构，将直流电通过逆变桥再经LC滤波转化成交流电压。1.3论文研究的内容根据设计要求，输入电压为230VDC--270VDC，输出电压为220VAC，光伏发电就是将太阳能转换为电能，此时的转换的电为直流电，再将得到的直流电转换成为220V的交流电。分析光伏发电逆变系统的工作原理，逆变系统的主电路采用单相单极性SPWM全桥式逆变电路，还需设计一个IGBT的缓冲电路起到保护作用。并且由于逆变系统主电路输出电能有大量高频谐波存在，而负载要求电能清洁无污染，因此，在主电路输出端加一个低通滤波器，滤除高频谐波，以达到预期的效果，并在Matlab下进行建模仿真。第2章光伏发电系统概述光伏发电的原理是通过光照射在太阳能电池板上发生光生伏特效应将得到的直流电通过逆变系统转化成交流电。光伏发电系统有两大类，一类是与电网进行连接的发电模式，将其称为并网发电系统。另一类是简单的光伏发电系统，它是不与电网相连的一种发电模式，这种发电模式一般是应用光伏蓄电池去储存夜晚的用电的能量。本章将会具体描述一下几种逆变器的结构、单极性调制的原理以及太阳能电池板的具体的工作原理。2.1光伏逆变器的结构2.1.1工频隔离型工频隔离型是指带工频变压器的逆变器结构，它是将通过太阳能电池通过光生伏特效应产生的DC（直流电）转化成为AC（交流电），然后将工频变压器置于逆变器与电网之间，从而达到电气隔离防止漏电的发生，保证了工作人员的人身安全避免发生触电，如图2-1所示。但是工频变压器也存在了一些缺点，那就是工频变压器的体积很大，导致占地面积大，且成本昂贵，降低了发电的转换效率。这种逆变器通常应用在大功率的单相或者三相的系统中。工频变压器图2-1带工频隔离变压器的并网逆变器2.1.2高频隔离型上节主要介绍了工频隔离变压器，可以发现工频隔离变压器的诸多缺陷，比如它的体积大、重量大、成本高且只适合大功率的光伏发电系统。随着技术的发展，

高频隔离变压器的出现改变了这一现状，它可以适用于小功率的发电系统。它的主要工作原理也是在直流(DC)变交流(AC)的过程中防止漏电实现电气隔离而加入高频隔离变压器。它的优点是减小变压器的占地面积，减轻它的重量，缩小成本。根据高频变压器与变换环节的组合方式不同可以分为含直流环节的变换结构、含伪直流环节的变换结构和无直流环节的变换结构［5,如图2-2所示。高频变压器(a)含直流环节的变换结构图高频变压器(b)含伪直流环节的变换结构图高频变压器(c)无直流环节的变换结构图图2-2带高频隔离变压器的并网逆变器结构图随着技术的进步，高频隔离变压器的出现满足了小功率的发电需求，丰富了拓扑形式，但是也存在着许多的缺憾，它会使系统的变换环节变的更加麻烦，转换的效率会降低，转换效率为90%到95%。2.1.3非隔离型非隔离型并网逆变器(TransformerlessGrid-connectedInverterTLGCI)结构不含变压器(高频和低频)，拥有变换效率高，体积、重量和成本低等优势，据PhotonMagazine报道，系统最高变换效率达到98%以上，迅速得到各国科研人员的重视和

工业界的追捧，首先在欧洲国家得到应用［6。图2-3(a)和(b)分别为非隔离并网逆变器的两种构成方式：单级式和两级式。两级式并网逆变器可以适应宽的输入电压范围，系统分级优化和控制，因此整个系统设计非常方便；单级式变换器适用于更高的光伏电池串电压，要求低输入压不低于电网电压峰值，系统变换效率更高，最高可达98.8%。(a)单级式结构图(b)双级式结构图图2-3无隔离变压器的并网逆变器2.2单极性调制方式的研究SPWM的调制是通过控制载波与正弦波来实现调制的，本文主要采用的是单极性的调制，所以下面简述一下单极性调制的两种方法，第一种为单边单极性SPWM调制，称它为单边SPWM调制是因为将载波也就是所谓的正弦波的负半周通过整流翻转到正半周，三角波(调制波)一直在正半周，如图2-4(a)所示；第二种方法称为双边单极性SPWM调制，它的载波也就是正弦波是一个完整的正弦波，并不需要去进行翻转，而三角波(调制波)的正负是和载波的正负一致的，载波为正三角波为正，载波为负三角波为负，如图2-4(b)所示。

(a)单边单极性调制的波形图(b)双边单极性调制的波形图图2-4两种SPWM调制波形图单边与双边的调制方法不同，所以它们的控制电路也有所不同，下面本文就简单介绍一下两种控制电路。2.2.1单边单极性调制单边SPWM的控制方法如图2-5所示。图2-5中的Sg3及5幺4分别对应高频臂上下管的驱动信号；Sg1分别对应低频臂上管Sg2对于低频桥臂的下管驱动信号。由于

图2-5单边SPWM控制电路图在低频臂切换的同时，把输出误差信号人为地放电，使其为0,这样就可以减弱在过零点时刻所引起的振荡；人为地把低频臂信号超前或滞后一定相位，但是，这一方案由于低频臂信号的相位受负载轻重的影响，实际上难以做到准确。2.2.2双边单极性调制双边SPWM的控制电路如图2-6所示。由于低频臂的切换作用，高频臂PWM输出性质随之改变。例如，过零前S1的窄脉冲对应为输出低电压，低频臂切换后突然成为高电压。然而与单边SPWM控制所不同的是，双边SPWM中的反相动作是与低频臂同时进行的。由于控制器中的输出没有突变，低频臂的切换也不会造成输出的突变。

