家用5KW離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要常規(guī)能源在消耗的過程中會(huì)產(chǎn)生多種有害氣體，不但污染環(huán)境，而且無法長(zhǎng)久穩(wěn)定地提供能源，而核能源雖然屬于新型能源，但是可使用量有限，其在消耗的過程中會(huì)產(chǎn)生放射性廢料。與現(xiàn)有的其他能源相比，太陽能可謂優(yōu)勢(shì)突出，來源充足、方便易得，光伏發(fā)電系統(tǒng)就是通過各種設(shè)備直接將其轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)，因此開展針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究對(duì)于合理高效利用資源、推動(dòng)新型能源的開發(fā)、促進(jìn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的開展具有重要意義。本文以研究離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)為目標(biāo)，以相關(guān)根本理論為基石，通過模塊化設(shè)計(jì)，利用仿真工具進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該系統(tǒng)的深入研究。以光伏電池、蓄電池、變換器、控制器等硬件模塊和最大功率點(diǎn)跟蹤原理及算法等理論作為研究根底，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括對(duì)太陽能電池板的配置和計(jì)算、蓄電池組的配置和計(jì)算、DC-DC變換器的設(shè)計(jì)、DC-AC逆變器的設(shè)計(jì)和控制器的設(shè)計(jì)等。以負(fù)荷要求為根據(jù)，進(jìn)行有關(guān)參量的計(jì)算，選取適宜的先進(jìn)硬件材料，確定光伏電池和蓄電池的串并聯(lián)數(shù)目；考慮輸入與輸出的數(shù)量關(guān)系，考慮實(shí)際負(fù)荷要求，考慮各種因素的影響，選取適宜的變換器；由于智能控制器能夠完成對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，保證系統(tǒng)正常且高效運(yùn)行，因此非常適合作為系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)。借助MATLAB的仿真功能，依據(jù)的對(duì)各個(gè)模塊的工作原理、根本結(jié)構(gòu)的分析與研究，實(shí)現(xiàn)了對(duì)5kW離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)中多個(gè)模塊的模擬仿真，仿真結(jié)果與理論結(jié)果相一致。關(guān)鍵詞：離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)模擬仿真AbstractConventionalenergywouldreleasealargenumberofharmfulgasintheprocessofconsumption,anditcannotbestableforalongtimetoprovideenergy.Nuclearfuelbelongstonewenergysourcebutnon-renewableenergy,anditwouldejectradioactivewasteatworkanddamagetotheenvironment,sosolarenergyresourcehasobviousadvantagesbycomparison.SolarphotovoltaicpowergenerationsystemisabletoconvertsolarenergyintoDCorACpowerthroughavarietyofequipment,thus,studyofsolarphotovoltaicpowergenerationsystemisofgreatsignificancetouseresourcesefficientlyandpromotethedevelopmentofphotovoltaicpowergenerationsystems.Studyofoff-gridphotovoltaicpowergenerationsystemasthegoal,throughthedesignofoff-gridphotovoltaicpowergenerationsystemmodules,usingsimulationtoolsforsimulation,thehousehold5kwoff-gridphotovoltaicpowergenerationsystemresearchisimplementedinthispaper.Hardwaresuchasphotovoltaiccells,battery,converterandmaximumpowerpointtrackingprincipleandalgorithmtheoryasafoundationforresearch,thehouseholdtype5kwoff-gridphotovoltaicpowergenerationsystemisdesigned,mainlyincludingconfigurationandcalculationforthesolarpanels,batteryconfigurationandcalculation,thedesignofDC-DCconverter,DC-ACinverterandthedesignofcontroller.Basedonloadrequirements,relevantparametersarecalculated,suitablematerialsareselectedandthenumberofseries-parallelsolarcellsandbatteryisdetermined.Consideringtherelationshipbetweeninputandoutput,actualloaddemandandtheinfluenceofvariousfactors,appropriateconvertersareselected.Intelligentcontrollercanrealizetheautomaticcontrolofthesystemandensurethenormalandefficientoperationsystem,whichisverysuitableasthecontrollinkofthesystem.UsingpowerfulsimulationfunctionofMATLAB/Simulink,onthebasisofunderstandingofworkingprincipleandanalysisanddesignforbasicstructureforeachmodule,thesimulationofphotovoltaiccells,DC-DCconverterandDC-ACinverterisrealizedandthesimulationresultsareconsistentwiththetheoreticalresults.Keywords:off-gridphotovoltaicpowergenerationsystemsystemmoduledesignsystemsimulation目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要2Abstract3圖表目錄7第1章緒論11.1課題的研究背景及意義11.2研究現(xiàn)狀31.2.1我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與開展趨勢(shì)31.2.2國外太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與開展趨勢(shì)61.3本文研究?jī)?nèi)容81.3.1課題研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)81.3.2擬解決的關(guān)鍵性問題131.3.3課題的創(chuàng)新性14第2章太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)152.