小型太陽能發(fā)電站畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢 業(yè) 論 文</p><p>　　指導(dǎo)者： 講師 </p><p>　　評閱者： </p><p>　　(姓 名) (專業(yè)技術(shù)職務(wù))</p><p><b>　　年

2、 月</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　1.1 本課題研究的背景和意義</p><p>　　根據(jù)世界能源權(quán)威機(jī)構(gòu)的分析,世界已探明的主要礦物燃料儲量和開采量不容世人樂觀。石油剩余可采年限僅有41年,其年占世界能源總消耗量的40.5%;天然氣剩余可采年限61.9年,其年占世界能源總消耗量的24.10

3、%;煤炭剩余可采年限230年,其年占世界能源總消耗量的25.2%;鈾剩余可采年限73年,其年占世界能源總消耗量的7.6%;另有水力,其年占世界能源總消耗量的2.6%。</p><p>　　傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少,能源問題已經(jīng)成為不容忽視的全球性問題。尋找新能源,已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。很快人們就把目光聚焦在了身邊的可再生能源,風(fēng)能、太陽能、地?zé)帷⑸镔|(zhì)發(fā)電……這些新能源都成為替代傳統(tǒng)一次性能源的新目標(biāo)。而每天豐富

4、的太陽輻射能是取之不盡、用之不竭的,無污染,廉價,是人類能夠自由利用的能源,成為最先納入人們視野的最佳選擇。太陽能每秒鐘到達(dá)地面的能量高達(dá)80萬千瓦,如果把地球表面0.1%的太陽能轉(zhuǎn)為電能,轉(zhuǎn)變率為5%,每年發(fā)電量可達(dá)5.6*1012萬千瓦時,相當(dāng)于目前世界上能耗的40倍左右。</p><p>　　1.2 太陽能發(fā)電研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 國外太陽能發(fā)電現(xiàn)狀</p&

5、gt;<p>　　自從20世紀(jì)70年代全球發(fā)生世界性石油危機(jī)以來,太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在西方發(fā)達(dá)國家引起了極大的重視,各國政府從環(huán)境保護(hù)和能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的角度出發(fā),紛紛制定政策,鼓勵和支持太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。光伏發(fā)電技術(shù)帶來的產(chǎn)業(yè)在政策法規(guī)的強(qiáng)力助推下,呈快速、增速發(fā)展。根據(jù)歐洲光伏工業(yè)協(xié)會(EPIA)的研究報告,全球光伏產(chǎn)業(yè)在過去十年高速發(fā)展,增長速度逐年遞增,從1998年到2008年,全球累計(jì)光伏裝機(jī)容量年均增長率在

6、30％以上,見圖1.1</p><p>　　圖1.1 歷年全球光伏發(fā)電累計(jì)容量</p><p>　　2008全球累計(jì)裝機(jī)容量已接近15GW,比2007年的9GW增加了5.6GW,增長率創(chuàng)新高,達(dá)到60%。在各國的政策扶持下,光伏產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展并且開始向一些發(fā)展中國家擴(kuò)展,這對于能源和環(huán)境來說都是利好消息。在目前全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)影響下,短期內(nèi)光伏發(fā)電市場并不穩(wěn)定,但是未來迅猛發(fā)展的趨勢是不會改變的

7、。ＥＰＩＡ 采用情景分析的方法,就政策驅(qū)動情景和正常發(fā)展情對未來５年全球的光伏市場、太陽能電池供給與需求、多晶硅技術(shù)與薄膜生產(chǎn)能力等進(jìn)行了預(yù)測,預(yù)測結(jié)果如圖2.1</p><p>　　圖1.2 2009—2013全球光伏發(fā)電狀況</p><p>　　預(yù)測結(jié)果表明：在政策驅(qū)動下,2009年全球新增光伏發(fā)電需求將達(dá)到6.8GW左右,５年后的2013年光伏發(fā)電需求將高達(dá)22GW,平均年增長率為

8、32%;而在正常展方案情況下,2009年全球的光伏發(fā)電需求將因全球經(jīng)濟(jì)的不景氣滯留在4.6GW附近,于得不到經(jīng)濟(jì)支持到2013年僅為12GW,2008--2013年５ 年間平均年增長率為7%。國際能源組織(IEA)對太陽能光伏發(fā)電的未來發(fā)展長期預(yù)測認(rèn)為：2020年世界光伏發(fā)電量占總發(fā)電量的1%,2040年占總發(fā)電量的20%。歐洲光伏工業(yè)協(xié)會（EPIA）對光伏發(fā)電的預(yù)測為:2020年世界太陽能光伏組件年產(chǎn)量將達(dá)到40GWh,總裝機(jī)容量為1

9、95GW,發(fā)電量為274TWh,占全球發(fā)電量的1%,太陽電池的組件成本下降到每1峰瓦1美元;2040年光伏發(fā)電量達(dá)7368TWh,占全球發(fā)電量的21%。</p><p>　　1.2.2 我國太陽能發(fā)電現(xiàn)狀</p><p>　　近幾年,中國光伏產(chǎn)業(yè)迅速崛起,并成為全球最大的太陽能電池生產(chǎn)國。在過去，太陽能光伏發(fā)電所使用的晶體硅電池的核心技術(shù)長期被美國、德國、日本等國的公司所壟斷，中國則成為晶

10、體硅電池及組件的加工生產(chǎn)大國，產(chǎn)生了無錫尚德、江西ＬＤＫ、常州天合、天成英利等眾多國際著名多晶硅電池和組件生產(chǎn)企業(yè)，也出現(xiàn)了福建鈞石、蚌埠普樂、河北新奧等一批硅薄膜電池生產(chǎn)企業(yè)。隨著技術(shù)不斷發(fā)展，我國薄膜電池技術(shù)的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)化實(shí)驗(yàn)，終于與國際保持同步。南開大學(xué)光電子薄膜與器件研究所是國際著名、中國頂尖的薄膜太陽能電池研發(fā)機(jī)構(gòu)，在非晶硅、微品硅薄膜電池技術(shù)、硒銦銅薄膜電池技術(shù)領(lǐng)域取得了卓越的成果。四川大學(xué)的碲化鎘電池技術(shù)也展現(xiàn)出了產(chǎn)業(yè)

11、化應(yīng)用的前景。據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)預(yù)測，2010年硅薄膜太陽能電池將占太陽能電池及組件的20%。2015年前太陽能電池發(fā)電量的一半以上將來自薄膜太陽能電池。上海交通大學(xué)太陽能研究所、中科院電工所等在太陽能應(yīng)用、光伏建筑一體化、大型并網(wǎng)光伏電站設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行等方面積累了豐富的產(chǎn)品經(jīng)驗(yàn)和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈正在形成。2009年3月26日，財(cái)政部頒布了《關(guān)于加快推進(jìn)太陽能光電建筑應(yīng)用的實(shí)施意見</p><p>　　

12、（1）由于各種原因的限制光伏發(fā)電的裝機(jī)容量與火電機(jī)組和水電機(jī)組相比仍然較小，且分布較為分散，并網(wǎng)后協(xié)調(diào)性較差。隨著薄膜電池的推廣使用，光伏發(fā)電的成本可能會從原來每度光電薄膜電池的上網(wǎng)電價4元降至1元左右，在很大程度上降低了成本。但與目前的火電機(jī)組、水電機(jī)組甚至風(fēng)電機(jī)組發(fā)電成本相比較上網(wǎng)電價依舊較高，還無法在電力市場中參與競爭。</p><p>　　（2）太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)造價依舊較高，從而導(dǎo)致市場規(guī)模相對較小，達(dá)

