毕业设计（论文）-家用5KW离网型光伏发电系统的设计(51页).docx

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1、-毕业设计（论文）-家用5KW离网型光伏发电系统的设计-第 42 页摘要常规能源在消耗的过程中会产生多种有害气体，不但污染环境，而且无法长久稳定地提供能源，而核能源虽然属于新型能源，但是可使用量有限，其在消耗的过程中会产生放射性废料。与现有的其他能源相比，太阳能可谓优势突出，来源充足、方便易得，光伏发电系统就是通过各种设备直接将其转换为电能的系统，因此开展针对光伏发电系统的研究对于合理高效利用资源、推动新型能源的开发、促进光伏发电系统的发展具有重要意义。本文以研究离网型光伏发电系统为目标，以相关基本理论为基石，通过模块化设计，利用仿真工具进行模拟，实现了对该系统的深入研究。以光伏电池、蓄电池、

2、变换器、控制器等硬件模块和最大功率点跟踪原理及算法等理论作为研究基础，对系统的设计主要包括对太阳能电池板的配置和计算、蓄电池组的配置和计算、DC-DC变换器的设计、DC-AC逆变器的设计和控制器的设计等。以负荷要求为根据，进行有关参量的计算，选取合适的先进硬件材料，确定光伏电池和蓄电池的串并联数目；考虑输入与输出的数量关系，考虑实际负荷要求，考虑各种因素的影响，选取合适的变换器；由于智能控制器能够完成对系统的自动控制，保证系统正常且高效运行，因此非常适合作为系统的控制环节。借助MATLAB的仿真功能，依据已知的对各个模块的工作原理、基本结构的分析与研究，实现了对5kW离网型光伏发电系统中多个模

3、块的模拟仿真，仿真结果与理论结果相一致。关键词：离网型光伏发电系统 系统模块设计 系统模拟仿真AbstractConventional energy would release a large number of harmful gas in the process of consumption, and it cannot be stable for a long time to provide energy. Nuclear fuel belongs to new energy source but non-renewable energy, and it would eject radi

4、oactive waste at work and damage to the environment, so solar energy resource has obvious advantages by comparison. Solar photovoltaic power generation system is able to convert solar energy into DC or AC power through a variety of equipment, thus, study of solar photovoltaic power generation system

5、 is of great significance to use resources efficiently and promote the development of photovoltaic power generation systems.Study of off-grid photovoltaic power generation system as the goal, through the design of off-grid photovoltaic power generation system modules, using simulation tools for simu

6、lation, the household 5 kw off-grid photovoltaic power generation system research is implemented in this paper. Hardware such as photovoltaic cells, battery, converter and maximum power point tracking principle and algorithm theory as a foundation for research, the household type 5 kw off-grid photo

7、voltaic power generation system is designed, mainly including configuration and calculation for the solar panels, battery configuration and calculation, the design of DC-DC converter, DC-AC inverter and the design of controller. Based on load requirements, relevant parameters are calculated, suitabl

8、e materials are selected and the number of series-parallel solar cells and battery is determined. Considering the relationship between input and output, actual load demand and the influence of various factors, appropriate converters are selected. Intelligent controller can realize the automatic cont

9、rol of the system and ensure the normal and efficient operation system, which is very suitable as the control link of the system. Using powerful simulation function of MATLAB/Simulink, on the basis of understanding of working principle and analysis and design for basic structure for each module, the

10、 simulation of photovoltaic cells, DC- DC converter and DC-AC inverter is realized and the simulation results are consistent with the theoretical results.Keywords:off-grid photovoltaic power generation system system module design system simulation 目录摘要2Abstract3图表目录7第1章 绪论11.1 课题的研究背景及意义11.2 研究现状31.

