精品毕业论文太阳能光伏发电系统的设计

摘 要太阳能发电作为一种典型的新能源发电方式具有可持续发展和绿色环保两大优势。在太阳能发电的众多课题中，三相并网型光伏发电具有更高的实用价值和研究意义。本文重点分析研究了三相并网型光伏发电系统，提出一套可行的硬件选型和电路设计方案，并最终通过MATLAB仿真验证了硬件系统设计的可行性。首先本文依次研究了三相并网光伏发电系统的光伏阵列模块、直流变换与最大功率点跟踪控制模块、逆变并网模块，其中又涉及到光电幕墙的选用，以及直流变换电路、最大功率点跟踪算法、逆变电路及其并网方式的对比选取。然后选定了三相并网光伏发电系统的结构方式，将各个模块选取的硬件整合，并配合外围电路和CPU控制回路的设计，完成了三相并网光伏发电系统模型的整体设计。最后对硬件系统在MATLAB SIMULINK环境下经行仿真初探，它运用了先进空间矢量脉宽调制的技术，验证了本文设计的具体可操作性。关键词：光伏发电系统；最大功率点跟踪；三相逆变并网；仿真The design of solar photovoltaic power generation systemAbstractAs a kind of typical generating new energy way, solar power has the sustainable development and green environmental protection two advantages. Many of the subjects in solar power, three-phase grid type photovoltaic power system has higher practical value and significance of the research. This paper focus on the study of three-phase grid type photovoltaic power system, and puts forward a feasible hardware selection and circuit design project. Finally this paper verified the feasibility of hardware system design by MATLAB simulation.Firstly this paper studied photovoltaic array module, DC transformation and the maximum power point tracking (MPPT) control module, inverter grid modules of the solar photovoltaic power generation systems in turn. It also involves the comparative selection of photoelectric curtain wall, DC transform circuit, maximum power point tracking algorithm and AC grid way. Then it selected the solar photovoltaic power generation systems structure, and integrate the select hardware derive from each module，and cooperate with peripheral circuit and CPU control circuit design completed solar photovoltaic power generation systems model overall design. Finally it did simulation for hardware system in MATLAB SIMULINK environment. Its used the advanced space vector pulse width modulation (SVPWM) technology that verified the specific design in this paper is maneuverability. Keywords: Photovoltaic system; MPPT; Three-phase inverter grid; Simulation目 录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 光伏发电的背景及意义11.2 国内外太阳能光伏发电应用的现状21.2.1世界太阳能光伏发电的发展现状21.2.2国内太阳能光伏发电的发展现状31.3 课题主要研究内容41.4 本章小结5第二章 光伏发电系统的概述62.1 光伏电池技术62.1.1光伏电池的发电原理72.1.2光伏电池的分类及特点82.2 