家用离网光伏发电系统设计.docx

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1、家用离网光伏发电系统设计摘要: 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物质。与现有的其他能源相比，太阳能可谓优势突出， 其来源充足且方便易得，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 化的设计，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、变换器、控制器等硬件模

2、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 离网型光伏发电系统中多个模块的模拟仿真

3、，仿真结果与理论结果相一致。关键词：离网型；光伏发电系统；系统模块设计按照结构划分为：同质结太阳能电池、异质结太阳能电池、肖特基结太阳能 电池、多结太阳能电池、液结太阳能电池；按照形状划分为：块状太阳能电池、 薄膜太阳能电池；按照材料划分为：硅太阳能电池、化合物半导体太阳能电池、 有机半导体太阳能电池。2. 3. 2太阳能电池的工作原理光伏电池能够实现将光能转换为电能的理论基础是半导体PN结的光伏效应, 指的是当光线照射半导体时，半导体内部的电荷分布状况会随之发生变化，电荷 的移动产生电势与电流。对于PN结而言，光线照射激发产生带电粒子，在内电场 的作用下，带电粒子移动并积聚，形成光生电压。2

4、. 3. 3大阳能电池物理模型及基本特性1 .短路电流将PN结外电路短路后流过的电流即为短路电流，也即与入射光能量成正比的 光生电流。虽然较大的半导体材料禁带宽度非常有利于开路电压的提升，但是这 会导致能够产生光电流的光子的比例下降，进而引起光生电流的弱化。2开路电压将PN结外电路开路后其两端的电压即为开路电压，PN结的开路电压主要取决 于半导体材料的禁带宽度和费米能级。设 1=0, Iph=Isc,则叱等皿偿） + 1（2-1）实际应用的过程中，需要考虑器件结构和材料特性的影响，引入附加电阻进 而产生附加损耗。如果考虑到电池漏电和制造工艺等各因素的影响，导致部分电 流短路，引入等效并联电阻R

5、sh。如果忽略以上因素对器件性能的影响作用，Isc与入射光强度成正比。(2-2)在很弱的阳光下，IscIo,因此nkT 】IscIn q Io(2-3)根据以上分析可知，半导体器件的开路电压与系统光照强度密切相关，在系 统光照强度不足时，半导体器件的开路电压与系统光照强度近似成正比，在系统 光照强度充足时，半导体器件的开路电压与系统光照强度的对数成正比。3.输出特性研究光伏电池的输出特性需要将其内部结构进行等效。当外界光照条件不变 时，光伏电池的输出电流不会受到其他外界因素的影响，因此可以在分析过程中 将其等效为恒流源。在理想的等效电路结构中，光伏电池产生的光电流一部分分 配给负载Rl，并产生

6、端电压U,另一部分分配给PN结二极管并使其导通。图2-2所示为光伏电池的输出特性曲线，由于此曲线会受到外界因素和负载 变化的影响，最主要的影响因素就是系统的光照强度和工作时的环境温度，通过 对两者的调节作用可使系统运行在曲线上的任意点。图2-2光伏电池输出特性曲线4效率太阳能电池的光电转换效率n表示的是输出电功率与入射光功率之比，影响 转换效率的因素较多，主要影响因素包括光伏电池的结构、PN结特性、材料性质、 电池工作温度等。可以表示为n = P/(Ai . Pin) = (Im - Um)/(Ai . Pin) = (FF . IscVoc)/(Ai Pin)(2-6)其中，为太阳能电池的面

7、积，Pm为单位面积入射光功率，吐犷甲(人)列入， 如果从总面积中扣除遮光的栅线面积，就可以得到有效面积下的电池效率。2. 4本章小结本章主要介绍了太阳能光伏发电系统的主要理论，包括系统中各个设备的工 作原理、特点、工程应用选型等，为本文中所研究的离网型系统设计提供理论基 础。系统设计一般分为硬件部分和软件部分，硬件部分先于软件部分，硬件部分 主要包括器件选型、器件连接、辅助设备设计等。软件部分主要包括负载用电量、 光伏电池面辐射量、安装倾角等。对于实际应用的系统，还应当包括备用电池选 型、配电网设计、经济效益分析等。第3章 家用离网型光伏发电系统设计3.1 太阳能电池板的配置与计算太阳能电池板