11、2.1 我国太阳能光伏发电产业化现状与发展趋势31.2.2 国外太阳能光伏发电产业化现状与发展趋势61.3 本文研究内容81.3.1 课题研究内容和目标81.3.2 拟解决的关键性问题131.3.3 课题的创新性14第2章 太阳能光伏发电系统152.1光伏发电系统的组成152.1.1 光伏阵列152.1.2 逆变器152.1.3 蓄电池162.1.4 控制器162.2 光伏发电系统的分类182.3光伏电池202.3.1 光伏电池的分类202.3.2 太阳能电池的工作原理212.3.3 太阳能电池物理模型及基本特性212.4本章小结24第3章 最大功率点跟踪原理及算法263.1 最大功率点跟踪的

12、意义263.2 最大功率点跟踪的原理263.3 最大功率点跟踪的方法283.3.1 恒定电压法293.3.2 干扰观测法303.3.3 三点重心比较法313.3.4 电导增量法333.4本章小结34第4章 家用5kW离网型光伏发电系统设计354.1太阳能电池板的配置与计算354.2 蓄电池组的配置与计算374.3 DC-DC变换器的设计394.4 DC-AC逆变器的设计414.4.1 逆变器的原理414.4.2 DC-AC逆变电路424.5 控制器的设计454.6 本章小结46第5章 家用5kW离网型光伏发电系统建模和模块仿真475.1仿真软件平台475.2光伏电池的仿真475.3DC-DC变

13、换器软件仿真515.4DC-AC单相逆变器软件仿真555.5本章小结58第6章 结论与展望596.1结论596.2展望59参考文献61致谢64图表目录图1-1 世界和我国常规能源耗尽年份图图1-2 世界和我国光伏电池的生产量图图1-3 全世界不同种类光伏电池的生产量图图1-4 家用4kW离网型光伏发电系统结构示意图图1-5 逆变电路基本电路构成图图1-6 多路光伏系统控制器的电路原理图图2-1 光伏发电系统示意图图2-2 直流负载直结型系统图图2-3 直流负载蓄电池使用型系统图图2-4 交流负载蓄电池使用型系统图图2-5 直、交流负载蓄电池使用型系统图图2-6 不考虑串并联电阻的PN同质结光伏

14、电池等效电路图图2-7 考虑串并联电阻的PN同质结光伏电池等效电路图图2-8 光伏电池输出特性曲线图图2-9 太阳能电池光电转换过程中存在的各种类型的损耗图图3-1 光伏电池伏安特性曲线示意图-温度一定，光照强度变化图图3-2 光伏电池伏安特性曲线示意图-光照强度一定，温度变化图图3-3 光伏电池输出功率与端电压特性曲线-温度一定，光照强度变化图图3-4 光伏电池输出功率与端电压特性曲线-光照强度一定，温度变化图图3-5 光伏电池在不同光照强度下的特性曲线图图3-6 恒定电压法控制流程图图3-7 干扰观测法控制流程图图3-8 三点重心比较法可能情况汇总图图3-9 三点重心比较法流程图图3-10

15、 电导增量法流程图图4-1 Buck-Boost变换电路原理图图4-2 开关管导通时Buck-Boost电路的等效电路图图4-3 开关管关断时Buck-Boost电路的等效电路图图4-4 Buck-Boost电路电感两端的电压及流过电感的电流波形图图4-5 单相桥式逆变电路图图4-6 工作电压波形图图4-7 单极性SPWM逆变电路的主电路原理图图4-8 SPWM调制电路原理图图4-9 SPWM调制波形图图4-10 单路旁路型过充放电控制器控制原理图图5-1 光伏电池模块仿真模型图图5-2 光伏电池模块的子系统图图5-3 光伏阵列输出电流曲线图图5-4 光伏阵列输出电压曲线图图5-5 光伏阵列输

16、出功率曲线图图5-6 光伏阵列输出特性曲线图图5-7 光伏阵列伏安特性曲线图图5-8 DC-DC变换器模块仿真模型图图5-9 IGBT模块集电极电流和集射极电压波形图图5-10 二极管电流、电压波形图图5-11 系统变量波形图-占空比0.5图图5-12 系统变量波形图-占空比0.2图图5-13 系统变量波形图-占空比0.7图图5-14 DC-AC单相逆变器模块仿真模型图图5-15 逆变桥模块的输入电流波形图图5-16 逆变桥模块输入电流经过二阶模型高通滤波后的波形图图5-17 负载两端电压波形图图5-18 电压源两端电压波形图图5-19 负载与电源加和波形图表1-1 未来世界能源需求与再生能源