图2-6双边SPWM控制电路图通过以上的理论分析，得出单边SPWM会在过零点处发生突变，使得逆变器在过零点的输出波形发生畸变，这一问题不论是在MATLAB仿真，还是实际试验中都有体现。在过零点附近逆变器输出电压波形会以直线趋势迅速下降，但加入闭环控制以及增大负载功率都使得这一问题得到了缓解。因此综上所述，本设计采用的是双边单极性的控制，可以减少在过零点时发生突变。2.3太阳能电池光伏发电原理太阳能电池本质上可看成一个半导体二极管，当它受到太阳光照后就会产生光生伏特效应，立即可以输出直流电。其发电原理是：将硼放入到浓度非常高的半导体里面可以形成一种新型的半导体（P型半导体），加入磷的时候也可以形成一种新型的半导体（N型半导体），当两种新型的半导体组合以后构成新的PN结。当太阳光照射在PN结上的时候，负电荷会飘向N型半导体，正电荷会飘向P型半导体移动从而造成电势差。太阳能电池将光能转化为电能的整个过程可以归纳为三个主要步骤：第一步，太阳能电池在接收太阳光照射之后，在光伏电池中半导体内产生电子和空穴；第二步，由第一步产生极性相反的电子和空穴在半导体内电场的作用力下发生分开；第三步，电子和空穴分别聚集到太阳能电池的正极和负极两段，形成电势差，进而获得电能。它的工作原理如图2-7所示。图2-7太阳能电池的工作原理太阳能电池就是将将太阳能转换成为电能，它是太阳能发电的基本元件，太阳能电池经过串联或并联后组成太阳能电池组，再将这些太阳能电池组进行串联与并联变成一个个光伏列阵，通过这些光伏列阵来收集太阳能通过整流电路与逆变电路变换成为平常使用的电能。第3章逆变系统主电路结构分析及设计3.1光伏发电逆变器拓扑分析本文采用的都是单相逆变器，光伏逆变器就是把通过光伏列阵产生的直流电(DC)转换成为交流电(AC)。目前逆变器的拓扑结构分为三种，分别是推挽式逆变器、半桥式逆变器、全桥式逆变器。下面我们就简单介绍一下这三种结构的逆变器。如图3-1所示的是推挽电路的结构，其驱动电路发出驱动脉冲来控制IGBT开关管£与％的基极，按照SPWM的方式来控制开关管的交替通断，将输入的直流电压U转换为高频交流电压U。当S导通，直流电压U经S连接到变压器的原边i 0 1 i1绕组N两端，因为变压器有两个相等匝数的绕组N，所以当S导通时，开关管S将1 1 1 2承受两倍直流电压。当施加在S1上的控制脉冲消失时，两个开关管都截止，集电极电压和发射极电压都为直流电压'。在下半周期，S2导通，*上承受两倍直流电压，然后又是两开关管都截止，承受直流电压，如此不断重复。1UoUo变压器利用率较低。但是，推挽电路也有整个只需要两个，节省成本，而且可以输推挽电路由于开关管要承受两倍直流电压，所以给选择开关管带来了困难，同时，由于原边绕组仅有一半时间在工作，它的优点，推挽电路需要的IGBT变压器利用率较低。但是，推挽电路也有整个只需要两个，节省成本，而且可以输与全桥相似，但是开关管只有两个，其余如图3-2所示的是半桥电路的结构。与全桥相似，但是开关管只有两个，其余两个被电容C1和C2替代。根据半桥电路的拓扑结构可以发现，半桥电路IGBT两端的最高可以承受的电压要小于输入的直流电压(DC)，电路中IGBT的数量与推挽

电路中的数量相同，是全桥电路中IGBT数量的一半。但是半桥电路也有它的缺憾，通过电路结构可知，变压器上的输出电压仅为输入电压的二分之一，如果想要得到与推挽电路和全桥电路相同的输出功率，IGBT必须要承担原来2倍以上的电流，还可以发现半桥电路在直流侧两端加入了2个电容，这两个电容的作用是为了充放电，并且电压的峰值会有一定的缓冲，达到保护的目的。一般情况下，半桥电路只适合输出中等的容量。+L2图3-2半桥电路结构图图3-3所示的是全桥电路的结构：桥的两臂由S，S，S和S组成，输出电压L2图3-2半桥电路结构图连接在两个桥臂的中间，按照PWM方式经过驱动电路来控制主电路开关管S1、S4和S2、S3的交替导通，将输入的直流电压被转换为需要的工频交流电压。14图3-3全桥电路结构图因此，全桥电路开关管在稳态时最大电压等于输入直流电压，暂态尖峰电压，由于在钳位二极管的存在下，被钳位于其输入电压，因此要比推挽电路的暂态尖峰电压要小一半，这就便于开关管的选择，也能够输出较大的功率［7。同时，钳位二

