太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)研究

摘要：本文介紹了太陽能光伏發(fā)電的系統(tǒng)的根本組成和特性，說明了太陽能電池最大功率跟蹤的原理以及一些常用的方法，并比擬了他們的優(yōu)缺點(diǎn)。本文研究一種帶有雙向變換器功能的離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，通過對(duì)目前太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)常用DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究，總結(jié)了各種DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。添加了逆變電路使系統(tǒng)能夠向交流負(fù)載供電，并對(duì)逆變電路通過MALTAB進(jìn)行了仿真。關(guān)鍵詞：離網(wǎng)光伏發(fā)電，逆變電路，DC/DC變換器，最大跟蹤率目錄TOC\o"1-3"\h\u230811緒論1149321.1太陽能光伏發(fā)電的背景4144721.2太陽能光伏發(fā)電研究現(xiàn)狀與開展趨勢(shì)5632光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹6181352.1離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)8112102.1.1鉛酸蓄電池9237862.1.2太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤11192132.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)12224763太陽能離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)分析13227943.1離網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)的主電路圖1361563.2電路工作原理14100543.2.1離網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)常用DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1460223.2.2帶雙向變換器的太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)1594543.2.3逆變電路16313403.3參數(shù)設(shè)計(jì)17307813.3.1BOOST電路參數(shù)17239623.3.2蓄電池電池和太陽能電池列陣參數(shù)18174123.3.3雙向BUCK-BOOST變換器參數(shù)19298144離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真20641總結(jié)2123277參考文獻(xiàn)221緒論1.1太陽能光伏發(fā)電的背景自人類社會(huì)誕生以來，能源一直是人類生存和開展的重要物質(zhì)根底。隨著社會(huì)的開展，能源在社會(huì)開展中的重要性越來越突出，尤其是近年來各國日益呈現(xiàn)出來的能源危機(jī)問題，更加明顯地把能源置于社會(huì)開展的首要地位。根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)2005》的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以目前的開采速度計(jì)算，全球石油儲(chǔ)量可供生產(chǎn)40多年，天然氣和煤炭那么分別可以供給67年和164年。而我國的能源資源儲(chǔ)量情況更是危機(jī)逼人，按2000年底的統(tǒng)計(jì)，探明可開發(fā)能源總儲(chǔ)量約占世界總量的10.1%。我國能源剩余可開采總儲(chǔ)量的結(jié)構(gòu)為:原煤占58.8%，原油占3.4%，天然氣占1.3%，水資源占36.5%。我國能源可開發(fā)剩余可采儲(chǔ)量的資源保證程度為129.7年。自從工業(yè)革命以來，約80%溫室氣體造成的附加氣候強(qiáng)迫是由人類社會(huì)活動(dòng)引起的，其中CO2的作用約占60%，而化石能源的燃燒是CO2的主要排放源。[1]隨著化石能源的逐步消耗以及化石能源的開發(fā)和利用所造成的環(huán)境污染和生態(tài)破壞問題，開發(fā)和利用能夠支撐人類社會(huì)可持續(xù)開展的新能源和可再生能源成為人類急迫需要解決的問題。新能源與可再生能源是指除常規(guī)化石能源和大中型水力發(fā)電、核裂變發(fā)電之外的生物質(zhì)能、太陽能、風(fēng)能、小水電、地?zé)崮芤约昂Ｑ竽艿纫淮文茉?。研究和?shí)踐說明，新能源和可再生能源資源豐富、分布廣泛、可以再生且不污染環(huán)境，是國際社會(huì)公認(rèn)的理想替代能源。新能源和可再生能源的開發(fā)利用不僅可以解決目前世界能源緊張的問題，還可以解決與能源利用相關(guān)的環(huán)境污染問題，促進(jìn)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)性開展。