17、可开发量表表1-2 最优光伏组件的成本分析表表1-3 全球光伏组件价格变化表表1-4 光伏电池发展阶段表表1-5 国家发改委通知规定的全国光伏电站标杆上网电价表表1-6 我国实现光伏电池组件成本和光伏发电电价降低的路线表表1-7 2006-2012年我国各年光伏发电系统累计装机容量及当年新增装机容量表表1-8 2000-2012年全球光伏发电系统累计装机容量及当年新增装机容量表表1-9 全球光伏发电系统累计装机容量前六名表表2-1 离网型光伏发电系统对逆变器的基本要求表表2-2 离网型光伏发电系统对逆蓄电池的基本要求表表2-3 离网型光伏发电系统对逆蓄电池的基本要求表表2-4 现阶段光伏发电系

18、统控制器分类表表2-5 光伏电池分类表表4-1 蓄电池常用字母含义表第1章 绪论1.1 课题的研究背景及意义常规能源在消耗的过程中会产生多种有害气体，不但污染环境，而且无法长久稳定地提供能源，而核能源虽然属于新型能源，但是可使用量有限，其在消耗的过程中会产生放射性废料。与现有的其他不可再生能源、甚至可再生能源相比，太阳能都可谓优势突出，来源充足、方便易得。太阳能光伏电源或者光伏电站的功率可以根据需要从数毫瓦至数十兆瓦配置，发电系统建设周期短，方便灵活；作为将光能直接转变为电能的半导体器件-晶体硅太阳电池使用周期较长，系统不存在转动装置，可靠性高，使用方便1-5。图1-1所示为按照探明储量和目前

19、消耗速度进行估算，世界和我国常规能源耗尽年份图，表1-1所示为未来世界能源需求与再生能源可开发量表。图1-1 世界和我国常规能源耗尽年份表1-1 未来世界能源需求与再生能源可开发量种类数量2004年世界实际能耗13TW2050年世界预测能耗30TW2100年世界预测能耗46TW未开发水力资源0.5TW海洋能（潮汐、海浪、海流）2TW地势能12TW可利用的风能2-4TW全球总太阳能120000TW由于相关技术水平和现实条件的影响，由表1-2和表1-3可知现阶段的光伏发电成本仍然要高于常规能源发电成本，但是就发展趋势而言，作为新型能源系统的代表其开发前景相当广阔。能源危机的出现，国家能源计划的开展

20、，相关技术的突飞猛进，都预示着未来的电能时代将是光伏发电的时代，光伏发电成本将继续降低6-13，直到与常规能源发电成本持平甚至更低。据全球光伏市场分析和2020年展望报告，到2030年光伏发电系统将提供2600TW/h的电能，电能总量将占到世界各地所需电能总量的14%。到本世纪末期，全球能源结构将实现大调整和大转型，而太阳能和光伏发电注定会成为佼佼者。表1-2所示为最优光伏组件的成本分析表，表1-3所示为全球光伏组件价格变化表。表1-2 最优光伏组件的成本分析项目硅材料硅片电池组件总成本成本（美元/W）0.260.330.310.421.32表1-3 全球光伏组件价格变化年份200520062

21、0072008200920102011光伏电池年产量（GW）1.72.64.06.110.215.120.5年增幅（%）44585354664836组件平均出厂价（美元/W）3.54.13.93.63.53.33.2组件平均销售价（美元/W）3.74.34.13.83.73.53.3组件价格年增幅（%）1416-5-7-4-4-6光伏系统装机平均价格（美元/W）7.17.87.57.06.66.25.9光伏发电系统就是通过各种设备直接将光能转换为电能的能源转换系统14-22，因此开展针对该系统的研究对于合理高效利用资源、推动新型能源的开发、促进光伏发电系统的发展具有重要意义。随着国家政府的大力