极管能将漏感储能回馈给输入电容，可以提高效率。但电路中两个桥共有4个开关管，相对元器件的数目较多，电路较复杂。综上所述，全桥电路与半桥电路以及推挽电路比较的话可以发现其IGBT两端需要承受电压比较低较低，同时在承受低电压的同时其输出功率是半桥电路的2倍，适用于大功率的输出环境。因此，本设计选择的结构为全桥式电路拓扑结构。3.2光伏逆变系统主电路设计根据题目要求，主电路的拓扑结构采用单相单极性全桥逆变电路的拓扑结构。整个系统包括全桥逆变主电路，直流电压(DC)输入，IGBT缓冲电路，输出低通滤波电路和隔离变压器。本章中将重点阐述逆变系统的主电路的实现与设计。如图3-4所示。U1U1图3-4光伏逆变系统主电路设计结构图本设计中光伏逆变系统主电路拓扑，主电路由2个桥臂4个开关管构成，输出采用LC滤波方式，由于单相全桥逆变结构不具备隔离作用在并网过程中会产生漏电流，所以输出部分连接一个工频1:1变压器来起到隔离保护的作用。3.2.1工作模态分析工作模态I：如图3-5所示，当处于正半周期时，*、七以相同的驱动信号控制；此时时S、S处于常断状态。在此模态下，输入直流电源经由S、滤波电感3 2 1气、隔离变压器、S4构成回路向电网供电。桥臂输出电压为：1 4 Uhc

图3-5工作模态I原理图工作模态II,负半周工作时，高频管S、S以相同驱动信号控制，S、S常2 3 1 4断。S、S导通时，如图3-6所示，输入电源经S、隔离变压器、滤波电感L、S2 3 2 1 3构成回路向电网供电。桥臂输出电压为：U=—U3.2.2主开关器件的选择直流电压的波动会影响输出交流电能，并且直流电压波动越大，输出交流电能质量越差。为了尽量提高主电路输出交流电能的质量，应降低直流电压的脉动，因此通常在直流侧并联大容量的电容，起到滤波和无功功率交换的作用。

设V为逆变系统主电路输入直流电压，为直流电压的变化量，P为逆变器的瞬时输出功率。主电路稳定工作时，直流电压为250V，电压的变化量为20V，则PWVPWVAV1100100兀・250•20(3-1)在正常状态下IGBT开通越快，开通损耗也越小。但在开通过程中如有正在续流二极管的反向恢复电流和吸收电容器的放电电流，则开通越快，IGBT承受的峰值电流也就越大，甚至急剧上升导致IGBT或续流二极管损坏。此时应降低门级驱动脉冲的上升速率，即增加门级电阻的阻值，抑制该电流的峰值。其代价是要付出较大的开通损耗。当门级电阻R增加时，IGBT的开通与关断时间增加，进而使每脉冲开通能耗和关断能损也增加：当门级电阻R减小时，IGBT的电流上升率di/dt增大，这也会引起IGBT的误导通，同时门级电机R上的损耗也增加。根据上述两种情况R的选择原则是，在开关损耗不太大的情况下，应选用较大的门级电阻R。门级电阻"的阻值对于驱动脉冲的波形也有较大的影响，电阻值过小时会造成驱动脉冲振荡，过大时驱动波形的前后沿会发生延迟和变缓。本系统中将230-270V作为逆变器输入电压，留有两倍余量的情况下本设计选择耐压能够达到600V的管子，由于输出最大功率为1.1KW，逆变器输出电压为220V，逆变器的输出流约为5A右，同时考虑到IGBT的开关性能等因素，本设计选择英飞凌公司的K20T60作为主电路的开关管。3.3输出LC滤波器设计假设额定负载为线性负载，LC滤波器的传递函数是一个二阶震荡环节，忽略,c和rL，滤波器在阻性负载下的转折频率和阻尼比分别为：七』 （3-2）(3-3)在w«w的低频段，滤波器增益为1，相位为零，在w>>w的高频段，滤波器增益以-40dB/dec的斜率下降，相位从零变为1800。因此LC滤波器主要对中高频段影响较大，对低频段影响非常小。一般要求LC滤波器的转折频率为开关频率的1/10左右，保证对开关频率附近的谐波具有良好的衰减效果。阻尼比&主要影响在转折频率处的谐振峰值，&越小，谐振峰值越大，在空载情况下（趋近于零，谐振峰值最大，系统最容易出现瞬态震荡导致不稳定［8。增大电感L上的等效电阻可以增

大E，但会使电感的损耗加大，因此需要折中考虑&的取值。滤波电感的取值还需要考虑最大脉动电流，L上的最大脉动电流为:Lmax-dr2Lmax-dr2Lf(3-4)式中，udc为直流母线电压，f为开关频率。滤波电感上的最大电流脉动我们总是希望越小越好，但是会使电感过大，使逆变器重量和体积加大。本文中额定功率1.1kW，直流母线电压为250V，按常规通常取为负载电流峰值的10%-20%，取最大脉动电流为15A，于是有：L= ^-dc L= ^-dc 2f△/sLmax250V2x17000x15=490pH(3-5)滤波电容的选出必须考虑以下几个因素：电阻的大小会使输出的电压的变化。换流时，由于高频变压器的漏感、引线电感、二极管结电容所引起“寄生”振荡，导致输出过电压。控制电路设计不当或调试不当引起的过电压。一般要求LC滤波器的转折频率为开关频率的1/10左右，保证对开关频率附近的谐波具有良好的衰减效果。转折频率为：(3-6)1一，

