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1、哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 在世界各国竞相发展绿色可再生能源的今天，太阳能凭其独特的优点， 受到了一致青睐，在太阳能的各种应用中，光伏应用倍受关注。随着光伏组 件价格的不断降低和光伏技术的发展，太阳能光伏发电系统将逐渐由现在的 补充能源向替代能源过渡。独立发电( S t a n d a l o n e ) 系统和并网发电 ( G r i d c o n n e c t e d ) 系统将成为光伏应用的主流。基于此，本文就光伏发电系 统中的一些关键问题如光伏阵列的最大功率点跟踪和蓄电池的优化管 理，逆变器的控制策略以及系统监控部分的设计等方面做了详细的理论分析， 建立了仿真模型，提出了相应
2、的控制策略。具体来说，本文的主要研究内容 可归纳如下。 1 ) 阐明了不同结构的光伏发电系统的性能和特点。 2 ) 分析了蓄电池的工作原理和使用特性，详细描述了蓄电池充电器的 充电方法对蓄电池的容量和使用寿命的影响，最后用单片机简单设计了带有 温度保护和三段充电功能的蓄电池充电器。 3 ) 分析了太阳能电池的工作特点，分析了获得太阳能电池最大功率点 的方法。较细致的阐述了定电压跟踪法，扰动观察法和滞环比较法，最后详 细的说明了用模糊控制逻辑获得最大功率点的方法。 4 ) 分析了逆变器的工作原理和控制方法，解释了P W M 的工作原理和 工作特性，用M A T L A B 仿真了P W M 的波
3、形产生和逆变器的工作波形，最 后用S T C 单片机制作了带有可调占空比的P W M 波形发生器。 5 ) 设计了太阳能发电装置的监控系统，包括温度采集，工作时间，数 据存储，设计了液晶芯片用来显示上述数据。 关键词：太阳能；蓄电池；M P P T ；逆变器；监控系统 哈尔滨下程大学硕士学何论文 A B S T R A C T A tp r e s e n t ，w h i l em o s tc o u n t r i e sa l lo v e rt h ew o r l da r ed e v e l o p i n gg r e e na n d r e n e w a b l ee
4、n e r g y ，s o l a re n e r g yi sa c c e p t e dc o m m o n l yb e c a u s eo fi t su n u s u a l a d v a n t a g e s P h o t o v o l t a i c ( P V ) s y s t e m sa r ep a i dm o r ea t t e n t i o nt oa m o n gi t s v a r i o u sa p p l i c a t i o n s W i t hp r i c er e d u c t i o no fP Vm o d
5、u l e sa n dd e v e l o p m e n to fP V t e c h n o l o g y ，t h er o l eo fP Vg e n e r a t i o ns y s t e m si sg r a d u a l l yc h a n g e df r o m s u p p l e m e n t a le n e r g yt os u b s t i t u t ee n e r g y 。A n ds t a n d - a l o n ea n dg r i d c o n n e c t e dP V g e n e r a t i o n
6、s y s t e m sw i l lb et h et r e n da m o n gP Va p p l i c a t i o n s T h i sp a p e rd e a l sw i t h s u c hk e yp r o b l e m sa st r u em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( T M P P T ) o fP Va r r a y a n do p t i m u mm a n a g e m e n to fb a t t e r y ， i m p r o v e m e n to f