光伏阵列之光电幕墙102.2.1光电幕墙特点102.2.2光电幕墙的工作原理112.2.3选用光电幕墙的优越性112.3 光伏发电系统的结构分类122.3.1基于是否带有储能装置的分类122.3.2基于是否与电力系统并网的分类142.4 光伏发电系统并网的结构方式162.4.1工频变压器绝缘方式162.4.2高频变压器绝缘方式172.4.3无变压器方式172.5 本章小结18第三章 DC/DC变换与MPPT控制部分193.1 最大功率点跟踪的概述193.1.1最大功率点跟踪的原理193.1.2最大功率点跟踪研究的现状213.2 最大功率点跟踪的算法223.2.1恒压跟踪法(CVT)223.2.2扰动观察法(P&O)233.2.3电导增量法(INC)243.3 DC/DC变换器263.3.1降压式变换器(Buck Converter)263.3.2升压式变换器(Boost Converter)273.3.3升降压式变换器(Buck-Boost Converter)293.3.4库克式变换器(Cuk Converter )303.4 DC/DC变换器与MPPT的适用303.4.1适用于光伏MPPT的DC/DC变换器303.4.2 MPPT在DC/DC变换器中功能的实现313.5 本章小结33第四章 三相并网光伏发电系统的逆变部分344.1 光伏并网逆变器的基本构成344.2 光伏并网逆变器的分类364.2.1 三相半桥式逆变器374.2.2 三相全桥式逆变器384.2.3 组合式逆变器的电路384.3 光伏并网逆变器并网的控制策略394.3.1电流滞环比较方式404.3.2定时比较方式414.3.3三角波比较方式424.3.4无差拍控制方式434.4 本章小结47第五章 三相并网光伏发电系统的硬件设计485.1 三相并网光伏发电系统的主电路设计485.1.1三相并网光伏发电系统主电路结构485.1.2三相并网光伏发电系统的调度方式495.2 三相并网光伏发电系统的主要参数设计495.3 三相并网光伏发电系统的逆变电路设计505.3.1 DC/DC电路设计505.3.2 DC/AC电路设计515.4 三相并网光伏发电系统的逆变外围电路设计525.4.1控制电源的选择525.4.2信号检测电路535.4.3驱动和保护电路535.5 三相并网光伏发电系统的CPU控制回路设计555.5.1 TMS320LF2407控制芯片简介555.5.2选用TMS320LF2407芯片的原因565.6 三相并网光伏发电系统的整体设计585.7 本章小结59第六章 三相并网光伏发电系统的仿真606.1 SVPWM的原理606.2 SVPWM的算法626.3 三相并网光伏发电系统的仿真初探646.3.1 SVPWM的Simulink仿真646.3.2三相并网光伏发电系统的仿真666.3.3三相并网光伏发电系统的仿真波形686.4 本章小结69结论与展望70附录A71附录B72参考文献73致 谢7562 第一章 绪论1.1 光伏发电的背景及意义随着科学技术的不断发展，人类进入20世纪后对能源的需求也不断增长。与此同时，人们对保护环境的重要性也有了越来越明确的认识。由于化石燃料的枯竭环境的破坏所引起了温室效应、全球变暖、农林水产资源的减少等，如果再进一步恶化，人类就会收到大自然的警告，到时后果将不堪设想。现在的世界能源构成中主要的能源还是化石能源，包括石油、煤、天然气，另外还有可再生能源核能、水能，其他的可再生能源只占微乎其微的小部分。传统的化石能源是不可再生的，世界范围内发展可再生能源是解决能源危机的必经之路。根据世界能源协会WE(World Energy Council)的预测，到2050年，世界的可再生能源将会到达8.7TW-15.0TW(1TW1012W)，而到时候全社会能量总需求为26.3 TW-33.0TW。由此可见，可再生能源在21世纪将会变成一种主要的新兴能源。世界上现有的可再生能源主要是水能发电和地热能，太阳能光伏发电和风力发电只占其中小部分，而水电和地热能被继续开发的潜力已经微乎其微，在未来十五年之内发展太阳能光伏发电技术和风力发电技术就迫在眉睫。因此，无论是为了保证能源的供应，还是为了保护生态环境，开发利用取之不尽而又清洁的新能源已是大势所趋1。在地球上所能利用能量的98.98%最初都来自太阳能。太阳能光伏发电的能源来源于取之不尽，用之不竭的太阳能，是资源最丰富的可再生能源。太阳能光伏发电是能源的高新技术，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。太阳能发电不会给空气带来污染，不破坏生态环境，是一种清洁安全的能源，同时又具有在自然界不断生成，并能从自然界得到有规律的补充，储量巨大，取之不尽，用之不竭，是可再生的清洁绿色能源。充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处，能为中国一直追求的和谐社会作出巨大的能源支持。20世纪70年代，随着能源危机的爆发，世界各国努力发展光伏发电技术，尤其是西方发达国家更是重视研发。20世纪9年代以来一直以30%到40%的速度上升，2004年已经达到60%的增长速度。