13、不到理想的規(guī)模經(jīng)濟(jì)程度，制約了光伏發(fā)電的大規(guī)模應(yīng)用。作為本國可持續(xù)發(fā)展的一個環(huán)節(jié)，太陽能光伏發(fā)電要想進(jìn)一步發(fā)展不僅需要政府的鼓勵政策以及優(yōu)惠補(bǔ)貼，更需要政府加大推動力度，建立起協(xié)調(diào)推進(jìn)機(jī)構(gòu)，組織項(xiàng)目的具體實(shí)施，研究制定可行性強(qiáng)的支持政策，解決與之相關(guān)的資金、技術(shù)、法律和安全等問題。</p><p>　　1.2.2 太陽能發(fā)電發(fā)展趨勢</p><p>　　我國太陽能資源豐富，理論儲量達(dá)每年1

14、7000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常大。從長遠(yuǎn)看，光伏發(fā)電在未來將會占據(jù)世界能源消費(fèi)的重要席位，不但要替代部分常規(guī)能源，而且最終會成為世界能源供應(yīng)的主體。在我國發(fā)展大型光伏并網(wǎng)發(fā)電，是改變和優(yōu)化電力結(jié)構(gòu)的理想選擇，也是可持續(xù)電力供應(yīng)的理想模式。最具發(fā)展前景的光伏發(fā)電應(yīng)用市場是大規(guī)模的荒漠電站。我國108萬平方公里的荒漠面積為建設(shè)大型的太陽能電站提供了廣闊的土地資源，其年總輻射在1600kWh/m以上，如果利用其1/10安裝并

15、網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，每年的發(fā)電量可以達(dá)到10萬多億千瓦時．相當(dāng)于全國用電量的6倍。從資源的合理開發(fā)利用來說，開發(fā)沙漠太陽能資源具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢，可以使廣大的沙漠、戈壁灘變廢為寶．對實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。沙漠所處的地理位置恰好是太陽能資源豐富區(qū)，盡管不同的地區(qū)均可獲取太陽能，但在沙漠地區(qū)建設(shè)太陽能電站，不僅具備較好的太陽能光照資源，而且不占用寶貴的耕地。在建造太陽能電站的同時也對沙漠的環(huán)境進(jìn)行了改造，可以說一舉兩得。中國無

16、論太陽能資源還是沙漠資源，都具有足夠的優(yōu)勢，足以支持太陽能電站的建設(shè)，緩解未來的能源</p><p>　　1.3 本課題研究主要內(nèi)容</p><p>　　綜合以上國內(nèi)外光伏產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀分析，在我國，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景是輝煌的：一方面，我國現(xiàn)在還有很多人生活在無電、缺電的西部邊遠(yuǎn)地區(qū)，解決這些地區(qū)的用電問題，很大程度上依賴于太陽能及其它新能源的大規(guī)模應(yīng)用：另一方面，在東部沿海經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)的地

17、區(qū)，利用太陽能發(fā)電作為補(bǔ)充或替代能源又將會給我國光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一個新的發(fā)展空間。</p><p>　　本題目主要研究的是用小型太陽能發(fā)電站的設(shè)計(jì)，具體如下：</p><p>　?。?）分析、總結(jié)了太陽能電池板的電壓、電流輸出特性和蓄電池的充電過程，研究確定了使用增量電導(dǎo)法作為最大功率點(diǎn)跟蹤的充電法。</p><p>　?。?）對基于SPWM波的正弦波逆變器的原理

18、及電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析，先介紹了PWM波形的基本工作原理，接著對SPWM波形的生成原理及幾種生成方法進(jìn)行了講解，</p><p>　?。?）對硬件基于SPWM波的正弦波逆變器電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括逆變電源系統(tǒng)DC/AC部分的硬件電路設(shè)計(jì)。通過電壓/電流的雙環(huán)控制策略對逆變電路進(jìn)行閉環(huán)控制，包括閉環(huán)控制電路的硬件電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　第二章太陽能光伏發(fā)電站的組成和原理<

19、/p><p>　　2.1 太陽能發(fā)電站系統(tǒng)的組成</p><p>　　太陽能光伏發(fā)電站系統(tǒng)是利用以光生伏打效應(yīng)原理制成的將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽能電池方陣、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部分組成。太陽能光伏發(fā)電站按照是否與電網(wǎng)相連分為離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.1 離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)</p><p&

20、gt;　　離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)又稱獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，是指能夠把太陽能電池產(chǎn)生的電能直接提供給負(fù)載或儲能裝置的系統(tǒng)。常見的如太陽能路燈。其主要是由太陽能電池陣列、控制電路、蓄電池組和負(fù)載組成。離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的組成與負(fù)載有關(guān)：如果只是直流負(fù)載，則僅需要經(jīng)過轉(zhuǎn)換器處理即可與負(fù)載連接：如果還須帶交流負(fù)載，就需要加入逆變單元。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 太陽能離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)</p><p&

21、gt;　　離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的工作流程是：當(dāng)陽光充足時，太陽能電池陣列受到太陽光照產(chǎn)生電能，電能直接供給直流負(fù)載或交流負(fù)載，這時其富余的能量則給蓄電池組充電，若太陽能電池陣列電能不足以提供負(fù)載工作，蓄電池開始放電；在陽光不充足或無陽光時，太陽能電池陣列產(chǎn)生的電能不足以帶動負(fù)載，蓄電池組就會為負(fù)載提供電。</p><p>　　2.1.2 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)通過將太

22、陽能轉(zhuǎn)化為電能，不經(jīng)過蓄電池儲能，直接通過并網(wǎng)逆變器，把電能送上電太陽能發(fā)電系統(tǒng)網(wǎng)。并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)從組成上與離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)比較多變壓器，將電壓變壓后送往公共電網(wǎng)。并網(wǎng)發(fā)電將太陽能電池陣列輸出的直流電轉(zhuǎn)化為與公共電網(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)提供電能。并網(wǎng)發(fā)電是太陽能光伏發(fā)電得以進(jìn)行大規(guī)模商業(yè)化發(fā)電，它是電力工業(yè)重要組成，是當(dāng)今世界太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展的主流趨勢。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。</p>

23、<p>　　圖2.2 太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　本課題中的小型太陽能發(fā)電控制器就是指用在不帶交流負(fù)載的獨(dú)立發(fā)電小型系統(tǒng)的控制器，所以下文中的光伏發(fā)電指的都是不帶交流負(fù)載的獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)。由于本文主要研究的是小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)蓄電池的充電方法，所以該系統(tǒng)主要考慮三個部分：太陽能電池，蓄電池和控制器。</p><p>　　2.2 光伏電池的工作原理和輸出特性</p&

24、gt;<p>　　2.2.1光伏電池工作原理及分類</p><p>　　太陽能電池是利用光電轉(zhuǎn)換原理使太陽的輻射光能通過半導(dǎo)體物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N器件，這種光電轉(zhuǎn)換過程是通過“光生伏打效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)的，因此又被稱為“光伏電池”。光伏電池是光伏發(fā)電系統(tǒng)的最基本組成單元，是系統(tǒng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的起始端。它的能量轉(zhuǎn)換效率是整個系統(tǒng)功效的關(guān)鍵，令它的商業(yè)化生產(chǎn)成本價格也是系統(tǒng)能否被普及應(yīng)用的決定因素之一。</

25、p><p>　　光伏電池工作原理的基礎(chǔ)是半導(dǎo)體P-N結(jié)的光電效應(yīng)。平衡態(tài)時P-N結(jié)處存在著由N區(qū)指向P區(qū)的勢壘電場。當(dāng)具有適當(dāng)能量的光子入射于半導(dǎo)體時，光子激發(fā)半導(dǎo)體材料而產(chǎn)生電子一空穴對，勢壘電勢就會推動電子向N型半導(dǎo)體擴(kuò)散，空穴向P型半導(dǎo)體擴(kuò)散，并分別聚集于兩個電極部分。N區(qū)積累了過剩的電子，P區(qū)積累了過剩的空穴，于是就產(chǎn)生了一個與勢壘電場方向相反的光生電動勢，這就是“光生伏打效應(yīng)”。如果將此P-N結(jié)兩端與外部負(fù)