7、i n v e r t e ro u t p u tw a v e ， i s l a n d i n ge f f e c ta n dS Oo nb ye s t a b l i s h i n gr e l a t e ds i m u l a t i o nm o d e l s ， a p p l y i n g n o v e lc o n t r o ls t r a t e g i e sa n de x p e r i m e n t sv a l i d a t i o n T h em o r ed e t a i l sa b o u t a u t h o r Sw
8、o r ka r ea sf o l l o w s ： 1 ) C l a r i f i e dt h ed i f f e r e n ts t r u c t u r eo f p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m p e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c s 2 ) A n a l y s i s e dt h eu s ea n d t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb a t t
9、 e r y ，ad e t a i l e d d e s c r i p t i o no f t h eb a t t e r yc h a r g e ro nt h eb a t t e r yc h a r g i n gm e t h o dc a p a c i t ya n dt h e i m p a c to fl i f e ，w i t ht h ef i n a ld e s i g no f as i n g l e - c h i pm i c r o c o m p u t e rw i t ha s i m p l e t e m p e r a t u r
10、 ep r o t e c t i o na n dt h r e eo ft h eb a t t e r yc h a r g e rC h a r g e r s 3 ) A n a l y s i s e dt h ew o r ko ft h es o l a rc e l lc h a r a c t e r i s t i c so fas o l a rc e l lW a s m a x i m u mp o w e rp o i n tm e t h o d M o r ed e t a i l e de l a b o r a t i o no ft h es e tv
11、o l t a g e t r a c k i n g ，o b s e r v a t i o na n dd i s t u r b a n c eH y s t e r e s i sc o m p a r i s o n ，t h ef i n a ld e t a i l e d e x p l a n a t i o no ft h eu s ef u z z yl o g i cc o n t r o lt h em a x i m u mp o w e rp o i n tm e t h o d 4 ) A n a l y s i s e dt h ew o r k i n g
12、p r i n c i p l ea n dt h ec o n t r o lm e t h o do ft h ei n v e r t e r ， e x p l m n e dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n do p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h eP W M ，u s i n g M A T L A Bs i m u l a t i o no faP W Mw a v e f o r mg e n e r a t o ri n v e r t e ra n dt h e