可以预见，太阳能的开发利用必将在21世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为21世纪后期的主导能源。太阳能资源开发利用有如下优点：(1)充分的清洁性。无须论证，太阳能是真正的无污染的可持续发展的绿色能源，这是其他任何能源都无法比拟的；(2)绝对的安全性。并网电压一般在220V以下；(3)相对的广泛性。太阳能的分布范围广，对于绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用；(4)使用寿命长，易维护。光伏电池按目前的研发技术可使用20年以上，并且易于维护，不用二次投资；(5)利用灵活。既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行。1.2 国内外太阳能光伏发电应用的现状随着科技的进步和环保意识的增强，清洁的绿色能源己逐渐受到了人类的重视。其中，太阳能无疑成为最受青睐的绿色能源。太阳能的应用领域非常广泛，但最终可归结为太阳能热利用和光利用两个方面。太阳能可以转换成多种其它形式的能量，比如热能、氢能、机械能、生物能、电能等等，由于电能是现代工业中最常用的直接能源，因此由太阳能直接转化成电能是太阳能利用中最具有前景的方式。1.2.1世界太阳能光伏发电的发展现状20世纪90年代，由于太阳电池成本的持续降低，太阳电池实行并网发电，建立太阳能电站已经成为可，并在全世界范围内逐渐发展。近年来，与住宅屋顶相结合的太阳电池并网发电也成为重要的应用方向。美国、欧洲和日本先后制定了太阳能发展计划，由政府提供部分研究开发资金和相关的产业扶持政策，众多国家纷纷制定雄心勃勃的发展规划，推动光伏技术和产业的发展。日本通产省第二次新能源分委会提出，2010年光伏发电装机达到5GW；欧盟可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”2010年的目标是，光伏发电装机达到3GW；美国能源部国家光伏规划的目标是，光伏发电装机达到4.7GW；澳大利亚提出，2010年光伏发电装机达到0.75GW。因此，世界光伏产业有了突飞猛进的发展，从1997年至2001年，年的平均年增长率达35.5%。2004年世界光伏电池组件的生产量达到1194MW，比2003年的744.26MW增长60.46%。到2004年底，世界光伏发电的累计装机容量达到4330MW。近几年各国可再生能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计划、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的发展提供了良好的基础。光伏发电的应用领域将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。预计今后十年，太阳能光电工业将以20%30%的速度增长，成为世界上最具发展前景的朝阳工业之一。1.2.2国内太阳能光伏发电的发展现状中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，1980年以前，应用项目十分有限功率很小，光伏电池年销售量不超过10KW。20世纪80年代后期，随着几条光伏电池生产线的引进，光伏电池价格大幅度下降，产量大大提高，应用领域不断开辟市场大为拓展。90年代以来，改革开放的大好形势为光伏技术的广泛应用和市场开拓创造了有利条件，光伏电池用量每年在以20%以上的速度递增。经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。进入21世纪后，在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。2003年底，中国光伏发电的累计装机容量约达55MW。到2007年年底，全国光伏系统的累计装机容量达到100MW，2008年太阳能电池的产量达到了2000MW虽然近几年我国太阳能发电产业取得了巨大的进步，但是，与发达国家相比还存在相当大的差距。首先，我国生产规模较国外比较小、产业链不完整，自动化水平低。其次，平衡设备薄弱落后，特别是并网逆变器和智能控制器差距更大。而且，专用材料的国产化程度不高，性能有待改进，光伏电池成本价格尚高，标准规范也不够健全。因此，我国光伏产业在国内外市场上仍面临着非常严峻的考验2。1.3 课题主要研究内容(1)对光伏电池的工作原理及工作特性进行介绍，对几种传统的最大功率点跟踪(MPPT)控制算法和DC/DC转换电路进行了研究、分析和比较，提出各自优缺点。(2)对三相并网光伏发电系统中的逆变部分做重点的分析，对DC/DC部分和DC/AC部分工作原理、电路选型与MPPT控制算法选取过程进行了详细的分析，并注重对逆变部分做了仿真探究。(3)基于光电幕墙对三相并网光伏发电系统进行设计，选用TMS320LF2407高速数字信号处理器，结合PWM控制技术对系统中逆变部分的开关器件进行开断控制，从而实现与公共电网的并网，使其与公共电网电压同幅、同频、同相位。