26、載相連構(gòu)成回路，就會形成電流并產(chǎn)生一定的輸出功率。光伏電池的光電效應(yīng)是靠日照下的半導(dǎo)體P-N結(jié)來完成的，因此P—N結(jié)的構(gòu)造是光伏電池的基本特征。</p><p>　　從P-N結(jié)的構(gòu)造上來說，目前已經(jīng)【8研制成功的大致有以下幾類】：</p><p>　?。?）同質(zhì)結(jié)電池：PN結(jié)是由相同的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。</p><p>　　（2) 異質(zhì)結(jié)電池：PN結(jié)是由兩種不同的半導(dǎo)

27、體材料或金屬與半導(dǎo)體接觸構(gòu)成。</p><p>　　（3）薄膜電池：利用薄膜技術(shù)將很薄的半導(dǎo)體材料鋪在非半導(dǎo)體襯底上構(gòu)成。</p><p>　?。?）疊層電池：由兩種對光波吸收能力不同的半導(dǎo)體材料疊在一起構(gòu)成。半導(dǎo)體材料是目前光伏電池生產(chǎn)的主要原材料，雖然從特性上來說所有的半導(dǎo)體材料都具有光伏效應(yīng)，但是由于受到各種材料的物理性質(zhì)、提純技術(shù)及生產(chǎn)成本等條件限制，能夠進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)的并不多。&

28、lt;/p><p>　　根據(jù)所用材料的不同，光伏電池主要可分為：</p><p>　　（1）硅材料光伏電池；</p><p>　　（2）無機(jī)鹽化合物(如：砷化鎵、硫化鎘)為材料的光伏電池；</p><p>　　（3）功能高分子材料的光伏電池；</p><p>　?。?）納米晶光伏電池。</p><p&g

29、t;　　2.2.2 光伏電池的輸出特性</p><p>　　目前市面上用得最多的是硅太陽能電池，所以本文主要分析硅太陽能電池的輸出特性，及光照、溫度對輸出特性的影響。硅太陽能電池的輸出特性指的是太陽能電池在一定的溫度和光照強(qiáng)度下所表現(xiàn)出來的伏安特性，即輸出電壓和輸出電流之間的對應(yīng)關(guān)系。</p><p>　　根據(jù)半導(dǎo)體理論，為方便研究太陽能電池的特性，人們得出太陽能電池的理論分析模型[1]。

30、經(jīng)太陽能電池的電路簡化分析[2]，再通過對太陽能電池實(shí)際應(yīng)用時的一些重要參數(shù)的分析，可得到太陽能電池工程用數(shù)學(xué)模型[3]，在知道短路電流、開路電壓、溫度和光照的情況下可確定太陽能電池的輸出I-V和P-V曲線，如圖2.3。</p><p>　　圖中的VOC、ISC、Vm、Im分別是太陽能電池的開路電壓、短路電流、最大功率點(diǎn)電流和最大功率點(diǎn)電壓。這些是太陽能電池在實(shí)際應(yīng)用中的重要技術(shù)參數(shù)[4]：</p>

31、<p>　　開路電壓VOC：在給定的溫度和日照強(qiáng)度下的最大輸出電壓。</p><p>　　短路電流ISC：在給定的溫度和日照強(qiáng)度下的最大輸出電流。</p><p>　　最大功率點(diǎn)電壓Vm：在給定的溫度和日照強(qiáng)度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電壓。</p><p>　　最大功率點(diǎn)電流Im：在給定的溫度和日照強(qiáng)度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流。</p><

32、;p>　　最大功率點(diǎn)功率Pm：在給定溫度和日照強(qiáng)度下最大功率點(diǎn)的輸出功率，即</p><p>　　Pm=Vm×Im (2.1) </p><p>　　太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率η：輸出功率Po與光照投射到電池表面上的功率Ps之比，其值取決于太陽能電池的工作點(diǎn)。通常采用太陽能電池的最大效率值作為其效率</p><

33、p>　　η= Pm/Ps (2.2) </p><p>　　太陽能電池輸出特性是非線性的，受外界多種因素影響，主要因素是光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度。根據(jù)得到的工程用數(shù)學(xué)模型，在已知相應(yīng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可繪制出在環(huán)境變化下太陽能電池的I-V、P-V特性曲線，如圖2.4和圖2.5所示。</p><p>　　圖2.4 相同光照強(qiáng)度(1000W/m

34、2)不同溫度下的I-V和P-V特性曲線</p><p>　　圖2.4是太陽能電池在相同光照強(qiáng)度不同溫度下的I-V、P-V特性曲線。從曲線中可以看出，當(dāng)光照強(qiáng)度一定時，電池溫度升高，太陽能電池開路電壓VOC降低，太陽能電池的短路電流ISC增加，但其增加的程度不如開路電壓VOC，所以溫度主要影響太陽能電池的開路電壓VOC。電池溫度升高時，太陽能電池的最大輸出功率隨之降低。在光照強(qiáng)度一定，溫度確定的條件下有其唯一的最大

35、功率點(diǎn)。</p><p>　　圖2.5相同溫度(25℃)不同光照強(qiáng)度下的I-V和P-V特性曲線</p><p>　　圖2.5為太陽能電池在相同溫度不同光照強(qiáng)度下的I-V、P-V特性曲線，從曲線中可以看出，當(dāng)溫度一定時隨光照強(qiáng)度的增加，太陽能電池短路電流ISC和開路電壓VOC都增加了。但是VOC增加的幅度沒有ISC的大，所以光照強(qiáng)度主要影響太陽能電池的短路電流ISC。光照強(qiáng)度升高時，太陽能電

36、池的最大輸出功率隨之升高。在太陽能電池溫度一定，光照強(qiáng)度確定的條件下有其唯一的最大功率點(diǎn)。</p><p>　　由以上可知：在溫度和光照強(qiáng)度確定的條件下，太陽能電池的輸出具有唯一的最大功率點(diǎn)，當(dāng)其工作在該點(diǎn)時，能輸出當(dāng)前溫度和光照強(qiáng)度下的最大功率。此時能夠?qū)μ柲苓M(jìn)行最大效率的利用[4,5]。由于實(shí)際應(yīng)用中不能保證太陽能電池總是工作在最大功率點(diǎn)上，所以在應(yīng)用中要用到帶有最大功率點(diǎn)跟蹤的控制裝置，以保證太陽能電池的

37、輸出功率保持在最大功率點(diǎn)的附近。</p><p>　　2.3 蓄電池及其充電方式</p><p>　　2.3.1蓄電池的選擇</p><p>　　蓄電池是獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中必須的儲能部件。在光伏系統(tǒng)的常年運(yùn)行，季節(jié)、天氣狀況以及每天時間的變化都會對光伏電池的輸出功率產(chǎn)生很大影響，在夏季或晴天發(fā)電量充裕，而在冬季或陰雨天發(fā)電量不足。為了保證光伏發(fā)電的使用效率，在發(fā)電量

38、充裕時電能不會自自損耗，而在發(fā)電量不足時能保證對負(fù)載的持續(xù)供電，獨(dú)立光伏系統(tǒng)中就必須有儲能部件一蓄電池。</p><p>　　在目前實(shí)際應(yīng)用的光伏系統(tǒng)中，蓄電池所占系統(tǒng)總投資的比重正在隨著光伏電池組件價格的下降而曰趨增加；而且，與普通蓄電池相比，與光伏電池配套使用的蓄電池充放電非常頻繁，充放電電流隨外部條件的變化而不斷變化，使得蓄電池的實(shí)際使用壽命比在常規(guī)條件下大大縮短，蓄電池的故障在整個系統(tǒng)故障中所占的比重也非