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成152.1.1光伏陣列152.1.2逆變器152.1.3蓄電池162.1.4控制器162.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類182.3光伏電池202.3.1光伏電池的分類202.3.2太陽能電池的工作原理212.3.3太陽能電池物理模型及根本特性212.4本章小結(jié)24第3章最大功率點(diǎn)跟蹤原理及算法263.1最大功率點(diǎn)跟蹤的意義263.2最大功率點(diǎn)跟蹤的原理263.3最大功率點(diǎn)跟蹤的方法283.3.1恒定電壓法293.3.2干擾觀測(cè)法303.3.3三點(diǎn)重心比擬法313.3.4電導(dǎo)增量法333.4本章小結(jié)34第4章家用5kW離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)354.1太陽能電池板的配置與計(jì)算354.2蓄電池組的配置與計(jì)算374.3DC-DC變換器的設(shè)計(jì)394.4DC-AC逆變器的設(shè)計(jì)414.4.1逆變器的原理414.4.2DC-AC逆變電路424.5控制器的設(shè)計(jì)454.6本章小結(jié)46第5章家用5kW離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)建模和模塊仿真475.1仿真軟件平臺(tái)475.2光伏電池的仿真475.3DC-DC變換器軟件仿真515.4DC-AC單相逆變器軟件仿真555.5本章小結(jié)58第6章結(jié)論與展望596.1結(jié)論596.2展望59參考文獻(xiàn)61致謝64圖表目錄圖1-1世界和我國常規(guī)能源耗盡年份圖圖1-2世界和我國光伏電池的生產(chǎn)量圖圖1-3全世界不同種類光伏電池的生產(chǎn)量圖圖1-4家用4kW離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖1-5逆變電路根本電路構(gòu)成圖圖1-6多路光伏系統(tǒng)控制器的電路原理圖圖2-1光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖圖2-2直流負(fù)載直結(jié)型系統(tǒng)圖圖2-3直流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)圖圖2-4交流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)圖圖2-5直、交流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)圖圖2-6不考慮串并聯(lián)電阻的PN同質(zhì)結(jié)光伏電池等效電路圖圖2-7考慮串并聯(lián)電阻的PN同質(zhì)結(jié)光伏電池等效電路圖圖2-8光伏電池輸出特性曲線圖圖2-9太陽能電池光電轉(zhuǎn)換過程中存在的各種類型的損耗圖圖3-1光伏電池伏安特性曲線示意圖-溫度一定，光照強(qiáng)度變化圖圖3-2光伏電池伏安特性曲線示意圖-光照強(qiáng)度一定，溫度變化圖圖3-3光伏電池輸出功率與端電壓特性曲線-溫度一定，光照強(qiáng)度變化圖圖3-4光伏電池輸出功率與端電壓特性曲線-光照強(qiáng)度一定，溫度變化圖圖3-5光伏電池在不同光照強(qiáng)度下的特性曲線圖圖3-6恒定電壓法控制流程圖圖3-7干擾觀測(cè)法控制流程圖圖3-8三點(diǎn)重心比擬法可能情況匯總圖圖3-9三點(diǎn)重心比擬法流程圖圖3-10電導(dǎo)增量法流程圖圖4-1Buck-Boost變換電路原理圖圖4-2開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)Buck-Boost電路的等效電路圖圖4-3開關(guān)管關(guān)斷時(shí)Buck-Boost電路的等效電路圖圖4-4Buck-Boost電路電感兩端的電壓及流過電感的電流波形圖圖4-5單相橋式逆變電路圖圖4-6工作電壓波形圖圖4-7單極性SPWM逆變電路的主電路原理圖圖4-8SPWM調(diào)制電路原理圖圖4-9SPWM調(diào)制波形圖圖4-10單路旁路型過充放電控制器控制原理圖圖5-1光伏電池模塊仿真模型圖圖5-2光伏電池模塊的子系統(tǒng)圖圖5-3光伏陣列輸出電流曲線圖圖5-4光伏陣列輸出電壓曲線圖圖5-5光伏陣列輸出功率曲線圖圖5-6光伏陣列輸出特性曲線圖圖5-7光伏陣列伏安特性曲線圖圖5-8DC-DC變換器模塊仿真模型圖圖5-9IGBT模塊集電極電流和集射極電壓波形圖圖5-10二極管電流、電壓波形圖圖5-11系統(tǒng)變量波形圖-占空比0.5圖圖5-12系統(tǒng)變量波形圖-占空比0.2圖圖5-13系統(tǒng)變量波形圖-占空比0.7圖圖5-14DC-AC單相逆變器模塊仿真模型圖圖5-15逆變橋模塊的輸入電流波形圖圖5-16逆變橋模塊輸入電流經(jīng)過二階模型高通濾波后的波形圖圖5-17負(fù)載兩端電壓波形圖圖5-18電壓源兩端電壓波形圖圖5-19負(fù)載與電源加和波形圖表1-1未來世界能源需求與再生能源可開發(fā)量表表1-2最優(yōu)光伏組件的本錢分析表表1-3全球光伏組件價(jià)格變化表表1-4光伏電池開展階段表表1-5國家發(fā)改委通知規(guī)定的全國光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)表表1-6我國實(shí)現(xiàn)光伏電池組件本錢和光伏發(fā)電電價(jià)降低的路線表表1-72006-2023年我國各年光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量及當(dāng)年新增裝機(jī)容量表表1-82000-2023年全球光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量及當(dāng)年新增裝機(jī)容量表表1-9全球光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量前六名表表2-1離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的根本要求表表2-2離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆蓄電池的根本要求表表2-3離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆蓄電池的根本要求表表2-4現(xiàn)階段光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器分類表表2-5光伏電池分類表表4-1蓄電池常用字母含義表第1章緒論1.1課題的研究背景及意義常規(guī)能源在消耗的過程中會(huì)產(chǎn)生多種有害氣體，不但污染環(huán)境，而且無法長(zhǎng)久穩(wěn)定地提供能源，而核能源雖然屬于新型能源，但是可使用量有限，其在消耗的過程中會(huì)產(chǎn)生放射性廢料。