根據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的預(yù)測，到21世紀(jì)60年代，全球新能源與可再生能源的比例，將會(huì)開展到世界能源構(gòu)成的50%以上，成為人類社會(huì)未來能源的基石和化石能源的替代能源。目前世界大局部國家能源供給缺乏，不能滿足經(jīng)濟(jì)開展的需要，各國紛紛出臺(tái)各種法規(guī)支持開發(fā)利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升溫。20世紀(jì)90年代以來，以歐盟為代表的地區(qū)集團(tuán)，大力開發(fā)利用可再生能源，連續(xù)10年可再生能源發(fā)電的年增長速度都在15%以上。以德國、西班牙為代表的一些國家通過立法方式，促進(jìn)可再生能源的開展，1999年以來可再生能源年均增長速度均到達(dá)30%以上。西班牙2003年風(fēng)力發(fā)電裝機(jī)占到全機(jī)總量的4%，德國在過去11年間，風(fēng)力發(fā)電增長21倍，2003年占全的3.1%。瑞典和奧地利的生物質(zhì)能源在其能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中高達(dá)15%以上。[2]我國擁有豐富的新能源與可再生能源可供開發(fā)利用，近十年來的高長使我國迫切需要加大對(duì)新能源和可再生能源的開發(fā)利用，以解決能源題，保障能源供給平安。近年來，由于各級(jí)政府和社會(huì)各界的高度重視可再生能源的開發(fā)和利用方面取得了較快開展，并于2005年2月28日通過了《再生能源法》，該法已于2006年1月1日起實(shí)施，這對(duì)于我國可再生能具有十分重要的意義。[3]1.2太陽能光伏發(fā)電研究現(xiàn)狀與開展趨勢(shì)當(dāng)今世界各國特別是興旺國家對(duì)于太陽能光伏發(fā)電十分重視，針對(duì)其制定規(guī)劃，增加投入，大力開展。20世紀(jì)80年代以來，即使是在世界經(jīng)濟(jì)從總體上處于衰退和低谷的時(shí)期，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)也一直以10%-15%的遞增速度在開展。[4]90年代后期，開展更為迅速，成為全球增長速度最快的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。國外太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀與開展趨勢(shì)：到2004年，世界太陽能光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘康竭_(dá)964.9MW，到2005年底，到達(dá)4961.69MW。己經(jīng)商業(yè)化、實(shí)用化的太陽能光伏電池主要有單晶硅電池、多晶硅電池、非晶硅電池、聚光電池、帶狀硅電池以及薄膜電池等幾類。在國際市場上目前太陽能光伏電池的價(jià)格大約為3.15美元/W，并網(wǎng)系統(tǒng)價(jià)格為6美元/w，發(fā)電本錢為0.25美元/(kw·h)。光伏電池的發(fā)電轉(zhuǎn)化效率也不斷提高，晶體硅光電池轉(zhuǎn)化率到達(dá)15%，單晶硅光電池轉(zhuǎn)化率是23.3%，砷化鎵光電池轉(zhuǎn)化率是25%，在實(shí)驗(yàn)室中特制的砷化嫁光電池轉(zhuǎn)化率己達(dá)35%-36%。太陽能光伏電池/組件使用壽命大大增長，可使用30多年。目前，太陽能光伏發(fā)電主要集中在日本、歐盟和美國，其太陽能光伏發(fā)電量約占世界光伏發(fā)電量的80%。今后太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要圍繞高效率、低本錢、長壽命、美觀實(shí)用等方向開展。專家們預(yù)測到2050年，太陽能光伏發(fā)電在發(fā)電總量中將占13%-15%，到2100年將約占64%。我國太陽能光伏發(fā)電現(xiàn)狀與開展趨勢(shì)：20世紀(jì)90年代以來是我國太陽能光伏發(fā)電快速開展的時(shí)期，在這一時(shí)期我國光伏組件生產(chǎn)能力逐年增強(qiáng)，本錢不斷降低，市場不斷擴(kuò)大，裝機(jī)容量逐年增加，2004年累計(jì)容量達(dá)35MW，約占世界份額的3%。10多年來，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)長期平均維持了全球市場1%左右的份額。到2023年前，我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)將會(huì)得到不斷的完善和開展，本錢將不斷下降，太陽能光伏發(fā)電市場發(fā)生巨大的變化:2005-2023年，我國的太陽能電池主要用于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電本錢到2023年將約為1.20元/(kW·h);2023-2023年，太陽能光伏發(fā)電將會(huì)由獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)向并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電本錢到2023年將約為0.60元/(kw·h)。到2023年，我國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的技術(shù)水平有望到達(dá)世界先進(jìn)行列。