39、常大。要解決這個問題，除了繼續(xù)研發(fā)高性能蓄電池之外，還必須根據(jù)光伏電池和負(fù)載的特性來選用相匹配的蓄電池，并優(yōu)化設(shè)計(jì)其充放電控制系統(tǒng)，以保證整個光伏系統(tǒng)具有較高的可靠性和合理的經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　在設(shè)計(jì)選擇光伏系統(tǒng)蓄電池時需要考慮的指標(biāo)因素很多，如容量、電壓、放電深度、循環(huán)壽命、充放電性能、自放電率、運(yùn)行溫度及維護(hù)要求等等。目前在光伏系統(tǒng)中被采用的蓄電池大致可分為兩大類；堿性蓄電池和鉛酸蓄電池。堿性蓄電池

40、(如鎘鎳、鎳氫、鎳鈣等)在充放性能、循環(huán)壽命、放電深度以及低溫特性等方面比鉻酸蓄電池要好，但由于其價格昂貴，除在高寒環(huán)境等特殊場合外，其目前的應(yīng)用遠(yuǎn)不如鉛酸蓄電池廣泛。</p><p>　　鉛酸蓄電池由于其制造成本低，容量大，價格低廉而得到了廣泛的使用。在太陽能獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，鉛酸蓄電池投人使用后，必然會進(jìn)行充電和放電過程。太陽能電池發(fā)電充足時會對蓄電池貯存電能、恢復(fù)容量，以避免產(chǎn)生的電能因無法存儲而浪費(fèi)。當(dāng)

41、太陽能電池發(fā)電不足時蓄電池自身放電提供電能。蓄電池充電和放電狀況的好壞，將直接影響到蓄電池的電性能及使用壽命。目前對蓄電池充電的方法很多[13-15]，選擇科學(xué)合理的充電方法將會大大提高蓄電池的供電能力和維護(hù)效果。本文中不對充放電過程的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行介紹，下面各方法對化學(xué)反應(yīng)的影響可參見文獻(xiàn)[13-15]。</p><p>　　2.3.2 鉛蓄電池充電方式的選擇</p><p><b&

42、gt;　　<1>恒流充電法</b></p><p>　　恒流充電就是以一確定的電流進(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)行調(diào)整使電流恒定不變。這種方法特別適合于多個鉛酸蓄電池串聯(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容易得到恢復(fù)，此方法最好用于小電流長時間的充電模式。這種充電方式的不足之處在于：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

43、充電過程時間長。</p><p><b>　　<2>恒壓充電法</b></p><p>　　恒壓充電就是以一恒定電壓對鉛酸蓄電池進(jìn)行充電。在充電初期由于鉛酸蓄電池電壓較低，固其充電電流較大。但隨著鉛酸蓄電池電壓的逐漸升高，充電電流逐漸減少。在充電末期只有很小的電流通過。相對恒流充電法來說，此法的充電電流自動減少，所以充電過程中析氣量小，充電時間短，能耗低。

44、這種充電方法不足之處在于：①在充電初期，如果鉛酸蓄電池放電深度過深，即蓄電池電壓很低，充電電流會很大，不僅危及充電設(shè)備的安全，而且鉛酸蓄電池可能因過流而受到損傷；②如果鉛酸蓄電池電壓過低，后期充電電流又過小，充電時間過長，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太大，而且這種系統(tǒng)

45、中鉛酸蓄電池組串聯(lián)不多。</p><p>　　這兩種方法簡單容易實(shí)現(xiàn)，簡易的控制系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)此類控制。但其自身都有缺點(diǎn)，并且現(xiàn)在控制器上的芯片性能十分優(yōu)越，可采用充電性能更好的方法。</p><p><b>　　<3>階段充電法</b></p><p>　　階段充電法中主要包括二階段充電法和三階段充電法。</p>&l

46、t;p>　　二階段充電法是采用恒流充電法和恒壓充電法相結(jié)合的快速充電方法。它首先對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，采用恒壓充電方式充電。一般兩階段之間的轉(zhuǎn)換電壓就是第二階段恒壓的電壓。采用這種充電方式，在充電初期，蓄電池不會因低電壓出現(xiàn)很大的電流，在充電后期也不會出現(xiàn)因蓄電池電壓過高產(chǎn)生析氣。</p><p>　　三階段充電法在充電開始和結(jié)束時采用恒流充電，中間階段用恒壓充電。

47、相當(dāng)于在二階段充電法后，再加入一個恒流充電階段。當(dāng)電流衰減到預(yù)定值時，由第二階段轉(zhuǎn)換到第三階段，再繼續(xù)以很小的電流向蓄電池充電。這種以小電流充電的方式也稱為浮充充電。在浮充時，蓄電池的充電電壓比恒壓階段的充電電壓要低，這種方法可以將出氣量減到最少，提高蓄電池的電性能及延長使用壽命。但作為一種快速充電方法使用，受到一定的限制。</p><p><b>　　<4>快速充電法</b>&

48、lt;/p><p>　　比較流行的幾種快速充電方法有：</p><p>　?、倜}沖式充電法：脈沖充電方式首先是用脈沖電流對電池充電，然后讓電池停止充電一段時間，之后繼續(xù)脈沖電流充電，如此循環(huán)。間歇脈沖使蓄電池有較充分的反應(yīng)時間，減少了析氣量．提高了蓄電池的充電電流接受率。</p><p>　?、谧冸妷洪g歇充電法：在每個恒壓間歇充電階段，由于是恒壓充電，充電電流自然按照指

49、數(shù)規(guī)律下降，符合電池電流的可接受率隨著充電進(jìn)行逐漸下降的特點(diǎn)，可提高充電效率。</p><p>　?、圩冸妷鹤冸娏鞑ɡ耸介g歇正負(fù)零脈沖快速充電法：綜合了多種充電的優(yōu)點(diǎn)，此方法控制模式，脈沖電流幅值和PWM信號的頻率均固定，PWM占空比可調(diào)。在此基礎(chǔ)上加入間歇停充階段，能夠在較短的時間內(nèi)充進(jìn)更多的電量，提高蓄電池的充電接受能力。</p><p>　　綜上所述，為了較好的保護(hù)蓄電池，并實(shí)現(xiàn)蓄電

50、池的快速充電，可采用快速充電法和三階段充電法相結(jié)合的方法，即把三階段充電法第一階段的恒流階段改為快速充電階段，這樣既可快速給蓄電池充電，又能夠通過PWM控制實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤（第4部分做詳細(xì)說明）。</p><p><b>　　充電方法的選擇</b></p><p>　　本章分析、總結(jié)了太陽能電池的輸出特性和蓄電池的充電方法。太陽能電池的輸出特性使最大功率點(diǎn)跟蹤在太陽

51、能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用具有實(shí)際意義，可以顯著提高太陽能電池電能的利用率。鉛酸蓄電池充電方法選用三階段充電方法可以提高蓄電池性能，延長系統(tǒng)壽命。所以選用帶有PWM控制的最大功率點(diǎn)跟蹤的三階段充電方法為本系統(tǒng)中控制器的充電方法。</p><p>　　第三章 最大功率點(diǎn)跟蹤原理和方法</p><p>　　目前，在太陽能發(fā)電應(yīng)用中存在兩大要解決的問題：太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率低和系統(tǒng)的造價過高。就因?yàn)?/p>

52、這兩個問題，光伏發(fā)電到現(xiàn)在還沒有被大范圍應(yīng)用。這兩個問題主要可以通過兩大方面進(jìn)行解決，第一方面是研發(fā)新材料提高轉(zhuǎn)化效率并降低成本，第二方面就是在已有設(shè)備基礎(chǔ)上找到一種方法來提高太陽能電池的轉(zhuǎn)化效率。因?yàn)樘柲茈姵卦谝欢l件下時存在唯一的最大功率點(diǎn)，太陽能電池的最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum Power Point Tracking，MPPT)成為提高太陽能電池轉(zhuǎn)化效率的一種途徑，它能在最大程度上利用太陽能電池轉(zhuǎn)化所得的電能。</p