與現(xiàn)有的其他不可再生能源、甚至可再生能源相比，太陽能都可謂優(yōu)勢(shì)突出，來源充足、方便易得。太陽能光伏電源或者光伏電站的功率可以根據(jù)需要從數(shù)毫瓦至數(shù)十兆瓦配置，發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)周期短，方便靈活；作為將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿陌雽?dǎo)體器件-晶體硅太陽電池使用周期較長(zhǎng)，系統(tǒng)不存在轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，可靠性高，使用方便[1-5]。圖1-1所示為按照探明儲(chǔ)量和目前消耗速度進(jìn)行估算，世界和我國常規(guī)能源耗盡年份圖，表1-1所示為未來世界能源需求與再生能源可開發(fā)量表。圖1-1世界和我國常規(guī)能源耗盡年份表1-1未來世界能源需求與再生能源可開發(fā)量種類數(shù)量2004年世界實(shí)際能耗13TW2050年世界預(yù)測(cè)能耗30TW2100年世界預(yù)測(cè)能耗46TW未開發(fā)水力資源<0.5TW海洋能〔潮汐、海浪、海流〕<2TW地勢(shì)能12TW可利用的風(fēng)能2-4TW全球總太陽能120000TW由于相關(guān)技術(shù)水平和現(xiàn)實(shí)條件的影響，由表1-2和表1-3可知現(xiàn)階段的光伏發(fā)電本錢仍然要高于常規(guī)能源發(fā)電本錢，但是就開展趨勢(shì)而言，作為新型能源系統(tǒng)的代表其開發(fā)前景相當(dāng)廣闊。能源危機(jī)的出現(xiàn)，國家能源方案的開展，相關(guān)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，都預(yù)示著未來的電能時(shí)代將是光伏發(fā)電的時(shí)代，光伏發(fā)電本錢將繼續(xù)降低[6-13]，直到與常規(guī)能源發(fā)電本錢持平甚至更低。據(jù)《全球光伏市場(chǎng)分析和2023年展望》報(bào)告，到2030年光伏發(fā)電系統(tǒng)將提供2600TW/h的電能，電能總量將占到世界各地所需電能總量的14%。到本世紀(jì)末期，全球能源結(jié)構(gòu)將實(shí)現(xiàn)大調(diào)整和大轉(zhuǎn)型，而太陽能和光伏發(fā)電注定會(huì)成為佼佼者。表1-2所示為最優(yōu)光伏組件的本錢分析表，表1-3所示為全球光伏組件價(jià)格變化表。表1-2最優(yōu)光伏組件的本錢分析工程硅材料硅片電池組件總本錢本錢〔美元/W〕0.260.330.310.421.32表1-3全球光伏組件價(jià)格變化年份2005200620072023202320232023光伏電池年產(chǎn)量〔GW〕1.72.64.06.110.215.120.5年增幅〔%〕44585354664836組件平均出廠價(jià)〔美元/W〕3.54.13.93.63.53.33.2組件平均銷售價(jià)〔美元/W〕3.74.34.13.83.73.53.3組件價(jià)格年增幅〔%〕1416-5-7-4-4-6光伏系統(tǒng)裝機(jī)平均價(jià)格〔美元/W〕7.17.87.57.06.66.25.9光伏發(fā)電系統(tǒng)就是通過各種設(shè)備直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)[14-22]，因此開展針對(duì)該系統(tǒng)的研究對(duì)于合理高效利用資源、推動(dòng)新型能源的開發(fā)、促進(jìn)光伏發(fā)電系統(tǒng)的開展具有重要意義。隨著國家政府的大力支持和相關(guān)政府部門的大力推廣，未來的光伏發(fā)電系統(tǒng)將逐漸朝著小型化和分散化的方向開展，也將逐漸進(jìn)入普通百姓的日常生活中，因此開展本次課題研究對(duì)于把握光伏發(fā)電系統(tǒng)的開展趨勢(shì)具有重要意義。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1我國太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與開展趨勢(shì)上世紀(jì)五十年代，在技術(shù)開展的要求下和國外先進(jìn)技術(shù)的推動(dòng)下，我國開始研究并成功研制出具有實(shí)用價(jià)值的光伏電池，標(biāo)志著我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)開展的開端。七十年代初期作為我國航天事業(yè)開展的關(guān)鍵時(shí)期，首次將發(fā)射衛(wèi)星的供電電源由傳統(tǒng)電池更換為光伏電池，為我國航天事業(yè)的進(jìn)步奉獻(xiàn)力量。在隨后的幾十年的時(shí)間里，光伏發(fā)電的研究及應(yīng)用從未間斷，各個(gè)領(lǐng)域也在不斷開發(fā)光伏電池的潛力，為我國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步開展奠定了根底。七十年代末期到八十年代中期作為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)開展的鼎盛時(shí)期，研究人員開始考慮將半導(dǎo)體器件與光伏電池相結(jié)合，成功研制出單晶硅光伏電池，完成戰(zhàn)略性突破的同時(shí)對(duì)該產(chǎn)業(yè)的后續(xù)開展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，標(biāo)志著我國光伏工業(yè)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)進(jìn)入萌芽期。八十年代末期，通過引進(jìn)國外成套先進(jìn)技術(shù)和自主研發(fā)器件生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)水平顯著提高的同時(shí)開啟了產(chǎn)業(yè)開展的新篇章，標(biāo)志著我國光伏產(chǎn)業(yè)的初步形成。九十年代至今，我國光伏產(chǎn)業(yè)一直保持著穩(wěn)步開展的狀態(tài)，工藝技術(shù)不斷提高的同時(shí)，生產(chǎn)設(shè)備也在不斷更新?lián)Q代，生產(chǎn)量的逐漸增加預(yù)示著我國光伏產(chǎn)業(yè)即將步入攻堅(jiān)克難的全新階段。表1-4所示為光伏電池開展階段表。表1-4光伏電池開展階段光伏電池開展階段組成轉(zhuǎn)換效率〔%〕商業(yè)狀態(tài)特征體晶體光伏電池單晶硅16-18商業(yè)應(yīng)用最久多晶硅12-17商業(yè)生產(chǎn)量最大化合物半導(dǎo)體〔GaAs〕28-35〔GaAs〕太空應(yīng)用效率高，本錢高薄膜光伏電池非晶硅薄膜非晶/微晶硅薄膜8-1012商業(yè)已產(chǎn)業(yè)化前景開闊但不穩(wěn)定頗有競(jìng)爭(zhēng)力化合物薄膜〔CdTe〕化合物薄膜〔CIGS〕10-1210-15已產(chǎn)業(yè)化正在產(chǎn)業(yè)化原料毒性原料緊張多結(jié)疊層薄膜正在產(chǎn)業(yè)化可吸收寬太陽光譜染料敏化電池〔TiO2〕11研發(fā)價(jià)格低廉但不穩(wěn)定新概念光伏電池量子阱電池等研發(fā)效率高，開發(fā)難度大圖1-2所示為世界和我國光伏電池的生產(chǎn)量圖。