[5]2光伏發(fā)電系統(tǒng)介紹太陽能是一種能量巨大的可再生能源，據(jù)估算，太陽能傳送到地球上每40秒鐘就有相當(dāng)于210億桶石油的能量傳送到地球，相當(dāng)于全球一天的能源。在目前的幾種新能源技術(shù)中，太陽能以其突出的優(yōu)勢(shì)被定位為的未來能源，有無盡的潛力。目前太陽能利用的方式有:太陽能光伏發(fā)電，太陽能熱利用，太陽能動(dòng)力利用，太陽能光化利用，太陽能生物利用和太陽能光-光利用。其中太陽能光伏發(fā)電以其優(yōu)異的特性近年來在全世界范圍得到了快速開展，被認(rèn)為是當(dāng)前具有開展前景的新能源技術(shù)，各興旺國家均投入巨資競相研究開發(fā)，并產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，大力開拓太陽能光伏發(fā)電的市場應(yīng)用。太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能電池將太陽光能轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)太陽能電池單元是光電轉(zhuǎn)化的最小單位，將太陽能電池單元進(jìn)行串并聯(lián)可以做成太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦到幾百瓦，這種太陽能電池組件可以單獨(dú)作為電源使用的最小單元，可以將太陽能電池組件進(jìn)行進(jìn)一步的串并聯(lián)，構(gòu)成太陽能電池方陣，以滿足負(fù)載所需要的功率輸出。[6]太陽能光伏發(fā)電之所以開展如此迅速，是因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)(l)取之不盡，用之不竭。地球外表所接受的太陽能約為1.07×1014GWh/年，是全球能量年需求的35000倍，可以說是一種無限的資源。(2)無污染。光伏發(fā)電本身不消耗工質(zhì)，不向外界排放廢物，無轉(zhuǎn)動(dòng)部件，不產(chǎn)生噪聲，是一種理想的清潔能源。(3)資源分布廣泛。不同于水電受水力資源限制，火電受到煤炭資源及運(yùn)輸本錢等影響，光伏發(fā)電幾乎不受地域的限制，理論上講在任何可以得到太陽能的地方都可以利用太陽能進(jìn)行發(fā)電。(4)建設(shè)周期短，建造靈活方便，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以按照需要將光伏組件靈活地串并聯(lián)，到達(dá)所需功率，所以其建設(shè)周期短，擴(kuò)容方便;安裝于房頂，沙漠，還可與建筑相結(jié)合，從而節(jié)約占地面積，節(jié)省安裝本錢;太陽能光伏發(fā)電所消耗的太陽能無需付費(fèi)，一年中往往只需在遇到連續(xù)陰雨天最長的季節(jié)前后去檢查太陽能電池組件外表是否被污染，接線是否可靠以及蓄電池電壓是否正常等，因而太陽能光伏發(fā)電的運(yùn)行費(fèi)用很低。(5)光伏建筑集成。光伏產(chǎn)品與建筑材料集成是目前國際上研究及開展的前沿，這種產(chǎn)品不僅美觀大方，還節(jié)省發(fā)電站使用的土地面積和費(fèi)用。(6)分布式。光伏發(fā)電系統(tǒng)的分布式特點(diǎn)將提高整個(gè)能源系統(tǒng)的平安性和可靠性，特別是從抗御自然災(zāi)害和戰(zhàn)備的角度看，更具有明顯的意義。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)按是否與電網(wǎng)連接可分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1所示，該系統(tǒng)中的能量能進(jìn)行雙向傳輸。在有太陽能輻射時(shí)，由太陽能電池陣列向負(fù)載提供能量;當(dāng)無太陽能輻射或太陽能電池陣列提供的能量不夠時(shí)，由蓄電池向系統(tǒng)負(fù)載提供能量。該系統(tǒng)可為交流負(fù)載提供能量，也可為直流負(fù)載提供能量，當(dāng)太陽能電池陣列能量過剩時(shí)，可以將過剩能量存儲(chǔ)起來或把過剩能量送入電網(wǎng)。該系統(tǒng)功能全面，但是系統(tǒng)過于復(fù)雜，本錢高，僅在大型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中才使用這種結(jié)構(gòu)，并具有上述全面的功能;而一般使用的中小型系統(tǒng)僅具有該系統(tǒng)的局部功能。[7]圖1.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)2.1離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)是指未與公共電網(wǎng)相連接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，其輸出功率提供給本地負(fù)載(交流負(fù)載或直流負(fù)載)的發(fā)電系統(tǒng)。其主要應(yīng)用于遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無電地區(qū)和一些特殊場所，如為公共電網(wǎng)難以覆蓋的遙遠(yuǎn)偏僻農(nóng)村、海島和牧區(qū)提供照明、看電視、聽播送等根本生活用電，也可為通信中繼站、氣象站和邊防哨所等特殊處所提供電源。