53、><p>　　3.1 太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤</p><p>　　為了提高系統(tǒng)的整體效率，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)一般都要求太陽電池能夠始終工作在當(dāng)前環(huán)境下的最大功率點(diǎn)處，但是由于其最大功率點(diǎn)隨著電池表面溫度和日照強(qiáng)度的變化而不斷改變，因此必須對太陽電池進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟(MaximumPower Point Tracking，MPPT)。太陽電池可看成一個內(nèi)阻變化的直流電源，最大功率點(diǎn)跟蹤控制(MPPT

54、)實(shí)質(zhì)上是一個尋優(yōu)過程，它通過實(shí)時檢測光伏陣列的輸出功率，利用一定的控制算法來改變當(dāng)前的系統(tǒng)阻抗，實(shí)現(xiàn)太陽電池阻抗與負(fù)載阻抗的匹配，從而來滿足最大功率輸出的要求。目前提出的MPPT方法主要有擾動觀察法、電導(dǎo)增量法、三點(diǎn)比較法、功率回授法、間歇掃描法、最優(yōu)梯度法、模糊邏輯法等，表3．1Yd出了這些方法各自的優(yōu)缺點(diǎn)。</p><p>　　表3．1各種MPPT控制方法對比</p><p><

55、;b>　　3.3 小結(jié)</b></p><p>　　本章分析了一些常用的最大功率點(diǎn)跟蹤的算法，恒壓控制法、增量電導(dǎo)法、擾動觀測法。通過比較和改進(jìn)確定控制器選取改進(jìn)型擾動觀測法。該算法與擾動觀測法比可以快速跟蹤到最大功率點(diǎn)，并且有效減小在最大功率點(diǎn)附近的震蕩；與增量電導(dǎo)法比算法結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)容易。</p><p>　　第四章 基于SPWM波的正弦波逆變器的設(shè)計(jì)</p&

56、gt;<p>　　4.1 逆變器的主要功能和分類</p><p>　　逆變器（PWM）是電力電子技術(shù)的一個重要應(yīng)用方面。電力電子技術(shù)是電力、電子、自動控制、計(jì)算機(jī)及半導(dǎo)體等多種技術(shù)相互滲透與有機(jī)結(jié)合的綜合技術(shù)。</p><p>　　眾所周知，整流器的功能是將50HZ的交流電整流成為直流電。而逆變器與整流器恰好相反，它的功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。這種對應(yīng)于整流的逆向過程，被稱

57、之為 “逆變”。太陽能電池在陽光照射下產(chǎn)生直流電，然而以直流電形式供電的系統(tǒng)有很大的局限性。例如，日光燈、電視機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇等均不能直接用直流電源供電，絕大多數(shù)動力機(jī)械也是如此。此外，當(dāng)供電系統(tǒng)需要升高電壓或降低電壓時，交流系統(tǒng)只需加一個變壓器即可，而在直流系統(tǒng)中升降壓技術(shù)與裝置則要復(fù)雜得多。因此，除特殊用戶外，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中都需要配備逆變器。逆變器還具備有自動調(diào)壓或手動調(diào)壓功能，可改善光伏發(fā)電系統(tǒng)的供電質(zhì)量。綜上所述，逆變器已成

58、為光伏發(fā)電系統(tǒng)中不可缺少的重要配套設(shè)備。 </p><p>　　有關(guān)逆變器分類的原則很多,根據(jù)逆變器輸出交流電壓的相數(shù)，可分為單相逆變器和三相逆變器；根據(jù)輸出波形的不同可分為方波逆變器和正弦波逆變器；根據(jù)逆變器使用的半導(dǎo)體器件類型不同，可分為晶體管逆變器、MOSFET模塊及可關(guān)斷晶閘管逆變器等；根據(jù)功率轉(zhuǎn)換電路又可分為推挽電路、橋式電路和高頻升壓電路逆變器等。</p>

59、<p>　　正弦波逆變器輸出的交流電壓波形為正弦波，正弦波逆變器的優(yōu)點(diǎn)是：輸出波形好，失真度低，對通信設(shè)備無干擾，噪聲也很低。此外，保護(hù)功能齊全，對電感性和電容型性負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)。缺點(diǎn)是：線路相對復(fù)雜，對維修技術(shù)要求高，價格較貴。</p><p>　　4.2 PWM波形工作基本原理</p><p>　　在采樣控制理論中有一個重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)

60、上時，其效果基本相同。沖量即指窄脈沖的面積。這里所說的效果基本相同，指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。如把各輸出波形用傅式變換分析，則其低頻段特性非常接近，僅在高頻段略有差異。例如圖5．1所示的三個窄脈沖形狀不同，圖5．1(a)為矩形脈沖，圖5．1(b)為三角形脈沖，圖5．1(c)為正弦半波脈沖，但它們的面積(即沖量)都等于1，那么，當(dāng)他們分別加在具有慣性的同一個環(huán)節(jié)上時，其輸出響應(yīng)基本相同。脈沖越窄，其輸出的差異越小。當(dāng)窄脈沖變?yōu)閳D5．1

61、(d)的單位脈沖函數(shù)8q)時，環(huán)節(jié)的響應(yīng)即為該環(huán)節(jié)的脈沖過渡函數(shù)。</p><p>　　圖5．1沖量相同的脈沖</p><p>　　上述結(jié)論是PWM控制的重要理論基礎(chǔ)。下面分析如何用一系列等幅而不等寬的脈沖代替一個正弦半波，把圖5．2(a)所示的正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N個彼此相連的脈沖所組成的波形。這些脈沖寬度相等，但幅值不等，且脈沖頂部不是水平直線，而是曲線，各脈沖

62、的幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖序列用同樣數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖序列代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦等分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)正弦部分面積(沖量)相等，就得到圖5．2(b)所示的脈沖序列。這就是‘PWM波形?？梢钥闯?，各脈沖的寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)沖量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形。像這種脈沖的寬度按正弦規(guī)律變化而和正弦波等效的PWM波形，也

63、稱為SPWM(Sinusoidal PWM)波形。在PWM波形中，各脈沖的幅值是相等的，要改變等效輸出正弦波的幅值時，只要按同一比例系數(shù)改變各脈沖的寬度即可。以上介紹的是PWM控制的基本原理，</p><p>　　按照上述原理，在給出了正弦波頻率、幅值和半個周期內(nèi)的脈沖數(shù)后，PWM</p><p>　　波形各脈沖的寬度和間隔就可以準(zhǔn)確計(jì)算出來。按照計(jì)算結(jié)果控制電路中各開關(guān)器件的通斷，就可以

64、得到所需要的PWM波形陽。較為實(shí)用的方法是采用調(diào)制的方法，即把所希望的波形作為調(diào)制信號，把接受調(diào)制的信號作為載波，通過對載波的調(diào)制得到所期望的PWM波形。通常采用等腰三角形作為載波，因?yàn)榈妊切紊舷聦挾扰c高度成線性關(guān)系且左右對稱，當(dāng)它與任何一個平緩變化的調(diào)制信號波形相交時，如在交點(diǎn)時刻控制電路中開關(guān)器件的通斷，就可以得到寬度正比于信號波幅值的脈沖，這正好符合PWM控制的要求。當(dāng)調(diào)制信號波為正弦波時，所得到的就是SPWM波形。一般根據(jù)三

65、角波載波在半個周期內(nèi)方向的變化，又可以分為兩種情況。三角波載波在半個周期內(nèi)的方向只在一個方向變化，所得到的PWM</p><p>　　波形也只在一個方向變化的控制方式稱為單極性PWM控制方式，如果三角波載波在半個周期內(nèi)的方向是在正負(fù)兩個方向變化的，所得到的PWM波形也是在兩個方向變化的，這時稱為雙極性PWM控制方式。</p><p><b>　　圖PWM基本原理圖</b&g

66、t;</p><p>　　4.3 SPWM波的生成</p><p>　　SPWM波的生成方法有很多，自然生成法和規(guī)則采樣生成法是其中用的</p><p>　　比較普遍的一種方法。</p><p>　　4.3.1 自然法生成SPWM</p><p>　　自然法生成SPWM波又稱模擬電路法生成SPWM波，通常用模擬比較器比