22、支持和相关政府部门的大力推广，未来的光伏发电系统将逐渐朝着小型化和分散化的方向发展，也将逐渐进入普通百姓的日常生活中，因此开展本次课题研究对于把握光伏发电系统的发展趋势具有重要意义。1.2 研究现状1.2.1 我国太阳能光伏发电产业化现状与发展趋势上世纪五十年代，在技术发展的要求下和国外先进技术的推动下，我国开始研究并成功研制出具有实用价值的光伏电池，标志着我国光伏发电产业发展的开端。七十年代初期作为我国航天事业发展的关键时期，首次将发射卫星的供电电源由传统电池更换为光伏电池，为我国航天事业的进步贡献力量。在随后的几十年的时间里，光伏发电的研究及应用从未间断，各个领域也在不断开发光伏电池的潜力

23、，为我国光伏发电产业的稳步发展奠定了基础。七十年代末期到八十年代中期作为我国半导体产业发展的鼎盛时期，研究人员开始考虑将半导体器件与光伏电池相结合，成功研制出单晶硅光伏电池，完成战略性突破的同时对该产业的后续发展产生深远影响，标志着我国光伏工业及其相关产业进入萌芽期。八十年代末期，通过引进国外成套先进技术和自主研发器件生产工艺，生产水平显著提高的同时开启了产业发展的新篇章，标志着我国光伏产业的初步形成。九十年代至今，我国光伏产业一直保持着稳步发展的状态，工艺技术不断提高的同时，生产设备也在不断更新换代，生产量的逐渐增加预示着我国光伏产业即将步入攻坚克难的全新阶段。表1-4所示为光伏电池发展阶段

24、表。表1-4 光伏电池发展阶段光伏电池发展阶段组成转换效率（%）商业状态特征体晶体光伏电池单晶硅16-18商业应用最久多晶硅12-17商业生产量最大化合物半导体（GaAs）28-35（GaAs）太空应用效率高，成本高薄膜光伏电池非晶硅薄膜非晶/微晶硅薄膜8-1012商业已产业化前景开阔但不稳定颇有竞争力化合物薄膜（CdTe）化合物薄膜（CIGS）10-1210-15已产业化正在产业化原料毒性原料紧张多结叠层薄膜正在产业化可吸收宽太阳光谱染料敏化电池（TiO2）11研发价格低廉但不稳定新概念光伏电池量子阱电池等研发效率高，开发难度大图1-2所示为世界和我国光伏电池的生产量图。图1-2 世界和我国

25、光伏电池的生产量图由图1-2可知，无论是从世界整体水平出发，还是仅仅就我国情况而言，光伏电池的生产量都呈现指数增长趋势，2011年全世界累计生产量约为2001年全世界累计生产量的一百倍，2011年我国累计生产量约为2001年累计生产量的两倍，虽然与国际水平有所差距，但是不可否认的是未来光伏电池的生产量仍将显著增加。图1-3所示为全世界不同种类光伏电池的生产量图。图1-3 全世界不同种类光伏电池的生产量单晶硅光伏电池作为应用最广的光伏电池，随着技术的不断发展，生产量有所下降，但是其在各种类型光伏电池生产量中仍处于主导地位。为了推动光伏发电系统的发展，2013年国家相关部门出台政策明确规定了全国不

26、同地区光伏电站标杆上网电价，表1-5所示为国家发改委通知规定的全国光伏电站标杆上网电价表，政策出台的目的是进行大力推广，通过经济补贴吸引企业、机构、个人的关注以实现对新能源系统的宣传普及。表1-5 国家发改委通知规定的全国光伏电站标杆上网电价资源区光伏电站标杆上网电价各资源区所包含的地区I类0.90元/（kWh）宁夏、青海海西、甘肃嘉峪关、武威、张掖、酒泉、敦煌、金昌、新疆哈密、塔城、阿勒泰、克拉玛依、内蒙古除赤峰、通辽、兴安盟、呼伦贝尔以外的地区II类0.95元/（kWh）北京、天津、黑龙江、吉林、辽宁、四川、云南、内蒙古赤峰、通辽、兴安盟、呼伦贝尔、河北承德、张家口、唐山、秦皇岛、山西大同