(4)基于硬件电路对三相并网光伏发电系统做了MUTLAB仿真初探，在SIMULINK平台下实现了逆变并网模块的构建与仿真运行。其中采用了先进的SVPWM技术，使得逆变控制更加精确。最终对仿真波形进行分析比较，进而验证了硬件电路的的可实行性。1.4 本章小结本章主要介绍了光伏发电技术在国内外的发展和现状，提出了本课题研究的目的和意义。光伏发电技术拥有节约能源、保护环境、促进可持续发展的优势，在克服光伏电池成本问题后，逐渐成为替代火力发电的一种主要发电形式。第二章 光伏发电系统的概述光伏(Photo Voltaic)发电技术采用面积通常只有几个平方厘米的半导体电池(晶片)。从物理方面来看，电池基本上可以看成是一个大面积的PN二极管，其结贴近顶面。电池的功能是将太阳光照射转换为直流电，发电就是将大量的电池并成一个组件，将大量的太阳光照射转化成所需的电能。与动态风力机不同，光伏机组是静态的，不需要坚固的高塔，也不会产生震动或噪音，也无需主动冷却。2.1 光伏电池技术各种不同材料的公共结被光子辐射照射之后，这两种材料之间便产生了电动势，这种现象就是光伏效应。这一现象是法国物理学Becquerel在1839年首次发现的。光伏电池可以将光能转化为的电能直接加以利用。在1954年，贝尔实验室制造了第一块硅电池。光伏电池的物理机理与经典的PN结二极管非常相似。当结吸收光时，吸收的光子转换成材料的电子一质子系统，并产生质子流，分散在结中。电解液中的电子一离子对和固体半导体材料中的电子一空穴对都可能成为载流子，并产生了电动势梯度，经电场加速后与外电路形成环流。电功率即为电流的平方与电路电阻的乘积。剩余的光子功率则转换成电池的热功率，升高电池温度并散发。 图2.1 光伏效应转换光子能量 图2.2 光伏的基本结构光伏电动势的来源是两种相互绝缘的材料中电子的化学电势差，称为费米能级。当两种材料结合到一起时，结就会达到一个新的热动态平衡。这种平衡只有在两种材料中费米能级相等的情况下才能实现。电子从一种材料流向另一种材料，直到两者间建立了一定的电压差，具有的电动势与初始的费米能级差相等。这个电动势驱动着光电流在光伏电路中流动。图2.2给出了基本的电池构造。结的两面都有金属电极，由于光子碰撞而引起的电流。顶面(被照射)上有一层由银纤制成的薄薄的导电网格，既能手动电流，又能使光穿过。网格中导电纤维的间距是导电性能最大化和光阻挡最小化的折中。导电箔(焊接)电机覆盖在底层(无光)表面和顶层的边缘。除了基本的元件之外，构造中还有集中增强特性。例如，电池的前面有防反射涂层，从而最大限度地降低反射，吸收经可能多的光线；利用透明粘合剂，添加了一层玻璃表面作为机械保护。与交流发电技术相比，最重要的方面是输送每千瓦时的电力的能源成本。对于光伏发电，能源成本主要依赖于两个参数：光伏能量转换效率和每瓦容量的投资费用。总之，这两个参数标志了光伏电能的经济竞争力。光伏电池研发的主要目标是提高转换效率和其他性能参数，以减少商业太阳电池和组件的成本。次要目标是显著提高产能，同时减少能源消耗和制造成本，减少杂质和缺陷。要达到这些目标，就要提高对光伏电池的基本物理特性的理解。为了生产出更高效，更低成本的电池，研发在不断地投入，目前市场上已经有各种各样的关于转换效率的组件成本的光伏技术。2.1.1光伏电池的发电原理太阳能光伏发电的原理主要是利用半导体的光生伏特效应。太阳能电池实际上是由若干个PN结构成。当太阳光照射到PN结时，一部分光被反射，其余部分被PN结吸收，被吸收的辐射能有一部分变成热能，另一部分以光子的形式与组成PN结的原子价电子碰撞，产生电子空穴对，在PN结势垒区内建电场的作用下，将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴。这样在PN结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场。光生电场除一部分抵消内建电场外，还使P区带正电，N区带负电，在N区和P区之间的薄层产生光生电动势，这种现象称为光生伏特效应。如图2.3所示。若分别在P区和N区焊上金属引线，接通负载，在持续光照下，外电路就有电流通过，如此形成一个电池元件，经过串并联，就能产生一定的电压和电流，输出电能，从而实现光电转换3。(a)平衡时 (b)光照时图2.3 PN结光生伏特效应原理图2.1.2光伏电池的分类及特点如图2.4所示，太阳电池根据其使用的材料可分成硅系太阳电池、化合物系太阳电池以及有机半导体系太阳电池等类型。硅系太阳电池可分成结晶硅系太阳电池和非晶硅系太阳电池。而结晶硅系又可分成单晶硅太阳电池和多晶硅太阳电池。化合物半导体太阳电池可分为-族化合物(GaAs)太阳电池、-族化合物(CdS/CdTe)太阳电池以及三元(-族)化合物(CulnS受：CIS)太阳电池等。有机半导体太阳能电池可分成色素增感型太阳能电池以及有机薄膜(固体)太阳电池等。根据太阳电池的形式、用途等还可分成民生用、电力用、透明电池、半透明电池、柔软性电池、混合型电池(HIT电池)以及球状电池等。太阳能电池色素增感太阳能电池硅半导体有机半导体结晶太阳能电池非结晶太阳能电池-族化合物太阳能电池有机薄膜太阳能电池三元(-)化合物太阳能电池-族化合物太阳能电池化合物半导体图2.4 太阳能电池的分类太阳电池的特性一般包括太阳电池的输入输出特性、分光特性、照度特性以及温度特性，本文主要讨论太阳能电池的电学特性即输入输出特性。