毕业设计（论文）-离网太阳能光伏发电系统设计

PAGEPAGEI离网太阳能光伏发电系统设计摘要太阳能光伏发电是可再生能源利用的一种重要形式。本文主要是对光伏发电控制系统的仿真研究。首先介绍了目前国内外太阳能光伏发电技术的背景及其意义。接着对太阳能光伏发电系统进行概述，介绍了它的组成和分类。本文以太阳能光伏发电系统为研究对象，先对其整体结构进行设计，再对蓄电池和光伏阵列容量进行计算，最后对DC-DC变换器、DC-AC逆变器和光伏阵列进行仿真。关键词光伏电池；DC-DC变换器；逆变器；并网；仿真AbstractThePVgenerationsystemisasignificantmeasureinrenewableenergyutilization.Simulationonthecontrolsystemofphotovoltaicgenerationispresentedinthethesis.Firstly,introducingthepresentlyapplicationanddevelopmentsituationofphotovoltaictechnologyathomeandabroad.Secondly,Havinganoverviewofsolarphotovoltaicsystemsandintroducingitscompositionandclassification.Thirdly,researchingthreeDC-DCconverters’principle,presentingthatusingBoostDC-DCconvertertorealizeconversionandbuildingthesimulationmodelafteranalyzetheparameters.Finally,simulatingandanalyzingtheInverterbyMATLAB,theresultsshowthatthecontrolmethodandstrategyispractical.Keywords:PVcell；DC-DCconverter；Inverter；ongrid；simulation目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1课题背景及研究的意义 11.1.1能源短缺的问题 11.1.2太阳能资源 21.2太阳能光伏发电产业的前景 21.2.1国外太阳能发电产业发展现状及趋势 21.2.2我国太阳能发电产业发展现状及趋势 31.3本文的研究内容 4第2章太阳能光伏发电系统原理 52.1光电效应概述 52.2光生伏打效应概述及应用 52.2.1光生伏打效应 52.2.2光生伏打效应应用 52.3太阳能光伏发电系统的组成 52.4太阳能光伏发电系统的分类 62.4.1独立供电的光伏发电系统 62.4.2并网光伏发电系统 72.4.3混合型光伏发电系统 82.5本章小结 9第3章独立光伏发电系统的设计 103.1负载安装地点以及运行要求 103.2独立光伏发电系统的设计 103.2.1整体电路结构的设计 103.2.2蓄电池容量的设计 103.2.3光伏阵列的容量设计 113.3本章小结 12第4章重要部分的设计 134.1太阳能电池方阵 134.2光伏电源充放电控制器 164.2.1控制器的功能： 164.2.2控制器的分类 164.2.3控制器的基本电路和工作原理 174.3DC-DC变换器的设计 194.3.1DC-DC变换器原理 194.3.2基于MATLAB/SIMULINK/SimPowerSystems的仿真 204.4DC-AC逆变器的设计 214.4.1逆变器的原理 214.4.2太阳能光伏发电系统对逆变电源的要求 224.4.3三相逆变器的仿真 23结论 25参考文献 26致谢 27第1章绪论1.1课题背景及研究的意义1.1.1能源短缺的问题在人类文明的历史长河中，人类不断地从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社会开始，由地球在长达50万年的历史中积累下来的化石矿物能源，即常规能源(煤、石油、天然气等)一直是人类所用能源的基础。但是常规能源的储量正随着人类文明的高度发展而迅速枯竭。从资源的角度看，地球的矿物能源储量是有限的，按目前消耗的速度计，石油还可供开采40年左右，天然气约60年，煤可望达200年。全球能源消耗的年增长率约为2%，近35年来世界能源消费量已经翻了一番。人们预计，到2025年全球能源消耗还将再增加一倍。这些都提醒人们注意到必须开发新的能源。常规能源的大量利用对人类生存环境也有着日趋严重的破坏作用。到20世纪末人们开始意识到：由于每年燃烧常规能源所产生的CO2排放量约210亿吨左右，已经使地球严重污染，而且目前CO2的年排放量还在呈上升趋势。CO2造成了地球的温室效应，使全球气候变暖。经过较为准确的推算，如果全球变暖1.5～4.5℃,最严重的后果是海平面将上升25～145cm，沿海低洼地区将被淹没，这将严重影响到许多国家的经济、社会和政治结构。