27、、朔州、沂州、陕西榆林、延安、青海、甘肃、新疆除I类外其他地区III类1.0元/（kWh）除I类、II类资源区以外的其他地区表1-6所示为我国实现光伏电池组件成本和光伏发电电价降低的路线表。表1-6 我国实现光伏电池组件成本和光伏发电电价降低的路线年份20082009201020112012多晶硅（元/kg）1500700500400300125mm*125mm裸硅片（元/W）24108.56.65.5光伏电池（元/W）3114129.57组件（元/W）402017.51412系统（元/W）5030262018电价（元/kWh）2.381.701.471.191.02表1-7所示为2006-2

28、012年我国各年光伏发电系统累计装机容量及当年新增装机容量表。表1-7 2006-2012年我国各年光伏发电系统累计装机容量及当年新增装机容量年份当年年底累计装机容量（MW）当年新增装机容量（MW）2006801220071002020081454520093732282010893520201135002607201270003500由表1-5、表1-6和表1-7可知，在我国电价补贴政策发布后，我国年新增光伏发电系统装机容量呈现出爆发性增长趋势，在一定程度上达到了推广和普及的目的。1.2.2 国外太阳能光伏发电产业化现状与发展趋势表1-8所示为2000-2012年全球光伏发电系统累计装机容量

29、及当年新增装机容量表。表1-8 2000-2012年全球光伏发电系统累计装机容量及当年新增装机容量年份当年年底累计装机容量（MW）当年新增装机容量（MW）20001425-200117533282002222046720032798578200439111113200553401429200669151575200794432528200815772632920092321074382010400191680920117127131252201210127130000由表1-8可知，2011年我国累计装机总量约为2001年累计装机总量的一百五十倍，根据此发展趋势可以预料在未来十几年甚至几十年的

30、时间内光伏发电系统的装机容量将会快速增加。表1-9所示为全球光伏发电系统累计装机容量前六名表。表1-9 全球光伏发电系统累计装机容量前六名排名国家至2012年年底累计装机容量（MW）1德国322782意大利162503美国75834中国70005日本69146西班牙5100虽然受到经济因素的影响，发达国家推动光伏发电系统发展的脚步有所减缓并且普遍下调补贴费率，但是从表1-9中可知，欧洲市场在全球光伏发电系统市场中仍占有较大的比重且装机量仍保持在稳步增长的状态。德国作为全球科技大国，从政府到企业都非常重视光伏产业的发展，政府部门出台政策法规、提供研发资金支持并制定相应的能源发展计划，目的就是在最

31、短的时间内以最高的效率实现光伏产业的链条化；相关企业积极响应国家号召，建立研究实验室，开发先进仪器设备，大力宣传推广分布式光伏发电系统。然而，随着产业结构的调整和全球经济发展趋势的变化，光伏市场的发展重心已经不仅仅局限在发到国家，我国作为新兴光伏产业国家已经逐渐形成技术优势和装机容量优势成为世界范围内的第二大市场，美国和日本紧随其后。日本政府借鉴德国政府的发展政策，提供研发资金支持的同时，在全球范围内率先启动光伏应用市场，有效地推动了本国光伏制造业的发展。1.3 本文研究内容1.3.1 课题研究内容和目标本文以研究离网型光伏发电系统为目标，以相关基本理论为基石，通过模块化设计，利用仿真工具进行