67、較生成SPWM波，如果用信號正弦波作為比較器的同相端輸入信號，三角載波作為比較器的反相端輸入信號，便實(shí)現(xiàn)了自然法生成SPWM波，如圖4.11所示，比較器輸出經(jīng)死區(qū)形成電路即可生成帶死區(qū)的SPWM波。這種方法是所有生成SPWM波方法中最精確的一種，其它方法都是與它近似等效，存在一定的等效誤差。</p><p>　　圖4.11 自然法生成SPWM</p><p>　　4.3.2 規(guī)則采樣法生成

68、SPWM波</p><p>　　規(guī)則采樣法是從自然采樣法演變而來的，它由經(jīng)過采樣的正弦波(實(shí)際上是階梯波)與三角波相交，由交點(diǎn)得出脈沖寬度。這種方法只在三角波的頂點(diǎn)或底點(diǎn)位置對正弦波采樣而形成階梯波，其原理如圖4.12：</p><p>　　圖4.12 規(guī)則采樣法生成SPWM波</p><p>　　4.4 SPWM逆變器電路的設(shè)計(jì)</p><p&

69、gt;　　太陽能電站系統(tǒng)運(yùn)行時，由于太陽能電池板或蓄電池輸出的電壓一般為直流48V左右，這樣的大小不足以提供逆變器輸出220V的交流電壓，所以需要利用一種直流．直流變流電路將太陽能系統(tǒng)輸出的48V直流電壓升高到310V左右的直流電壓提供給逆變器作為輸入電壓。</p><p>　　4.4.1 逆變主電路架構(gòu)及功能</p><p>　　逆變主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有全橋、半橋、推挽等結(jié)構(gòu)。半橋結(jié)構(gòu)主

70、要用于降壓電路；推挽式電路需要大容量的功率MOSFET管，而大容量的功率MOSFET管價格比較昂貴，并且需要設(shè)計(jì)漏感泄放回路。綜合考慮，本文所設(shè)計(jì)的太陽能逆變電源采用全橋結(jié)構(gòu)。</p><p>　　4.4.2 橋式逆變器數(shù)學(xué)模型</p><p>　　單相逆變電路功率電路一般分為半橋式和全橋式兩種結(jié)構(gòu)，在相同的輸入電壓下，全橋式逆變器的輸出電壓為半橋式的兩倍，也就是在相同輸出功率的條件下，全

71、橋式逆變器的輸出以及開關(guān)電流僅為半橋式的一半，因此在較高功率的場合下～般均使用全橋式逆變器。</p><p>　　全橋式逆變電路原理圖如圖4.13 ：</p><p>　　圖4.13 全橋逆變電路</p><p>　　全橋式逆變器由四個開關(guān)管元件TA+、TA-、TB+、TB-以及二極管DA+、DA-、DB+、B-組成，電感L和電容c為濾波用。</p>

72、<p>　　電路基本工作原理為：當(dāng)TA+和TB-同時導(dǎo)通時(V。=+Vd)，負(fù)載電流方向是由電流流經(jīng)TA+、TB-來決定，同理當(dāng)TA-、TB-同時導(dǎo)通時(V。=一Vd)，負(fù)載電流方向由電流流經(jīng)TA-、TB+來決定，因此只要控制開關(guān)元件的導(dǎo)通，我們就可以將直流電轉(zhuǎn)換為交流電輸出。</p><p>　　4.4.3全橋逆變器數(shù)學(xué)模型</p><p>　　對逆變器在理想情況下進(jìn)行電路分析

73、，得出電路模型。首先，我們做如下的假設(shè)：</p><p>　　(1)開關(guān)元件都為理想元件，忽略開關(guān)元件切換時的導(dǎo)通損失。</p><p>　　(2)忽略開關(guān)空白時間。</p><p>　　(3)三角形波信號頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正弦調(diào)制波的頻率，在一個開關(guān)周期內(nèi)，可將正弦調(diào)制波視為一個定值。</p><p>　　小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)等效電路圖，我們將單極

74、性正弦脈寬調(diào)制方式的功率開關(guān)切換方式分成正半軸和負(fù)半軸，其中負(fù)半軸只有圪8的電壓極性與正半軸相反，其余動作原理與正半軸相同，所以我們只對正半軸的情況進(jìn)行分析。如圖4.14。</p><p>　　狀態(tài)1：TA+、TB-導(dǎo)通</p><p>　　圖4.14 狀態(tài)1等效電路圖</p><p>　　狀態(tài)2：TA+、TB+或者TA-、TB-導(dǎo)通</p><

75、p>　　圖4.15 狀態(tài)2等效圖</p><p>　　Vd和d分別表示逆交器的輸入電壓和開關(guān)切換的工作周期。</p><p>　　逆變電源的目的是產(chǎn)生一個220V，50Hz的正弦交流電壓供給負(fù)載使用。我們需要一個獨(dú)立的50Hz正弦波信號，用作逆變器的輸出電壓的參考信號，控制回路就是要控制輸出電壓的波形保持和參考電壓一致。因此如何使輸出為220V，50Hz的電壓且波形保持和參考電壓盡量

76、一致，是設(shè)計(jì)本電壓逆變器的重點(diǎn)。</p><p>　　4.4.4 三角形波產(chǎn)生電路</p><p>　　傳統(tǒng)的電壓單環(huán)控制DC/AC逆變電路中，輸出電壓與輸入電壓存在一定的線形關(guān)系。當(dāng)輸入電壓變化時，輸出電壓隨之相應(yīng)改變。為了使輸出電壓保持穩(wěn)定，一般要采集電壓輸出量進(jìn)行反饋閉環(huán)控制。但是由于逆變電源開關(guān)頻率較高，且電路存在電感、電容等延時元件，使得反饋電壓的變化滯后于輸入電壓的變化，系統(tǒng)的

77、反應(yīng)與調(diào)節(jié)比較遲緩，容易造成較大的瞬態(tài)偏離。而且當(dāng)直流供電電源電壓大范圍波動時，輸出電壓幅值波動大，諧波分量大，動態(tài)響應(yīng)慢等缺點(diǎn)。</p><p>　　為了解決以上所提問題，單相SPWM逆變的基礎(chǔ)上，采用前饋調(diào)整三角載波進(jìn)行控制方案，即利用輸入電壓的變化，在輸出電壓變化前對電路的控制信號進(jìn)行調(diào)節(jié)，用來獲得良好的輸出電壓波形。</p><p>　　(1)前饋三角波電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p

78、><p>　　DC/AC逆變器的控制電路可由分立元件或集成元件構(gòu)成。</p><p>　　控制電路由分立元件構(gòu)成；</p><p>　　圖4.16 三角波控制原理圖</p><p>　　由分立元件構(gòu)成的控制電路多采用調(diào)制法，即把正弦波信號作為調(diào)制波，用三角波作為載波，當(dāng)三角波與正弦波相交時對電路中的開關(guān)器件進(jìn)行控制。采用調(diào)制法控制時三角載波的頻率

79、是遠(yuǎn)大于正弦調(diào)制波的頻率，所以在三角波的一個開關(guān)周期中可以近似的認(rèn)為正弦波電壓值Vc為常量如圖4.16，因此在一個三角波開關(guān)周期中占空比D=T1/T=Vc/Vr形，其中Tc為正弦波電壓值，Vr為三角波峰值。改變占空比即可改變輸出電壓的大小，所以Vc、Vr中任意一個的幅值即可改變輸出電壓的大小，如圖4.9。當(dāng)三角波由Vr變?yōu)閂r*時，占空比大小由T1/T變?yōu)門2/T。在SPWM中，我們將正弦波峰值Vc與三角波峰值巧的比值稱為調(diào)度值a，所以