8、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、气候环境等因 素的影响，选取合适的光伏阵列器件，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，最终确定器件的串并联数目。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了品参数确定单个组件的日平均发电量，再将负 电压/功率数据和平均使用时间相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；计算光伏电池组件的串联数目需要以每个组件的工作电压为基 准，选取合适的光伏阵列器件后即可通过查询产品参数确定单个组件

9、的工作电压， 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 件的串联数目。由于家用光伏发电系统既有直流负载，又有交流负载，且本文中以家用空调 和新能源电动汽车充电器为例进行系统设计。按照实际情况进行假设，直流负载 电动汽车充电器为48V/3K肌每日使用时间为2h,交流负载家用空调为220V/960W, 每日使用时间为5ho电器的消费功率、额定电压已知，电器的消费电流可以根据式3-1确定。消费电流=消费功率/消费电压（3-1）对于直流48V/3kW的电动汽车充电器来说，消费电流为3000W/48V=62. 5A；由 于家用空调属于交流负载，因此应当计算出交流消费电流，

10、然后换算成直流消费 电流，家用空调的直流消费电流为960W/48V=20A。由于太阳能电池的设置条件与气象、污染状况等有关，并非一直处于最佳发 电状态，因此需要对太阳能电池的出力进行修正。太阳能电池每日的必要发电电流量二每日的消费电流量/ （出力修正系数*蓄电 池充放电损失修正系数*其他修正系数）（3-2）式3-2中，出力修正系数与气象条件、电池板的污染状况、老化率有关，一 般取为0. 85,蓄电池的充放电损失系数与蓄电池的充放电效率有关，一般取为0. 95, 其他的修正系数与逆变器的转换效率、损失等有关。太阳能电池每日所需发电电流量确定后，则需要根据太阳能电池设置地区的 平均日照时数决定太阳

11、能电池的必要电流。太阳能电池必要电流二太阳能每日的必要发电电流量/每日平均日照时数(3-3) 平均日照时数一般根据每日的日照时间来决定，太阳能电池所使用的地区不 同则平均日照时数也不同，对于一般地区而言，将日射量换算成lOOOW/n?时，平 均日照时间为2. 6-4h,这里我们假设平均日照时间为3. 3ho因为电动汽车充电器为直流电器，因此式子中的其他修正系数取为1,家用空 调为交流负载，需要通过逆变器将太阳能电池的直流电转换为交流电，逆变器的 转换效率与制造厂家、生产工艺、产品质量有关，我们假设逆变器的转换效率为 80% o 则l m_rzw 、【上匕、，h 心、* 曰 62.5Ax2h,

12、20Ax5h 八八八 八人太阳能电池的必要发电电流量二嬴赤行+港面雨热-309.6A . h/d大阳能电池的必要电流量二=93. 8A3.3h/d太阳光线与器件摆放位置之间的夹角会影响到器件对太阳光的利用率，从理 论角度分析，当两者的夹角为直角时，器件的出力最大。太阳能电池的设置角度 一般选择一年之中发电效率最高的南向与水平面的角度，设置场所内选择一年中 日照时间最短日的日中，太阳能电池无阴影的地方，如果条件允许可以设置能够 根据季节调整太阳能电池角度的台架，使太阳能电池的出力增加。太阳能电池的最大出力电压可以按照式3-4计算，二极管的作用在于当太阳 能电池不发电时，防止蓄电池中的电流流向太阳