13、w o r ko f w a v e f o r m s ，t h el a s tp r o d u c e db ys i n g l e - c h i po fS T Ca d j u s t a b l ed u t yc y c l eo ft h e P W Mw a v e f o r mg e n e r a t o r 哈尔滨T 程大学硕士学位论文 5 ) D e s i g no fas o l a r - p o w e r e dd e v i c ec o n t r o ls y s t e m ，i n c l u d i n gc o l l e c t i
14、n g t e m p e r a t u r e ，t i m e ，d a t as t o r a g e ，t h ed e s i g no f t h eL C Dc h i p su s e dt od i s p l a yt h e d a t a K e yw o r d s ：s o l a re n e r g y ；b a t t e r y ；M P P T ；i n v e r t e r ；m o n i t e rs y s t e m 哈尔滨工程大学 学位论文原创性2 声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本人独立完成的。有关观点、
15、方法、数据和文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。， 作者( 签字) ：i 毪望 日期：劾罗年岁月f 日 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 第1 章绪论 1 1 光伏发电产业的现状 1 1 1 发展光伏发电产业的紧迫性 能源是人类社会生存和发展的动力源泉。从原始社会的钻木取火到近现 代的化石能源以及核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等各种新能源的应 用无不闪现着人类文明的智慧之光。 然而，随着人
16、类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。 自1 9 7 3 年世界石油危机以来，常规能源频频告急。在中国，这一情况更不容 乐观，据官方统计，仅去年一年，中国就进口原油约1 5 亿吨，按目前的消 耗速度，中国的现有能源储量至多可以使用5 0 年。根据专家预测，到2 0 2 0 年，中国石油消费量将突破4 亿吨，其中一半以上将依赖进口，天然气的需 求量将达到2 千亿立方米【l J 。同时，化石能源在开采、运输和使用过程中都 会对空气和人类生存环境造成严重的污染。根据相关资料显示，目前，人类 使用化学燃料己经为人类生存环境带来了严重的后果，由于大量使用化石能 源，全世界每年产生约1 亿吨温
17、室效应气体，已经造成极为严重的大气污染， 同时使得地球表面气温逐年升高，近二千年来，全球二氧化碳排放量迅速增 长，如果不加以控制，温室效应将使南、北两极的冰山融化，这可能会使海 平面上升几米，四分之一的人类生活空间将由此受到极大威胁。此外，由于 环境恶化造成的“黑洞“ 己经使人类即将面临太阳紫外线的直接照射【2 】。 正是在这样的背景下，世界各国相继制定了各种政策来减缓能源危机和 提倡环境保护。1 9 7 2 年6 月5 日，联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了第一 次人类环境保护会议，随后，联合国设立了环境保护规划署。环境保护从此 提到联合国和各国政府的议事日程上来，并规定每年的六月五日为世界环
18、境 保护日，“世界只有一个地球”，“地球是你我共同的家”，“让地球充满 生机”等环保口号充分反映了全人类的共同心声【3 】。 1 1 2 国外光伏发电产业的现状 化石能源资源的有限性和环境保护压力的增加，使世界上许多国家加强 哈尔滨丁程大学硕士学何论文 了对绿色能源和可再生能源技术发展的大力支持。 技术方面，经过几十年的发展，澳大利亚新南威尔士人研制的单品硅光 伏电池效率己达2 3 7 ，多品硅电池效率突破1 9 8 。同时，研究人员正在 探索用切薄硅片、扩大平面面积或者使用聚光的方法，力争把硅片的成本降 低到O 8 美元W P 。据预测，在今后1 5 2 0 年间利用这几种方法有望把硅片 的
19、成本降低到0 5 美元W P ，这样，光伏系统的价格可以降低到接近3 美元 W P 。薄膜电池是在廉价衬底上采用低温设备技术沉积半导体薄膜的光伏器 件，材料与器件设备同时完成，工艺技术简单，便于大面积连续化生产；设 备能耗低，缩短了回收期。太阳能电池实现薄膜化，大大节省了昂贵的半导 体材料，具有大幅度降低成本的潜力，是当前国际上研究开发的主要方向【4 J 。 除了光伏电池以外，当前国际上最新的研发热点主要集中在低成本、高效率、 高稳定性的光伏逆变器件和光伏建筑集成应用系统等方面，专用逆变设备和 相关系统的最佳配置涉及到多项技术。美国、德国、荷兰、日本、澳大利亚 等国家在光伏屋顶计划的激励下，许