太阳电池的种类多，大小不一。太阳电池到底有多大的能力能将太阳的光能转换成电能，从以下的特性可以得知。图2.5为太阳电池的输入输出特性，也称为太阳电池的电压-电流特性。图中的实线为太阳电池被光照射时的电压-电流特性，虚线为太阳电池未被光照射时的电压-电流特性。 图2.5 太阳能电池的U-I特性 图2.6 U-I特性曲线和U-P特性曲线图2.6显示了在光照强度G=1000W/M2、环境温度T=25时典型多晶硅光伏电池板的输出U-I和U-P曲线。由图2.6可得光伏电池主要参数：(1)开路电压开路电压为太阳能电池组件在负载电路开路情况下的端电压，用符号表示。当不存在有效电场时，光伏效应只要靠PN结内建静电场提供。而内建静电场使光生非平衡电子和空穴各自向反向漂移，因而内建静电场越强，半导体材料两端形成的光生电动势就越高，开路电压也就越高。(2)短路电流短路电流为光伏电池在外电路直接短路情况下流经外电路的电流，用符号表示。光照强度决定了光伏电池激发的电子-空穴对数，即一定的光照强度下，其电子-空穴对数也是一定的，使得光电流人的特性像一个恒流源，不受外电路短路与否的影响。(3)最大功率点光伏电池输出U-I特性曲线上，根据负载变化任何一点可以作为工作点。不同的工作点有不同的输出功率，顾名思义，最大功率点就是在曲线上输出功率的最大值对应的工作点，最大功率点对应的电压和电流为最大功率点电压和最大功率点电流。对最大功率点进行跟踪，保证电池始终工作在最大功率点附近，能大大提高工作效率，进一步提高对太阳能的利用率。2.2 光伏阵列之光电幕墙太阳能光电幕墙玻璃。它是用光电池、光电板技术，把太阳光转化为电能，它关键的技术是太阳能光电池技术。2.2.1光电幕墙特点太阳能光电幕墙集合了光伏发电技术和幕墙技术，是一种高科技产品，集发电、隔音、隔热、安全、装饰功能于一身的新型建材，特别是太阳能电池发电不会排放二氧化碳或产生对温室效应有害的气体，也无噪音，是一种净能源，与环境有很好的相容性。但因价格比较昂贵，光电幕墙现多用于标志性建筑的屋顶和外墙。这充分体现了建筑的智能化与人性化特点，代表着国际上建筑光伏一体化技术的最新发展方向。2.2.2光电幕墙的工作原理设计光电幕墙需考虑电池、模板、导线和变压器各个因素，各电池组成模板，各模板组成小分格，并通过导线连接，所有导线又组成一个PV变压器。一个PV变压器是一个封闭的幕墙部分，每套光电设备可由一个或多个变压器组成。每套光电设备都先产生直流电，再由直流电转变成交流电，并由电压网传输，逆整流器再将230-400V的电压转变成频率通常为50Hz的电能。晶体电池通过导线相互连通，并被接在大表面的模板上，这些电池被嵌入坚硬的树脂玻璃中，导线可接在模板背面或玻璃边缘。作为模板一个组成部分的非晶体是一个完整的平面，相互连通，被嵌入两块玻璃和透明度高的树脂中。所有模板都可作为幕墙的建筑材料使用，这些模板极为坚固，电绝缘性好，符合二级安全标准。采取这些措施后，即使发生失误，在可触摸部位也不会出现危险的电压。光电模板具备抵御外界环境侵扰的能力，或在臭氧，或在酸雨，或在零下50摄氏度至90摄氏度的环境中，光电模板仍可使用几十年，而且是极为美观的造型材料。2.2.3选用光电幕墙的优越性(1)节能：有效降低墙面及屋面温升，减轻空调负荷，降低空调能耗。(2)环保：不需燃料，不产生废气，无余热，无废渣，无噪音污染。 (3)实用：舒缓白天用电高峰期电力需求，解决电力紧张地区及无电少电地区供电情况。(4)效果：玻璃中间采用各种光伏组件，色彩多样，使建筑具有丰富的艺术表现力4。本文采用光电幕墙构建三相并网光伏发电系统的光伏阵列部分。2.3 光伏发电系统的结构分类根据负载的电源以及与电力系统的并网情况不同，我们将太阳能光伏系统分成多种多样的形式。2.3.1基于是否带有储能装置的分类从是否带有储能装置来分，光伏并网系统分为可调度式和不可调度式两种(1)可调度式光伏并网系统图2.7 可调度式光伏并网系统系统带有蓄电池作为储能环节。因为有蓄电池的存在，该类并网系统可控开关切换于多种运行方式，整个系统可起到能量调节器，有源滤波器和不间断电源的作用。正常情况下，DC/DC级不仅向逆变级电路提供直流电源，同时还向蓄电.逆变级将直流电能逆变成交流电能送入电网。在电网负荷增加时，可调度式光伏并网系统根据运行需要，增加上由光伏电池和蓄电池共同起调峰作用。当电网失电时，装置按优先级别跳闸断开不重要负载，光伏电池提供的直流电能仍通过逆变器为重要负载供电，起到了不间断电源(UPS)作用。作为电网终端的有源无功补偿器，稳定电网电压，同时亦可抵消有害波分量以提高电网质量。虽然可调度式光伏并网发电系统配有储能环节蓄电池，在功能和性能方面有若干扩充和提高，但也带来了若干严重的缺点：蓄电池组的寿命较短，目前免维护蓄电池在良好环境下的工作寿命通常估计为57年，而光伏阵列稳定工作的寿命则在2530年左右。蓄电池组的价格在目前仍相对昂贵，在整个系统中占到40%的投资。蓄电池组需占用较大空间，对于用户是难以接受的。