13、能电池。太阳能电池的最大出力电压;蓄电池的公称电压*满充电系数十二极管电压降 (3-4)本文中所采用的是铅酸电池，产品数据显示公称电压为12V,满充电系数为 L 24,使用硅整流二极管，其电压压降为0.7V,则太阳能电池的最大出力电压二12VX 1. 24+0. 7V=15. 58V太阳能电池的必要电流和最大出力电压确定后，即可参考现有产品的规格以 选取合适的电池，由于其出力容易受到光照强度、设置场所的方位、角度的影响， 因此在选择的过程中必须考虑相关因素的影响并留有一定裕量。如前面所述，单个电池通常难以满足实际负载的需要，因此需要进行串并联 连接。而在进行串并联之前，为了充分发挥器件的功能，

14、也为了提高系统输出性 能，应当尽量选择相同规格的电池，避免出现由器件引起的电压不等现象。本文选用的太阳能电池的规格如下所示。最大出力：50W最大输出电压：15. 9V最大输出电流：3. 15A由以上数据可知，将30枚太阳能电池并联使用时，可以满足前面算出的太阳 能电池的必要电流93. 8A、最大出力电压15. 58V的需要。3. 2蓄电池组的配置与计算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，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 终确定蓄电池组的串并联数目。影响器件容量的因素较多，需要考虑的主要因素是，器件使用时间越长，器 件老化越严

15、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，蓄电池的实际容量要小于设计容量，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，著电池的实际容量要大于设计容量，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。蓄电池容量计算公式较多，主要原因是影响蓄电池容量的因素较多，考虑的 因素不同则蓄电池容量的计算公式也会有所差异。H负载x最大连续阴雨天数最大放电深度修正系数x低温修正系数.山、心

16、一,三日负载X最大连续阴雨天数X放电率修正系数p畜 电池容量= (3-6最大放电深度修正系数x低温修正系数计算蓄电池容量时，需要考虑其充放电损失，蓄电池保守率是用来对其充放 电时的损失进行修正的参数，一般取为0.8。蓄电池的容量计算如式3-7所示。蓄电池的容量=每日消费电流量*连续无日射保障日数/蓄电池保守率(3-7) 考虑到雨天、夜间使用的需要，假设蓄电池存储的电力能满足使用5天的需 要。309.6A . h/dx5d A 1畜电池的容量二-2=1935A.hO.o太阳能电池与蓄电池同时使用时，必须要对蓄电池进行合理的选择并进行相 应的维护。选择蓄电池时必须考虑负载容量、蓄电池放电深度、设置

17、环境、价格 成本以及使用寿命等因素。由于系统长时间处于停滞状态时，蓄电池会出现过充 电，过多地消费蓄电池的电解液，从而导致蓄电池破损，因此系统经常使用对蓄 电池有利。计算蓄电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；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，再结合己经计算得到的器 件总容量，两个参量的比值即为组件的并联数目。如果选样免维护铅酸蓄电池，其规格

18、为2V/1200A . h,那么蓄电池的并联数为 1935/1200=2个，蓄电池串联数为48/2=24个。3. 3DC-DC变换器的选择对于DC-DC交换电路选用Buck-Boost电路，主要原因是Buck-Boost电路的 输出电压范围宽，在输出电压要求一定时，允许的输入电压变化范围较大，因此 应用在系统中适用性更强、适用范围更广。3. 4DC-AC逆变器的设计3. 4.1逆变器的原理逆变器的工作原理是通过控制电力电子器件的开通和关断实现直流电能向交 流电能的转换，逆变器的种类较多，但是最基本的原理相同。以最简单的单相桥 式逆变电路为例分析逆变器的工作原理，如图3-1所示.S1 S3E |

19、 RS2 u。.S4图3-1单相桥式逆变电路图中，E代表系统输入的直流电压，R代表逆变器的纯电阻性负载，当开关S1 和S3接通时，电流经过SLR和S3后负载上的电压极性为左正右负；当开关 S2和S4接通时，电流经过S2、R和S4后负载上的电压极性为左负右正。如果开关SI、S3和S2、S4以频率f交替切换工作，负载R上就可以得到频率为f的交 流电，波形如图3-2所示，该波形为方波。Uo、E .Tt图3-2工作电压波形图3. 4. 2DC-AC逆变电路由于正弦波逆变器输出的正弦波电压与普通家庭所供给的商用电源电压波形 相同，因此选用正弦波逆变器，控制方式采用正弦波脉宽调制SPWM,以单极性逆 变电