32、模拟，旨在实现对该系统的深入研究。以光伏电池（将光能转换为电能）、蓄电池（储存电能）、变换器（将直流电能变换为交流电能、将直流电能变换为直流电能）、控制器（控制能量转换过程）等硬件模块和最大功率点跟踪原理及算法等理论作为研究基础，对系统的设计主要包括对太阳能电池板的配置和计算、蓄电池组的配置和计算、DC-DC变换器的设计、DC-AC逆变器的设计和控制器的设计等。以负荷要求为根据，进行有关参量的计算，选取合适的先进硬件材料，确定光伏电池和蓄电池的串并联数目；考虑输入与输出的数量关系，考虑实际负荷要求，考虑各种因素的影响，选取合适的变换器；由于智能控制器能够完成对系统的自动控制，保证系统正常且高效

33、运行，因此非常适合作为系统的控制环节。借助MATLAB的仿真功能，依据已知的对各个模块的工作原理、基本结构的分析与研究，旨在实现对系统多个模块的模拟仿真。图1-4所示为是家用5KW离网型光伏发电系统结构示意图，该系统主要为家用空调和新能源观光电动汽车充电器提供电能。家用空调为分体式空调器一般为交流220V、50HZ、800W-1500W，观光电动汽车充电器为直流48V、3kW。系统主要构成模块如图1-4所示，阳光充足的条件下，系统正常工作，光伏电池完成能量的转换过程，没有负载的情况下，控制器需要实现控制电能储存以备用功能；有负载需要供电的情况下，控制器控制系统产生的电能为负载供电，如果负载为交

34、流负载，则需要利用变换器将直流电转换为负载所需的交流电；如果负载为直流负载，系统产生的电能与负载所需电能可能存在不匹配情况，则需要利用变换器将其转换为满足负载要求的直流电。阳光不足的条件下，太阳能电池板无法正常工作以完成能量的转换过程，当负载需要电能供应时，则由控制器控制先前备用储存的电能为负载供电。由于该系统容量和负载功率较大，需要蓄电池组，故使系统成本增加。图1-4 家用4kW离网型光伏发电系统结构示意图1.太阳能电池板的配置与计算方法太阳能电池板是由光伏阵列经过串并联构成的，其配置和计算的主要内容是在满足负载日用电量要求的情况下，考虑到设备成本、占地面积、气候环境条件等因素的影响，选取合

35、适的光伏阵列器件，以负载日用电量为主要依据，再结合多种相关影响因素的作用进行计算，最终确定组件的串并联数目。计算光伏电池组件的并联数目需要以每个组件的日平均发电量为基准，选取合适的光伏阵列器件后即可通过查询产品参数确定单个组件的日平均发电量，再将负载的电压/功率数据和平均使用时间相结合即可计算负载日用电量。两个参量的比值即为组件的并联数目，具体公式为：电池组件的并联数= （1-1）其中， 组件日平均发电量=组件峰值工作电流（A）*峰值日照时数（h）（1-2）与求解设备并联数目的原理类似，计算光伏电池组件的串联数目需要以每个组件的峰值工作电压为基准，选取合适的光伏阵列器件后即可通过查询产品参数确

36、定单个组件的峰值工作电压，根据负载的电压/功率数据即可获取整个系统的工作电压。两个参量的比值即为组件的并联数目，具体公式为：电池组件的串联数= （1-3）式1-3中的系数1.43表示的是相关影响因素量化后的影响系数值。太阳能电池板的总功率计算公式为：电池组件（方阵）总功率（W）=组件并联数*组件串联数*选定组件的峰值输出功率（W）（1-4）影响设备发电量的因素较多，需要考虑的主要因素是，器件具有使用寿命，而在使用寿命范围内，使用时间越长，器件老化越严重，能量转换效率越低，线路损耗越大，再考虑到器件使用环境的影响，太阳能电池板的功率会随着使用时间的延长而不断衰退，因此在设计阶段需要为器件的自检预