圖1-2世界和我國光伏電池的生產(chǎn)量圖由圖1-2可知，無論是從世界整體水平出發(fā)，還是僅僅就我國情況而言，光伏電池的生產(chǎn)量都呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，2023年全世界累計(jì)生產(chǎn)量約為2001年全世界累計(jì)生產(chǎn)量的一百倍，2023年我國累計(jì)生產(chǎn)量約為2001年累計(jì)生產(chǎn)量的兩倍，雖然與國際水平有所差距，但是不可否認(rèn)的是未來光伏電池的生產(chǎn)量仍將顯著增加。圖1-3所示為全世界不同種類光伏電池的生產(chǎn)量圖。圖1-3全世界不同種類光伏電池的生產(chǎn)量單晶硅光伏電池作為應(yīng)用最廣的光伏電池，隨著技術(shù)的不斷開展，生產(chǎn)量有所下降，但是其在各種類型光伏電池生產(chǎn)量中仍處于主導(dǎo)地位。為了推動(dòng)光伏發(fā)電系統(tǒng)的開展，2023年國家相關(guān)部門出臺(tái)政策明確規(guī)定了全國不同地區(qū)光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)，表1-5所示為國家發(fā)改委通知規(guī)定的全國光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)表，政策出臺(tái)的目的是進(jìn)行大力推廣，通過經(jīng)濟(jì)補(bǔ)貼吸引企業(yè)、機(jī)構(gòu)、個(gè)人的關(guān)注以實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源系統(tǒng)的宣傳普及。表1-5國家發(fā)改委通知規(guī)定的全國光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)資源區(qū)光伏電站標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)各資源區(qū)所包含的地區(qū)I類0.90元/〔kW·h〕寧夏、青海海西、甘肅嘉峪關(guān)、武威、張掖、酒泉、敦煌、金昌、新疆哈密、塔城、阿勒泰、克拉瑪依、內(nèi)蒙古除赤峰、通遼、興安盟、呼倫貝爾以外的地區(qū)II類0.95元/〔kW·h〕北京、天津、黑龍江、吉林、遼寧、四川、云南、內(nèi)蒙古赤峰、通遼、興安盟、呼倫貝爾、河北承德、張家口、唐山、秦皇島、山西大同、朔州、沂州、陜西榆林、延安、青海、甘肅、新疆除I類外其他地區(qū)III類1.0元/〔kW·h〕除I類、II類資源區(qū)以外的其他地區(qū)表1-6所示為我國實(shí)現(xiàn)光伏電池組件本錢和光伏發(fā)電電價(jià)降低的路線表。表1-6我國實(shí)現(xiàn)光伏電池組件本錢和光伏發(fā)電電價(jià)降低的路線年份20232023202320232023多晶硅〔元/kg〕1500700500400300125mm*125mm裸硅片〔元/W〕24108.56.65.5光伏電池〔元/W〕3114129.57組件〔元/W〕402017.51412系統(tǒng)〔元/W〕5030262018電價(jià)〔元/kWh〕2.381.701.471.191.02表1-7所示為2006-2023年我國各年光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量及當(dāng)年新增裝機(jī)容量表。表1-72006-2023年我國各年光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量及當(dāng)年新增裝機(jī)容量年份當(dāng)年年底累計(jì)裝機(jī)容量〔MW〕當(dāng)年新增裝機(jī)容量〔MW〕2006801220071002020231454520233732282023893520202335002607202370003500由表1-5、表1-6和表1-7可知，在我國電價(jià)補(bǔ)貼政策發(fā)布后，我國年新增光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量呈現(xiàn)出爆發(fā)性增長(zhǎng)趨勢(shì)，在一定程度上到達(dá)了推廣和普及的目的。1.2.2國外太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)化現(xiàn)狀與開展趨勢(shì)表1-8所示為2000-2023年全球光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量及當(dāng)年新增裝機(jī)容量表。表1-82000-2023年全球光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量及當(dāng)年新增裝機(jī)容量年份當(dāng)年年底累計(jì)裝機(jī)容量〔MW〕當(dāng)年新增裝機(jī)容量〔MW〕20001425-200117533282002222046720032798578200439111113200553401429200669151575200794432528202315772632920232321074382023400191680920237127131252202310127130000由表1-8可知，2023年我國累計(jì)裝機(jī)總量約為2001年累計(jì)裝機(jī)總量的一百五十倍，根據(jù)此開展趨勢(shì)可以預(yù)料在未來十幾年甚至幾十年的時(shí)間內(nèi)光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量將會(huì)快速增加。表1-9所示為全球光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量前六名表。表1-9全球光伏發(fā)電系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量前六名排名國家至2023年年底累計(jì)裝機(jī)容量〔MW〕1德國322782意大利162503美國75834中國70005日本69146西班牙5100雖然受到經(jīng)濟(jì)因素的影響，興旺國家推動(dòng)光伏發(fā)電系統(tǒng)開展的腳步有所減緩并且普遍下調(diào)補(bǔ)貼費(fèi)率，但是從表1-9中可知，歐洲市場(chǎng)在全球光伏發(fā)電系統(tǒng)市場(chǎng)中仍占有較大的比重且裝機(jī)量仍保持在穩(wěn)步增長(zhǎng)的狀態(tài)。德國作為全球科技大國，從政府到企業(yè)都非常重視光伏產(chǎn)業(yè)的開展，政府部門出臺(tái)政策法規(guī)、提供研發(fā)資金支持并制定相應(yīng)的能源開展方案，目的就是在最短的時(shí)間內(nèi)以最高的效率實(shí)現(xiàn)光伏產(chǎn)業(yè)的鏈條化；相關(guān)企業(yè)積極響應(yīng)國家號(hào)召，建立研究實(shí)驗(yàn)室，開發(fā)先進(jìn)儀器設(shè)備，大力宣傳推廣分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)。然而，隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和全球經(jīng)濟(jì)開展趨勢(shì)的變化，光伏市場(chǎng)的開展重心已經(jīng)不僅僅局限在發(fā)到國家，我國作為新興光伏產(chǎn)業(yè)國家已經(jīng)逐漸形成技術(shù)優(yōu)勢(shì)和裝機(jī)容量?jī)?yōu)勢(shì)成為世界范圍內(nèi)的第二大市場(chǎng)，美國和日本緊隨其后。