此外，大量燃烧矿物燃料，会在大范围内形成酸雨，将严重损害森林和农田，目前全球已有数以千计的湖泊酸性度不断提高，并已接近鱼类无法生存的地步；酸雨还损坏石造建筑、破坏古迹、腐蚀金属结构，甚至进入饮用水源，释放出潜在的毒性金属（如镉、铅、汞、锌、铜等），威胁人类健康。因此，人类文明的高度发展与生存环境的极度恶化，形成了强烈的反差。针对以上情况开发和使用新能源(可再生能源和无污染绿色能源)已是人类目前迫切需要解决的重要问题。虽然目前人类可利用的新能源，如太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等能源形式都是可以满足要求的。但从能源的稳定性、可持久性、数量、设备成本、利用条件等诸多因素考虑，太阳能将成为最为理想的可再生能源和无污染能源。能源短缺是当今社会中的热点问题，它直接制约着经济和社会的发展，可再生能源的利用也就成了当今世界关注的焦点之一。太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、海洋能、水能等都来自太阳能。广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。近年来太阳能的利用得到了世界各国的广泛关注，美国、日本、德国相继提出了“阳光计划”、“节能计划”等大力发展太阳能光伏发电技术。自“六五”以来我国政府也一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。同时，照明作为日常生活中不可缺少的一部分，成为了世界各国的一项重要的能源消耗，据统计照明用电占我国总发电量的10％以上，绿色节能照明的应用越来越受到重视。1.1.2太阳能资源太阳能发电是个取之不尽、用之不竭的绿色能源工程。2l世纪大力发展是摆在世人面前的必然大趋势。现在全球有20亿人口没有用上电，我国也还有5千万无电人口，其中相当大部分处在经济不发达的边远地区，没有电力严重制约了当地经济的发展。由于居住分散、交通不便，很难通过延伸公共电网来解决这些地区的供电问题。这对可再生能源来说是个巨大的潜在市场。4s+太阳能发电具有无比优越特点：在发电过程中，不消耗地球上的资源，无任何污染，安全可靠，无嗓音，不受地域限制，无机械转动部件故障率低，维修简单，无需远距离架设输电线路，节省费用，建设周期短，可以无人值守，发电规模大小可随意，可以方便的与建筑物结合节省综合费用，高山，边远地域和海洋中小岛等，特殊地域布设太阳能发电更为方便优越。上述优点正是传统发电所不及的。据测算，1年内到达地球表面的太阳能总量是目前世界已探明储量能源的一万多倍。我国属于太阳能较为丰富的国家之一，全国国土面积2/3的地区每年日照时数大于2000小时，仅陆地面积每年接受的太阳能辐射就约等于几个三峡工程发电量的总和。开发利用太阳能的主要途径是光伏发电，他具有如下优点：无噪声、无污染、能量随处可得，不受地域限制，无需消耗燃料，可以无人值守，建设周期短，规模设计自由度大，可就地使用，容易储存，还可以方便的与建筑物结合等，使用太阳能光伏发电可以既不为核电站可能发生核泄漏而烦恼，也不用为水电站的堤坝可能在战争或地震中崩溃而担忧。1.2太阳能光伏发电产业的前景1.2.1国外太阳能发电产业发展现状及趋势全球太阳能发电产业发展现状及趋势在化石能源日益稀缺的背景下，各国均大力发展太阳能利用，其中日本、欧洲国家(德国)和美国等经济发达、能源消耗大的国家起步较早，在技术和应用上都处于领先地位。由于太阳能发电成本较传统能源高，因此需要政府给予政策扶持。从20世纪90年代末开始，欧美、日本等国家纷纷实行“阳光计划”，在太阳能发电的价格、税收、发展基金等方面给予较大优惠。同时，在政府资助下，欧洲一些高水平的研究机构也加大了太阳能利用的研究。欧美、日本等国家还制定了长期的能源发展战略，对太阳能的发展进行了长期规划。1997年6月美国提出“百万太阳能屋顶计划”，计划到2010年将在100万个屋顶或建筑物其他可能的部位安装太阳能系统，包括太阳能光伏发电系统、太阳能热水系统和太阳能空气集热系统。欧洲也于1997年左右也宣布了百万屋顶计划，其中，在太阳能利用领域领先的德国联合政府在欧洲百万屋顶的框架下于1998年10月提出了计划——在6年内安装10万套太阳能屋顶系统，总容量在300-500MV，每个屋顶约3-5KW。日本政府的计划目标是，到2010年安装500MW屋顶光伏发电系统。

在各国政府的扶持下，世界太阳能电池产量快速增长，1995-2005年间，全球太阳能电池产量增长了17倍。2005年，全球太阳能电池年产量达到了1650兆瓦，累计装机发电容量超过5GW，其中，日本太阳能电池产量达到762兆瓦，增长率为27%；欧洲产量增加48%，达到了464兆瓦；美国增加12%，达到了156兆瓦；世界其他地区增加96%，达到了274兆瓦。我们预计，2010年全球太阳能电池的年产量有望达到10400兆瓦，较2005年的年产量增长6.3倍；整个行业的销售收入有望在2005-2010年间，从130亿美元提高至450亿美元，在未来5年内增长3.5倍。同时，受益于规模经济、生产效率和工艺水平的提高，整个产业链的成本都有望下降，行业利润率有望保持在较高水平上。1.2.2我国太阳能发电产业发展现状及趋势我国太阳能资源非常丰富，大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，理论储量达每年1.7万亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。从全国太阳年辐射总量的分布来看，青藏高原和西北地区、华北地区、东北大部以及云南、广东、海南等部分低纬度地带均为太阳能资源丰富或较丰富的地区。