37、留余量。2.蓄电池组的配置与计算方法与太阳能电池板类似，要完成系统工作任务达到负载要求，需要蓄电池组串并联，其配置和计算的主要内容是与前者相配合，设计合理的蓄电池容量以满足系统负载需求，在满足负载日用电量要求的情况下，考虑到设备成本、占地面积、气候环境条件等因素的影响，选取合适的蓄电池器件，现阶段多采用铅酸蓄电池，再结合多种相关影响因素的作用进行计算，最终确定相应设备的串并联数目。计算蓄电池组的容量的公式较多，主要是由于影响因素较多，考虑不同的影响因素，得到的蓄电池组容量也会存在一定的差异性。而在一般情况下，蓄电池容量预估只需要考虑负载日用电量和当地连续阴雨天数即可，如果想要进一步精确计算，则

38、需要考虑到蓄电池的最大放电深度系数，具体公式为：蓄电池容量= （1-5）影响器件容量的因素较多，需要考虑的主要因素是，器件具有使用寿命，而在此期间内，使用时间越长，器件老化越严重，产生一定的充放电损耗，影响蓄电池的功率，进而影响其容量；蓄电池组长期工作在充放电状态，其容量会受到放电率的影响，当系统负载工作电流大时，与设计容量相比，设备实际容量偏小，这样就会造成系统供电量的不足；而系统负载工作电流小时，与设计容量相比，设备实际容量偏大，这样就会造成系统成本的增加；工作环境温度也会对蓄电池组的容量产生一定的影响，蓄电池组容量会随着环境温度的降低而不断下降，也会随着环境温度的升高而略有上升。计算蓄电

39、池组的串联数目需要以每个组件的标称电压为基准，选取合适的蓄电池器件后即可通过查询产品参数确定单个组件的标称电压，根据负载的电压/功率数据即可获取整个系统的工作电压。两个参量的比值即为组件的串联数目，具体公式为：蓄电池串联数= （1-6）与求解设备并联数目的原理类似，计算蓄电池组的并联数目需要以每个组件的标称容量为基准，选取合适的蓄电池器件后即可通过查询产品参数确定单个组件的标称容量，再结合已经计算得到的器件总容量，两个参量的比值即为组件的并联数目，具体公式为：蓄电池并联数= （1-7）从计算原理上分析，对蓄电池组的串并联数目并没有限制，但是在实际应用的过程中，在蓄电池组件型号未定的情况下，尽可

40、能选择标称容量较大的蓄电池，主要目的是在蓄电池总容量一定的条件下，尽量减少器件的并联。由于器件制造工艺、工作环境的影响，并联蓄电池组不可能达到完全相同的状态，因此会造成并联蓄电池之间的不平衡。统计数据显示，现有的光伏发电系统多采用两组蓄电池并联，既能够将并联不平衡影响降到最低，又能够保证系统工作的可靠性。3.逆变器的设计与选择光伏系统逆变器转换电路的工作频率可以分为工频50Hz、中频百赫兹至千赫兹级别和高频千赫兹至兆赫兹级别，因此可以以此为标准对该设备进行分类。在实际应用的过程中，工频逆变器的缺陷较多，如效率低下、轻载运行空载损耗大等，所以本系统采用高频逆变器。高频逆变器的模块构成框图如图1-

41、5所示，上一个模块的输出作为下一个模块的输入，不同模块的输入输出存在电压等级和电压类型的差异。图1-5 逆变电路基本电路构成图光伏逆变器需要设计的主要内容是系统多个模块之间相互配合，计算光伏逆变器的功率、电压并确定其相数，考虑到设备成本、占地面积、气候环境条件等因素的影响，选取合适的光伏逆变器。逆变器持续工作功率应当大于负载正常工作功率，负载启动功率应当小于逆变器最大冲击功率，在满足负载要求的前提下应当尽量提高系统工作电压以减小系统损耗，在实际应用的过程中还需要考虑为未来光伏发电系统的扩容留有余量，具体公式为：逆变器的功率=阻性负载功率*（1.2-1.5）+感性负载功率*（5-7）（1-8）影