—— =1.7kHz(3-6)2兀v'LC解得：C=2.13叩综上所述，本文综合取值：L=500pH，C=2.2pF。3.4缓冲电路设计3.4.1缓冲电路原理分析本设计中缓冲电路由一个二极管与一个电阻并联再串联上一个电容构成，将这样的电路叫做RCD缓冲电路。在IGBT的应用中，随着电路中电压，电流和频率的增加，电路中对IGBT的保护就显得相当重要，因此缓冲电路是必不可少的保护igbt的辅助电路。缓冲电路开关管％的开断时的工作过程及相应的等效电路如图3-7所示。何 (f) (h)图3-7缓冲电路工作过程及相应的等效电路图匕开通后进入稳态。流过匕的负载电流为I。当V的栅极上加入关断信号，V转入恢复阻断能力时，电流I通过V的集电111极与发射极之间的寄生电容流通，Uce1电压升高，然后由于tDomtDon而使VD11导通，一部分电流转移到％成为％的充电电流，匕上的电流减小了C；经气2、负载和电源负极构成cs2的放电回路。。C2的放电电流成为一部分负载电流：C：中的一部分能量消耗在rs2上。 52 52V完全恢复阻断能力，VD正偏置。由于VD的开通延时t的作用没能导1 2 2 Don通，故CS1继续充电而流过一部分负载电流，CS2继续放电承担一部分负载电流。C：］仍然过充电，VD2开始续流，负载电流I由上桥臂向下桥臂换流，七继续放电。VD完全续流，C和C放电，C上过充电能量的一部分消耗在R上，另TOC\o"1-5"\h\z2 S1 S2 S1 S1一部分反馈到直流电源。Cs2放电完毕，VD2进入稳态续流。在PWM方式下工作时，V再次导通，V与VD之间进行换流。V中电流增1 1 2 1大，VD最小电流减小。V与VD之间换流完毕，V上流过负载电流I，C的放电电流和C的充电1 2 1 S1 S2电流仍然继续进行。C&放电和CS2充电过程结束后.工作状态与图3-7(a)所示相同。3.4.2缓冲电路参数计算在上一小节中本设计提出设计了一中RCD缓冲电路，并对其工作过程和原理进行了分析。在实际应用中需要根据原理计算相关参数，本节中将对RCD缓冲电路的实际参数进行计算。(1)缓冲电容Cs的计算因为缓冲电路起到的是保护的作用，当R越小。C越大时，缓冲电路起到的保护作用会更明显，但是我们也要考虑到电阻R的损耗功率不能太大。当IGBT由关断到再次开通时，缓冲电容C上储存的电能将会以热损耗消耗在电阻R上。R的功率消耗为：1 ” CP=-CV2f (3-7)R2CE公式中Vce为IGBT的最大集电极和发射极的电压，Vc^e=270V。公式中f为开关频率为17kHz。由于要尽量降低电阻R上的热损耗，所以一般取PR<120W。TOC\o"1-5"\h\z。…-CV2f<120 (3-8)CE解得C=9.68X10-7F实际选择C=0.01rF⑵缓冲电阻Rs的计算当IGBT导通以后，要在下次关断完成前完成放电，是为了保证缓冲电容的两端的电压的初始状态值为0。因此，RC的放电的时间常数需要受到控制，我们通常情况下会假定超过3倍的时间常数可以使RC完成放电，那么：3RC<T (3-9)式中T=OT,其中D为IGBT导通的平均占空比，D=40%=0.4；式中孔为开关的周期，孔=1=17:［丁总58.8ps。所以，=7840T_0.4x58.8x10-所以，=7840R<on=3C 3x0.01x10-6当计算缓冲电阻的时候还需要考虑去控制放电的电流，要让放电的电流/办必须要小于集电极电流ic的14，即：

(3-10)I=^ce<0.251(3-10)disR C270=45Q。0.25x24公式里匕为集电流的电流，根据IGBT参数可知七=24A270=45Q。0.25x24所以R>^CE0.251C最后，R选用50Q的电阻。第4章光伏逆变器主电路的MATLAB仿真及结果分析4.1MATLAB软件介绍本课题使用Simulink软件对控制系统进行了仿真。Simulink是MATLAB软件里一款功能强大的工具，它更是一个能够根据MATLAB内部对话框来完成可以动态的建立模型的软件模块。现在这款软件已经被许多科研人员大量应用在各种线性或非线性的数字信号处理分析的研究中。它具有对各种各样的采样时间实行模拟的优越能力，同时也能用于具有多速率的各种系统，即针对系统中各个部分分别使用不一样的速率进行采样。为能够建立一些动态系统的模型，它还提供出一个可以直接调用的模块接口，使用这个接口时只需要找到所需模块并将其拖入系统图中即可。使用后就会发现这是一种非常容易操作，非常简单明了的功能。在建立好调速控制系统模型之后，只需要单击运行按钮，就可以直接观看仿真结果。而在调节传递函数或调节器时，只需双击模块在对应处输入数据。在这里可以看出，Simulink是一款非常适用于建模仿真分析的工具，相比传统方式它确实具有很多优点。在创立调速控制系统模型的基础上进行研究是一个以系统模型为中心、以实现系统的要求和指标为目的进行系统的设计、实现、测试及验证的过程。用Simulink软件仿真可以分为这样几步：（1）在库中拖出研究要用到的要的基本元件模块；（2）按所研究的系统摆放好模块然后拖动连线，并对调节器、传递函数等模块输入参数；（3）点击运行开始仿真，点击示波器观看输出波形；（4）对仿真输出的结果进行分析，需要调试的还需结合输出对调节器进行调试。