畢業(yè)論文新型家用光伏并網(wǎng)逆變器的研究

1、目 錄一、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介21.光伏組件方陣32.控制器33.蓄電池44.逆變器4二 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景41 國外的太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢42 國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。5三、并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電控制系統(tǒng)簡介61 太陽能電池板的應用62 模擬光源跟蹤控制系統(tǒng)83 并網(wǎng)逆變器13摘 要隨著人類社會的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)能源被不斷的消耗，同時也帶來了嚴重的環(huán)境問題。為了減少環(huán)境的污染，保證能源的可持續(xù)利用，就必須改變現(xiàn)有的能源結構，重視新能源的開發(fā)和利用。從長遠發(fā)展的角度看，可再生資源是人類未來的主要能源來源，因此，世界上很多國家都開始重視太陽能等新能源的開發(fā)利

2、用。在這些可再生資源中，光伏發(fā)電的發(fā)展速度最快，而太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)成為可再生能源領域中繼風力發(fā)電之后產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快、最大的產(chǎn)業(yè)。世界各國都非常重視太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，我國擁有豐富的太陽能資源，對太陽能的開采具有很大的優(yōu)勢，因此，太陽能光伏發(fā)電成為我國開發(fā)新能源的重要內(nèi)容。太陽能作為一種新型的可再生能源近年來得到了廣泛的應用，光伏并網(wǎng)技術成為有效利用太陽能發(fā)電的核心和關鍵。本文分析光伏發(fā)電在普通家庭的應用要求，提出了一種基于家庭用戶需求的光伏發(fā)電解決方案，并進行實驗測試和驗證。并以傳統(tǒng)的獨立太陽能光伏發(fā)電技術為基礎，研究和設計了并網(wǎng)型太陽光伏發(fā)電控制系統(tǒng)。關鍵詞：太陽能；光伏發(fā)電；并網(wǎng)；逆變

3、器一、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)簡介 太陽能是指太陽光照所輻射的能量。目前太陽能的利用主要有光熱轉換、光電轉換和光化轉換三種形式。太陽能光電轉換又分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種，通常說的太陽能發(fā)電主要是指太陽能光伏發(fā)電。 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用半導體的光生伏特效應進行光電轉換的發(fā)電系統(tǒng)，其應用基本形式主要分為獨立發(fā)電系統(tǒng)（如圖1所示）和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)（如圖2所示）兩大類。應用領域主要集中在航空航天、通信系統(tǒng)、微波中繼站、無電缺電地區(qū)用戶供電和市政照明工程等。一般的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是由光伏電池組件，交直流逆變器、蓄電池和光伏系統(tǒng)電池控制器組成。首先，通過光伏電池組件將太陽能轉換為電能，其次，再利用交直

4、流逆變器將直流電轉變成交流電，同時逆變器還可以自動穩(wěn)定電壓，改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質量。利用蓄電池將電能存儲起來，在需要的時候在釋放出來。充放電控制器則是可以防止太陽能光伏電源系統(tǒng)的儲能蓄電池組過充電和過放電的設備，它是光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心組成部分。 通常，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏組件方陣、控制器、蓄電池和逆變器四大部分組成。1.光伏組件方陣即太陽能電池組件方陣，由太陽能電池板按系統(tǒng)需求串、并聯(lián)而成。它是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件，其作用就是將太陽的輻射能量轉換成電能輸送到蓄電池中儲存或者驅動負載工作。2.控制器控制器主要完成的工作如下： 蓄電池的充放電保護； 高壓斷開、低壓報警和恢復功能； 溫

5、度補償功能； 短路保護； 防反接功能。3.蓄電池將光伏陣列組件產(chǎn)生的電能儲存起來，當光照強度過低或負載需求過大時，將儲存的能量釋放出來滿足負載的能量需求。一般為鉛酸電池，有的微型系統(tǒng)也使用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。4.逆變器 在我國實際應用中，負載的額定電源通常為交流220V，而光伏陣列組件產(chǎn)生的電能通常為直流，因此需要通過逆變器將其轉換成負載所需的交流電能，故要使用逆變器。 目前，歐美、日韓等發(fā)達國家和地區(qū)正在大規(guī)模推廣光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，一方面以取代正在急劇減少的常規(guī)化石能源；另一方面減少廢氣排放對環(huán)境造成的污染。為推動西部大開發(fā)，我國也正在進行大西部地區(qū)的太陽能發(fā)電工程建設，以改善西部生