日本政府借鑒德國政府的開展政策，提供研發(fā)資金支持的同時(shí)，在全球范圍內(nèi)率先啟動(dòng)光伏應(yīng)用市場(chǎng)，有效地推動(dòng)了本國光伏制造業(yè)的開展。1.3本文研究?jī)?nèi)容1.3.1課題研究?jī)?nèi)容和目標(biāo)本文以研究離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)為目標(biāo)，以相關(guān)根本理論為基石，通過模塊化設(shè)計(jì)，利用仿真工具進(jìn)行模擬，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)該系統(tǒng)的深入研究。以光伏電池〔將光能轉(zhuǎn)換為電能〕、蓄電池〔儲(chǔ)存電能〕、變換器〔將直流電能變換為交流電能、將直流電能變換為直流電能〕、控制器〔控制能量轉(zhuǎn)換過程〕等硬件模塊和最大功率點(diǎn)跟蹤原理及算法等理論作為研究根底，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括對(duì)太陽能電池板的配置和計(jì)算、蓄電池組的配置和計(jì)算、DC-DC變換器的設(shè)計(jì)、DC-AC逆變器的設(shè)計(jì)和控制器的設(shè)計(jì)等。以負(fù)荷要求為根據(jù)，進(jìn)行有關(guān)參量的計(jì)算，選取適宜的先進(jìn)硬件材料，確定光伏電池和蓄電池的串并聯(lián)數(shù)目；考慮輸入與輸出的數(shù)量關(guān)系，考慮實(shí)際負(fù)荷要求，考慮各種因素的影響，選取適宜的變換器；由于智能控制器能夠完成對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，保證系統(tǒng)正常且高效運(yùn)行，因此非常適合作為系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)。借助MATLAB的仿真功能，依據(jù)的對(duì)各個(gè)模塊的工作原理、根本結(jié)構(gòu)的分析與研究，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)多個(gè)模塊的模擬仿真。圖1-4所示為是家用5KW離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，該系統(tǒng)主要為家用空調(diào)和新能源觀光電動(dòng)汽車充電器提供電能。家用空調(diào)為分體式空調(diào)器一般為交流220V、50HZ、800W-1500W，觀光電動(dòng)汽車充電器為直流48V、3kW。系統(tǒng)主要構(gòu)成模塊如圖1-4所示，陽光充足的條件下，系統(tǒng)正常工作，光伏電池完成能量的轉(zhuǎn)換過程，沒有負(fù)載的情況下，控制器需要實(shí)現(xiàn)控制電能儲(chǔ)存以備用功能；有負(fù)載需要供電的情況下，控制器控制系統(tǒng)產(chǎn)生的電能為負(fù)載供電，如果負(fù)載為交流負(fù)載，那么需要利用變換器將直流電轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的交流電；如果負(fù)載為直流負(fù)載，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能與負(fù)載所需電能可能存在不匹配情況，那么需要利用變換器將其轉(zhuǎn)換為滿足負(fù)載要求的直流電。陽光缺乏的條件下，太陽能電池板無法正常工作以完成能量的轉(zhuǎn)換過程，當(dāng)負(fù)載需要電能供給時(shí)，那么由控制器控制先前備用儲(chǔ)存的電能為負(fù)載供電。由于該系統(tǒng)容量和負(fù)載功率較大，需要蓄電池組，故使系統(tǒng)本錢增加。圖1-4家用4kW離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.太陽能電池板的配置與計(jì)算方法太陽能電池板是由光伏陣列經(jīng)過串并聯(lián)構(gòu)成的，其配置和計(jì)算的主要內(nèi)容是在滿足負(fù)載日用電量要求的情況下，考慮到設(shè)備本錢、占地面積、氣候環(huán)境條件等因素的影響，選取適宜的光伏陣列器件，以負(fù)載日用電量為主要依據(jù)，再結(jié)合多種相關(guān)影響因素的作用進(jìn)行計(jì)算，最終確定組件的串并聯(lián)數(shù)目。計(jì)算光伏電池組件的并聯(lián)數(shù)目需要以每個(gè)組件的日平均發(fā)電量為基準(zhǔn)，選取適宜的光伏陣列器件后即可通過查詢產(chǎn)品參數(shù)確定單個(gè)組件的日平均發(fā)電量，再將負(fù)載的電壓/功率數(shù)據(jù)和平均使用時(shí)間相結(jié)合即可計(jì)算負(fù)載日用電量。兩個(gè)參量的比值即為組件的并聯(lián)數(shù)目，具體公式為：電池組件的并聯(lián)數(shù)=〔1-1〕其中，組件日平均發(fā)電量=組件峰值工作電流〔A〕*峰值日照時(shí)數(shù)〔h〕〔1-2〕與求解設(shè)備并聯(lián)數(shù)目的原理類似，計(jì)算光伏電池組件的串聯(lián)數(shù)目需要以每個(gè)組件的峰值工作電壓為基準(zhǔn)，選取適宜的光伏陣列器件后即可通過查詢產(chǎn)品參數(shù)確定單個(gè)組件的峰值工作電壓，根據(jù)負(fù)載的電壓/功率數(shù)據(jù)即可獲取整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓。兩個(gè)參量的比值即為組件的并聯(lián)數(shù)目，具體公式為：電池組件的串聯(lián)數(shù)=〔1-3〕式1-3中的系數(shù)1.43表示的是相關(guān)影響因素量化后的影響系數(shù)值。太陽能電池板的總功率計(jì)算公式為：電池組件〔方陣〕總功率〔W〕=組件并聯(lián)數(shù)*組件串聯(lián)數(shù)*選定組件的峰值輸出功率〔W〕〔1-4〕影響設(shè)備發(fā)電量的因素較多，需要考慮的主要因素是，器件具有使用壽命，而在使用壽命范圍內(nèi)，使用時(shí)間越長(zhǎng)，器件老化越嚴(yán)重，能量轉(zhuǎn)換效率越低，線路損耗越大，再考慮到器件使用環(huán)境的影響，太陽能電池板的功率會(huì)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷衰退，因此在設(shè)計(jì)階段需要為器件的自檢預(yù)留余量。2.蓄電池組的配置與計(jì)算方法與太陽能電池板類似，要完成系統(tǒng)工作任務(wù)到達(dá)負(fù)載要求，需要蓄電池組串并聯(lián)，其配置和計(jì)算的主要內(nèi)容是與前者相配合，設(shè)計(jì)合理的蓄電池容量以滿足系統(tǒng)負(fù)載需求，在滿足負(fù)載日用電量要求的情況下，考慮到設(shè)備本錢、占地面積、氣候環(huán)境條件等因素的影響，選取適宜的蓄電池器件，現(xiàn)階段多采用鉛酸蓄電池，再結(jié)合多種相關(guān)影響因素的作用進(jìn)行計(jì)算，最終確定相應(yīng)設(shè)備的串并聯(lián)數(shù)目。計(jì)算蓄電池組的容量的公式較多，主要是由于影響因素較多，考慮不同的影響因素，得到的蓄電池組容量也會(huì)存在一定的差異性。