4.2仿真建模的模块介绍与参数设定（1）IGBT模块逆变电路主电路的设计中与要用到IGBT模块，IGBT模块如图4-1所示。图4-1IGBT模块图IGBT管叫做绝缘栅双极性晶体管，本设计选择的是带续流管的IGBT模型，这个反并联的续流二极管起到的保护的作用。由于 matlab软件只是进行仿真，所以IGBT的参数设置使用的是默认值，参数图如图4-2所示。r* 1BlockParameters:1GET1 'S3'IGET/Dioce(nask；上nit)IiipLeventsar.idealIGBJjGiOjorMosze:aniantiparalleldioce.Faran.eterEInternalrtsislanceRon:Q】uhm):：e-3EnublerresistanceRs:Ohms);eEnublercafaciianceCs(F):mzShowmsasurenientportOKCancelHelpApply图4-2IGBT模块参数图spwmgenerator模块逆变电路主电路的设计中需要用到spwmgenerator模块，spwmgenerator模块可以称为spwm发生器，通过它来产生驱动IGBT模块的驱动脉冲，spwmgenerator模块如图4-3所示。>Signal(s) Putses>&PWMGeneratori图4-3spwmgenerator模块图本设计主电路采用的是单相全桥逆变电路，所以spwmgenerator模块选择的是单相全桥(两臂)型，根据设计要求，载波频率选择为17000Hz，spwmgenerator模块详细参数如图4-4所示。FunctionBlockParamet印5：SPWMGenerator |贸|PWGenerator(mask)(link)Thisblockgeneratespilsesforcarrier-based(PulseWidthModelation)jsei:-commutatedIGBTSjGTOsorFETsbridges.Dependingonthenumberofbridgeselectedinthe""GeneratorModeaparam^terjtheblcckcanbeusedeitherforsinglt-phaseorthree-phaseFWcontrol.ParametersGeneratorMode2-armbridge(4pulses) tCarrierfrequency(Hz):17000Internalgenerationofmodulatingsignal(s)OKCancelHelpApply图4-4spwmgenerator模块参数图sinewave模块sinewave模块是正弦波信号模块，这里是用来产生信号波，也就是所谓的调制信号，sinewave模块如图4-5所示。图4-5sinewave模块图本设计需要的调制信号为220V的正弦波形。所以sinewave模块参数设置时幅值选为220，已知正弦波的频率为50Hz，根据公式①=2兀f，计算得出角频率为314rad/s。sinewave模块的详细参数计算如图4-6所示。

图4-6sinewave模块参数图controller模块controller模块是一个控制模块，将该模块内部展开，如图4-7所示。图4-7controller模块图由上图可知I-in引脚接的是主电路输出的电流信号、V-in引脚接的是主电路的输出电压信号，carrier引脚接的是sinewave模块发出的正弦信号，out引脚接spwmgenerator模块，给spwmgenerator模块输入调制信号。由上图可以发现controller模块的作用是为了实现电压反馈与电流反馈，可以更好的实现控制。其中PI模块是比例与积分环节，PI的参数是经过调试得出的。CurrentMeasurement模块CurrentMeasurement模块是电流测量模块，作用是检测电流，当它串联在电路中相当于电流表的检测笔，它的输出端"i”为输出电流信号。CurrentMeasurement模块如图4-8所示。+i=图4-8CurrentMeasurement模块图VoltageMeasurement模块VoltageMeasurement模块是电流测量模块，作用是检测电压，当它串联在电路中相当于电压表的检测笔，它的输出端"v”为输出电压信号。VoltageMeasurement模块如图4-8所示。+Cv5图4-9VoltageMeasurement模块图PulseGenerator模块缓冲电路的仿真中需要用到PulseGenerator模块，PulseGenerator为脉冲发生器，PulseGenerator模块如图4-9所示。图4-10PulseGenerator模块图IGBT的门极电压一般为15V，所以选择PulseGenerator模块的驱动幅值为15,占空比设置为40%，PulseGenerator模块的参数图如图4-11所示。