有潜在的污染，若有壳体破裂，则会泄漏出腐蚀性液体，且报废的蓄电池必须进行后处理，否则将会造成铅污染。(2)不可调度式光伏并网系统图2.8 不可调度式光伏并网系统系统通过DC/DC变换器将太阳能电池产生的直流电能斩波成适于光伏逆变的直流电压后，直接经DC/AC变换成与电网频率一致的交流电能送到电网。当光伏并网系统产生的交流电能超过本地负载所需时，超过部分送给电网。而产生的电能不足以供本地负载时，由电网自动向负载补充电能。当光伏电池输出功率低于某值乃至停止时，通过运行方式的改变，逆变器对可继续对电网进行无功补偿，而不用解列。当电网故障或维修时，只要电网失去电压，逆变器立即停止工作，而通过跳闸装置使逆变器、电网和负载三者电气断开，光伏并网系统不再向电网和负载提供电能。出于安全的考虑，这一点是必需的。一方面是出于对电网侧检修人员的安全考虑，在电网失电后，光伏并网系统必须跳闸与电网隔断开。另一方面，在设计不可调度式并网系统时，是基于该系统作为一种节能装置，作为电网的有效补充，其功率一般不足以带全部的本地负载，如果电网失电后，该装置不及时地与负载断开，则会出现严重过负荷的情况，对系统本身是极为不利的，有可能引发电气火灾事故。所以电网失电后，不仅是与电网断开，还必需及时与负载断开。本系统选用不可调度式光伏并网系统，主电路中不含有蓄电池环节。2.3.2基于是否与电力系统并网的分类从太阳能光伏系统是否与电力系统并网而言，就可将太阳能光伏系统分成独立系统和并网系统。除此之外，还有混合系统以及小规模电源系统。(1)独立光伏发电系统独立光伏发电系统很明显就是不与常规电力系统相连接而独立运行的发电系统。这类系统的结构如图2.9所示，一般由光伏电池电池阵列、直流变换器、储能装置、逆变器等部分构成。通常建设在远离电网的偏远地区或者作为野外移动式便携电源。图2.9 独立式光伏发电系统(2)并网光伏发电系统并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统。光伏阵列先将太阳光照转换为直流电，并网光伏发电系统再将这些直流电换为符合入网标准的交流电，并与电网相连接。这类系统结构如图2.10所示，一般由太阳能电池阵列，直流变换器、逆变器以及相位同步控制能部分组成。目前，并网光伏系统主要朝屋顶光伏系统和电站光伏系统两大产业化发展。其中覆盖建筑用于给空调和照明设备供电的光伏系统的一个突出特点是，输出功率与峰值负载吻合得很好。在阳光充足的夏日，并网光伏发电系统会产生更多的电力来配合用电高峰。为了使光伏组件能更好的与建筑相结合，实现光伏建筑一体化(BIPV)，光伏屋顶可以延伸到光伏幕墙，光伏屋檐和光伏窗檐等。并网光伏电站占地面积较大，适合修建在沙漠，海滨等人烟稀少的地方。这种方式需要与高压电网并联，发电量较大，需要较大的前期投入，是大规模太阳能利用的一个重要方向，本文着力探究三相并网光伏发电系统的设计与仿真模拟。图2.10 并网光伏发电系统(3)混合系统混合系统是指太阳能光伏系统与其他系统(如风力、集热器、燃料电池等)组成的系统。混合系统主要适用于以下情况：即太阳电池的出力不稳定，需使用其他的能源作为补充时；太阳电池的热能作为综合能源加以利用时的情况。混合系统一般可分成现地电源混合系统、柴油机发电混合系统以及太阳光、热混合系统。现地电源混合系统是指由太阳能光伏系统与风力发电、水力发电以及柴油机发电等组成的系统。住宅负载都市煤气燃料电池系统空调太阳能光伏系统电力负载空调负载热水负载锅炉图2.11 太阳能光伏、燃料电池混合系统2.4 光伏发电系统并网的结构方式2.4.1工频变压器绝缘方式工频变压器绝缘方式采用工频变压器进行绝缘和变压，具有良好的抗雷击和消除尖波的性能，电路简单，变换只有一级，效率较高。其结构图如图2.12所示。虽然主变压器和滤波电感体积大，但是，采用低频材料制造，因此成本不高。由于电路中的半导体器件少，可适应比较恶劣的使用条件。开关频率低，产生的电磁干扰小。一般工频逆变不采用SPWM控制，输出是矩波形，要经过强有力的滤波措施，才能使输出正弦波形畸变。这种方式的逆变器主要用于独立型太阳光发电站。采用PWM逆变器产生工频交流，再利用工频变压器进行绝缘和电压变换。因为采用工频，故变压器比较笨重。图2.12 工频变压器绝缘方式结构图2.4.2高频变压器绝缘方式高频变压器绝缘方式逆变器，就是在直流电源和逆变器之间加入了一级高频电气隔离变换器，用高频变压器来实现电压比调整和电气隔离，省掉了体积庞大的工频变压器，降低了音频噪声，其结构如图2.13所示。该电路由高频逆变器、高频变压器、高频整流器、PWM逆变以及输入输出滤波构成。前置直流变换器先将输入直流电压变换成后置级所需的平滑直流电压，再由后置逆变级变换成交流电并网。该结构具有单向功率流、三级功率变换(DC-LFAC-DC-HFAC)、变换效率不够理想等特点。另外，采用传统的PWM技术还存在开关频率升高时功率器件开关损耗和电磁干扰(EMI)问题，要采用滤波和屏蔽等抑制措施。图2.13 高频变压器绝缘方式结构图2.4.3无变压器方式为了进一步提高效率和降低成本，己开发出太阳能发电站用无变压器无绝缘方式逆变器主电路。其结构电路如图2.14所示，电路前部分为DC/DC升压电路，后部分为工频逆变电路。