圖2.1所示為一種常用的太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)由太陽能電池陣列、DC/DC變換器、蓄電池組、DC/AC逆變器和交直流負(fù)載構(gòu)成。DC/DC變換器將太陽能電池陣列轉(zhuǎn)化的電能傳送給蓄電池組存儲(chǔ)起來供日照缺乏時(shí)使用。蓄電池組的能量直接給直流負(fù)載供電或經(jīng)DC/AC變換器給交流負(fù)載供電。該系統(tǒng)由于有蓄電池組，因而系統(tǒng)本錢增加，但可在無日照或日照缺乏時(shí)為負(fù)載供電。[8]圖2.1離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)2.1.1鉛酸蓄電池儲(chǔ)能是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成局部，尤其對(duì)于獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)而言，儲(chǔ)能環(huán)節(jié)更是不可缺少的組成局部。儲(chǔ)能系統(tǒng)的好壞直接影響到光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能在實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能局部又是最易受損、最易消耗的局部。所以獲得最正確的儲(chǔ)能系統(tǒng)成為光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要組成局部。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中通常使用蓄電池實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，常用蓄電池屬于電化學(xué)電池。蓄電池在充電時(shí)把電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存起來，放電時(shí)把儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能提供給負(fù)載使用。一般來講，光伏發(fā)電系統(tǒng)白天把太陽能轉(zhuǎn)化為電能，通過充電器和蓄電池把電能儲(chǔ)存起來，晚上再通過放電器把儲(chǔ)存在蓄電池里的電能放出來使用。其中常用的蓄電池有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池和鎳氫蓄電池。目前中國用于太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的蓄電池除有少量用于高寒戶外系統(tǒng)采用鎳鎘蓄電池外，絕大多數(shù)是采用鉛酸蓄電池。在小型的太陽能草坪燈和便攜式太陽能供電系統(tǒng)中使用鎳鎘或鎳氫蓄電池比擬多。鉛酸蓄電池充電控制方法:在太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，對(duì)鉛酸蓄電池使用的充電控制方法直接影響到系統(tǒng)的性能。充電控制方法的優(yōu)劣影響到鉛酸蓄電池的荷電量的大小，同時(shí)也關(guān)系到鉛酸蓄電池的使用壽命。而電荷量的大小決定著太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)向負(fù)載供電的能力、鉛酸蓄電池的使用壽命關(guān)系到系統(tǒng)的本錢、造價(jià)以及系統(tǒng)的使用壽命，因此選擇合理的充電控制方法是提高太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)性能的有效手段。目前鉛酸蓄電池常用的充電控制包括恒流充電、恒壓充電、兩階段和三階段充電等方法。[9](一)恒流充電恒流充電就是以一定的電流進(jìn)行充電，在充電過程中隨著鉛酸蓄電池電壓的變化要進(jìn)行電流調(diào)整使之恒定不變。這種方法特別適合于多個(gè)鉛酸蓄電池串聯(lián)的鉛酸蓄電池組進(jìn)行充電，能使落后的鉛酸蓄電池的容量易于得到恢復(fù)，最好用于小電流長時(shí)間的充電模式。這種充電方式的缺乏之處在于:鉛酸蓄電池開始充電電流偏小，在充電后期充電電流又偏大，充電電壓偏高，整個(gè)充電過程時(shí)間長。(二)恒壓充電法恒壓充電就是以一恒定電壓對(duì)鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。在充電初期由于鉛酸蓄電池電壓較低，充電電流較大，但隨著鉛酸蓄電池電壓的逐漸升高，電流逐漸減少。在充電末期只有很小的電流通過，這樣充電過程中就不必調(diào)整電流。相對(duì)恒流電來說，此法的充電電流自動(dòng)減少，所以充電過程中析氣量小，充電時(shí)間短，能耗低。這種充電方法缺乏之處在于:在充電初期，如果鉛酸蓄電池放電深度過深，充電電流會(huì)很大，不僅危及充電器的平安，而且鉛酸蓄電池可能因過流而受到損傷;如果鉛酸蓄電池電壓過低，后期充電電流又過小，充電時(shí)間過長，不適合串聯(lián)數(shù)量多的鉛酸蓄電池組充電。鉛酸蓄電池電壓的變化很難補(bǔ)償，充電過程中對(duì)落后電池的完全充電也很難完成。這種充電方法在小型的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中經(jīng)常用到，因?yàn)檫@種系統(tǒng)中來自太陽能電池陣列的電流不會(huì)太大，而且這種系統(tǒng)中鉛酸蓄電池組串聯(lián)不多。(三)兩階段充電法這種方法是為了克服恒流與恒壓充電的缺點(diǎn)而結(jié)合的一種充電策略。