20、多企业和研究机构成功地推出了多种不 同的高l I + 工1 - 台日匕h 逆变器【5 j 。 产业化方面，光伏发电发展的初期主要是依靠各国政府在政策及资金方 面的大力支持，现在己逐步商业化，进入了一个新的发展阶段。光伏发电的 市场前景吸引了一批国际知名企业或企业财团介入光伏电池制造业。这些大 公司的介入，使产业化进程大大加快。预计今后1 0 年，光伏组件的生产将以 每年增长2 0 一3 0 甚至更高的递增速度发展，到2 0 1 0 年将可能达到 4 6 0 0 M W 年的生产量，总装机容量将可能达到1 8 G W 。国际光伏产业在过去 1 0 年中的平均年增长率为2 0 ，1 9 9 8 年
21、世界太阳能电池组件生产量为 15 5 M W ，2 0 0 0 年增长到2 8 8 M W ，2 0 0 2 年达到5 4 0 M W 。截止到2 0 0 6 年底， 世界光伏发电累计总装机容量达到了1 3 0 0 M W 引。目前全球太阳能光伏电池 产业的销售收入超过2 0 亿美元。预计到2 0 5 0 年左右，太阳能光伏发电将达 到世界总发电量1 0 - - 2 0 ，成为人类的基本能源之一。同时，世界光伏市 场发生了很大变化，开始由主要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航 标等特殊应用领域解决供电问题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供 电方向及商业化应用方向发展。从上世纪7 0 年
22、代起，许多国家掀起了太阳能 光伏发电热潮，美国、日本、欧盟、印度等国家纷纷制定雄心勃勃的中长期 2 哈尔滨- T 程大学硕七学位论文 发展规划推动光伏技术和光伏产业的发展，推动这一新能源产业的发展。目 前，世界光伏产业正以31 2 的平均年增长率高速发展，是全球增长率最高 的产业，己成为当今世界最受关注、增长幅度最快的能源产业之一【7 J 。 自上个世纪9 0 年代以来，国外发达国家掀起了发展“屋顶光伏发电系统 的研发高潮，屋顶光伏发电系统不单独占地，将太阳电池安装在现成的屋顶 上，非常适应太阳能能量密度较低的特点，而且其灵活性和经济性都大大优 于大型光伏并网发电，有利于普及，有利于战备和能源
23、安全，所以受到了各 国的重视。1 9 9 3 年，德国首先开始实施由政府补贴支持的“2 0 0 0 个光伏屋项 计划”，同时制定了“可再生能源电力供应法”，极大地刺激了光伏发电市 场【8 】。日本在光伏发电与建筑相结合的市场方面己经做出了十几年的努力， 预计到2 0 1 0 年光伏屋顶发电系统总容量达到7 6 0 0 M W 。日本光伏屋顶发电 系统的特点是：太阳电池组件和房屋建筑材料形成一体，如“太阳电池瓦” 和“太阳电池玻璃幕墙”等，这样太阳电池就可以很容易地被安装在建筑物 上，也很容易被建筑公司所接受。1 9 9 7 年6 月，美国前总统克林顿宣布实施 “百万个太阳能屋顶计划”，计划到2
24、 0 1 0 年安装1 0 0 万套太阳能屋顶。许多 其他发达国家也都有类似的光伏屋项发电项目或计划，如荷兰、瑞士、芬兰、 奥地利、英国、加拿大等。属于发展中国家的印度也在1 9 9 7 年1 2 月宣布到 2 0 2 0 年将建成，5 0 万套太阳能屋顶发电系统【9 J 。 光伏发电的行业标准方面，虽然现在还没有I E C ( 国际电工委员会) 标 准，但各国都颁布了相应的试行标准，如美国S A N D I A 国家实验室的光伏并 网发电系统标准等。 新能源是二十一世纪世界经济发展中最具决定力的五大技术领域之一。 太阳能是一种清洁、高效和永不衰竭的新能源。在新世纪中，各国政府都将 太阳能资源
25、利用作为国家可持续发展战略的重要内容。据资料预测显示，到 2 0 1 0 年，全世界光伏产业将累计达到1 4 1 5 G W ，这表明世界光伏产业发展 有着巨大的发展空间。总之，从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最 终将以替代能源的角色进入电力市场。全球1 9 9 2 至2 0 1 0 官方安装P V 目标， 如图1 1 所示。预计到2 0 3 0 年，光伏发电在世界的总发电量中将占到5 一 2 0 。 12r一一 鲁I _ _ _ 匮= 二：- ，： 苎1 0 口l 卟州k ” 。 删 r7 1 嚣8 “! - - 制 “ 书e “ “ 图11 全球1 9 9 2 - - 2 0 1 0