图4-11PulseGenerator模块参数图4.2单相逆变电路建模及仿真分析4.2.1单相逆变电路仿真模型建立单相逆变电路主电路仿真模型如图4-12所示。图4-12单相逆变电路的仿真模型图4.2.2仿真结果与分析单相逆变电路输出电压及电流波形如图4-13所示。Ai\i1 \J \1 \■' Li 1f 、i1 1/ 11 1i "i\11 1!\Il'I■1j:f■\/i fI ,!; 1)1\I■ 1k J\ /1-Wnr'JV'•V*图4-13单相逆变电路输出电压及电流波形图与设计要求相同，输出电压为220V，输出电流为5A。4.3缓冲电路仿真与分析4.3.1缓冲电路电路仿真模型建立缓冲电路仿真模型如图4-14所示。图4-14缓冲电路的仿真模型图

4.3.2缓冲电路仿真结果与分析缓冲电路仿真波形图如图4-15所示。图4-15缓冲电路的仿真波形图通过波形图可以看出，IGBT导通时，IGBT两端并没有出现尖峰电压，波形是以一个平缓的姿态上升到最高点，并不会对IGBT实现电压冲击，所以证明缓冲电路仿真成功，实现了对IGBT的保护。第5章结论与展望5.1结论随着可持续发展大趋势的进行，能源危机日益严峻，太阳能作为未来主要能源之一，逐渐成为研究热点之一。本文以单相光伏发电逆变系统的主电路为研宄对象，所做的主要工作如下：逆变系统主电路采用单相单极性SPWM全桥式逆变电路(单相全桥+输出变压器隔离)拓扑结构，完成了主电路的设计，并在MATLAB下进行建模仿真。对IGBT吸收电路原理进行理论分析，完成了IGBT吸收电路的设计，并在MATLAB下进行建模仿真。⑶逆变系统主电路输出电能有大量高频谐波存在，而负载要求电能清洁无污染，在主电路输出端加一个低通滤波器，滤除高频谐波，完成了LC滤波器的参数计算。本设计通过MATLAB仿真实现了输出交流电压220V，输出电流5A。缓冲电路的仿真实现了对IGBT的保护，没有出现尖峰电压。滤波器完成了低通滤波，本设计完全达到设计要求。5.2展望在未来随着不可再生资源的日益减少，太阳能成为新的替代能源已经成为必然。而且太阳能作为一种新能源还有一个优点就是清洁无污染，没有任何物质的排放，不会留下污染物。太阳能光伏发电是直接将太阳能转换为电能，而且太阳能发电本身不向外界排放废物，没有机械噪声。因此太阳能是一种非常理想的替代能源。随着电力电子的技术的不断完善，越来越多的国家大力开发太阳能光伏发电技术。光伏发电在未来也面临着诸多的问题与挑战，光伏发电也具有一定的局限性，比如光伏发电会受到气象条件的影响，当空气污染严重，能见度低时会影响光伏发电的效率，而且光伏发电也会受到时间周期的限制，只有在有太阳时，光伏发电设备才可以正常的使用，白昼黑夜，四季变换都会对光伏发电产生很大的影响。并且随着中国电力电子技术的不断发展，中国也有能力去生产一些逆变器的主要器件，因此中国也应鼓励本国的光伏产业的发展。参考文献梁卓.小型离网光伏发电系统逆变器的研制[D].广州：华南理工大学,2012.⑵王英衢.单相光伏离网逆变器研究[D],合肥：安徽大学,2013.江新金.小型离网光伏逆变系统研究与设计[D].南昌：南昌航空大学,2013.张迪.光伏离网逆变器研制及其PWM控制方法[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2010.易宏，代冀阳，伍家驹.单相逆变系统建模与控制仿真研究[J].计算机仿真,2010.李爱文，张承慧.现代逆变技术及其应用[M],第一版.北京：科学出版社,2000.陈威.基于数字控制的正弦波逆变电源的研究[D].南京：南京理工大学,2009.马宁.太阳能光伏发电概述及发展前景[J].太阳能光伏发电技术,2011.王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社,2010.LiangZhuo,YangPing.DesignoftheInverterinagrid-connectedSmallScaleWindPowerGenerationSystem[D].InternationalConferenceonPowerElectronicsSystemsandApplications,2011.致谢在本文完成之际，谨向我的导师韩兵欣致以最诚挚的谢意！在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，韩兵欣老师对我进行了无私的指导和帮助，不论是毕业论文的选题，毕业论文进度的跟进，还是毕业论文格式的撰写，内容的缺陷，韩兵欣老师都给予了我很大的支持与帮助。本文是在韩兵欣老师悉心指导下完成的。韩兵欣老师严谨求实的治学态度、实事求是的工作作风、深厚渊博的专业知识、敏锐的洞察力以及对专业孜孜不倦的追求，给我深深的教益和启迪，是我今后工作和学习的楷模。同时，我还想感谢一下帮助过我的同学和朋友，在我写论文的过程中他们同样给予了我很多的帮助。