民用光伏单相发电系统设计.doc

新型民用光伏单相发电系统的设计摘 要化石能源的日益枯竭、人们对环境保护问题的重视程度也在不断提高，新能源发展问题变得越来越迫切。太阳能作为一种可再生能源它洁净无污染，并可持续利用，因此有着广阔的应用前景，光伏发电技术也越来越受到人们的关注。本文阐述了一种小功率的光伏逆变电源的结构、控制原理和设计。主要内容如下:1.介绍目前国内外光伏发电的现状和发展前景，并对光伏发电系统的结构组成和分类作了简单介绍，对光伏发电系统建立了一个总体认识。2.研究了光伏电池的基本发电原理和输出特性。3.对光伏逆变器进行研究，阐述了全桥逆变器的工作原理、控制策略、软硬件的设计。控制方法采用输出电流滞环跟踪方式，提出了有效的检测方法并用专业软件仿真验证其有效性。关键词 太阳能；光伏组件；蓄电池；控制器；逆变器；跟踪系统一.太阳能家用发电系统设计要求太阳照在太阳能电池方阵上的辐射光的光谱、光强受到大气层厚度（即大气质量）、地理位置、所在地的气候和气象、地形地物等的影响，其能量在一日、一月和一年内都有很大的变化，甚至各年之间的每年总辐射量也有较大的差别。因此在设计家用太阳能电站系统时，要尽可能的掌握当地的气象、环境状况，要考虑用户的用电需求情况通过综合考虑和计算，最大限度发挥系统各部件的性能做到尽可能最大优化设计，另外由于家用太阳能光伏电源系统大多都用于偏远落后地区,交通不便,用户维护水平不高，这就要求系统具有很高的可靠性。图1-1伏电源系统的一般结构组成二.太阳能家用光伏发电系统的设计太阳能家用光伏发电系统根据用电负载的特点，可分为直流系统、交流系统和交直流混合系统等几种。其主要区别是系统是否带有逆变器。一般来说，太阳能家用光伏发电系统主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组、直流/交流逆变器等部分组成。太阳能家用光伏发电系统的结构如图1所示，图2为太阳能光伏发电系统的组成框图。图2-1家用光伏发电系统的结构图 图2-2能光伏发电系统的组成框图1.太阳能电池光伏组件太阳能电池的一个重要指标是光电转换效率，是指电池受光照时的最大输出功率与照射到电池上的入射光的功率P的比值，用符号表达。太阳能电池的光电转换效率是衡量电池质量和技术水平的重要参数，它与电池的结构、结特性、材料性质、工作温度、放射性粒子辐射损伤和环境变化等有关。数据表明，在大气质量为AM1.5的条件下测试，目前硅太阳能电池的理论光电转换率的上限值为33%左右；目前商品单晶硅太阳能电池的光电转换率一般为16%20%，目前商品多晶硅太阳能电池光电转换率一般为15%18%。2.蓄电池太阳辐射强度受气候、昼夜和季节等因素影响较大，白天太阳辐射强，太阳能电池输出功率大，而在阴雨天或夜间，基本没有太阳能辐射，太阳能电池输出功率就极小。在独立光伏发电系统中，希望在光照强时能把太阳能电池多余的输出能量储存起来，以保证系统在光照弱时也能正常使用，这时就需要配备储能装置。而光伏发电系统中常用的储能装置一般选择阀控式密封免维护铅酸蓄电池，因为它具有容量大、价格低廉、寿命长、免维护、自放电率低、使用方便等优越性，与传统的蓄电池相比，在使用、维护和管理上有着明显的优点。目前我国与光伏发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池，铅酸蓄电池用正极的二氧化铅和负极的海绵状铅作为活性物质参加电化学反应，以密度为1.281.32 g/mL（浓度为27%37%）的硫酸溶解液作为电解液，统称为铅酸蓄电池（亦称“铅酸电池”）。为了获得足够的容量，在工程中往往将单体的蓄电池进行串并联而形成蓄电池组。3.控制器在独立家用光伏发电系统中，控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快捷、平稳、高效地为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗，尽量延长蓄电池的使用寿命，同时保护蓄电池，具有输入充满和容量不足时断开和恢复接连功能，以免过充电和过放电现象的发生，同时还具备最大功率点跟踪控制功能，以保证系统效率。如果用户使用直流负载，需要时控制器还可以有稳压功能，为负载提供稳定的直流电。4.逆变器逆变器是将直流电变换成交流电的设备。由于太阳能电池方阵和蓄电池组发出的是直流电，当负载是交流负载时，逆变器是不可缺少的。对逆变器的基本要求是：能输出一个电压稳定的交流电。图2-3桥逆变电路图SPWM调制技术（1）SPWM调制技术SPWM调制技术是指用正弦波为调制波，而以N倍于调制波频率的三角波为载波进行波形比较，在调制波大于载波的分产生一组幅值相等，而宽度按正弦规律变化的矩形脉冲序列来等效正弦波，用开关量取代了模拟量，并通过对开关管的通断控制，就可以得到交流的SPWM波形。下图是单相桥式PWM逆变电路，根据调制脉冲的极性，可分单极性SPWM和双极性的SPWM。 图2-4 SPWM 逆变电路 (2) 双极性PWM控制方式 在调制信号ur和载波信号uc的交点时刻控制各开关器件的通断。在ur的半个周期内，三角波载波有正有负，所得的PWM波也是有正有负，在ur的一个周期内，输出的PWM波只有Ud两种电平。在ur的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当uruc时，V1和V4导通，V2和V3关断，这时如io0，则V1和V4通，如io0，则VD1和VD4通，不管哪种情况都是uo=Ud。当uruc时，V2和V3导通，V1和V4关断，这时如io0，则VD2和VD3通，不管哪种情况都是uo=-Ud。 图2-5双极性PWM控制方式波形5.自动跟踪系统阳的位置是由太阳高度角与方位角决定的，太阳能电池板必需绕两条不同方向的轴线运动才能精确地跟踪太阳，这就是双轴跟踪系统。单轴跟踪系统是指太阳能电池板以南北方向为旋转轴跟随着太阳自东向西运动，由于太阳俯仰角以一年为周期，变化量很小，所以只要每过一个月的时间手动调节一次太阳能电池板与南北方向的倾斜角就可以满足使用要求。虽然双轴跟踪系统跟踪精度高，可大大提高发电量，但是结构复杂，成本较高。单轴跟踪系统结构简单，控制简单，可靠性高，在功率较低的光伏发电系统中具有很高的性价比，所以本人采用单轴跟踪系统。图2-6自动跟踪系统结构图工作原理：传感器将太阳的光信号转换为电信号，送到单片机内部集成的A/D转换器上转换为数字信号单片机经过分析与比较，经过驱动电路来控制步进电机（步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移或线位移的控制电机），从而带动机械传动机构，使太阳光始终垂直照射在太阳能电池板上，提高了太阳光有效利用率。三、结语本文设计的民用光伏单相发电系统采用了数字控制技术，控制灵活，功能完善。逆变电源采用SPWM控制技术，试验结果证明，逆变器输出功率可达到300w，效率在85%以上。为了提高光伏发电系统的效率，还设计太阳自动跟踪系统，经过反复试验，本文设计的太阳自动跟踪系统原理上是可行的。由于本人时间有限，学习和实践水平不足，在民用光伏单相发电系统的设计当中还存在以下的一些问题需要进一步研究和解决:(l)改进SPWM技术减少元器件的开关次数，从而减少开关损耗，提高效率。(2)没有设计发电系统与上位机间的通讯，在上位机上不能监控系统的各个状态量。(3)