26、 年官方安装P v 目标 1 1 3 国外研究现状 周外并网型逆变器己经是种比较成熟的市场产品，例如在欧洲光伏专 用逆变器市场巾就有S M A ，F r o n i u s ，S p u t n i k ，S u n P o w e r 和西门了等众多 的公司具有1 1 ，场化的产品，其中S M A 在欧洲市场中I 墨有的5 0 的份额。除 欧洲外，美国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及亚洲的H 本在并删型逆变器 方面也都已经产品化。以S M A 和西门子为例介绍罔前光伏并网发电系统用 逆变器的发展情况。 S M A 光伏并网逆变器目l j 仃具有三二火系列产品：支路逆变器、集中逆变器 和多支路逆
27、变器，其中以S w R 和S B 两个系列戍用最为广泛。该产品具有如 F 特点：高效率、高功率刚数、低T H D ；基丁微处理器的白动功率点调节， 叩基于软件实现的最大功率心踪：根据电网情况调制工作状态，工作状态自 动切换；通过L E D 显示主要工作状态；故障A 诊断；测量数据和工作状态通 过总线传输至P C 机；多台逆变器一U 以任崽组合构建系统，使系统设汁更加 简便、打展更加方便。多支路逆变器是S M A 最新推m 的产品，该产品采用 塌大功率跟踪和并网逆变两级能量变换结构，多个不同支路共用同个逆变 环节，中间设置有内部直流母线，可以使系统的灵活性大为提高，输出端无 频变压器隔离，采用最
28、新的电网阻抗检测和交、直流剩余电流检测柬实现 有效保护。 酵赢址睾求 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 与S M A 相比较，西门子并网光伏逆变器则采用主从式构建系统，由主 逆变器和若干个从逆变器来组建用户要求容量的并网光伏系统，灵活性和系 统扩展等均没有S M A 的强。西门子S I T O P - - S o l a r 主要分为隔离和非隔离两 种支路逆变器，两级能量变换，最大功率跟踪和逆变部分集成在一个机箱内； 功率因数高；基本数据本地集中显示；实时发电电能显示；R S 2 3 2 串口连接 P C 或者调制器；能够外接辐射计和组件温度传感器。 除S M A 和西门子外，美国的X a n t
29、r e x 的S m l T i e X R 系列并网逆变器也是 根据光伏市场需要推出的产品，系列覆盖了中、大功率范围，也可将多台中 功率的逆变器并联构成系统，而且逆变器中也集成了最大功率跟踪环节【l 。 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。 1 1 4 我国光伏发电产业的现状 技术方面，经过十多年的努力，我国光伏发电技术有了很大的发展，光 伏电池技术不断进步，与发达国家相比有差距，但差距在不断缩小。光伏电 池转
30、换效率不断提高，目前单晶硅电池实验室效率达2 0 ，批量生产效率为 1 4 ，多晶硅实验室效率为1 2 。在2 0 0 0 年之后，多晶硅产品逐步走出实验 室，开始形成规模生产，其效率与发达国家相比，差距在不断缩小【1 2 1 。 产业化方面，2 0 0 0 年以后，我国光伏产业进入快速发展期，但整体发展 水平仍然落后于国际先进水平，参与国际竞争有一定的难度。2 0 0 3 年国内光 伏电池的生产能力约2 0 M W ，但光伏组件的封装能力约5 0 M W ，远大于光伏 电池的生产能力。虽然到2 0 0 2 年底，我国己有近2 0 M W 的光伏电池生产能 力，但实际生产量仅为4 M W 左右
31、，占世界光伏电池实际生产量的1 左右。 在2 0 0 2 - - 2 0 0 3 年国家实施的总装机容量2 0 M W 的“光明工程”项目中，国 内生产的光伏电池的应用量不足1 0 ，错过了这一市场时机。近期内我国光 伏发电市场仍将是为无电地区供电为主，有一定的市场潜力，但也有局限性。 2 0 0 1 年及以前，我国光伏产品的年销售量均保持在3 4 M W ，其中单品硅产 品占8 0 ，非单品硅产品占2 0 。2 0 0 5 年，光明工程项目使市场年销售量猛 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 增到2 0 M W ，光伏系统保有量达到4 0 M W 左右。从市场份额上石，光伏发电 在2 0 0 0