42、响光伏逆变器设计和选择的因素较多，而在实际应用的过程中，需要根据工作环境和使用条件等进行合理选择。选取合适的光伏逆变器不仅能够节省工程成本、简化安装条件、缩短安装时间，而且能够有效改善系统的发电效率。4.控制器的设计与选择控制器是光伏发电系统的控制核心，需要监控系统变量的实时状态，需要保障系统的正常工作与运行。对于小型系统而言，控制器的主要作用是保护蓄电池以防止蓄电池中储存的电能反充给太阳能电池板；对于大型系统而言，控制器的主要作用除了保护蓄电池，还需要平衡系统总能量以维持系统的正常运行等。图1-6 多路光伏系统控制器的电路原理图图1-6所示位多路光伏系统控制器的原理图，根本思想是依据蓄电池组

43、的充电状态或者放电状态来控制多路开关的通断以实现对系统电能的控制和对系统器件的保护。多路控制器的应用有利有弊，其优势在于能够实现对器件输出电压、电流的近似线性调节，而其劣势在于成本提高，因此在选取器件时，不仅要考虑到器件对系统运行特性的影响，还需要考虑设备成本、占地面积、气候环境条件等因素。由图可知，流过控制器的最大电流可能是光伏组件短路电流，也有可能是负载最大工作电流，因此控制器的额定工作电流需要大于两者中的较大值，在实际应用的过程中还需要考虑为未来的光伏发电系统留取扩展空间。55kW离网型光伏发电系统模拟仿真利用设计好的各个模块构建离网型光伏发电系统模型，利用Matlab对系统的各模块进行

44、仿真，对比理论分析结果与仿真结果。不同国家、不同地区的光能资源各有特点，因此在设备选型时需要遵循一定的原则。在进行光伏组件选型时，应当结合当地太阳能辐照度分布情况进行选择，在选择光伏支架类型时，应当充分考虑太阳能总辐射中的直接辐射比例，在选择输入逆变器的光伏组件功率与逆变器自身功率配比时，应当依据本地辐射和环境温度等条件模拟出输出逆变器的光伏组件出力曲线，避免造成器件容量的浪费。1.3.2 拟解决的关键性问题在上述研究内容中需要解决的关键问题为：对太阳能电池板的配置和计算、蓄电池组的配置和计算、直流-直流变换器的设计、直流-交流逆变器的设计和控制器的设计等。以负荷要求为根据，进行有关参量的计算

45、，选取合适的先进硬件材料，尽量消除各种因素对器件参数和工作性能的影响，确定光伏电池和蓄电池的串并联数目；考虑输入与输出的数量关系，考虑实际负荷要求，考虑各种因素的影响，选取合适的变换器和控制器；借助MATLAB的仿真功能，依据已知的对各个模块的工作原理、基本结构的分析与研究，旨在实现对系统多个模块的模拟仿真并分析仿真结果。1.3.3 课题的创新性根据专用负载系统参数要求配置光伏发电系统，合理优化设计、选择使用设备，减少资金投入，避免资源浪费，使系统整体综合成本效益最佳。第2章 太阳能光伏发电系统2.1光伏发电系统的组成光伏发电系统涉及到的主要器件包括，光伏电池（将光能转换为电能）、蓄电池（储存

46、电能）、变换器（将直流电能变换为交流电能、将直流电能变换为直流电能）、控制器（控制能量转换过程）等。图2-1所示为光伏发电系统示意图。图2-1 光伏发电系统示意图2.1.1 光伏阵列应用时间最久的单晶体硅光伏电池，在其内部PN结电场作用下，射入的光子在光伏电池的背光侧与受光侧分别累积正负电荷。为了减少太阳光反射，晶片表面制绒并涂上减反射膜，在电池上下表面印刷和烧结金属电极并外接导线和负载以构成光伏电池，这些措施都有利于提高电池的转换效率。单个光伏电池无法直接应用于光伏发电系统的原因较多23-26，主要是分为以下几个方面，从机械强度上分析，单个光伏电池的机械强度较差，属于易碎品；从物理强度上分析，单个光伏电池易受环境因素影响，腐蚀氧化等；从电气性