6、產(chǎn)條件和投資環(huán)境，促進我國西部地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。同時也將太陽能光伏發(fā)電技術大規(guī)模的應用和推廣到市政照明工程上。二 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀及發(fā)展前景1 國外的太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢作為20世紀80年代世界上增長最快的高新技術產(chǎn)業(yè)之一，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。截止2004年，世界太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機總容量達到了964.9 MW。到了2006年底，這個數(shù)據(jù)達到了4961.69MW。像單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、帶狀硅電池、聚光電池以及薄膜電池等太陽能光伏電池已經(jīng)商品化和實用化。在國際市場上，太陽能光伏電池的價格一般在3.15美元左右，并網(wǎng)后的價格為每瓦6美元，發(fā)電成本為每千瓦

7、時0.25美元。光伏電池的發(fā)電效率在不斷的提高，晶體硅光電池的轉換率為15%，而單晶硅電池轉化率則達到了23.3%，砷化鎵光電池更是達到25%的轉化率。同時太陽能光伏電池組件的使用壽命也大大的延長，最多可達30年之久。目前，世界上太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)應用最多的國家為美國、日本和歐盟，它們的太陽能發(fā)電總量占世界光伏發(fā)電量的80%。專家預測，日后的世界太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)將會朝高效率、高壽命、低成本和美觀實用的方向發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電總量也將占13-15%，預測到2100年光伏發(fā)電總量將占60%以上。2 國內(nèi)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。 我國太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的啟用較晚，20世紀90年

8、代以來我國光伏發(fā)電快速發(fā)展。在這一階段我國光伏組件的生產(chǎn)能力不斷提升，產(chǎn)品生產(chǎn)成本降低，市場不斷擴大并出口到國外，裝機總容量也逐年增加。截止2006年底，我國光伏發(fā)電總量為35MW，占世界總量的3%。到2020年之前，我國太陽能光伏發(fā)電技術不斷發(fā)展和完善，光伏市場也將發(fā)生巨大的變化。發(fā)電成本也逐漸降低，2010年我國光伏發(fā)電的價格約為每千瓦時1.2元人民幣，預計到2020年，這個價格將會降低為每千瓦時0.6元人民幣。 隨著我國光伏企業(yè)的不斷發(fā)展，近年來受到西方國家的反傾銷等政策的打擊，一些光伏組件的生產(chǎn)廠商面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在這個背景下，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)應用應該轉向國內(nèi)，中國太陽能資源

9、豐富，尤其是西北等內(nèi)地地區(qū)，光照充足，必須加大財政支持，推進太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在中國的應用，促進光伏產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。隨著太陽能的開發(fā)和利用，我國光伏發(fā)電系統(tǒng)的應用快速成熟起來。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)不但具有環(huán)保的特點，而且科技含量高，發(fā)電成本低，是對傳統(tǒng)發(fā)電模式的重大突破。但是，光伏發(fā)電系統(tǒng)的使用率還不高，主要原因是光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成科技含量高，對材料的使用要求嚴格，因此必須加快研發(fā)太陽能光伏電池的新材料，提高光伏發(fā)電的效率，降低發(fā)電成本。加大對光伏產(chǎn)業(yè)的扶持力度，開發(fā)國內(nèi)市場，將光伏發(fā)電系統(tǒng)廣泛的應用到國內(nèi)，提高光伏產(chǎn)業(yè)競爭了，不斷推進光伏產(chǎn)品的更新和升級，為我國的電力供應開辟新的途徑。三、并網(wǎng)