我国太阳能发电产业的应用空间也非常广阔。第一，我国有荒漠面积100余万平方公里，主要分布在光照资源丰富的西北地区，如果利用荒漠安装并网太阳能发电系统则可以提供非常可观的电量。第二，太阳电池组件不仅可以作为能源设备，还可作为屋面和墙面材料，既供电节能，又节省了建材，具有良好的经济效益。第三，迄今我国边远地区仍有较多居民尚未用电，如果单纯依靠架设电网供电，则成本高，建设周期长，不经济。太阳能发电无需架设输电线路，且建设周期短，可以有效解决边远地区用电的难题。

我国政府对太阳能产业也给予了充分的扶持。2006年1月，《中华人民共和国可再生能源法》正式实施，此法在资源调查与发展规划、产业指导与技术支持、推广与应用、价格管理与费用分摊、经济激励与监督措施、法律责任等方面做出了规定。随后，国家又陆续出台了《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》、《可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法》等支持可再生能源发展的实施细则，使国家在可再生能源领域方面的扶持政策日趋明朗化。这一系列法律、政策无疑有力的支持了我国太阳能发电产业的发展。

近20年来，我国太阳能发电产业长期维持在全球市场1%左右的份额。2005年后，产业有了突飞猛进的发展，无锡尚德、天威英利、新光硅业、赛维LDK、新疆新能源、常州天合、天津京瓷等公司纷纷进入成长期，生产规模不断扩大，技术水平不断提高，企业竞争力不断增强。而且，浙江、保定、四川等地的公司已经开始多晶硅太阳电池的生产或试车，市场上形成了单晶硅和多晶硅两种主打电池产品的局面。目前，我国非多晶硅薄膜电池产业也展现出迅猛发展的势头，很多国内公司通过与国外公司的合作已经开始进行或计划进行非多晶硅薄膜电池项目的投资。1.3本文的研究内容根据太阳能发电系统的安装地点：东北电力大学第一教学楼（楼顶）；负载情况：：三相异步电动机一台（380V/5kw，白天工作）、220V照明（共2kw，晚上工作）、直流负载（200V，2kw，白天工作）；运行要求：异步电动机每天平均工作3小时，照明工作4小时，直流负载工作3小时，遇阴雨天气，能够连续运行1天设计一个太阳能发电系统。第2章太阳能光伏发电系统原理光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而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系统装置。2.1光电效应概述光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，也就是光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectriceffect）。2.2光生伏打效应概述及应用2.2.1光生伏打效应是指物体由于吸收光子而产生电动势的现象，是当物体受光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。2.2.2光生伏打效应应用光生伏打效应主要是应用在半导体的PN结上，把辐射能转换成电能。大量研究集中在太阳能的转换效率上。理论预期的效率为24％。由于半导体PN结器件在阳光下的光电转换效率最高，所以通常把这类光伏器件称为太阳能电池，也称光电池或太阳电池。2.3太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各部分的作用为：(1)太阳能电池板太阳能电池板(图4所示)是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能转化为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。(2)太阳能控制器太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。(3)蓄电池一般为铅酸电池，一般有12V和24V这两种，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。(4)逆变器在很多场合，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。在某些场合，需要使用多种电压的负载时，也要用到DC-DC逆变器，如将24VDC的电能转换成5VDC的电能（注意，不是简单的降压）。