20、路为例分析DC-AC逆变电路的工作原理。图3-3所示为SPWM逆变电路的主电路原理图。信号波VT1VD3RVT4xVD4Uc调制电路投波图3-3单极性SPWM逆变电路的主电路原理图两组开关的工作频率有所不同，VT3、VT4工作在高频状态，VTK VT2则以 输出脉波的频率进行切换。在对逆变器进行选择时，需要计算出逆变器的输入电流与输出电流。逆变器的输出电流;交流输出/交流电压（3-9）逆变器的输入电流二逆变器输出电流*交流电压/（系统电压*转换效率）（3-10）因为家用空调为220V/960W且为单相交流负载，因此选用单相逆变器，而逆 交器的输出电流和输入电流分别计算如下。逆变器输出电流=96

21、0W/220V74. 4A逆变器输入电流=(4. 4A X 220V) /(48V X 0. 8)心25. 2A3. 5控制器的设计图3-4所示为单路旁路型过充放电控制器的控制原理图，其中VD1是防反充 二极管，VD2是防反接二极管，T1和T2都是开关，T1是控制器充电回路开关，T2 是蓄电池放电开关，BX是保险丝。怆测控制电路图3-4单路旁路型过充放电控制器控制原理图充放电控制器是由逆流防止二极管、夜间继电器、温度修正装置等构成。逆 流防止二极管的作用是防止蓄电池储存的电能逆流回太阳能电池，夜间继电器的 作用是根据照度传感器及太阳能电池的输出电压判断时间，然后决定是否将蓄电 池与负载相连接，

22、温度修正装置的作用是检测出蓄电池温度以便对充电电压进行 修正。在实际应用的过程中，随着技术的发展，多采用智能型光伏控制器。智能控制器能够控制多路太阳能电池阵列对蓄电池充电，并实现蓄电池为负 载供电的自动控制，控制器采用高速CPU微处理器和高精度A/D转换器，构成微 机数据采集和监测控制系统。既可以快速实时采集光伏系统当前的工作状态，又 可以详细积累太阳能光伏发电站的历史数据，为评估太阳能光伏发电系统设计的 合理性及检验系统部件质量的可靠性提供准确而充分的依据，还具有串行通信数 据传输功能，将实现对多个光伏系统子站的集中管理和远距离控制。充放电控制器的选择与实际系统大阳能电池的输入电流、负载电流

23、等电气参 数有关，设计时需要留有裕量，一般用保守率表示，取为0.85,蓄电池输入电流、 负载电流分别计算如下。蓄电池输出电流=大阳能电池的短路电流/保守率(3-11)蓄电池负载电流二直流电流的最大出力/(系统电压*保守率)(3-12)3.6本章小结本章主要以光伏电池、蓄电池、变换器、控制器等硬件模块作为研究基础， 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变换器的选择、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

24、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。将以上各部分按照光伏发电系 统的工作原理和架构进行电气连接，即可构成完整的太阳能光伏发电系统。第4章结论与展望4. 1结论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，旨在实现对该系统的深入研究。主要结论如下：光伏电池、蓄电池、变换器、控制器等硬件模块的算法和理论可以作为研究 基础，各个模块发挥其作用以实现系统的正常运行。光伏电池的电压、电流呈现非线性特性，而且其输出值会受到外界因素和负 载变化的影响。通过调节系统光照强度、工作环境