10、型太陽能光伏發(fā)電控制系統(tǒng)簡介 如圖2所示，并網(wǎng)型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)最大的特點就是光伏組件方陣產(chǎn)生的直流電（一般為12VDC、24VDC、48VDC）經(jīng)過并網(wǎng)逆變器轉換成符合市電電網(wǎng)要求的交流電后直接接入公共電網(wǎng)。當光照充足時，系統(tǒng)產(chǎn)生的電力除了供給負載外，剩余的電力反饋給公共電網(wǎng)；在白天或夜晚，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能不能滿足負載需求時就由電網(wǎng)供電。 該系統(tǒng)主要由光伏組件方陣（即太陽能電池板）、光源跟蹤控制系統(tǒng)、并網(wǎng)逆變器等組成，與獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，因并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)直接將電能輸入電網(wǎng)，也可直接利用電網(wǎng)電能，所以免除了配置控制器和蓄電池，但是系統(tǒng)中的逆變器必須使用專用的并網(wǎng)逆變器。1 太陽能電池板

11、的應用 太陽能電池是一種對光有響應并能將光能轉換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理基本相同，現(xiàn)已晶體硅為例描述光發(fā)電過程。P型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得N型硅，形成P-N結。當光線照射太陽電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在P-N結兩側集聚形成了電位差，當外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的的實質是：光子能量轉換成電能的過程。太陽能交流發(fā)電系統(tǒng)是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池共同組成；太陽能直流發(fā)電系統(tǒng)則不包括逆變

12、器。太陽能電池板是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分，太陽能電池板的作用是將太陽的光能轉化為電能后，輸出直流電存入蓄電池中。太陽能電池板是家用太陽能發(fā)電中最重要的部件之一，其轉換率和使用壽命是決定太陽電池是否具有使用價值的重要因素。太陽能電池板以多晶太陽能電池板居多。 多晶太陽能電池板是由多晶硅高效太陽能電池片、EVA膠膜低鋼化玻璃、輕質電鍍率金組成。可應用于太陽路燈、太陽能草坪燈、太陽能發(fā)電系統(tǒng)、通訊、航天等途徑。多晶硅是含有大量單晶顆粒的集合體，它有多種不同排列方向的單組成。用廢次單晶硅料和冶金級硅材料熔化鑄造固化而成。其制造簡單而成本較低。通常多晶硅太陽能電池的光電轉換效率為16%左右。 多晶太

13、陽能電池板的輸出功率嚴格控制在±3%，以確保每個貨柜都為正公差。其組件經(jīng)由國際知名試驗室測試，保證輸出公率的準確性。在組件生產(chǎn)過程中，應用了無螺釘內(nèi)置角鍵連接的先進技術，緊固密封，抗機械強度高，采用高透光率鋼化玻璃封裝和密封防水接線盒，確保組件使用安全，保證這些光伏組件在10年使用期間，輸出功率在90%以上；25年使用期間，輸出功率在80%以上。多晶太陽能電池板選用的封裝形式和接線盒等配件滿足野外使用的要求，防護等級達到IP65。組件抗風壓達到2400帕，能夠抵御120Km/h風速，組件強度能抵御一般的風沙、冰雹和雪壓?！凹彝ル娬尽笔且环N家庭太陽能發(fā)電系統(tǒng)的簡稱，主要由太陽能電池板、

14、太陽能控制器和蓄電池三部分組成?！凹彝ル娬尽痹谖覈粌H有較為成熟的技術支撐和現(xiàn)實需求，且隨著社會環(huán)保意識的增強，其在我國的發(fā)展將有著廣闊的空間。個人分布式光伏發(fā)電并網(wǎng)的條件并不難，即需要一臺光伏發(fā)電設備（太陽能電池板或組件）、一臺逆變器、一個微斷開關和一些導線即可。所謂逆變器是用來將發(fā)電設備發(fā)出的直流電轉換為符合并網(wǎng)要求的交流電。微斷開關則主要起保護作用，當設備出現(xiàn)故障時會自動跳開。這些“裝備”中最重要的是太陽能電池板。目前市場上的太陽能電池板大致分為單晶硅電池、多晶硅電池、薄膜電池以及非晶硅薄膜電池。對于太陽能電池而言，最重要的參數(shù)是轉換效率，目前在實驗室所研發(fā)的硅基太陽能電池中，單晶硅電池

