光伏发电的原理及系统设计

光伏发电的原理及系统设计摘要：众所周知，太阳能是一种用之不竭，储量巨大的清洁可再生能源，每天到地球表面的辐射能量相当于数亿万桶石油燃烧的能量，太阳能开发与利用逐步成为政府重点发展的战略。热能和光能利用是太阳能应用的两种重要形式。光伏发电是利用光伏电池的光伏效应将太阳光的光能直接转换为电能的一种可再生，无污染的发电方式，正在全球范围内迅猛发展，其不仅要替代部分化石能源，而且未来将成为世界能源供应的主体，是世界各国可再生能源发展的重点。本文阐述了太阳能光伏发电系统的基本结构和工作原理，综述了国内外光伏发电技术的发展现状及发展趋势。第一章：绪论光伏发电的现状及发展趋势光伏发电技术研究始于1839年‘光伏效应’的发现。1954年，G.Pearson等开发出光电转换效率为6%的单晶硅光伏电池其为现代晶体硅光伏电池的雏形。目前，高效晶体硅光伏电池和各类薄膜光伏电池是世界光伏产业的热点之一。光伏发电一般按照与电力系统的关系分类，可以分为独立的光伏发电和并网光伏发电。独立光伏发电不与电力系统连接在一起，独立于整个系统，发出的直流，交流电直接供给负载。而并网光伏发电则像发电站一样，可以向电网输送有功，无功的电能。近年来，并网光伏发电的应用比例快速增长。研究光伏发电的目的我国正处在经济转轨与蓬勃发展时期，但能源问题严峻。城市中由于大量使用化石能源，环境持续恶化。大力发展光伏并网发电有助于提早解决这一问题。到目前为止，我国光伏并网发电的关键技术及设备仍主要来自于进口，但面临如此巨大的国内需要，发展具有自我知识产权的相关高技术，进而实现其产业化，已是刻不容缓的事情。在光伏并网发电系统中，其具体目的表现为：.实现高质量的电能转换，将太阳能光电转换组件阵列产生的直流电转换成220V.50HZ的单相正弦波，其电流和电压的畸变率均小。.实现系统的安全保护要求，如输出过载保护输出短路保护，输入接反保护，直流过压保护，交流过压和欠压保护，“孤岛”保护及装置。第二章：光伏发电的原理及理论分析1光伏发电的原理1.1独立光伏发电的基本原理独立光伏发电系统由太阳能电池阵列，蓄电池，逆变器组件，控制器和负载(直流负载和交流负载)组成。因为太阳能电池产生的电能为直流，但是由于光照强度实时变化，太阳能电池输出的电压不稳定，这时需要蓄电池来起到一个滤波的作用，将太阳能电池产生的电压稳定在蓄电池的电压值上，在另外一种意义上，用蓄电池也有储能的作用，可以将过剩的电能储存起来供在光照强度较低的时候使用。如果是直流负载就可以直接接在蓄电池上工作，如果是交流负载，那么需要经过逆变器的DC-AC变换，将直流电变成交流电，供给交流负载。1.2并网光伏发电的基本原理独立光伏发电系统由太阳能电池阵列，蓄电池，逆变器组件，控制器和负载组成。因为需要将光伏发出来的电回馈给电网，这就需要将直流电转换为电网要求的220V-50HZ的交流电，并且在相同相位的情况下并网，像电网供电。

2.光伏发电逆变系统的组成光伏发电系统主要由太阳能电池，主回路，控制电路和负载组成。主回路主要包括DC/DC电路，DC/AC电路，滤波器组件。光伏发电逆变系统的拓扑结构通常单相电压型逆变器主要分为推挽式、半桥和全桥逆变电路三种。这三种方式根据其不同的特点应用于不同的场合。推挽式逆变电路的电路结构比较简单，结构图如下图所示。其上电路只需要两个晶闸管，基极驱动电路不需要隔离，驱动电路比较简单，但是晶闸管需要承受2倍的线路峰值电压，所以适合于低输入电压的场合应用。相比于推挽式逆变电路，单相半桥式逆变电路中所使用的晶闸管的耐压要求就相图3-1单相推挽式逆变电路www.diiingon-com受2倍的线路峰值电压，所以适合于低输入电压的场合应用。相比于推挽式逆变电路，单相半桥式逆变电路中所使用的晶闸管的耐压要求就相图3-1单相推挽式逆变电路www.diiingon-comVD1全桥式逆变电路就是介于推挽式和半桥式之间，兼顾其各自优点的一种逆变电路。其既有推挽式电路的电流性质，也有半桥式电路的电压性质，其结构详见于下图所示。全桥式电路可以使得晶闸管期间达到最大输出功率，而且其逆变出来的波形更加接近于正弦波。所以，大部分光伏发电的逆变系统主回路选用了全桥式逆变电路。图3-3单相全桥式逆变电路m.dim号mi科全桥逆变电路的工作原理VT1--VT4为晶闸管，VD1—VD4为4给反向并联的二极管。首先，VT1和VT4是一对同时开关的晶闸管，VT2和VT3是另外一对同时开关的晶闸管，VT1和VT4，VT2和VT3各受两路控制电压的控制。首先，VT2,VT3的控制电压为负值，那么VT2,VT3关断，处于截止状态。VT1,VT4的控制电压为正值，那么VT1,VT4导通，电流流路通径如下图所示。如果忽略晶闸

管自身的压降，那么输出电压就等于Uout=EN2/N1.然后,VT1和VT4关断，四个功率开关都处于截止状态。图3~4电流流通路径www,diingon,此旧第三个时刻，VT1和VT4的控制电压为负值，那么VT1和VT4关断，处于截止状态。VT2和VT3的控制电压为正值，那么VT2和VT3导通，电流流路通径如下图所示。如果忽略晶闸管自身的压降，那么输出电压就等于Uout=EN2/N1.最后VT2和VT3都关断，四个功率开关都处于截止状态。这就是一个周期内，晶闸管的开关变化情况，。按照这种工作方式，就可以获得交变的电压。

uw.diangon.匚口刷图3-5电流流通路径PWM脉宽调制技术所谓PWM脉宽调制技术是指用一种参考波(通常是正弦波，特殊的控制策略中也有采用马鞍波或者梯形波)，作为调制波，与频率N倍于调制波频率的三角波载波，进行比较，在调制波大于载波的部分产生一组矩形脉冲序列，该脉冲序列的宽度正比于调制波的矩形脉冲序列，通过对逆变器开关管的开通与关断，把直流电变成交流电。因为载波三角形的宽度从上而下是线性变化的，所以这种调制方法是线性的。PWM调制技术自从提出至今一直在不断的发展。脉宽调制模式其主要优点有：uw.diangon.匚口刷电路中只需要一个功率控制级就可以调节输出波形的电压和频率，省去了控制电压的器件。独立控制功率因数，使