它首先對(duì)鉛酸蓄電池采用恒流充電方式充電，鉛酸蓄電池充電到達(dá)一定容量后，然后采用恒壓充電方式充電。采用這種充電方式，在充電初期，鉛酸蓄電池不會(huì)出現(xiàn)很大的電流，在充電后期也不會(huì)出現(xiàn)鉛酸蓄電池電壓過高，使鉛酸蓄電池產(chǎn)生析氣。(四)三階段充電法三階段充電法是在兩階段充電完畢后，鉛酸蓄電池容量己經(jīng)到達(dá)額定容量時(shí)，再繼續(xù)以很小的電流向鉛酸蓄電池充電以彌補(bǔ)鉛酸蓄電池由于自放電損失的電量，這種以小電流充電的方式也稱為浮充。在浮充時(shí)，鉛酸蓄電池充電電壓要比恒壓階段的充電電壓低。在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，綜合考慮日照強(qiáng)度以及環(huán)境溫度對(duì)光伏系統(tǒng)充電電流的影響、鉛酸蓄電池性能以及系統(tǒng)本錢等因素，使用三階段充電法對(duì)鉛酸蓄電池充電較為合理。2.1.2太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤目前，太陽能電池陣列在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)造價(jià)中占很大比重，而且太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率本身就不高，因此有必要研究提高太陽能電池利用效率的方法，以降低系統(tǒng)單位價(jià)格的本錢，促進(jìn)太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用推廣。太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤(MaximumPowerPointTracking，簡稱MPPT)是其中的途徑之一，它能最大程度的利用太陽能電池轉(zhuǎn)化所得的電能。[10]太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤原理:由第二章可知，太陽能電池的輸出特性受電池溫度和日照強(qiáng)度等因素的影響，電池溫度主要影響太陽能電池的開路電壓，日照強(qiáng)度主要影響太陽能電池的短路電流。在一定日照強(qiáng)度和溫度下，太陽能電池有唯一的最大輸出功率點(diǎn)，太陽能電池只有工作在最大功率點(diǎn)才能使其輸出的功率最大。太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法:目前使用的太陽能電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法主要有恒電壓法、觀察擾動(dòng)法、電導(dǎo)增量法以及其它的一些跟蹤方法。1.恒電壓法(ConstantVoltageTracking，簡稱CVT)溫度一定時(shí)，在不同的日照強(qiáng)度下，太陽能電池陣列輸出曲線的最大功率點(diǎn)根本是分布在一條垂直線的附近，因此只要保持太陽能電池陣列輸出電壓為常數(shù)且等于某一日照強(qiáng)度下太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)的電壓，就可以大致保證在該溫度下太陽能電池陣列輸出最大功率。恒電壓法具有控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定性好，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，比一般太陽能光伏系統(tǒng)可望多獲得20%的電能，較之不帶CVT的直接藕合要有利得多。然而恒電壓法忽略了太陽能電池溫度對(duì)太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)的影響，一般硅太陽能電池的開路電壓都在較大程度上受結(jié)溫影響，以常規(guī)單晶硅太陽能電池而言，當(dāng)太陽能電池溫度每升高1℃時(shí)，其開路電壓下降率約為0.35%-0.45%，這說明太陽能電池的最大功率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電壓也隨電池溫度的變化而變化，其中對(duì)太陽能電池溫度影響最大的因素是環(huán)境溫度和日照強(qiáng)度。因此對(duì)于四季溫差或日溫差較大的地區(qū)，CVT方式并不能完全跟蹤太陽能電池陣列最大功率點(diǎn)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)功率損失。研究結(jié)果說明，雖然許多太陽能光伏系統(tǒng)仍然采用這種最大功率點(diǎn)跟蹤方法，但這種方式所帶來的功率損耗相比于微電子技術(shù)的迅速開展及微電子器件的大幅度降價(jià)，已經(jīng)顯得很不經(jīng)濟(jì)。2.擾動(dòng)觀察法(Perturbation&Observation)擾動(dòng)觀察法的原理是:在每個(gè)控制周期用較小的步長改變太陽能電池陣列的輸出，改變的步長是一定的，方向可以是增加也可以是減少，控制對(duì)象可以是太陽能電池陣列的輸出電壓或電流，這一過程稱為“擾動(dòng)〞;然后，通過比擬干擾周期前后太陽能電池陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾〞過程，如果檢測到輸出功率減少，那么改變“干擾〞的方向。