80、a=Vc/V。因此在DC/AC逆變電路中，輸入輸出值有如下的數(shù)量關(guān)系：輸出電壓的基波有效值Uo正比于調(diào)度值a及輸入電壓U1，即U。=kU1Vc/V（k為常數(shù))。于是，當(dāng)UI變?yōu)樵瓉淼腘倍時，要保持輸出電壓穩(wěn)定，三角波峰值電壓也要相應(yīng)的變?yōu)樵瓉淼腘倍。根據(jù)這個原理，把輸入電壓變化反饋給控制電路，使三角波峰值隨輸入電壓成比例的變化，保持了輸出電壓的穩(wěn)定。</p><p>　　圖4.17 前饋調(diào)節(jié)原理圖</p&g

81、t;<p>　　根據(jù)此原理本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)原理圖如圖4.17，其中與傳統(tǒng)分立元件逆變器不同的是三角波的產(chǎn)生原理。</p><p>　　b．控制電路由集成電路構(gòu)成：</p><p>　　在單相DC/AC變換電路中，為了簡化控制電路結(jié)構(gòu)，還可以采用電壓型PWM集成控制芯片如SGl525、TL494等構(gòu)成SPWM控制器，利用控制芯片內(nèi)部產(chǎn)生的三角波與由外部輸入的正弦調(diào)制波進(jìn)行比較得到

82、SPWM波形。這時三角波的幅值是不能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因此利用輸入電壓的變化來調(diào)節(jié)三角波幅值的前饋控制思想無法實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，可將前饋電壓的采樣值按照電路的輸入輸出關(guān)系Uo=KaUI=Kui=kUIVc/V進(jìn)行歸一化換算后，與反饋電壓、給定電壓進(jìn)行綜合比較，經(jīng)PI調(diào)節(jié)后連接到變增益放大電路去調(diào)節(jié)正弦波的幅值，從而實(shí)現(xiàn)電壓前饋和電壓反饋控制。</p><p>　　本文所設(shè)計(jì)逆變電源采用分立元件構(gòu)成。</p&g

83、t;<p>　　因此根據(jù)上述原理三角波產(chǎn)生電路如圖5．17，輸入直流電壓分壓后經(jīng)斬波電路斬波，得到電壓幅值隨輸入電壓變化的方波電壓，方波電壓Us經(jīng)有源積分電路積分后得到三角波電壓Ur。積分前后的電壓波形如圖所示。此三角波電壓的峰值是正比于方波幅值電壓的，于是三角波峰值電壓隨輸入電壓成比例地變化，保持了輸出電壓的穩(wěn)定。</p><p>　　圖4.18三角波產(chǎn)生電路</p><p&g

84、t;　　由此電路產(chǎn)生的三角波形如圖4.19：</p><p><b>　　圖4.19三角波形</b></p><p>　　4.4.5 標(biāo)準(zhǔn)正弦波產(chǎn)生電路</p><p>　　本文利用晶振產(chǎn)生的3．2768MHz脈沖信號經(jīng)過分頻器CD4060進(jìn)行14分頻后得到200Hz的脈沖信號，然后再經(jīng)過兩個D觸發(fā)器CD4013進(jìn)行分頻后得到50Hz的方波信號

85、，此信號經(jīng)過推挽結(jié)構(gòu)后得到標(biāo)準(zhǔn)50Hz方波，此方波在送到正弦波發(fā)生電路即可得到基準(zhǔn)50Hz的正弦波。</p><p>　　CD4060是14位二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器／分頻器，其有三個特點(diǎn)：1、內(nèi)置振</p><p>　　蕩器；2、全靜態(tài)操作；3、有14級計(jì)數(shù)器，但只有10個輸出端。其內(nèi)部框</p><p>　　圖如圖4.20所示。</p><p>

86、　　圖4.20 CD4060內(nèi)部框圖</p><p>　　它由兩部分組成一部分是14級分頻器，由Q4—Q14。(缺少Q(mào)14)輸出二進(jìn)制分頻信號；另一部分是振蕩器，由內(nèi)含兩個串接的反相器和外接電阻電容構(gòu)成，因此該集成電路可以直接實(shí)現(xiàn)振蕩和分頻的功能。</p><p>　　圖4.21方波產(chǎn)生電路</p><p>　　圖4.22正弦波產(chǎn)生電路</p><

87、;p>　　4.4.6 全橋式逆變器電路原理框圖</p><p>　　圖4.23全橋式逆變器電路原理框圖</p><p>　　4.4.7 SPWM產(chǎn)生電路</p><p>　　根據(jù)PWM原理，全橋式逆變器的控制方式義可分為單極性PWM控制方式和雙極性PWM控制方式兩種，本設(shè)計(jì)采用單極性PWM控制方式。</p><p>　　其全橋逆變器結(jié)構(gòu)

88、如圖2.24所示，采用單級性PWM控制方式時，四個開關(guān)元件組成兩個橋臂，分別為(TA+、TA-)稱為A臂，和(TB+、TB-)稱為B臂。A橋臂的控制信號由基準(zhǔn)正弦波Vcomtrol與三角波(Vtri)比較產(chǎn)生，B橋臂的控制信號由和基準(zhǔn)正弦波Vcomtrol相位相反的正弦波-Vcomtrol與三角波(Vtri)比較產(chǎn)生，兩組信號同時產(chǎn)生。</p><p>　　根據(jù)以上控制原理可得到：</p><

89、p>　　圖4.24 單極性PWM控制方式</p><p><b>　　A臂：</b></p><p>　　Vcomtrol> Vtri ：TA+處于ON狀態(tài)，并且VAN=Vd</p><p>　　Vcomtrol< Vtri ：TA-處于ON狀態(tài)，并且VAN=0</p><p><b>　　B

90、臂：</b></p><p>　　-Vcomtrol> Vtri ：TB+處于ON狀態(tài)，并且VBN=Vd</p><p>　　-Vcomtrol< Vtri ：TB-處于ON狀態(tài)，并且VBN=0</p><p>　　根據(jù)四個開關(guān)管的ON及OFF狀態(tài)，有四種輸出電壓的組合：</p><p>　　1. TA+,TB-處于O

91、N狀態(tài)：VAN=Vd,VNB=0;V0=Vd</p><p>　　2. TA-,TB+處于ON狀態(tài)：VAN=0,VNB= Vd;V0=-Vd</p><p>　　3. TA+,TB+處于ON狀態(tài)：VAN=Vd,VNB= Vd;V0=0</p><p>　　4. TA+,TB-處于ON狀態(tài)：VAN=0,VNB=0;V0=0</p><p>　　

92、由于輸出電壓在0及+ Vd或O及一Vd間切換，因此我們稱這種控制方式為單極性PWM控制方式。</p><p>　　由以上說明可知，其工作原理首先由三角波產(chǎn)生電路產(chǎn)生一個高頻三角波，將此三角波反向之后分別與調(diào)制信號進(jìn)行比較產(chǎn)生SPWM控制信號?？紤]到開關(guān)元件的非理想因素，即元件的導(dǎo)通與截止過程均需要一定的時間．因此同一臂上的兩個開關(guān)切換時必須錯開一小段時間，以避免兩個開關(guān)同時在非完全導(dǎo)通或截止?fàn)顟B(tài)下發(fā)生短路的情況。

93、本文采用IXDP630來產(chǎn)生此段時間，這樣就會使每一開關(guān)由OFF狀態(tài)至ON狀態(tài)之間需要一段時間缸。</p><p>　　一般來說這段時間的大小必須配合開關(guān)的切換速度，我們只需調(diào)整IXDPP630的外部RC值，就能調(diào)整這段時間的大小。</p><p>　　SPWM產(chǎn)生方塊圖如圖4.25</p><p>　　圖4.25 SPWM產(chǎn)生方塊圖</p><