15、效率為25%，多晶硅電池效率為20.4%，薄膜電池效率不到20%，非晶硅薄膜電池的效率僅為10.1%。 為了使太陽能發(fā)電系統(tǒng)能為負載提供足夠的電源，就要根據(jù)用電器的功率，合理選擇各部件。下面以100W輸出功率，每天使用6個小時為例，介紹一下計算方法：1.首先應計算出每天消耗的瓦時數(shù)（包括逆變器的損耗）：若逆變器的轉換效率為90%，則當輸出功率為100W時，則實際需要輸出功率應為100W/90%=111W；若按每天使用5小時，則耗電量為111W*5小時=555Wh。2.計算太陽能電池板：按每日有效日照時間為6小時計算，再考慮到充電效率和充電過程中的損耗，太陽能電池板的輸出功率應為555Wh/6h

16、/70%=130W。其中70%是充電過程中，太陽能電池板的實際使用功率。2 模擬光源跟蹤控制系統(tǒng)系統(tǒng)工作原理： 正常情況下：光電池陣列接受光照后，光電傳感器輸出信號（電壓差）經(jīng)放大處理等（光源跟蹤信號前置電路）輸入單片機，單片機處理后發(fā)出信號給電機驅動電路，進而驅動電機對光電池陣列進行水平和垂直方向的調節(jié)，以便保持同太陽光垂直的角度，從而達到對太陽光的最大利用，通過當前時鐘可以很方便的在太陽下山后（無光照時）控制光電池陣列回到初始位置，以便開始新的一天的工作。 非正常情況下：如果是陰天，光電傳感器檢測到的兩電壓信號相等，所以輸出的電壓差信號為零，這時可用軟件實現(xiàn)時鐘優(yōu)先。單片機會結合當前時鐘調

17、節(jié)光電池陣列的角度，如果光電傳感器仍然檢測不到電壓差信號，則可判斷是陰天，系統(tǒng)停止連續(xù)跟蹤調節(jié)以節(jié)能；如果光電傳感器能檢測到電壓差信號，但是經(jīng)單片機對電機進行調整后，光電傳感器再次檢測的信號與前一次相比沒有變化，則判斷光電池陣列是否觸到限位開關，若是，單片機將結合當前時鐘對光電池陣列的角度進行調節(jié)，若不是，則說明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，這時將由通信口發(fā)出信號通知工作人員進行維護。 因地球自轉，對于同一地點而言，不同季節(jié)不同時間點，太陽光的照射角度是不一樣的，只有讓太陽能電池方陣時刻正對著太陽才能保證光照強度最高，因此要設計光源跟蹤系統(tǒng)，使太陽能的利用率達到最大化。本系統(tǒng)的模擬光源跟蹤控制系統(tǒng)主要由3盞日

18、光燈（模擬早、中、晚三個時間點的日照）、太陽能模擬追日跟蹤傳感器、太陽能板水平和俯仰傳動機構、直流電動機（配減速箱）、三菱FX2N可編程控制器、按鈕和繼電器等組成。通過太陽能模擬追日跟蹤傳感器接收到的光線強度信號，利用PLC內(nèi)設計程序進行比較，調整太陽能電池板的左右位置及仰角。模擬光源跟蹤PLC控制系統(tǒng)I/O分配如表1所示。目前國內(nèi)外跟蹤太陽的主要方法可以分為三種：視日運動軌跡跟蹤光電跟蹤視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合?，F(xiàn)就這三種跟蹤方案做一個簡要的介紹和比較。視日運動軌跡跟蹤視日運動軌跡跟蹤，即計算機先根據(jù)太陽運行規(guī)律計算出一天內(nèi)某時刻太陽的位置角度，然后運行控制程序使跟蹤裝置對準太陽完成

19、跟蹤。視日運動軌跡跟蹤系統(tǒng)可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。單軸跟蹤一般采用:傾斜布置東西跟蹤; 焦線南北水平布置,東西跟蹤；焦線東西水平布置,南北跟蹤。這三種方式都是單軸轉動的南北向或東西向跟蹤。工作原理基本相似。單軸跟蹤的優(yōu)點是結構簡單，但是由于入射光線不能始終與太陽能電池板垂直，收集太陽能的效果并不理想 1718。如果能夠在太陽高度和赤緯角的變化上都能夠跟蹤太陽就可以獲得最多的太陽能，全跟蹤即雙軸跟蹤就是根據(jù)這樣的要求而設計的。雙軸跟蹤又可以分為兩種方式:極軸式全跟蹤和高度角一方位角式全跟蹤。在雙軸跟蹤中極軸式全跟蹤采用赤道坐標系，高度角方位角式全跟蹤采用地平坐標光電跟蹤目前，國內(nèi)常用的光電