擾動(dòng)觀察法的最大優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡單，被測參數(shù)少，容易實(shí)現(xiàn)。但是即使在某一周期太陽能電池陣列運(yùn)行在最大功率點(diǎn)，由于擾動(dòng)的存在，下一周期太陽能電池陣列運(yùn)行點(diǎn)又會(huì)偏離最大功率點(diǎn)，因此太陽能電池陣列實(shí)際是在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，從而導(dǎo)致局部功率損失;其次，難以選擇適宜的變化步長，步長過小，跟蹤的速度緩慢，太陽能電池陣列可能長時(shí)間運(yùn)行于低功率輸出區(qū)，步長過大太陽能電池陣列在最大功率點(diǎn)附近的振蕩又會(huì)加大，跟蹤精度下降，從而導(dǎo)致更多的功率損失;另外，當(dāng)外部環(huán)境突然變化，太陽能電池陣列從一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)變換到另一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程中，會(huì)出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。3.增量電導(dǎo)法(IncrementalConductanceAlgorithm)為了解決擾動(dòng)觀察法導(dǎo)致的功率損失問題，K.H.Hussein在1995年提出了增量電導(dǎo)法。由太陽能電池陣列輸出電氣特性知，太陽能電池陣列的輸出功率-電壓(P-V)曲線是一個(gè)單峰曲線，在最大功率點(diǎn)處，功率對(duì)電壓的導(dǎo)數(shù)為零。增量電導(dǎo)法的優(yōu)點(diǎn)是:在日照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，太陽能電池陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式追隨其變化，而且穩(wěn)態(tài)的電壓振蕩也較擾動(dòng)觀察法小。增量電導(dǎo)法的缺點(diǎn)是:太陽能電池陣列可能存在一個(gè)局部的最大功率點(diǎn)，這種算法可能導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定在一個(gè)局部的最大功率點(diǎn);如同擾動(dòng)觀察法一樣，增量電導(dǎo)法的變化步長也是固定的，步長過小會(huì)使跟蹤速度變慢，太陽能電池陣列較長時(shí)間工作在低功率輸出區(qū);步長太長，又會(huì)使系統(tǒng)振蕩加劇，影響跟蹤精度。在實(shí)際的光伏系統(tǒng)中，增量電導(dǎo)法的實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的要求相對(duì)較高，控制系統(tǒng)需采用高速微處理器完成數(shù)據(jù)處理。2.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)與公共電網(wǎng)相連接的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)。并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)將太陽能電池陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)電壓同幅、同頻、同相的交流電，并實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)連接，向電網(wǎng)輸送電能。它是太陽能光伏發(fā)電進(jìn)入大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電階段、成為電力工業(yè)組成局部之一重要方向，是當(dāng)今世界太陽能光伏發(fā)電技術(shù)開展的主流趨勢(shì)。一般的并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)如圖2.2所示，將太陽能電池控制系統(tǒng)和民用電網(wǎng)并聯(lián)，當(dāng)太陽能電池輸出電能不能滿足負(fù)載要求時(shí)，由電網(wǎng)來進(jìn)行補(bǔ)充。而當(dāng)其輸出的功率超出負(fù)載需求時(shí)，將電能輸送到電網(wǎng)中。圖2.2并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3太陽能離網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)分析3.1離網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)的主電路圖本設(shè)計(jì)的總體方框圖為：圖3.1太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)總框圖主電路圖為： 圖3.2主電路3.2電路工作原理3.2.1離網(wǎng)光伏供電系統(tǒng)常用DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)到目前為止，在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中使用的DC/DC變換電路主要有BUCK電路，BOOST電路，BUCKK-BOOSTT電路以及CUK電路。它們的電路拓?fù)浞謩e如下列圖3.3(a)-(d)所示。