2.4太阳能光伏发电系统的分类目前，电力系统是以大容量集中发电，高压输电和大电网联网运行的方式进行电能的生产、输送和分配，全世界90%的电力都是由这种集中单一的大电网提供的。近年来以可再生能源为主的分布式发电技术得到了快速发展，与传统电力系统相比克服了大电网系统的一些弱点，并以其环保性能与大电网形成了良好的互补性，成为世界能源系统发展的热点之一。根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。2.4.1独立供电的光伏发电系统所谓独立式光伏发电系统，就是不与电网相连的光伏发电系统。由于独立式光伏发电系统中太阳能是唯一的能量来源，为了保证系统的正常工作，系统中必定存在一个储能环节来储存和调节整个系统能量。独立供电的太阳能光伏发电系统如图2-1所示。整个独立供电的光伏发电系统由太阳能电池板、蓄电池、控制器、逆变器组成。太阳能电池板作为系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电;当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载供电。控制器也是光伏发电系统的核心部件之一，包括光伏电池阵列输出电压和输出电流的检测、蓄电池的充电和放电管理、系统设备的保护、故障诊断定位和运行状态指示等。由于整个系统中加入了蓄电池环节，所以独立式光伏发电系统可以有效的调节能量，但是系统的成本增加，可靠性略微降低。图2-1独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图2.4.2并网光伏发电系统光伏并网发电系统指的是，先把光伏电池阵列输出的直流进行最大功率跟踪，再将电转化为与电网电压同幅值、同频率的交流电，实现与电网相连的系统。并网光伏发电系统如图2-2所示。光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网;夜间当负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。与独立运行的太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好处:(1)不必考虑负载供电的稳定性和供电质量的问题。(2)光伏电池可以始终工作在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率。(3)因为直接将电能输入，可以充分利用光伏阵列所发的电力。省略了作为储能环节的蓄电池，降低了蓄电池充放电的能量损耗，免除了对蓄电池的维护，以及由其带来的间接污染，降低了系统的成本。(4)并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。但目前光伏发电系统也存在几大问题:光伏阵列发电效率低；系统的造价成本高；发电运行受气候环境因素影响大。同时并网光伏供电系统作为一种分布式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生不良的影响，如谐波污染、孤岛效应等。图2-2并网光伏发电系统结构框图2.4.3混合型光伏发电系统图2-3为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。图2-3混合型光伏发电系统结构框图2.5本章小结本章主要介绍了光伏发电系统的各个组成部分，包括太阳能电池板，蓄电池，蓄电池充电器，逆变器。分析了独立光伏发电系统和并网光伏发电系统，并对混合发电系统做了简要的分析和介绍，由于独立的光伏发电在我国西部仍然是主要的发电方式，在市场中占有很大比重，因此本文将着重介绍独立的光伏发电系统。第3章独立光伏发电系统的设计3.1负载安装地点以及运行要求安装地点：东北电力大学第一教学楼（楼顶）负载情况：三相异步电动机一台（380V/5kw，白天工作）、220V照明（共2kw，晚上工作）、直流负载（200V，2kw，白天工作）运行要求：异步电动机每天平均工作3小时，照明工作4小时，直流负载工作3小时，遇阴雨天气，能够连续运行1天3.2独立光伏发电系统的设计3.2.1整体电路结构的设计整个电路有如下几个部分：光伏电池阵列、蓄电池、DC-DC电路、DC-AC电路、负荷。如图3-1。图3-1整体电路结构控制器：白天给发电机供电接三相交流电，晚上切换到两相给电灯供电，实现自动切换。充放电控制器：阴雨天放电，正常天气充电。3.2.2蓄电池容量的设计(1)蓄电池选择NP65-12，浮充电压为1.2V。(2)蓄电池容量Be(AH)计算蓄电池的容量由下列公式(3)计算决定Be=(PL*24*D)/(Kb*V)符号含义D:连续不日照天数(一般在3至7天)Kb:安全系数(放电深度(一般为70%),逆变器效率(根据厂家数据),线损(一般为5%)等)V:系统电压(V)PL：负荷的消费电力PL=（2*4+5*4）/（4+4）=3.5kwhBe=(PL*24*D)/(Kb*V)=（3.5*24*1）、（0.8*324）=324Ah3.2.3光伏阵列的容量设计太阳电池采用38D97x400型组件，组件的标准功率为38w，工作电压为17.1v，工作电流为2.22A，安装地水平面上接收的平均日辐射量为13572（KJ/m2），Kop值为1.1548,最佳倾角44.9o。