32、年前的主要应用领域是：通讯行业占4 0 - - 5 0 ，农村电气化行业( 主 要包括户用光伏系统和乡村级光伏发电) 占4 0 左右，其它领域占1 0 左右。 但2 0 0 7 年当年农村电气化领域的市场份额占到8 5 以上。目前，国内光电 池硅片的生产能力己达4 5 M 瓦，在西藏7 个无水无电县中已全部建成了光 伏发电，其中功率最大的1 0 0 K W 。表1 1 为近年来中国光伏发电的发展情况 及对2 0 1 0 年前发展趋势的预测【l 引。 表1 1 太阳电池产量，产值 年代年生产能力年产量系统年产值累计装机容量 ( M W )( M W ) ( 万元)( M W ) 1 9 9 84
33、 52 11 6 8 0 0 * *1 3 3 1 9 9 94 52 72 1 0 0 0 “ *1 6 0 2 0 0 053 02 4 0 0 0 * *1 9 0 2 0 0 16 54 52 7 0 0 0 * *2 3 5 2 0 0 286 53 9 0 0 0 * *3 0 0 2 0 0 31 08 04 8 0 0 0 * *3 8 2 0 0 41 31 0 O6 0 0 0 0 * *4 8 2 0 0 51 81 4 08 0 0 0 0 * *6 2 O 2 0 0 62 01 8 07 2 0 0 0 * * *8 0 0 2 0 0 72 52 2 08 8 0
34、 0 0 * * *1 0 2 2 0 0 83 02 8 O11 0 0 0 0 “ * *1 3 0 2 0 0 94 03 5 O1 4 0 0 0 0 * * *1 6 5 2 0 1 05 04 5 0l8 0 0 0 0 * * *2 1 0 2 0 1 51 0 08 0 O2 4 0 0 0 0 * $ +5 0 0 0 j 生：+ 8 0 兀R M B W 。 6 0 兀R M B W o ”4 07 5R M B W 。 $ 3 0 兀R M B W 综上所述，我国的光伏市场和光伏企业面临严峻的挑战，如果把我国光 伏产业的发展放到国际光伏发展的大环境中考虑，世界光伏产业每年
35、以3 1 的速度发展，而我国的光伏产业每年只有1 5 的增长率，光伏企业的发展靠 市场，光伏市场的发展靠政策。光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所 以更需要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发 展。然而，我国的光伏企业虽然弱小，但经过努力已经有了一定的基础，当 前，对光伏企业的发展来说机遇和挑战并存。另外，我国的太阳能资源非常 丰富，据统计，太阳能年辐照总量大于5 0 2 万千焦平方米，年日照时数在2 2 0 0 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 小时以上的地区约占国土面积的2 3 以上，具体分布见表1 2 。 表1 2 太阳能年辐射的地区分类 地区太阳年辐射总量 分类
36、全年日照时数地区 M J m 2 a 宁夏北部，甘肃北部，新疆东南部 I3 2 0 0 一3 3 0 06 7 0 0 - - 8 4 0 0 青海西部和西藏两部 河北北部，山西北部，内蒙古和宁夏 I I3 0 0 0 3 2 0 05 9 0 0 - - 6 7 0 0 南部，甘肃中部，青海东部，西藏 南部和新疆南部 山东，河南，河北东南部，山西南部 新疆北部，吉林，辽宁，云南，陕西 I I I2 8 0 0 3 0 0 05 0 0 0 - 5 9 0 0 北部，甘肃东南部，广东和福建南部 北京 江苏，安徽，湖北，湖南，江西，浙江 1 4 0 0 一2 2 0 04 2 0 0 - 5 0
37、 0 0 广西及广东北部，陕西南部，黑龙江 V1 0 0 0 1 4 0 03 4 0 0 4 2 0 0四川I ，贵州 我国1 9 9 6 - - 2 0 1 0 年新能源和可再生能源发展纲要中明确指出，要按 社会主义市场经济的要求，加快新能源和可再生能源的发展和产业化的建设， 并且将可再生能源的发展计划纳入了我国的“十五能源规划，要求采取措 施调整能源结构，提高清洁能源在能源消费中所占的比重，要求通过技术进 步来推动可再生能源事业的发展，鼓励发展利用太阳能；鼓励改造传统能源 利用技术，提高能源利用效率，降低污染排放，并给予税收优惠等支持政策 【1 4 1 。综上可知，在我国，光伏发电产业的