而在一般情況下，蓄電池容量預(yù)估只需要考慮負(fù)載日用電量和當(dāng)?shù)剡B續(xù)陰雨天數(shù)即可，如果想要進(jìn)一步精確計(jì)算，那么需要考慮到蓄電池的最大放電深度系數(shù)，具體公式為：蓄電池容量=〔1-5〕影響器件容量的因素較多，需要考慮的主要因素是，器件具有使用壽命，而在此期間內(nèi)，使用時(shí)間越長(zhǎng)，器件老化越嚴(yán)重，產(chǎn)生一定的充放電損耗，影響蓄電池的功率，進(jìn)而影響其容量；蓄電池組長(zhǎng)期工作在充放電狀態(tài)，其容量會(huì)受到放電率的影響，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載工作電流大時(shí)，與設(shè)計(jì)容量相比，設(shè)備實(shí)際容量偏小，這樣就會(huì)造成系統(tǒng)供電量的缺乏；而系統(tǒng)負(fù)載工作電流小時(shí)，與設(shè)計(jì)容量相比，設(shè)備實(shí)際容量偏大，這樣就會(huì)造成系統(tǒng)本錢的增加；工作環(huán)境溫度也會(huì)對(duì)蓄電池組的容量產(chǎn)生一定的影響，蓄電池組容量會(huì)隨著環(huán)境溫度的降低而不斷下降，也會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高而略有上升。計(jì)算蓄電池組的串聯(lián)數(shù)目需要以每個(gè)組件的標(biāo)稱電壓為基準(zhǔn)，選取適宜的蓄電池器件后即可通過查詢產(chǎn)品參數(shù)確定單個(gè)組件的標(biāo)稱電壓，根據(jù)負(fù)載的電壓/功率數(shù)據(jù)即可獲取整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓。兩個(gè)參量的比值即為組件的串聯(lián)數(shù)目，具體公式為：蓄電池串聯(lián)數(shù)=〔1-6〕與求解設(shè)備并聯(lián)數(shù)目的原理類似，計(jì)算蓄電池組的并聯(lián)數(shù)目需要以每個(gè)組件的標(biāo)稱容量為基準(zhǔn)，選取適宜的蓄電池器件后即可通過查詢產(chǎn)品參數(shù)確定單個(gè)組件的標(biāo)稱容量，再結(jié)合已經(jīng)計(jì)算得到的器件總?cè)萘浚瑑蓚€(gè)參量的比值即為組件的并聯(lián)數(shù)目，具體公式為：蓄電池并聯(lián)數(shù)=〔1-7〕從計(jì)算原理上分析，對(duì)蓄電池組的串并聯(lián)數(shù)目并沒有限制，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中，在蓄電池組件型號(hào)未定的情況下，盡可能選擇標(biāo)稱容量較大的蓄電池，主要目的是在蓄電池總?cè)萘恳欢ǖ臈l件下，盡量減少器件的并聯(lián)。由于器件制造工藝、工作環(huán)境的影響，并聯(lián)蓄電池組不可能到達(dá)完全相同的狀態(tài)，因此會(huì)造成并聯(lián)蓄電池之間的不平衡。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，現(xiàn)有的光伏發(fā)電系統(tǒng)多采用兩組蓄電池并聯(lián)，既能夠?qū)⒉⒙?lián)不平衡影響降到最低，又能夠保證系統(tǒng)工作的可靠性。3.逆變器的設(shè)計(jì)與選擇光伏系統(tǒng)逆變器轉(zhuǎn)換電路的工作頻率可以分為工頻50Hz、中頻百赫茲至千赫茲級(jí)別和高頻千赫茲至兆赫茲級(jí)別，因此可以以此為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該設(shè)備進(jìn)行分類。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，工頻逆變器的缺陷較多，如效率低下、輕載運(yùn)行空載損耗大等，所以本系統(tǒng)采用高頻逆變器。高頻逆變器的模塊構(gòu)成框圖如圖1-5所示，上一個(gè)模塊的輸出作為下一個(gè)模塊的輸入，不同模塊的輸入輸出存在電壓等級(jí)和電壓類型的差異。圖1-5逆變電路根本電路構(gòu)成圖光伏逆變器需要設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是系統(tǒng)多個(gè)模塊之間相互配合，計(jì)算光伏逆變器的功率、電壓并確定其相數(shù)，考慮到設(shè)備本錢、占地面積、氣候環(huán)境條件等因素的影響，選取適宜的光伏逆變器。逆變器持續(xù)工作功率應(yīng)當(dāng)大于負(fù)載正常工作功率，負(fù)載啟動(dòng)功率應(yīng)當(dāng)小于逆變器最大沖擊功率，在滿足負(fù)載要求的前提下應(yīng)當(dāng)盡量提高系統(tǒng)工作電壓以減小系統(tǒng)損耗，在實(shí)際應(yīng)用的過程中還需要考慮為未來光伏發(fā)電系統(tǒng)的擴(kuò)容留有余量，具體公式為：逆變器的功率=阻性負(fù)載功率*〔1.2-1.5〕+感性負(fù)載功率*〔5-7〕〔1-8〕影響光伏逆變器設(shè)計(jì)和選擇的因素較多，而在實(shí)際應(yīng)用的過程中，需要根據(jù)工作環(huán)境和使用條件等進(jìn)行合理選擇。選取適宜的光伏逆變器不僅能夠節(jié)省工程本錢、簡(jiǎn)化安裝條件、縮短安裝時(shí)間，而且能夠有效改善系統(tǒng)的發(fā)電效率。4.控制器的設(shè)計(jì)與選擇控制器是光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制核心，需要監(jiān)控系統(tǒng)變量的實(shí)時(shí)狀態(tài)，需要保障系統(tǒng)的正常工作與運(yùn)行。對(duì)于小型系統(tǒng)而言，控制器的主要作用是保護(hù)蓄電池以防止蓄電池中儲(chǔ)存的電能反充給太陽能電池板；對(duì)于大型系統(tǒng)而言，控制器的主要作用除了保護(hù)蓄電池，還需要平衡系統(tǒng)總能量以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)行等。圖1-6多路光伏系統(tǒng)控制器的電路原理圖圖1-6所示位多路光伏系統(tǒng)控制器的原理圖，根本思想是依據(jù)蓄電池組的充電狀態(tài)或者放電狀態(tài)來控制多路開關(guān)的通斷以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)電能的控制和對(duì)系統(tǒng)器件的保護(hù)。多路控制器的應(yīng)用有利有弊，其優(yōu)勢(shì)在于能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)器件輸出電壓、電流的近似線性調(diào)節(jié)，而其劣勢(shì)在于本錢提高，因此在選取器件時(shí)，不僅要考慮到器件對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行特性的影響，還需要考慮設(shè)備本錢、占地面積、氣候環(huán)境條件等因素。由圖可知，流過控制器的最大電流可能是光伏組件短路電流，也有可能是負(fù)載最大工作電流，因此控制器的額定工作電流需要大于兩者中的較大值，在實(shí)際應(yīng)用的過程中還需要考慮為未來的光伏發(fā)電系統(tǒng)留取擴(kuò)展空間。5．5kW離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)模擬仿真利用設(shè)計(jì)好的各個(gè)模塊構(gòu)建離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)模型，利用Matlab對(duì)系統(tǒng)的各模塊進(jìn)行仿真，比照理論分析結(jié)果與仿真結(jié)果。