太阳能电池组组件串联数NsNs=Ur/Uoc=(Uf+Ud+Uc)/Uoc=(324+0.7+1.2)/17.1=19Ur:太阳能电池方阵输出最小电压；Uoc:太阳能电池组件的最佳工作电压；Uf：蓄电池组浮充电压；Ud：二极管压降，一般取0.7；Uc：其他因素引起的压降。太阳能电池组件日发电量QpQp=IocTKopCz=2.22x3.77x1.1548x0.8=7.732AhT=Ht*2.778/10000=3.77式中：Ioc：太阳能电池组件最佳工作电流；T:：等效峰值太阳小时数Kop：斜面修正系数，参考表7-5Cz：修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为：Bcb=AQLNL=1.2x66.7x1=80.04AhQl=2/220*4+5/（3*220）*4=66.7Ah式中：A：安全系数，取1.1-1.4之间Ql：负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数Nl：最长连续阴雨天数4.太阳能电池组件并联数Np的计算方法计算方法如下：Np=(Bcb+NwQl)/QpNw*n*Fc=(80.04+7*66.7)/(7.732*7)=10.10≈12n：蓄电池充电效率的温度修正系数，蓄电池充电效率受到环境环境温度的影响，修正系数见表7-6Fc：太阳能电池组件表面灰尘、赃物等其他因素引起的损失的总修正系数（通常取1.05）太阳能电池方阵的功率计算P=PoNsNp=38*19*12=8.664kwPo：太阳能电池组件的额定功率。综上，太阳能电池功率为8.664kw，蓄电池容量为324Ah。3.3本章小结综上，蓄电池选择NP65-12，浮充电压为1.2V。太阳电池采用38D97x400型组件，组件的标准功率为38w，工作电压为17.1v，工作电流为2.22A，安装地水平面上接收的平均日辐射量为13572（KJ/m2），Kop值为1.1548,最佳倾角44.9o。太阳能电池功率为8.664kw，蓄电池容量为324Ah。第4章重要部分的设计4.1太阳能电池方阵太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V,工作电流约为20－25mA/cm2,一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率(见图4－1)。（1）硅太阳能电池单体常用的太阳能电池主要是硅太阳能电池。晶体硅太阳能电池由一个晶体硅片组成，在晶体硅片的上表面紧密排列着金属栅线，下表面是金属层。硅片本身是P型硅，表面扩散层是N区，在这两个区的连接处就是所谓的PN结。PN结形成一个电场。太阳能电池的顶部被一层抗反射膜所覆盖，以便减少太阳能的反射损失。图4-1太阳能电池单体、组件和方阵太阳能电池的工作原理如下：光是由光子组成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波长决定，光被晶体硅吸收后，在PN结中产生一对对正负电荷，由于在PN结区域的正负电荷被分离，因而可以产生一个外电流场，电流从晶体硅片电池的底端经过负载流至电池的顶端。这就是“光生伏打效应”。将一个负载连接在太阳能电池的上下两表面间时，将有电流流过该负载，于是太阳能电池就产生了电流；太阳能电池吸收的光子越多，产生的电流也就越大。光子的能量由波长决定，低于基能能量的光子不能产生自由电子，一个高于基能能量的光子将仅产生一个自由电子，多余的能量将使电池发热，伴随电能损失的影响将使太阳能电池的效率下降。（2）硅太阳能电池种类目前世界上有3种已经商品化的硅太阳能电池：单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。对于单晶硅太阳能电池，由于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，使单晶硅的使用成本比较昂贵。多晶硅太阳能电池的晶体方向的无规则性，意味着正负电荷对并不能全部被PN结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅太阳能电池的效率一般要比单晶硅太阳能电池低。多晶硅太阳能电池用铸造的方法生产，所以它的成本比单晶硅太阳能电池低。非晶硅太阳能电池属于薄膜电池，造价低廉，但光电转换效率比较低，稳定性也不如晶体硅太阳能电池，目前多数用于弱光性电源，如手表、计算器等。一般产品化单晶硅太阳电池的光电转换效率为13――15%产品化多晶硅太阳电池的光电转换效率为11――13%产品化非晶硅太阳电池的光电转换效率为5――8%（3）太阳能电池组件一个太阳能电池只能产生大约0.5V电压，远低于实际应用所需要的电压。为了满足实际应用的需要，需把太阳能电池连接成组件。太阳能电池组件包含一定数量的太阳能电池，这些太阳能电池通过导线连接。