BUCK電路拓?fù)鋱Db.BOOST電路拓?fù)鋱Dc.BUCK-BOOST電路拓?fù)鋱Dd.CUK電路拓?fù)鋱D圖3.3太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中常用的DC/DC變換電路拓?fù)鋱D3.2.2帶雙向變換器的太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)圖3.3所示為本文研究所用獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，該獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路包含以下五個(gè)局部:太陽能電池陣列，BOOST變換器和雙向BUCK-BOOST變換器，蓄電池組以及負(fù)載。BOOST電路以電感電流源方式向負(fù)載放電實(shí)現(xiàn)負(fù)載電壓升高的目的。與BUCK電路相比，BOOST電路的電感在電路的輸入端，因此只要輸入電感足夠大，BOOST電路可以始終工作于輸入電流連續(xù)的狀態(tài)下，電感上的紋波電流可以小到接近平滑的直流電流，因此在光伏發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用中，只需在BOOST電路并聯(lián)容量較小的無感電容甚至可以不加電容，如圖3.3，這樣就可防止加電容帶來的種種弊端。同時(shí)BOOST結(jié)構(gòu)也非常簡單，并且功率開關(guān)管一端接地，使得開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)更為簡單。3.4帶雙向變換器的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)圖3.5連接太陽能電池陣列的BOOST電路拓?fù)鋱DBOOST電路的缺乏之處在于其輸入端電壓較低，在同樣的功率下，輸入電流較大，因而電路損耗較大，與BUCK電路，BOOST電路轉(zhuǎn)化效率略低一些;而且BOOST電路只能進(jìn)行升壓變換。典型的連接太陽能電池陣列的BOOST電路拓?fù)淙鐖D3.5所示，BOOST電路輸出連接阻性負(fù)載或蓄電池。雙向BUCK-BOOST變換器是在BUCK電路中的續(xù)流二極管替換為功率MOSFET管而得到的，其電路結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。為實(shí)現(xiàn)能量的雙向自由流動(dòng)，Q2和Q3互補(bǔ)PWM工作，即Q2導(dǎo)通時(shí)，Q3截止，Q3導(dǎo)通時(shí)，Q2截止。為了防止Q2，Q3同時(shí)導(dǎo)通，兩者之間有死區(qū)時(shí)間，即Q2關(guān)斷后經(jīng)死區(qū)時(shí)間td后才允許Q3導(dǎo)通，反之亦然。3.2.3逆變電路直流-交流〔DC/AC〕變換器，也稱逆變器。其功能是將直流電變?yōu)楣潭l率和電壓或可調(diào)頻率和可調(diào)電壓的交流電，供負(fù)載使用。逆變電路的分類方法有很多種，本文采用雙極性SPWM單相逆變電路。太陽能光伏陣列產(chǎn)生的電壓，經(jīng)過一個(gè)BOOST電路升壓，通過調(diào)節(jié)Q5端占空比來調(diào)節(jié)升壓后電壓的大小。再經(jīng)過雙極性SPWM逆變電路，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供負(fù)載使用。圖3.6逆變電路雙極性SPWM調(diào)制的特點(diǎn)是：三角載波有正負(fù)極性，同樣再載波和調(diào)制波的交點(diǎn)處產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。但是T6、T9和T7、T8的驅(qū)動(dòng)脈沖互補(bǔ)。在T6、T9導(dǎo)通時(shí)，T7、T8截止；在T7、T8導(dǎo)通時(shí)，T6、T9截止。因此逆變器交流輸出電壓在半周期中也有正負(fù)極變化，故稱雙極性調(diào)制。在輸出交流的正半周。正脈沖寬度大于負(fù)脈沖；在輸出交流的負(fù)半周，負(fù)脈沖寬度大于正脈沖，且脈沖狂度隨調(diào)制波變化，使輸出交流電壓按正弦規(guī)律變化。改變調(diào)制波的幅值，那么改變了調(diào)制正弦波與三角波的交點(diǎn)位置，可以調(diào)節(jié)矩形脈沖寬度，從而改變交流電壓的大小。改變調(diào)制正弦波的頻率。使輸出交流電的頻率也隨之變化，因此調(diào)節(jié)調(diào)制波的幅值喝頻率就可以調(diào)節(jié)交流輸出電壓的大小和頻率3.3參數(shù)設(shè)計(jì)3.3.1BOOST電路參數(shù)系統(tǒng)中BOOST電路設(shè)計(jì)開關(guān)管的開關(guān)頻率fs=20kHz，輸入直流電壓Vin∈[25V，45V]，額定輸入直流電壓Vin=34V，輸出直流電壓Vo=48V，輸出電流額定電流I0=22.3A，電感電流工作在電流連續(xù)模式(CurrentContinuousMode)，效率η=0.95。濾波電感的計(jì)算〔4-1〕〔4-2〕D=1-Vin/V0〔4-3〕式中:D為開關(guān)管的占空比，fs為開關(guān)管開關(guān)頻率。