不同國家、不同地區(qū)的光能資源各有特點(diǎn)，因此在設(shè)備選型時(shí)需要遵循一定的原那么。在進(jìn)行光伏組件選型時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合當(dāng)?shù)靥柲茌椪斩确植记闆r進(jìn)行選擇，在選擇光伏支架類型時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮太陽能總輻射中的直接輻射比例，在選擇輸入逆變器的光伏組件功率與逆變器自身功率配比時(shí)，應(yīng)當(dāng)依據(jù)本地輻射和環(huán)境溫度等條件模擬出輸出逆變器的光伏組件出力曲線，防止造成器件容量的浪費(fèi)。1.3.2擬解決的關(guān)鍵性問題在上述研究?jī)?nèi)容中需要解決的關(guān)鍵問題為：對(duì)太陽能電池板的配置和計(jì)算、蓄電池組的配置和計(jì)算、直流-直流變換器的設(shè)計(jì)、直流-交流逆變器的設(shè)計(jì)和控制器的設(shè)計(jì)等。以負(fù)荷要求為根據(jù)，進(jìn)行有關(guān)參量的計(jì)算，選取適宜的先進(jìn)硬件材料，盡量消除各種因素對(duì)器件參數(shù)和工作性能的影響，確定光伏電池和蓄電池的串并聯(lián)數(shù)目；考慮輸入與輸出的數(shù)量關(guān)系，考慮實(shí)際負(fù)荷要求，考慮各種因素的影響，選取適宜的變換器和控制器；借助MATLAB的仿真功能，依據(jù)的對(duì)各個(gè)模塊的工作原理、根本結(jié)構(gòu)的分析與研究，旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)多個(gè)模塊的模擬仿真并分析仿真結(jié)果。1.3.3課題的創(chuàng)新性根據(jù)專用負(fù)載系統(tǒng)參數(shù)要求配置光伏發(fā)電系統(tǒng)，合理優(yōu)化設(shè)計(jì)、選擇使用設(shè)備，減少資金投入，防止資源浪費(fèi)，使系統(tǒng)整體綜合本錢效益最正確。第2章太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成光伏發(fā)電系統(tǒng)涉及到的主要器件包括，光伏電池〔將光能轉(zhuǎn)換為電能〕、蓄電池〔儲(chǔ)存電能〕、變換器〔將直流電能變換為交流電能、將直流電能變換為直流電能〕、控制器〔控制能量轉(zhuǎn)換過程〕等。圖2-1所示為光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖。圖2-1光伏發(fā)電系統(tǒng)示意圖2.1.1光伏陣列應(yīng)用時(shí)間最久的單晶體硅光伏電池，在其內(nèi)部PN結(jié)電場(chǎng)作用下，射入的光子在光伏電池的背光側(cè)與受光側(cè)分別累積正負(fù)電荷。為了減少太陽光反射，晶片外表制絨并涂上減反射膜，在電池上下外表印刷和燒結(jié)金屬電極并外接導(dǎo)線和負(fù)載以構(gòu)成光伏電池，這些措施都有利于提高電池的轉(zhuǎn)換效率。單個(gè)光伏電池?zé)o法直接應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)的原因較多[23-26]，主要是分為以下幾個(gè)方面，從機(jī)械強(qiáng)度上分析，單個(gè)光伏電池的機(jī)械強(qiáng)度較差，屬于易碎品；從物理強(qiáng)度上分析，單個(gè)光伏電池易受環(huán)境因素影響，腐蝕氧化等；從電氣性能上分析，單個(gè)光伏電池的電氣量參數(shù)較小，實(shí)際應(yīng)用中無法滿足負(fù)載工作的需要。由于以上因素的影響，因此一般將多個(gè)光伏電池進(jìn)行串并聯(lián)后封裝，既滿足機(jī)械強(qiáng)度的要求，有滿足電氣性能的要求，以形成光伏電池組件[27-29]。它是光伏陣列的最小轉(zhuǎn)換單位，根據(jù)實(shí)際工程需要進(jìn)行串并聯(lián)計(jì)算后搭建組裝即可形成光伏電池陣列。2.1.2逆變器逆變器是將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿淖兞餮b置，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組件[30-31]。在實(shí)際應(yīng)用的過程中，小功率逆變器通常采用驅(qū)動(dòng)功率較小的MOSFET，中等功率逆變器通常采用驅(qū)動(dòng)功率略高于MOSFET的IGBT，大功率逆變器通常采用驅(qū)動(dòng)功率較大的GTO。由于IGBT是GTO和MOSFET的結(jié)合體，因此在逆變器應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢(shì)，統(tǒng)計(jì)資料顯示現(xiàn)階段的光伏逆變器大多采用3000A/1700V及以上的大功率IGBT器件。表2-1所示為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的根本要求表。表2-1離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的根本要求逆變器根本要求說明性能良好逆變器的各個(gè)組件都需要保證運(yùn)行性能，各種平安功能要具備整機(jī)效率高低負(fù)荷供電時(shí)仍保持較高的效率，離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)專用逆變器性能優(yōu)于通用逆變器的特點(diǎn)輸出電壓失真度低當(dāng)逆變器的輸出電壓為方波或者非正弦波時(shí)，輸出電壓中將含有高次諧波，高次諧波電流在電感性負(fù)載上產(chǎn)生渦流等附加損耗，影響電氣設(shè)備的平安運(yùn)行2.1.3蓄電池蓄電池組是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能的儲(chǔ)能裝置，是光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要組成局部，可以分為高能量密度蓄電池組和高功率密度蓄電池組兩種，高能量密度蓄電池組的作用是儲(chǔ)存電能和調(diào)節(jié)電能，而高功率密度蓄電池組的作用是調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率維持功率平衡。表2-2所示為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆變器的根本要求表。表2-2離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆蓄電池的根本要求蓄電池根本要求說明物理性能適用于循環(huán)應(yīng)用，壽命較長(zhǎng)工作環(huán)境溫度為-10-40°C，濕度為90%，最高海拔可以到達(dá)5000m電氣性能過放電后容量恢復(fù)性能好，容量均一性高且偏差小于5%機(jī)械性能防爆、阻燃、抗震2.1.4控制器對(duì)于離網(wǎng)型系統(tǒng)而言，必須要配備儲(chǔ)能蓄電池，陽光充足的條件下，系統(tǒng)正常工作，光伏電池完成能量的轉(zhuǎn)換過程，沒有負(fù)載的情況下，控制器需要實(shí)現(xiàn)控制電能儲(chǔ)存以備用功能；有負(fù)載需要供電的情況下，控制器控制系統(tǒng)產(chǎn)生的電能為負(fù)載供電，如果負(fù)載為交流負(fù)載，那么需要利用變換器將直流電轉(zhuǎn)換為負(fù)載所需的交流電；如果負(fù)載為直流負(fù)載，系統(tǒng)產(chǎn)生的電能與負(fù)載所需電能可能存在不匹配情況，那么需要利用變換器將其轉(zhuǎn)換為滿足負(fù)載要求的直流電。