一个组件上，太阳能电池的标准数量是36片（10cm×10cm），这意味着一个太阳能电池组件大约能产生17V的电压，正好能为一个额定电压为12V的蓄电池进行有效充电。通过导线连接的太阳能电池被密封成的物理单元被称为太阳能电池组件，具有一定的防腐、防风、防雹、防雨等的能力，广泛应用于各个领域和系统。当应用领域需要较高的电压和电流而单个组件不能满足要求时，可把多个组件组成太阳能电池方阵，以获得所需要的电压和电流。太阳能电池的可靠性在很大程度上取决于其防腐、防风、防雹、防雨等的能力。其潜在的质量问题是边沿的密封以及组件背面的接线盒。这种组件的前面是玻璃板，背面是一层合金薄片。合金薄片的主要功能是防潮、防污。太阳能电池也是被镶嵌在一层聚合物中。在这种太阳能电池组件中，电池与接线盒之间可直接用导线连接。组件的电气特性主要是指电流－电压输出特性，也称为Ⅴ－Ⅰ特性曲线，如图1－3所示。Ⅴ－Ⅰ特性曲线可根据图1－3所示的电路装置进行测量。Ⅴ－Ⅰ特性曲线显示了通过太阳能电池组件传送的电流Im与电压Vm在特定的太阳辐照度下的关系。如果太阳能电池组件电路短路即V＝0，此时的电流称为短路电流Isc；如果电路开路即I＝0，此时的电压称为开路电压Voc。太阳能电池组件的输出功率等于流经该组件的电流与电压的乘积，即P＝VI。I:电流Isc:短路电流Im:最大工作电流V:电压Voc:开路电压Vm:最大工作电压图4-2太阳能电池的电流－电压特性曲线当太阳能电池组件的电压上升时，例如通过增加负载的电阻值或组件的电压从零（短路条件下）开始增加时，组件的输出功率亦从0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，并逐渐减少至零，即电压达到开路电压Voc。太阳能电池的内阻呈现出强烈的非线性。在组件的输出功率达到最大点，称为最大功率点；该点所对应的电压，称为最大功率点电压Vm（又称为最大工作电压）；该点所对应的电流，称为最大功率点电流Im（又称为最大工作电流）；该点的功率，称为最大功率Pm。随着太阳能电池温度的增加，开路电压减少，大约每升高1C每片电池的电压减少5mV，相当于在最大功率点的典型温度系数为－0.4%/C。也就是说，如果太阳能电池温度每升高1C，则最大功率减少0.4%。所以，太阳直射的夏天，尽管太阳辐射量比较大，如果通风不好，导致太阳电池温升过高，也可能不会输出很大功率。由于太阳能电池组件的输出功率取决于太阳辐照度、太阳能光谱的分布和太阳能电池的温度，因此太阳能电池组件的测量在标准条件下（STC）进行，测量条件被欧洲委员会定义为101号标准，其条件是：光谱辐照度 1000W/m2大气质量系数 AM1.5太阳电池温度 25℃在该条件下，太阳能电池组件所输出的最大功率被称为峰值功率，表示为Wp(peakwatt)。在很多情况下，组件的峰值功率通常用太阳模拟仪测定并和国际认证机构的标准化的太阳能电池进行比较。通过户外测量太阳能电池组件的峰值功率是很困难的，因为太阳能电池组件所接受到的太阳光的实际光谱取决于大气条件及太阳的位置；此外，在测量的过程中，太阳能电池的温度也是不断变化的。在户外测量的误差很容易达到10％或更大。如果太阳电池组件被其它物体(如鸟粪、树荫等)长时间遮挡时，被遮挡的太阳能电池组件此时将会严重发热，这就是“热斑效应”。这种效应对太阳能电池会造成很严重地破坏作用。有光照的电池所产生的部分能量或所有的能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳能电池由于热班效应而被破坏，需要在太阳能电池组件的正负极间并联一个旁通二极管，以避免光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。连接盒是一个很重要的元件：它保护电池与外界的交界面及各组件内部连接的导线和其他系统元件。它包含一个接线盒和1只或2只旁通二极管。4.2光伏电源充放电控制器4.2.1控制器的功能：（1）高压（HVD）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。（2）欠压（LVG）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制器应能自动发出声光告警信号。（3）低压（LVD）断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压报警代替自动切断。（4）保护功能：①防止任何负载短路的电路保护。②防止充电控制器内部短路的电路保护。③防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。④防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。⑤在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。（5）温度补偿功能：当蓄电池温度低于２５℃时，蓄电池应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。