由(4-2)和(4-3)可得:〔4-4〕〔4-5〕取△iL1=0.2IL1，計(jì)算可得L1min=66.5uH濾波電容的估算由文獻(xiàn)[44]可知:〔4-6〕取△Vo=4.8，由上述參數(shù)可得:〔4-7〕為了使輸出電壓紋波小于4.8V，濾波電容必須大于110.5uF，可取120uF，濾波電容的耐壓值不應(yīng)小于48x1.5=72V，因此濾波電容可取120uF/l00V。功率開關(guān)管的選取通過功率開關(guān)管的最大電流與通過電感的最大電流相等，為45A，功率開關(guān)管承受的最大電壓為2Vin=2×45=90V。考慮到功率開關(guān)管電壓和電流的設(shè)計(jì)裕量，開關(guān)管的額定電壓應(yīng)為珠的1.5倍，額定電流應(yīng)大于開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)流過的峰值電流的2倍。BOOST電路中開關(guān)管選取Infineon公司的IPBO42N10N3GMOSFET管，其額定耐壓值VDS=l00V，額定電流ID=100A，導(dǎo)通電阻RDS(ON)=4.2mΩ二極管的選取通過二極管的最大電流與通過電感的最大電流相等，為45A，功率開關(guān)管承受的最大反向電壓為Vomax=50.4v。考慮到二極管電壓和電流的設(shè)計(jì)裕量，開關(guān)管的額定電壓應(yīng)為Vin的1.5倍，額定電流應(yīng)大于開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)流過的峰值電流的2倍。BOOST電路中二極管選取Infineon公司的D255N二極管，其最大反向耐壓VRRM=600V，最大正向電流IF=400A，反向恢復(fù)時(shí)間最長131ns。3.3.2蓄電池電池和太陽能電池列陣參數(shù)在本系統(tǒng)中鉛酸蓄電池組接在雙向BUCK-BOOST變換器上充當(dāng)負(fù)載。當(dāng)鉛酸蓄電池組直接接在BOOST電路上充當(dāng)負(fù)載時(shí)，系統(tǒng)為鉛酸蓄電池充電以儲(chǔ)存能量，當(dāng)無太陽光照射時(shí)，鉛酸蓄電池可通過雙向BUCK-BOOST變換器向負(fù)載供電。本系統(tǒng)中鉛酸蓄電池選擇電壓24V、容量為100AH的蓄電池組。太陽能電池陣列是整個(gè)系統(tǒng)能量的來源，本系統(tǒng)所使用的太陽能電池陣列由七塊無錫尚德太陽能電力生產(chǎn)的STP155S-24/Ab型單晶硅太陽能電池并聯(lián)而成，總功率1KW。STP155S-24/Ab型單晶硅太陽能電池組件參數(shù)如表4.1所示:表3.5最大工作電壓Vm最大工作電流Im短路電流Isc開路電壓Voc功率34.4V4.51A4.9A43.2V153W3.3.3雙向BUCK-BOOST變換器參數(shù)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)雙向BUCK-BOOST變換器的功率開關(guān)管的開關(guān)頻率也為Fs=20kHz，雙向BUCK-BOOST變換器按BUCK變換器設(shè)計(jì):輸入額定直流電壓為Vin=48V，輸入電壓波動(dòng)△Vo=4.8v;輸出直流電壓Vo=24v，輸出電壓紋波為2V;輸出額定電流I=45A。濾波電感的估算(4-8)(4-9)(4-10)(4-11)式中:D為開關(guān)管的占空比，fs為開關(guān)管開關(guān)周期。取輸出電流紋波△i0=3A?？傻?(4-12)(4-13)(4-14)取L2=210uH。濾波電容的設(shè)計(jì)由于本系統(tǒng)中雙向BUCK-BOOST變換器的負(fù)載為鉛酸蓄電池，而鉛酸蓄電池本身就相當(dāng)于一個(gè)大電容，因此本雙向BUCK-BOOST變換器輸出端可以不用濾波電容;另外，省去濾波電容還可以減少由于鉛酸蓄電池給濾波電容充電而導(dǎo)致的容量損失。而且省去濾波電容，減少了系統(tǒng)本錢，縮小系統(tǒng)的體積，從而簡化了電路。功率開關(guān)管的選取雙向BUCK-BOOST變換器中，功率開關(guān)管Q2和Q3承受的最大電壓均為Vin=50.4V，功率開關(guān)管Q2和Q3的最大工作電流與流過濾波電感的最大電流相同，即IQ2max=IQ3max=IL2max=45A。考慮到功率開關(guān)管電壓和電流的設(shè)計(jì)裕量，可選擇開關(guān)管的容許電壓為100v，容許電流為50A。雙向BUCK-BOOST變換器電路中開關(guān)管選取Infineon公司的IPBO42CN10N3GMOSFET管，其額定耐壓值VDS=100V，額定電流ID=100A，導(dǎo)通電阻RDS(ON)=4.2mΩ逆變器選擇本文采用雙極性SPWM單相逆變電路。太陽能光伏陣列產(chǎn)生的電壓，經(jīng)過一個(gè)BOOST電路升壓，通過調(diào)節(jié)Q5端得占空比來調(diào)節(jié)升壓后電壓的大小。再經(jīng)過雙極性SPWM逆變電路，將直流電轉(zhuǎn)換為交流電供負(fù)載使用4離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的仿真根據(jù)參數(shù)采用Matlab軟件對(duì)逆變電路進(jìn)行仿真。對(duì)系統(tǒng)做適合的實(shí)時(shí)修正或者按照仿真的最正確效果來調(diào)試及整定控制系統(tǒng)的參數(shù)，以提高系統(tǒng)的性能，減少設(shè)計(jì)系統(tǒng)過程中反復(fù)修改的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)高效率地開發(fā)實(shí)際系統(tǒng)的目標(biāo)。圖3.5逆變電路仿真結(jié)果注：仿真中