94、p>　　4.4.8 閉環(huán)控制電路</p><p>　　在逆變器的控制上，通常的手段是電壓/電流的雙環(huán)控制策略。采用電壓瞬時值反饋控制，在一個周期內(nèi)采樣一次輸出電壓，與輸入基準(zhǔn)進(jìn)行比較，誤差用以調(diào)節(jié)開關(guān)管的輸入脈沖波形，而開關(guān)周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于逆變器的輸出周期，所以占空比在一個周期內(nèi)就會發(fā)生變化，系統(tǒng)的動態(tài)性能可以得到很大的提高。在系統(tǒng)的前向通道上增加PI補(bǔ)償器，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但前向通道的增益不能取的過大，

95、否則系統(tǒng)容易不穩(wěn)定；而前向通道的增益如果取得過小又導(dǎo)致系統(tǒng)的帶寬很窄，對系統(tǒng)的快速性產(chǎn)生影響。由自動控制理論可知，系統(tǒng)中加入微分環(huán)節(jié)可以提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。而逆變器中的電感電流包含了輸出電壓的微分成分，因此控制系統(tǒng)中引入電感電流，可以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度。</p><p><b>　　(1)電流環(huán)</b></p><p>　　電流環(huán)的設(shè)計(jì)目的是保證電流閉環(huán)具有較好的

96、穩(wěn)定性，同時具有較快的動態(tài)響應(yīng)和抗噪聲干擾能力。電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4.9所示：</p><p>　　圖 4.9 電流環(huán)框圖</p><p>　　由系統(tǒng)的開環(huán)幅相頻特性曲線，可以看出，校正前開環(huán)系統(tǒng)的相頻特性小于900，所以它恒有大于900的相位寬度，此時系統(tǒng)對于任何開環(huán)增益都是穩(wěn)定的因此，為了使電流閉環(huán)以后的系統(tǒng)不增加階次，不增加相角滯后，通常電流環(huán)的補(bǔ)償器設(shè)計(jì)比電壓外環(huán)簡單，只需要取一個簡

97、單的比例調(diào)節(jié)器硒。通過調(diào)節(jié)電流環(huán)調(diào)節(jié)器系數(shù)比例飚，得到在系數(shù)飚取不同值時的幅相頻特性曲線如圖所示。由圖可見，通過調(diào)節(jié)系數(shù)瞄可以擴(kuò)大系統(tǒng)的帶寬，但對系統(tǒng)的抗干擾能力產(chǎn)生影響，選擇比例系數(shù)要適當(dāng)綜合兩種因素。</p><p><b>　　(2)電壓外環(huán)</b></p><p>　　電壓外環(huán)主要是調(diào)節(jié)輸出電壓跟蹤參考波形。由系統(tǒng)的幅相頻特性曲線可知，系統(tǒng)的開環(huán)增益很小，輸出

98、的穩(wěn)態(tài)誤差很大，因此應(yīng)增加適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償環(huán)節(jié)。通常采用串聯(lián)PI調(diào)節(jié)器的方法，即利用PI調(diào)節(jié)器來提高穩(wěn)態(tài)精度。</p><p>　　校正后的電壓閉環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4.10</p><p>　　圖4.10 電壓環(huán)框圖</p><p>　　(3)電壓電流雙閉環(huán)控制</p><p>　　通過上述分析，電壓電流雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖4.11所示。其中Kif是電

99、流反饋系數(shù)，Kvf是電壓反饋系數(shù)。為改善控制的效果，也可以將電流環(huán)調(diào)節(jié)器部分換成比例．積分控制器PI，通過增加一個積分環(huán)節(jié)來增加輸出波形的控制精度。</p><p>　　圖4.11 電壓電流雙閉環(huán)框圖</p><p>　　電流內(nèi)環(huán)對輸出濾波電感電流進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，使之接近電流給定信號，從而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能；電壓外環(huán)將基準(zhǔn)正弦波與逆變器輸出反饋電壓相比較產(chǎn)生的誤差信號經(jīng)比例積分運(yùn)算后作為電流

100、內(nèi)環(huán)的給定，從而達(dá)到穩(wěn)壓的日的，使系統(tǒng)具有優(yōu)良的電器性能。</p><p>　　本文所用雙閉環(huán)控制框圖如圖4.12：</p><p>　　圖4.12 電壓電流雙閉環(huán)原理圖</p><p>　　電壓電流反饋電路圖：</p><p>　　圖4.13 電壓電流雙閉環(huán)電路圖</p><p><b>　　PI調(diào)節(jié)器電路

101、圖：</b></p><p>　　圖4.14 PI調(diào)節(jié)器</p><p>　　實(shí)際中常在R2-C兩端并聯(lián)一個數(shù)值較大的電阻R0，如圖所示，因?yàn)樵陟o態(tài)時，積分電容C相當(dāng)于開路，若不存在RO，則輸出就不再反饋，放大器就開環(huán)運(yùn)行，由于開環(huán)放大倍數(shù)一般極大，故容易引起自激振蕩。接入R0后引入一定的反饋(直流負(fù)反饋)使靜態(tài)放大倍數(shù)有所降低，這樣調(diào)節(jié)器不容易振蕩，收到穩(wěn)定和便于調(diào)試的效果。

102、另一方面，當(dāng)逆變電源起動或停止時，對應(yīng)于調(diào)節(jié)器輸入信號出現(xiàn)很大偏差，如不加R0，PI調(diào)節(jié)器會因偏差過大而積分飽和，從而使系統(tǒng)振蕩，引入R0后，剛開始瞬間，電容C上的電荷不能突變，C相當(dāng)于短路，反饋回路可看成僅由R0組成的負(fù)反饋，此時系統(tǒng)的放大倍數(shù)降低很多，因此系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)得以改善，當(dāng)偏差減小后，反饋減弱，放大倍數(shù)回升，又保證了靜態(tài)時的精度。</p><p><b>　　結(jié) 論</b><

103、;/p><p>　　由于可持續(xù)發(fā)展的要求及對能源需求的日益增長，光伏系統(tǒng)應(yīng)用迅速發(fā)展，人們對光伏系統(tǒng)的認(rèn)識與研究正在逐步加深。本文通過研究光伏電池的特性，通過選擇合適最大功率跟蹤方發(fā)進(jìn)而選擇了光伏電池的充電方法。在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器扮演著重要的角色。本文分析并設(shè)計(jì)了太陽能逆變電源，電路主要采用了單相全橋逆變電路，不對其電路進(jìn)行了理論分析。</p><p>　　太陽能電站對于我國西部太陽能

104、資源豐富，而且電網(wǎng)又難以到達(dá)的貧困偏遠(yuǎn)地區(qū)，有很強(qiáng)的適用性，這將使光伏系統(tǒng)的應(yīng)用前景更加廣闊。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　短短的四年大學(xué)生活，給我提供了一個寶貴的完善自我的學(xué)習(xí)機(jī)會。在大學(xué)里學(xué)到的知識和能力將使我受益終身。衷心感謝學(xué)校對我的培養(yǎng)。</p><p>　　在本科生學(xué)習(xí)階段和本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，

105、首先誠摯的感謝我的指導(dǎo)教師章麗紅，在學(xué)習(xí)階段和畢業(yè)設(shè)計(jì)階段章老師給了我很多幫助。在章老師悉心指導(dǎo)下，我的畢業(yè)設(shè)計(jì)順利的完成。章老師以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)之道、積極樂觀的生活態(tài)度，為我樹立了學(xué)習(xí)的典范，他的教誨與鞭策將激勵我在以后的學(xué)習(xí)道路上開拓創(chuàng)新。</p><p>　　由衷的感謝我的父母和其他親朋好友對我的支持、理解和關(guān)心，他們永遠(yuǎn)是我最強(qiáng)的后盾。</p><p>　　最后，向評閱本論文的各位老師

106、致以誠摯的謝意!</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]J.A.Gow, C.D.Manning. Development of a photovoltaic array model for use in power-electronics simulation studies[J]. IEE Proceedings: Electri

107、c Power Applications, 1999,146(2):193-200.</p><p>　　[2]Y.Yusof, S.H.Sayuti, M.A.Latif etc. Modeling and Simulation of Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic System[J]. National Power & Energy Confe