4.2.2控制器的分类光伏充电控制器基本上可分为五种类型：并联型、串联型、脉宽调制型、智能型和最大功率跟踪型。（1）并联型控制器：当蓄电池充满时，利用电子部件把光伏阵列的输出分流到内部并联电阻器或功率模块上去，然后以热的形式消耗掉。因为这种方式消耗热能，所以一般用于小型、低功率系统，例如电压在１２伏、２０安以内的系统。这类控制器很可靠，没有如继电器之类的机械部件。（2）串联型控制器：利用机械继电器控制充电过程，并在夜间切断光伏阵列。它一般用于较高功率系统，继电器的容量决定充电控制器的功率等级。比较容易制造连续通电电流在４５安以上的串联控制器。（3）脉宽调制型控制器：它以PWM脉冲方式开关光伏阵列的输入。当蓄电池趋向充满时，脉冲的频率和时间缩短。按照美国桑地亚国家实验室的研究，这种充电过程形成较完整的充电状态，它能增加光伏系统中蓄电池的总循环寿命。（4）智能型控制器：采用带CPU的单片机（如Intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）对光伏电源系统的运行参数进行高速实时采集，并按照一定的控制规律由软件程序对单路或多路光伏阵列进行切离/接通控制。对中、大型光伏电源系统，还可通过单片机的RS232接口配合MODEM调制解调器进行远距离控制。（5）最大功率跟踪型控制器：将太阳电池的电压U和电流I检测后相乘得到功率P，然后判断太阳电池此时的输出功率是否达到最大，若不在最大功率点运行，则调整脉宽，调制输出占空比D，改变充电电流，再次进行实时采样，并作出是否改变占空比的判断，通过这样寻优过程可保证太阳电池始终运行在最大功率点，以充分利用太阳电池方阵的输出能量。同时采用PWM调制方式，使充电电流成为脉冲电流，以减少蓄电池的极化，提高充电效率。4.2.3控制器的基本电路和工作原理（1）单路并联型充放电控制器：图4-3单路并联型充放电控制器并联型充放电控制器充电回路中的开关器件T1是并联在太阳电池方阵的输出端，当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，开关器件T1导通，同时二极管D1截止，则太阳电池方阵的输出电流直接通过T1短路泄放，不再对蓄电池进行充电，从而保证蓄电池不会出现过充电，起到“过充电保护”作用。D1为防“反充电二极管”，只有当太阳电池方阵输出电压大于蓄电池电压时，D1才能导通，反之D1截止，从而保证夜晚或阴雨天气时不会出现蓄电池向太阳电池方阵反向充电，起到“放反向充电保护”作用。开关器件T2为蓄电池放电开关，当负载电流大于额定电流出现过载或负载短路时，T2关断，起到“输出过载保护”和“输出短路保护”作用。同时，当蓄电池电压小于“过放电压”时，T2也关断，进行“过放电保护”。D2为“防反接二极管”，当蓄电池极性接反时，D2导通使蓄电池通过D2短路放电，产生很大电流快速将保险丝BX烧断，起到“防蓄电池反接保护”作用。检测控制电路随时对蓄电池电压进行检测，当电压大于“充满切离电压”时使T1导通进行“过充电保护”；当电压小于“过放电压”时使T2关断进行“过放电保护”。（2）串联型充放电控制器：串联型充放电控制器和并联型充放电控制器电路结构相似，唯一区别在于开关器件T1的接法不同，并联型T1并联在太阳电池方阵输出端，而串联型T1是串联在充电回路中。当蓄电池电压大于“充满切离电压”时，T1关断，使太阳电池不再对蓄电池进行充电，起到“过充电保护”作用。其它元件的作用和串联型充放电控制器相同，不再赘述。图4-4单路并联型充放电控制器（3）检测控制电路的组成和工作原理：图4-5单路并联型充放电控制器检测控制电路包括过压检测控制和欠压检测控制两部分。检测控制电路是由带回差控制的运算放大器组成。A1为过压检测控制电路，A1的同相输入端由W1提供对应“过压切离”的基准电压，而反相输入端接被测蓄电池，当蓄电池电压大于“过压切离电压”时，A1输出端G1为低电平，关断开关器件T1，切断充电回路，起到过压保护作用。当过压保护后蓄电池电压又下降至小于“过压恢复电压”时，A1的反相输入电位小于同相输入电位，则其输出端G1由低电平跳变至高电平，开关器件T1由关断变导通，重新接通充电回路。“过压切离门限”和“过压恢复门限”由W1和R1配合调整。A2为欠压检测控制电路，其反相端接由W2提供的欠压基准电压，同相端接蓄电池电压（和过压检测控制电路相反），当蓄电池电压小于“欠压门限电平”时，A2输出端G2为低电平，开关器件T2关断，切断控制器的输出回路，实现“欠压保护”。欠压保护后，随着电池电压的升高，当电压又高于“欠压恢复门限”时，开关器件T2重新导通，恢复对负载供电。“欠压保护门限”和“欠压恢复门限”由W2和R2配合调整。4.3DC-DC变换器的设计4.3.1DC-DC变换器原理DC-DC变换器，亦称为直流斩波器。将一种幅值的直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的直流电压的过程称为直流-直流电压变换。它的基本原理是通过对电力电子器件的通断控制，将直流电压断续地加到负载上，通过改变占空比D来改变输出电压的平均值。它是一种开关型DC-DC变换电路，俗称斩波器（Chopper）。