20、跟蹤有重力式、電磁式和電動式，這些光電跟蹤裝置都使用光敏傳感器如硅光電管。在這些裝置中，光電管的安裝靠近采光板，調整采光板的位置使采光板對準太陽、硅光電池處于陰影區(qū)；當太陽西移時采光板的陰影偏移，光電管受到陽光直射輸出一定值的微電流，作為偏差信號，經(jīng)放大電路放大，由伺服機構調整角度使跟蹤裝置對準太陽完成跟蹤。光電跟蹤靈敏度高，結構設計較為方便；但受天氣的影響很大，如果在稍長時間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，太陽光線往往不能照到硅光電管上，導致跟蹤裝置無法對準太陽，甚至會引起執(zhí)行機構的誤動作12。視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合光電跟蹤方法容易受外界天氣、雜光的干擾。視日運動軌跡跟蹤在計算太陽角度

21、的過程中會產(chǎn)生誤差，從而影響跟蹤精度，并且跟蹤裝置的機械執(zhí)行機構的精密程度也會影響到裝置的跟蹤精度。但是，將視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合就能克服兩者的缺點。在視日運動軌跡跟蹤的基礎上加兩個高精度傳感器。當跟蹤裝置開始運行時，用兩片高精度傳感器初始定位。在運行當中，以過程控制為主，傳感器瞬時測量作反饋，對程序進行累積誤差修正。這樣能在任何氣候條件下使聚光器得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方案跟蹤精度高，工作過程穩(wěn)定，應用于目前許多大型太陽能發(fā)電裝置。但計算過程十分復雜，高精度傳感器成本也很高，對于需要降低成本的小型太陽能利用裝置來講，該種跟蹤方式并不十分適用。1.2.1太陽運動規(guī)律太陽與地

22、球的位置關系地球每天圍繞通過它本身南極和北極的一個假想軸地軸自西向東自傳一周，每轉一周為一晝夜，一晝夜又分為24時，所以地球每小時自轉15度。在自轉的同時。地球圍繞太陽在一個橢圓形軌道上公轉，每公轉一周為一個太陽年、它等于365天5小時48分。即365241天，因此每四年須閏一日。地球的自轉軸與公轉運行的軌道面(黃道面)的法線傾斜成23.27度的夾角，而且地球公轉時其自轉軸的方向始終不變，總是指向天球的北極，這也是太陽赤緯角的最大值。在地球圍繞太陽公轉的一年中有四個特殊的日期，這就是受地球傾斜運動影響最大的冬至和夏至以及不受地球傾斜運動影響的春分和秋分。在北半球，春分大約是3月21日、夏至是6

23、月22日，秋分是9月23日，而冬至是12月21日。夏至的白天最長而冬至的黑夜最長；春分和秋分的晝夜各12個小時。在設計太陽能應用系統(tǒng)時，不可避免地都會涉及到地球和太陽的位置關系，如太陽高度角、方位角等問題。a. 地平坐標系以地平圈為基本圈，天頂為基本點，南點為原點的坐標系叫做地平坐標系，如圖2.1所示。通過天頂和太陽（任一天體）X作一大圓，叫做地平經(jīng)圈；地平交地平面于M點；從原點S沿地平圈順時針方向計量，弧SM為方位角s(地平經(jīng)度)；弧XM為高度角（地平緯度），向上為正，向下為負。弧ZX稱為天頂距，自Z起計量，用Z表示。顯然Z=90°-。b. 時角坐標系以天赤道為基本圈，北天極為基本