升压电路可以和不同输出电压的太阳电池匹配，把太阳电池的输出电压升高到逆变所需的直流电压，尽管由于天气变化因素使太阳电池输出电压发生变化，有了升压部分后，可以保证逆变部分输入电压比较稳定。由于升压电路提高了输出电压，这样输出电流也相应降低，可以减少逆变部分损耗。升压电路还可以对输入的功率因数进行校正。这种结构直接祸合并网，省去了笨重的工频变压器，所以具有高效率、重量轻、结构简单、可靠性高等优点。但是由于电池板与电网之间没有电气隔离，对人身安全不利5-6。 图2.14 无变压器方式结构图2.5 本章小结本章先后介绍了光伏电池的发电原理、分类以及其各项性能指标，并分析了光电幕墙作为本文构建光伏阵列模块的优越性。随后从是否带有储能装置和是否与电力系统并网两方面介绍了多种形式的光伏发电系统结构，并进行了对比分析，其中本文将注重探究三相并网光伏发电系统的设计与仿真，并将在后文中完成不可调度式光伏发电系统的硬件电路设计。最后简单介绍了光伏并网系统主电路的三种构成方式，为后文主电路硬件选型做铺垫。第三章 DC/DC变换与MPPT控制部分光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。根据太阳电池的工作原理，当光照强度，温度等自然条件改变时，太阳电池的输出特性将随之改变，输出功率及最大工作点亦相应改变。在实际的应用系统中，自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，这就给光伏系统的应用带来了困难。当环境温度和光照强度一定的情况下，光伏电池的工作电压是一个随变值，但输出电压只有在一个合适的值时，光伏电池才能达到最大输出功率，此时光伏电池的工作点就被称为最大功率点(Maximum Power Point MPP)。而最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking MPPT)就是指实时调整光伏电池的输出功率，使之始终工作在最大功率点附近的过程。鉴于光伏电池的特殊性，需要设置其工作电压和电流以找到最佳工作点。广泛采用的电路类型为DC/DC变换，其中主要包括升压式(Boost)、降压式(Buck)、升降压式(Buck-Boost)、库克式(Cuk)。光伏系统的另一个关键问题是最大功率点跟踪算法问题，在目前提出的众多的处理方法中，主要有恒压跟踪法 (CVT)、电导增量法(INC)、扰动观察法(P&O)、模糊逻辑控制法、滞环比较法等。下面对MPPT的这两个关键问题进行详细的研究分析。3.1 最大功率点跟踪的概述3.1.1最大功率点跟踪的原理光伏电池的简化的线性电路如图3.1所示，上的功率为： （3-1）图3.1 简化的线性电路图对上式两边求导，因为U、都是常数，所以可以得出： （3-2）因为式（3-2）中=时，将有最大值，所以对于太阳能电池板简化的线性电路，如果负载电阻等于电源内阻，光伏电池板电源将有最大功率输出。虽然DC/DC转换电路和太阳能光伏电池均是强非线性的，但是它们在较短的时间里能够被看作是线性电路。由简化的电路图3.1得出：=时，=两端的电压为U/2，是最大值。综上可得，通过调节DC/DC转换电路的等效电阻始终让光伏电池的内阻与转化电路的等效电阻保持相等，从而实现光伏电池发电的最大功率输出，即光伏电池的MPPT。同样的，在实际应用中，可以通过调节负载两端的电阻电压，来实现光伏电池发电的最大功率输出。图3.2 最大功率跟踪原理图光伏电池最大功率跟踪的原理如上图3.2所示。负载电阻由实直线表示；等功率线由虚曲线表示；光伏电池的短路电流由表示；光伏电池的开路电压由表示；光伏电池的最大功率点则由表示。下面简单介绍一下光伏电池最大功率跟踪的原理：因为光伏电池电源直接与负载电阻相连，所以负载电阻也直接决定了光伏电池的工作点。由图3.2可得光伏电池工作在M点时，光伏电池的输出功率要比在最大功率点的输出功率小得多。通过调节输出电压的方法，将负载电压调节到处，使负载上的功率从M点移到N点。由于N点与光伏电池的最大功率点在同一条等功率线上，因此光伏电池此时有最大功率输出。3.1.2最大功率点跟踪研究的现状随着对最大功率点跟踪的日渐关注，有很多先进的理论算法都能应用在最大功率点跟踪上面，研究较多的几种方法有模糊控，因为光伏发电系统为一个强非线性系统，太阳电池的工作情况也很难用精确的数学模型描述出来，模糊控制特别适用于复杂的非线性、数学模型未知的系统，因此采用模糊控制的方法来调节光伏电池的工作点是非常合适的；人工神经网络控制，适用于天气多变的状况，在这种恶劣的条件下有效地提高了光伏发电系统的稳定性，比较好的跟踪了最大功率；以上两种方法国外学者研究较为深入，而国内则主要有优化控制，优化建模、求解；自适应控制，原有的控制算法均为固定步长寻优，它们的缺点很大，难以达到理想的跟踪控制效果，通过改进固定步长，加快了最大功率跟踪的速度，提高了跟踪的精度，也是最为实用的方法之一。而早期人们在实际的电力电子应用研究中则是简单的以不同的串并联方式组合光伏电池片，可以通过改变光伏电池片的数量和串并联方式，使光伏电池的工作点接近最大功率点，但仅是接近不可能真正的实现实时的最大功率跟踪。