38、发展前景是辉煌的；一方面，我国 现在还有很多人生活在无电、缺电的西部边远地区，解决这些地区的用电问 题，很大程度上依赖于太阳能及其它新能源的大规模应用；另一方面，在东 部沿海经济比较发达的地区，利用太阳能发电作为补充或替代能源又将会给 我国光伏产业的发展提供一个新的发展空间。 1 1 5 国内研究现状 由于我国光伏发电等可再生能源发电技术的研究仍然处于起步阶段，技 术水平相对国外还有一定差距。就并网型光伏发电系统的核心技术并网型逆 变器而言，合肥工业大学能源研究所、燕山大学、上海交通大学、中国科学 院电工研究所等科研单位和大学在这一方面进行了相关的研究，并且在“九 哈尔滨丁程大学硕士学位论文
39、五”、“十五”期间，国家科技部投入相当数额的经费进行开发工作。 除此之外，北京索英电气技术有限公司和合肥阳光电源有限公司也在推 出了适合并网光伏系统用的逆变器。北京索英电气技术有限公司的三相光伏 并网逆变器，采用日本的智能功率模块I P M 作为主回路功率器件，运用该公 司先进的并网控制技术，具有结构简单、效率高、性能优良、电磁干扰小和 安全可靠等优点。全新的全数字化D S P 控制，简化控制回路，提高了系统控 制性能。多项先进的并网发电控制技术，保证向电网优质送电，还能够追踪 太阳能电池板的最大功率点，检测电网的状态，并实现对电网供电质量的调 节。合I I I I 光的正弦波并网充放电装置虽
40、不是专门为并网光伏设计，但是也 可应用在并网光伏系统中。从这两种成熟的市场产品可以看出，国内对并网 光伏逆变器的研究比较多的采用最大功率跟踪和逆变部分相分离的两级能量 变换结构，而且市场产品的种类还相对单一，系统构建死板【l5 1 。 并网型光伏发电系统在我国还没有真正地投入商业化运行的应用，目前 所建并网型光伏系统都为示范工程。并网型光伏发电系统的核心并网型逆变 器还主要依赖进口或者合作研究的方式获得，导致并网型光伏系统的造价升 高、依赖性强，从而制约了并网型光伏系统在国内市场的发展和推广。因此 掌握并网型光伏系统的核心并网型逆变器技术对推广并网型光伏系统有着至 关重要的作用。 1 2 太I
41、 I I I 发电的发展趋势 随着电力电子元器件的发展、数字信号处理技术的应用以及先进的控制 方法的提出，电力电子能量变换发生了巨大的变化。首先，元器件正向着低 导通损耗、快速化、智能化、封装合理化等几个方向发展。低导通损耗将有 助于并网型逆变器系统提高效率；减少发热；快速化将减小开关应力；智能 化将有助于提高系统可靠性；封装的改进将减少寄生参数、有效散热、保持 高机械强度。其次，数字信号处理技术的应用有助于减少并网逆变器输出的 直流成分；提高开关频率；减小滤波器体积；改善输出波形；改善T H D ；快 速响应电网瞬态变化l l 酬。最后，先进的控制方法将有助于改善输出波形质量， 从而减小滤波
42、环节的体积；提高系统的动态响应性能。因此，并网型逆变器 的发展必将沿着数字化、高频化的方向进行。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 3 本文所做的主要工作 1 ) 分析了光伏发电系统的各个组成部分。 2 ) 介绍了蓄电池的工作特性，并设计了蓄电池充电器。 3 ) 介绍了几种获得M P P T 的方法，设计了用模糊控制方法获得M P P T 的方法。 4 ) 分析了逆变器的工作原理，用M A T L A B 仿真出逆变器各个可控硅的 驱动信号，并用单片机制作了逆变电路的驱动器。 5 ) 设计了系统的主监控设备，包括温度，数据存储，时钟，等部分，并 设计了液晶显示部分。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论
43、文 第2 章太阳能光伏发电的系统组成 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、与电网连接的光伏并网发电系统两种，独立供电的光伏发电系统主 要用于电网覆盖不到的边远山区或者是太阳光照不足，不能满足与电网互通 需要的地区，主要用于满足单个用户的一天工作，生活用电，必须带有储能 环节，满足黑夜或者光照不足的阴雨天的用电需要，这种供电方式设备复杂， 蓄电池受环境和使用方法的影响，寿命一般不长，而且当有多余的电能或者 是电能不足的情况下就会产生浪费或者影响工作和生活。光伏并网发电是太 阳能发电的发展方向，把太阳能发电系统与电网联系起来，这样当电能多余 的时候，可以把多余的