25、温度等外界因素的值，可以使 其输出电压和输出电流的乘积达到最大值，即系统输出功率达到极值。为了提高 系统的转换效率，也为了提高对光伏阵列和太阳能资源的利用率，希望能够通过 实时调整系统工作点以使其一直工作在最大输出功率状态。目的是提高光伏电池 的利用率，提高系统的整体效率。对系统的设计主要包括对大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逆变器的设计利控制器的设计等。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，考忠实际负荷要求，考虑各种因素 的影响，选取合适的变换器；由于智

26、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。4.2展望自从1954年贝尔实验室研制出实用化晶体硅光伏电池以来，经过几十年的研 究发展，光伏技术作为一种全新的发电方式越来越引起世界各国的高度关注，这 种新型发电方式应当符合电力供应的基本要求，安全、可靠、价廉、环保及可持 续发展等，对光伏发电技术的综合评价除了技术先进性和转换效率外，生产成本、 环境问题、经济问题和社会问题等都是必须要考虑的。以光伏电池为例，其效率 与成本互相牵制，效率高意味着成本的增加，而对于光伏技术市而言，由于是提 供电力需求，社会对于此技术的最终要求必然是发电成本与常规能源相仿

27、甚至更 低，这是光伏技术发展过程中要解决的问题。为了保障我国光伏产业的健康发展，根据我国光伏技术发展的实际情况，结 合光伏技术的特点，基于相关标准，有必要在全国建立统一、专业的领导机构， 负责光伏相关政策与制度的制定，建立强力有效的技术标准、验收、评估体系。光伏发电系统作为一种分布式电源，接入电网已经成为发展潮流，但是光伏 并网的渗透率越高，电网需要承担的风险就越大，因为这其中涉及到更多的稳定 性和电能质量问题。可再生能源分布式发电由于受到光照、风速等自然因素的影 响，其随机性、间歇性特点明显，输出功率波动范围大，特别是分布式发电设备 中电力电子装置的广泛应用、用户与传统电网的双向互动，这对电

28、网的安全经济 运行和电能品质均产生显著影响。目录第1章绪论31.1 课题的研究背景及意义31.2 研究现状31.2.1 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41.3 本文研究内容41.3.1 课题研究内容和目标41.3.2 拟解决的关键性问题71.3. 3课题的创新性7第2章太阳能光伏发电系统72.1 光伏发电系统的组成82.1.1 光伏阵列82.1.2 逆变器82.1.3 1.3蓄电池82.1.4 控制器92. 2光伏发电系统的分类92. 3太阳能电池92. 3.1太阳能电池的分类92. 3. 2太阳能电池的工作原理102. 3. 3大阳

29、能电池物理模型及基本特性102.4本章小结11第3章家用离网型光伏发电系统设计123.1太阳能电池板的配置与计算123. 2蓄电池组的配置与计算143. 3DC-DC变换器的选择153. 4DC-AC逆变器的设计153.4. 1逆变器的原理153.5. 2DC-AC 逆变电路163. 5控制器的设计173.6本章小结17第4章结论与展望184. 1结论185. 2展望18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 的过程中会应生放射性废料。与现有的其他不可再生能源

30、、甚至可再生能源相比， 太阳能都可谓优势突出，其来源充足，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-晶体硅太阳能电池，其使用周期较长, 系统不存在转动装置，可靠性高，使用方便。由于相关技术水平和现实条件的影响，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，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，直到与常规 能源发电成本持平甚至更低。光伏发

31、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，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1.1.1 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

32、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，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，标志着我国光伏产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

33、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。1.1.2 国外太阳能光伏发电产业化现状与发展趋势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，政府部门出合政策法规、提供研发资金支持并制定 相应的能源发展计划，目的就是在最短的时间内以最高的效率实现光伏产业的链 条化。相关企

34、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达国家，我国作为新兴光伏产 业国家，己经逐渐形成技术优势和装机容量优势并且成为世界范围内的第二大市 场。1.3本文研究内容1.3.1 课题研究内容和目标本文以光伏电池、蓄电池、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，