而扰动观察法(P&O)和增量电导法(INC)成为现阶段两种应用较为广泛的光伏电池最大功率点跟踪方法。根据扰动观察法所制作的控制器易于硬件实现，光伏电池的被测参数少，但是其跟踪性能和动态特性在时变的自然环境中比增量电导法差一些。控制算法若要真正作用到光伏电池的最大功率跟踪上，就必须将最大功率点跟踪的算法与实际的DC/DC转换器相连接，通过硬件控制实现光伏电池的最大功率点的跟踪。其中有：具体的实现方法有将很小的正弦信号输入到逆变器中以控制电路开关频率的大小使光伏电池两端的电压随之变化最终实现了最大功率点的跟踪；还有将最大功率跟踪的控制算法刷入单片机，用其控制DC/DC转换器的占空比以控制光伏电池阵列的输出电压从而实现了最大功率点的跟踪；以上两种方法均可以应用于实际自然环境中，没有过多的应用条件要求，而在某些特定的自然环境中，光伏电池的最大功率点与电路中的开路电压、短路电流等变量成线性关系，通过DSP控制电流、电压的输出值，从而实现最大功率点的跟踪。3.2 最大功率点跟踪的算法跟踪的算法问题是研究最大功率点跟踪的另一个关键，现今应用较广的几种算法包括：恒压跟踪法(CVT)、扰动观察法(P&O)、电导增量法(INC)等。3.2.1恒压跟踪法(CVT)由图3.3是不同光照强度下光伏电池P-V特性曲线。图中可以看出，当温度一定时，不同光照强度下，太阳能电池板的最大功率点几乎落在同一根垂直线的两侧附近。因此，恒压跟踪(CVT)法即将最大功率线近似看成输出电压为常数的一根垂直线，使光伏电池板工作于某一固定的电压。显然，恒压跟踪法为一种近似的最大功率点跟踪方法。图3.3 不同光照强度下光伏电池P-V特性曲线恒压跟踪(CVT)法的优点是易实现、控制简单、可靠性和稳定性高；缺点是它忽略了结温度对光伏电池开路电压的影响，所以控制精度差，每当环境温度升高1时，硅光伏电池的开路电压下降(0.3%-0.45%)。现在已出现一些经过改进的CVT算法，比如手动调节电位器给定不同的电压值，根据温度查表改变电压值等等。随着光伏发电系统中数字信号处理技术的应用，CVT方法逐渐被取代。3.2.2扰动观察法(P&O)图3.4是扰动观察法原理图，首先测量当前光伏电池阵列输出功率，当在原输出电压上增加一小电压分量(士u)时，输出功率会发生变化，测量变化后的输出功率并与之前测量的功率进行比较()，得出功率差P。若P0，说明光伏电池板工作于上坡段，即最大功率点尺的左侧，需继续增大工作电压，从左边向最大功率点靠近，保持原扰动的方向不变；若P0，说明光伏电池板工作于下坡段，即最大功率点尺的右侧，需减小工作电压，从右边向最大功率点靠近，加反向扰动；若P=0，电池板工作于最大功率点附近，则保持原输出电压不变。此方法的优点是原理简单，易于实现；缺点是当光照强度变化较快时，容易产生误判，使工作点越来越偏离最大功率点，导致控制失效。图3.4 扰动观察法原理示意图其算法流程图如图3.5所示：图3.5 扰动观察法流程图3.2.3电导增量法(INC)电导增量法也称导纳增量法，是根据最大功率点的电压来调节输出电压的一种方法。通过太阳能电池板的P-U特性曲线可得在最大功率点时有：又由功率计算公式得：进而可得： (3-3)即只要上式成立则光伏电池板输出达到最大功率点。所以通过判断U与一哪的关系可判断当前状态是否达到最大功率点，判断如下：(1)当时，在最大功率点处，参考电压保持不变；(2)当时，在最大功率点的左边，需要增大参考电压；(3)当时，在最大功率点的右边，需减要小参考电压。图3.6 电导增量法流程图其算法流程如图3.6所示，在多种最大功率跟踪方法中，电导增量法是跟踪准确性较高的一种方法，快速变化的情况下，可以使系统具有良好的跟踪性能，并且太阳能电输出电压摆动比较小，缺点是计算较麻烦。但是现在先进的DSP处已经能满足处理的要求，因此本文使用该方法作为实现的对象。本文选用此方法实现最大功率点跟踪6-7。3.3 DC/DC变换器DC/DC变换器，即直流斩波器，其工作方式是通过调节通断比例(占空比)来控制输出直流电压的平均值。可调宽度的脉冲构成该电压的平均值，直流输出电压即为脉冲的平均值。使用恰当的LC滤波器将方波脉冲平滑成无纹波直流输出，其中二极管起续流作用。按照功率开关器件中的电流或电压的波形，可以将DC/DC变换分类方式区分为方波型和正弦型。前者是由于在稳态运行中，此类开关变换器功率开关器件中的电流或电压波形基本上是方波而得名；而后者是由于在稳态运行中，此类变换器的电流或电压波形基本上是正弦波而得名。变换器的结构可分为如下四种：降压式(Buck)、升压式(Boost)、升降压式（Buck-Boost)、库克式(Cuk)。3.3.1降压式变换器(Buck Converter)图3.7 降压式变换器电路图图3.7为Buck降压式变换器。当IGBT元件V导通时，二极管VD截止，电源E向负载供电并向电感L储存能量，此时，电感电流按指数曲线上升；当V关断时，电感电流经VD续流，近似为零，呈指数曲线下降，为使连续且脉动小，通常使L值较大。电流连续时，负载电压平均值为： () (3-4)为导通占空比，简称占空比或导通比最大为E，减小，随之减小，称为降压斩波电路，也称Buck Conve