44、电能输送到电网，收取电费；当电能不足时可以从电 网获得电能补偿，满足工作和生活的需要，另外，并网发电系统不需要储能 环节，这就大大节省了设备成本和维修率。 2 1 光伏系统构成 光伏发电系统构成如图2 1 和2 2 ，主要部件如下： 图2 1 太阳能电池板给直流负载供电的系统框图 图2 2 太阳能电池板给交流负载供电的系统框图 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 ) 太阳能电池板由硅半导体材料制成的方片、圆片或薄膜，在阳光照 射下产生电压和电流。 2 ) 在超薄、透明、高强度玻璃和密封的封装底层之间。太阳电池组件 有各种各样的尺寸和形状，典型组件是矩形平板。 3 )太阳电池方阵，简称“方阵
45、”：在金属支架上用导线连在一起的多 个光伏组件的组合体。太阳电池方阵产生所需要的电压和电流。 4 ) 蓄电池组：提供存储直流电能的装置。 5 ) 控制器：系统控制装置，通过对系统输入输出功率的调节与分配， 实现对蓄电池电压的调整，以及系统赋予的其它控制功能。 6 ) 逆变器：将直流电转变为交流电的电气设备。 7 ) 直流负载：以直流电供电的装置或设备。 8 ) 交流负载：以交流电供电的装置或设备。 根据太阳能独立和并网发电的不同使用方式，其设备和各方面参数都有 比较大的区别，现分别叙述它们的特点。 2 2 独立供电的光伏发电系统 独立供电的光伏发电系统如图2 3 所示。 图2 3 太阳能独立供
46、电的系统框图 整个独立供电的光伏发电系统主要由太阳能电池板、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，当发电量大于负载使 用需要时，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 哈尔滨工程大学硕士学位论文 电池和蓄电池同时对负载供电。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功 率点跟踪控制组成。逆变器的作用是将直流电转换为与交流负载同相的交流 电。 2 2 1 太阳电池 太阳电池是一种具有光生伏打效应的半导体器件( 简称“光伏器
47、件“ ) ， 它直接将太阳光转换成直流电，是光伏发电的最基本单元。太阳电池由两层 半导体材料组成，其厚度大约为1 1 0 0 英寸，形成两个区域：一个正荷电区， 一个负荷电区。负区位于电池的上层，在这一层强迫渗透磷并与硅粘在一起。 正区置于电池表层的下面，正负界而区域称为p n 结。制造电池时p - - n 结 被赋子了恒定的特性。当阳光投射到太阳电池内保持松散状态的电子时，这 此靠近p n 结的电子朝向电池的表层流动。金属线将光伏组件里每个电池的 前面与下一个电池的背面相连，这样使电了通过许多p n 结，建立起所有电 池的串联电压。在每个电池p n 结处的电压增加大约0 5 V 的电动势，这
48、个 电池电压与电池的尺寸无关。电流受电池面积和日照强度的影响，较大面积 的电池能够产生较强的电流I l 酬。 2 2 2 一体化光伏充电器 用光伏充电器来替代通常使用的蓄电池是比较经济的。一体化光伏蓄电 池充电器不仅具有所需的系统部件，而且将用具都置于一个盒内。最普通的 是带有可充电电池的一体化小型光伏充电器。带有光伏充电单元的照明灯、 时钟和收音机己有成套装置出售。太阳能手提灯和用于收音机蓄电池的光伏 充电器具有广泛的潜在市场。 2 2 3 白天用光伏系统 最简单、成本最低的是仅仅在白天运行的光伏系统。这些系统由导线将 光伏组件与直流设备直接连在一起。太阳光照射在太阳电池上就产生电能， 同时
49、被负载利用。白天使用光伏系统发电时，较高的日照水平可使负载获得 更多的运行机会。白天使用的光伏系统没有电能存储功能，因此只有当太阳 正在照射时负载才能工作。简单的白天用光伏系统适合于仅仅在白天运行的 负载，选择此类负载时应注意光伏系统的投资效果。 1 2 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 2 2 4 储能式直流系统 在光伏系统里，存在晚上或阴天需要运行的负载时，该系统必须包括储 能单元，通常用蓄电池储存由光伏组件产生的电能。系统负载可以在白天或 夜间运行，也可以连续或间歇运行，遇到阴天时负载将从蓄电池获取电能。 此外，蓄电池组在短时间内有能力提供较大的冲击电流，这样系统有更好的 适应性，如启动大功率的电动机或执行另外一些“大功率”任务。 使用蓄电池的简单直流光伏系统( 见图2 4 ) ，这个系统的基本部件包括 一个光伏组件，一个充电控制器，储能蓄电池以