35、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，实现对系统多个模块的模拟仿真。家用离网型光伏发电系统在阳光充足的条件下，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

36、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最的转换过程，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。1 .大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、气候环境等因 素的影响，选取合适的光伏阵列器件，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

37、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=负载日平均用电量(加I组件日平均发电量(Ah) (1-1) 其中，组件日平均发电量=组件峰值工作电流(A)义峰值日照时数(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的具体公式 为：电池组件的串联数二系统工作电压(V)X系数1.43/组件峰值工作电压(V)(1-3)式1-3中的系数1. 43表示的是相关影响

38、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X组件串联数X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

39、需求。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。对蓄电池组容量的影响因素较多，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。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;负载日平均用电量（Ah） X连续阴雨天数/最大放电深度 （1-5） 影响器件容量的因素较多，需要考虑的主要因素是，器件使用时间越长，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

40、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：蓄电池串联数二系统工作电压/蓄电池标称电压（1-6）与

41、求解其并联数目的原理类似，计算蓄电池组的并联数目的具体公式为：蓄电池并联数=蓄电池总容量/蓄电池标称容量（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，既能将并联不平衡影响降到最低，又能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有很多种

42、，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。其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。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，考虑各个因素的影响，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+感性

43、负载功率（1-8）影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。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

44、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，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。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、蓄电池、变换器、

45、控制器 等。图2-1所示为光伏发电系统示意图3直流他裁I I f-L控制器出 一流-支流逆变器交流负我太阳电池方阵.一蓄电池组图2-1光伏发电系统示意图2.1.1 光伏阵列单个光伏电池无法直接应用于光伏发电系统的原因较多，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而腐蚀氧化等；从电气性能上分 析，单个光伏电池的电气量参数较小，实际应用中无法满足负载工作的需要。由于以上因素的影响，因此一般将多个光伏电池进行串并联后封装，既满足 机械强度的要求，又满足电气性能的要求，以形成光伏电池组件。它是光伏阵列 的最小转

46、换单位，根据实际工程需要进行串并联计算后搭建组装即可形成光伏电 池阵列。2.1.2 逆变器逆变器是将直流电转变为交流电的变流装置，是光伏发电系统的重要组件。 在实际应用的过程中，小功率逆变器通常采用驱动功率较小的MOSFET,中等功率 逆变器通常采用驱动功率略高于MOSFET的IGBT,大功率逆变器通常采用驱动功率 较大的GTO。由于IGBT是GTO和MOSFET的结合体，因此在逆变器应用中具有明显 优势，统计资料显示，现阶段的光伏逆变器大多采用3000A/1700V及以上的大功 率IGBT器件。2.1.3 1.3蓄电池蓄电池组是将电能转变为化学能的储能装置，是光伏发电系统的重要组成部 分，可

47、以分为高能量密度蓄电池组和高功率密度蓄电池组两种。高能量密度蓄电 池组的作用是储存电能和调节电能，而高功率密度蓄电池组的作用是调节系统功 率维持功率平衡。2.1.4 控制器对于离网型系统而言，必须要配备储能蓄电池，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

48、下，太阳能电池板无法再产生电能，有负载需要供电的情况下，则由控制器控制 蓄电池为负载供电并保持供电电压的稳定。蓄电池组长期工作在充放电状态，频繁地过充和过放不仅会影响到组件的容 量，而且会影响到组件的寿命，因此有必要对工作过程进行适当控制。控制器的 作用就是通过电压检测判断其是否达到过充界点或者过放界点，根据电压检测结 果实施响应的控制作用。2.2 光伏发电系统的分类独立光伏发电系统根据负载种类可以分为直流负载直结型系统、直流负载蓄 电池使用型系统、交流负载蓄电池使用型系统和直、交流负载蓄电池使用型系统。直流负载直结型系统中，太阳能电池与负载直接连接，此系统是一种不具有 蓄电池的离网型系统，应用场合较为有限，负载类型也多为次要负载。直流负载蓄电池使用型系统与直流负