DC-DC变换器可以分为很多种，按照调制形式可分为脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）、混合调制。按照变换电路的功能可分为降压式直流-直流变换（BuckConverter）、升压式直流-直流变换器（BoostConverter）、升压-降压复合型直流-直流变换器（Boost-BuckConverter）、库克直流-直流变换（CukConverter）、全桥式直流-直流变换（FullBridgeConverter）。按输入直流电源和负载交换能量的形式又可分为单象限直流斩波器、二象限直流斩波器。以下简单以升压电路为例：升压式DC/DC变换器主要用于输出电流较小的场合，只要采用1~2节电池便可获得3~12V工作电压，工作电流可达几十毫安至几百毫安，其转换效率可达70%-80%。升压式DC/DC变换器的基本工作原理如图4-6所示。图4-6升压式DC/DC变换器电路中的VT为开关管，当脉冲振荡器对双稳态电路置位(即Q端为1)时，VT导通，电感VT中流过电流并储存能量，直到电感电流在RS上的压降等于比较器设定的闽值电压时，双稳态电路复位，即Q端为0。此时VT截止，电感LT中储存的能量通过一极管VD1供给负载，同时对C进行充电。当负载电压要跌落时，电容C放电，这时输出端可获得高于输大端的稳定电压。输出的电压由分压器R1和R2分压后输入误差放大器，并与基准电压一起去控制脉冲宽度，由此而获得所需要的电压，即V0=VR*(R1/R2+1)式中:VR——基准电压。降压式DC/DC变换器的输出电流较大，多为数百毫安至几安，因此适用于输出电流较大的场合。降压式DC/DC变换器基本工作原理电路如图所示。VT1为开关管，当VT1导通时，输入电压Vi通过电感L1向负载RL供电，与此同时也向电容C2充电。在这个过程中，电容C2及电感L1中储存能量。当VT1截止时，由储存在电感L1中的能量继续向RL供电，当输出电压要下降时，电容C2中的能量也向RL放电，维持输出电压不变。二极管VD1为续流二极管，以便构成电路回路。输出的电压Vo经R1和R2组成的分压器分压，把输出电压的信号反馈至控制电路，由控制电路来控制开关管的导通及截止时间，使输出电压保持不变。4.3.2基于MATLAB/SIMULINK/SimPowerSystems的仿真运用SIMULINK中的SimPowerSystems工具箱可以根据实际电路进行建模和仿真，给使用者带来了极大的方便。图4-7MATLAB的BoostDC/DC变换器仿真模型如图4-7中所建模型都是使用理想的器件，可以根据实际情况MOSFET管的寄生电容和电感进行赋值。仿真参数设置如下：Vin=400V、L=5mH、C=16μF、R=156.8Ω、PWM信号频率f=20kHz、占空比D=20%。利用MATLAB软件对升压式DC-DC变换器进行建模仿真，仿真模型的输出电压仿真结果如下图4-3所示：图4-8SimPowersystems方法的输出电压波形4.4DC-AC逆变器的设计4.4.1逆变器的原理通常把交流电能变换成直流电能的过程称之为整流，相控整流是最常见的交-直流变换过程；而把直流电能变换成交流电能的过程称之为逆变，它是整流的逆过程。在逆变电路中，按照负载性质的不同，逆变分为有源逆变和无源逆变。如果把该电路的交流侧接到交流电源上，把直流电能经过直-交流变换，逆变成与交流电源同频率的交流电返送到电网上去，称作有源逆变。相应的装置称为有源逆变器，控制角大于90°的相控整流器为常见的有源逆变器。而把直流电能变换为交流电能，直接向非电源负载供电的电路，称之为无源逆变电路，又称为变频器。逆变器类型有他励逆变器、自励逆变器、脉宽调制（PWM）型逆变器。其中他励逆变器需要外部交流电压源，给晶闸管提供整流电压。他励逆变器主要应用在大功率并网情况下；对于功率低于1MW的光伏发电系统，主要采用自励逆变器方式。自励逆变器不需要外部交流电压源，整流电压由逆变器的一部分储能元件（比如电容）来提供或者通过增加待关断整流阀（像MOSFET或IGBT）的电阻值来实现。输出电压被脉冲调制的自励逆变器被称为脉冲逆变器。这种逆变器通过增加周期内脉冲的切换次数，来降低电压、电流的谐波含量；谐波含量与脉冲切换次数呈正比。目前，并网逆变器的输出控制模式主要有两种：电压型控制模式和电流型控制模式。电压型控制模式的原理是以输出电压作为受控量，系统输出和电网电压同频同相的电压信号，整个系统相当于一个内阻很小的受控电压源；电流型控制模式的原理则是以输出电感电流作为受控目标，系统输出和电网电压同频同相的电流信号，整个系统相当于一个内阻较大的受控电流源。逆变技术是将电能由直流变为交流的基本控制技术，和整流技术正好相反，也是电力电子技术中重要的组成部分。逆变技术的基本原理是通过半导体功率开关器件(例如SCR，GTO，IGBT和功率MOSFET模块等)的导通和关断将直流电能变换得到能满足负载对电压和频率要求的、质量较高的交流电能。现代逆变技术多种多样，可以按照多种不同的分类方式进行区分。4.4.2太阳能光伏发电系统对逆变电源的要求采用交流电力输出的光伏发电系统，由光伏阵列、充放电控制器、蓄