24、點，天赤道和子午圈在南點附近的交點為原點的坐標系為時角坐標系或第一赤道坐標系，如圖2.2所示。通過北天極和太陽X作一個大圓，叫做時圈；時圈交天赤道于T點；從原點Q沿天赤道順時針方向計量，弧QT為時角，以度、分，秒單位來表示，也可以用時，分，為單位來表示；弧XT為赤緯角，以度、分，秒單位來表示；從天赤道算起，向上為正，向下為負。當天體作周日運動時，天體的赤緯不隨周日運動而變化，但天體的時角卻從0°均勻地增加到360°秒。1.2.2相關角度的計算在太陽能的地面應用中，絕大部分的采光組件或陣列的安裝形式并非水平，而是以與地平面成一定夾角的傾斜形式安裝。所以有必要分析傾斜面在特定時

25、間 及地點下的太陽入射計算。a. 有關角的定義假如太陽能采光組件的傾斜角度和方位角已經(jīng)確定，要計算入射在采光組件表面上的太陽直射輻射的能量，就必須定義一些角度。太陽光線入射角：太陽光線和采光組件表面法線之間的夾角，稱為太陽光線的入射角。太陽光線可以分為兩個分量，一個垂直于采光面，一個平行與采光面，只有前者的輻射能北采光面所截取。由此可見，實際使用時應該是入射角越小越好，這也就是所說的跟蹤。 太陽高度角和太陽方位角s:從地面某一觀測點向太陽中心作一條射線，該射線在地面上有一投影線，這兩條線的夾角叫做太陽的高度角。該射線與地面法線的夾角叫太陽天頂角z.。其中+z=90°。太陽光線在地面上

26、的投影線與正南方的夾角s，為太陽的方位角。并規(guī)定，向西為正，向東為負。采光組件的方位角：采光組件表面法線在地面上有個投影，此投影線與正南方的夾角為采光組件的方位角。采光組件的傾斜角：采光組件平面與水平面的夾角稱為采光組件的傾斜角度如下圖所示.傾斜面有關幾何角度b. 角度之間的關系和有關公式采光組件所獲得的太陽輻射量主要取決于太陽入射角，而是太陽赤緯角、太陽時角、地理緯度、采光組件傾斜角、采光組件方位角和的函數(shù)，它們的具體關系是:(2.1)其中太陽赤緯角可由Cooper方程式(2.2)近似計算：n：一年中的天數(shù)，如：在春分，n=81，則=0。 （2.2）=(t-12)×15°

27、 （2.3）時角計算公式見式(2.3)，T為當?shù)貢r間，按小時計算。地球自轉一周為 360°，相應的時間為24h，每1h地球自轉的角度定義為太陽時角，則360°2415°，正午時角為零其它時辰時角的數(shù)值等于離正午的時間(h)乘以15。上午時角為負值，下午時角為正值，例如，上午10時和下午2時的時角分別為-30°及+30°。從式（2-1），（2-2），（2-3）可看出，當，確定后，采光組件傾角和方位角的值決定了直接日射入角，因此只要控制采光組件使其傾角和方位角有合適的值，就可以保證太陽光線入射角為0，從而最大限度地收集太陽能。 故我們可以根據(jù)不同地

28、區(qū)的情況確定一個合適的太陽能陣列的固定的安裝角，從而能最大效率利用太陽能。3 并網(wǎng)逆變器 目前我國并網(wǎng)光伏一般應用在較大型的系統(tǒng)上，在小功率并網(wǎng)逆變器的研究上投入較少，技術并不完善，缺少較好的行業(yè)標準，很多并網(wǎng)逆變器都需要專業(yè)技能才能操作和管理，因此很難使光伏發(fā)電得到普及化的推廣使用。在光伏發(fā)電領域，并網(wǎng)逆變算法、孤島檢測及保護、最大功率跟蹤等技術研究較早，也比較成熟。但是對帶蓄電池并網(wǎng)系統(tǒng)能量優(yōu)化管理，系統(tǒng)智能化運行控制，以及光伏發(fā)電與新型不間斷供電的結合這些方面研究較少，而做為一款家用光伏發(fā)電系統(tǒng)，這些技術非常重要。 家用光伏并網(wǎng)逆變器應定位為一款適合家庭用電的發(fā)電設備，因此系統(tǒng)可集成家庭