他们不仅给我提供了许多的素材，而且还在论文的撰写和排版过程中提供了我热情的帮助。特别感谢在课题研究和论文撰写过程中热情帮助过我的同学！感谢你们的帮助！其次还得感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有这些学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。因此对于这些学者们的感激是必不可少的。最后，衷心感谢学校四年来对我的辛勤培育和谆谆教诲，感谢我们班所有同学，感谢我的家人和朋友，你们的理解和支持使我得以顺利的完成学业，感谢你们对我的鼎力支持！附录外文资料AppliedPhotovoltaicsIntroductionPhotovoltaicsistheprocessofconvertingsunlightdirectlyintoelectricityusingsolarcells.Thefirstphotovoltaicdevicewasdemonstratedin1839byEdmondBecquerel,asayoung19yearoldworkinginhisfather’slaboratoryinFrance.However,theunderstandingandexploitationofthiseffectwastodependonsomeofthemostimportantscientificandtechnologicaldevelopmentsofthe20thcentury.Oneisthedevelopmentofquantummechanics,oneofthemajorintellectualachievementsofthe20thcentury.Another,dependentonthefirst,isthedevelopmentofsemiconductortechnology,whichhasbeenresponsibleforthepervasiveelectronicsrevolutionandthephotonicsrevolutionnowgatheringpace.AninterestinghistoryofmodernphotovoltaicdevelopmentsisgivenbyLoferski(1993)andtheearlyhistory,reachingbackto1839,isdescribedinmoretechnicaldetailbyCrossleyetal.(1968).Fortunately,givenitspedigreedbackground,thesimplicityandreliabilityofuseofsolarcellsisoneofthetechnology’sgreatstrengths.Inthefirstfewchaptersofthisbook,weexplorethepropertiesofthetwomostimportantcomponentsofthisprocess—sunlight,whichprovidestheprimarysourceofenergy,andthesolarcellsthemselves,whichconvertthissunlightbyelegantinternalprocessesintoelectricity.Wethenlookatthefabricationofcellsandmodulesbeforeexaminingarangeofphotovoltaicsystems,fromspecificpurposeapplicationssuchassolarcarsthroughindependentpowersuppliesforhouseholdsorwaterpumpingtolargegrid-connectedpowerstations.Thisbookaimstoprovideworkersinthefieldwiththebasicinformationneededtounderstandtheprinciplesofphotovoltaicsystemoperation,toidentifyappropriateapplicationsandtoundertakesimplephotovoltaicsystemdesign.ItisbasedoncoursematerialusedforundergraduatePhotovoltaicandSolarEnergyEngineering,RenewableEnergyEngineeringandElectricalEngineeringstudentsattheUniversityofNewSouthWales,andwillcontinuetobeusedasaprincipaltext.Byincreasingthenumberofgraduateswhoareexpertinphotovoltaicconceptsandapplications,wehopetoprovideengineersqualifiedtoparticipateinandpromotetherapidglobalgrowthofthephotovoltaicsindustry.PhotovoltalcpoweredtransportTransportofpeopleandgoodsisanenergychallengethatisdifficulttomeetdirectlywithsolarcellsowingtotherelativelysmallcollectingareasonvehiclesandthelargepowerandenergydemands.Solarpowermaybeusedtohelppowerconventionalsystems,usinganexistinggridaseffectivestorage,suchasthetramwayinKarlsruhe,Germany.Photovoltaicmodules(100kWp)ontheroofoftheCentreforArtandMedia(ZKM)supplypowerfortheKarlsruheurbantramsystem.TheenergyisfeddirectlytotheDCsystemtopowerthetramswithadditionalrequirementssuppliedbytheusualgrid-basedsystem.ThelargeDCloadsmakestorageandinvertersunnecessary.Asimilar,250kWpsystemoperatesinHanover.Afixed,ground-mounted24kWpphotovoltaicarraysuppliessufficientenergytothegridtooffsettheenergydemandsofthefunicularrailwayneartheParliamentBuilding,Bern,Switzerland.Thesystemwasinstalledin1992andproduced105%and95%oftherailway’senergyrequirementsin1993and1994,respectively.A36kWpinstallationmeetstheentireenergyneedsofafunicularnearLivorno,Italy.On-boardsolarassistancefortransportisalsoquitepractical.Severalsmallroadcarswithphotovoltaicroofshavecometomarket,buttodatehaveexperiencedsmallsalesvolumes.Asolar-assistedbus,using15photovoltaiclaminatesintegratedintotheroof,carriesdisabledvisitorsaroundKewGardensintheUK,andasupermarketchainintheUKusestop-mountedphotovoltaicstopowerrefrigerationintrucktrailers.Similarly,PVarraysontrucksarebeingtrialledintheUSasameansofkeepingbatteriestoppedupwhiledriversstopattruckstops,withouttheneedforidlingthemotor.Highwaynoisebarriersrepresentahugeinvestmentinexpensivestructuresthathavebeenfoundaseconduseasmountsforlargenumbersofgrid-connectedphotovoltaicmodulesinEurope.Apartfrombeingconvenientsupportstructures,theyprovideanexcellent‘showcase5opportunityforexposureofPVtolargenumbersofpeople.AnexcellentexampleistheA9motorwaynearAmsterdamAirportwitha220kWpsystemspreadalong1.65km(EC,2002).Solarpoweredboatsareattractive