29、用電網(wǎng)絡的智能管理及控制，高性能不間斷供電方案，也可以利用多個的發(fā)電設備組建分布式發(fā)電網(wǎng)絡。同時系統(tǒng)應具備智能化自動運行能力，無需專業(yè)操作技能，管理方便，性能穩(wěn)定。1、系統(tǒng)硬件結構 整個光伏發(fā)電系統(tǒng)設計結構圖如圖4，采用FPGA作為核心控制器。系統(tǒng)外設模塊包括DC/DC、DC/AC功率變換電路、濾波與并網(wǎng)控制電路、檢測與通信電路、人機交互界面、蓄電池充放電控制模塊。圖 4系統(tǒng)框圖 功率主電路結構如圖5所示，由太陽能電池板輸出的直流電首先經(jīng)過DC/DC升壓變換。經(jīng)高頻變換器隔離送入工頻變換器，工頻逆變器由FPGA直接控制，產(chǎn)生與電網(wǎng)一樣的交流電壓并通過濾波和并網(wǎng)電路并入電網(wǎng)。圖 5主電路結構圖

30、檢測電路，將電網(wǎng)電壓經(jīng)過濾波器整形，通過電壓比較器產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓同頻率同相的方波信號，控制FPGA產(chǎn)生SPWM驅動信號。孤島檢測電路的設計采用被動與主動檢測相結合的辦法，使用多種檢測手段，減少檢測盲區(qū)，提高反應速度，以達到反孤島效應的目的。電流的采集通過ACS712霍爾傳感器將電流轉換成電壓信號，并使用運算放大器對輸出電壓變化進行放大，圖6是傳感器輸出信號的濾波和變換電路，傳感器檢測電網(wǎng)信號通過濾波、變換處理，送入A/D轉換芯片。圖6信號采樣原理圖 通信電路，應用電力線載波半雙工通信方式，系統(tǒng)運行時可通過電力線對其遠程控制，只需要一臺控制設備便可對所有連接在同一輸電線網(wǎng)絡的設備進行統(tǒng)一調度，組

31、成大容量的分布式發(fā)電系統(tǒng)； 不間斷供電方案，通過分離并網(wǎng)接口與負載接口，應用繼電器能夠獨立控制并網(wǎng)和負載供電，在裝置斷電時常閉繼電器將負載與電網(wǎng)連接，不影響家庭網(wǎng)絡用電。系統(tǒng)在檢測孤島效應時控制并網(wǎng)繼電器動作斷開與電網(wǎng)的連接，同時系統(tǒng)自動過度到50hz逆變工作方式，持續(xù)向負載供電，實現(xiàn)對家庭用電網(wǎng)絡的不間斷供電。在孤島保護狀態(tài)，系統(tǒng)檢測到電網(wǎng)恢復供電時，應用二次并網(wǎng)策略，使系統(tǒng)在不影響負載供電質量條件（微小相位、頻率及幅值調節(jié)）下快速恢復與電網(wǎng)并網(wǎng)連接，實現(xiàn)二次過度保護。2、重要算法軟件結構 電網(wǎng)電壓幅值和相位的準確獲得對于并網(wǎng)系統(tǒng)來說顯得尤為重要， 因此以電網(wǎng)線電壓uab = Uin （t）

32、 = Umsin t 為例， 通過軟件鎖相環(huán)可獲得其有效值和相位，在此基礎上， 通過逆變電流幅值相位的雙閉環(huán)來實現(xiàn)逆變電流的跟蹤控制， 如圖7所示 圖中上部分實現(xiàn)電網(wǎng)幅值的跟蹤控制；下部實現(xiàn)并網(wǎng)電流的跟蹤控制，圖8為該閉環(huán)控制信號圖。該算法通過VHDL語言實現(xiàn)，采樣周期短，運算速度快，運行穩(wěn)定。圖7：雙閉環(huán)控制算法圖8：閉環(huán)控制信號圖 系統(tǒng)以FPGA為處理單元，在FPGA內(nèi)嵌入Nios II 32位單片機內(nèi)核作為控制器，實現(xiàn)鍵盤輸入、LCD顯示及無線通信控制。FPGA內(nèi)部結構如圖7所示，外圍模塊其包括信號處理、電網(wǎng)幅值相位檢測及SVPWM運算部分。圖9：FPGA內(nèi)部結構圖 控制器軟件設計流程如下圖所示，編程實現(xiàn)自尋優(yōu)MPPT控制，及家庭用電