陽光缺乏的條件下，太陽能電池板無法再產(chǎn)生電能，有負(fù)載需要供電的情況下，那么由控制器控制蓄電池為負(fù)載供電并保持供電電壓的穩(wěn)定[32-35]。蓄電池組長(zhǎng)期工作在充放電狀態(tài)，頻繁地過充電和過放電不僅會(huì)影響到組件的容量，而且會(huì)影響到組件的壽命，因此有必要對(duì)工作過程進(jìn)行適當(dāng)控制。控制器的作用就是通過電壓檢測(cè)判斷其是否到達(dá)過充界點(diǎn)或者過放界點(diǎn)，根據(jù)電壓檢測(cè)結(jié)果實(shí)施響應(yīng)的控制作用。表2-3所示為離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)控制器的功能要求[36-37]表。表2-3離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)對(duì)逆蓄電池的根本要求控制器功能要求說明高壓斷開和恢復(fù)功能輸入高壓斷開和恢復(fù)連接的功能欠壓告警和恢復(fù)功能蓄電池電壓降到欠壓告警點(diǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)自動(dòng)發(fā)出聲光告警信號(hào)低壓斷開和恢復(fù)功能防止蓄電池過放電，通過一種繼電器或者電子開關(guān)連接負(fù)載，可在某給定低壓點(diǎn)自動(dòng)切斷負(fù)載，當(dāng)電壓恢復(fù)到平安運(yùn)行范圍時(shí)，負(fù)載將自動(dòng)重新接入或者要求手動(dòng)重新接入保護(hù)功能防止任何負(fù)載斷路的電流保護(hù)、防止充電控制器內(nèi)部短路的電路保護(hù)、防止夜間蓄電池通過太陽電池組件反向放電保護(hù)、防止負(fù)載或太陽電池組件或蓄電池極性反接的電路保護(hù)、在多雷區(qū)防止由于雷擊引起的擊穿保護(hù)溫度補(bǔ)償功能當(dāng)蓄電池溫度低于25°C時(shí)，蓄電池應(yīng)要求較高的充電電壓以完成充電過程；當(dāng)蓄電池溫度高于25°C時(shí)，蓄電池應(yīng)要求較低的充電電壓以完成充電過程表2-4所示為現(xiàn)階段光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器分類表。表2-4現(xiàn)階段光伏發(fā)電系統(tǒng)控制器分類控制器分類說明并聯(lián)型光伏控制器一般用于小型、低功率發(fā)電系統(tǒng)，當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，利用電子部件把光伏陣列的輸出分流到內(nèi)部并聯(lián)電阻器或者功率模組上，以熱的形式消耗掉串聯(lián)型光伏控制器一般用于較高功率的太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，利用機(jī)械繼電器控制充電過程，在夜間切斷光伏陣列脈寬調(diào)制型光伏控制器以PWM脈沖方式開關(guān)光伏陣列輸入，當(dāng)蓄電池趨于充滿時(shí)，脈沖的頻率和時(shí)間縮短，增加光伏發(fā)電系統(tǒng)中蓄電池的總循環(huán)壽命智能型光伏控制器能對(duì)光伏電源系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行高速即時(shí)采集，并能對(duì)單路或者多路光伏陣列按照一定的控制規(guī)律進(jìn)行切離和接通控制最大功率跟蹤型光伏控制器不但能夠判斷系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的輸出功率是否到達(dá)最大值，而且能夠隨時(shí)調(diào)整太陽能電池始終運(yùn)行在最大功率點(diǎn)處，采用PWN調(diào)制方式使充電電流成為脈沖電流，減少蓄電池極化，提高充電效率2.2光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)負(fù)載種類可以分為直流負(fù)載直結(jié)型系統(tǒng)、直流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)、交流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)和直、交流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)。直流負(fù)載直結(jié)型系統(tǒng)如圖2-2所示，太陽能電池與負(fù)載直接連接，從圖中可知此系統(tǒng)是一種不具有蓄電池的離網(wǎng)型系統(tǒng)，應(yīng)用場(chǎng)合較為有限，負(fù)載類型也多為次要負(fù)載。圖2-2直流負(fù)載直結(jié)型系統(tǒng)直流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)如圖2-3所示，與直流負(fù)載直結(jié)型系統(tǒng)相比，增加了充放電控制器和蓄電池組，蓄電池組用來存儲(chǔ)電能以供直流負(fù)載使用，白天陽光充足時(shí)，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)把其所產(chǎn)生的電能一局部供直流負(fù)載使用，一局部存儲(chǔ)在蓄電池組中；陽光缺乏的條件下，照射到太陽能電池板的光子能量缺乏以完成能量轉(zhuǎn)換過程，有負(fù)載需要供電的情況下，那么由控制器控制蓄電池為負(fù)載供電并保持供電電壓的穩(wěn)定。圖2-3直流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)交流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)如圖2-4所示，與直流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)相比，增加了逆變器因而能夠?yàn)榻涣髫?fù)載提供電能。由于負(fù)載為交流設(shè)備，而發(fā)電系統(tǒng)輸出的是直流電能，因此必須利用逆變器進(jìn)行不同形式能量的相互轉(zhuǎn)換。圖2-4交流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)直、交流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)如圖2-5所示，與直流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)、交流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)可以同時(shí)為直流電氣設(shè)備以及交流電氣設(shè)備提供電能，住宅用系統(tǒng)大多采用直、交流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)。圖2-5直、交流負(fù)載蓄電池使用型系統(tǒng)2.3光伏電池2.3.1光伏電池的分類表2-5所示為光伏電池分類表。表2-5光伏電池分類光伏電池分類依據(jù)主要類型說明按照結(jié)構(gòu)劃分同質(zhì)結(jié)光伏電池由同一種半導(dǎo)體材料構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)P-N結(jié)的光伏電池異質(zhì)結(jié)光伏電池使用兩種不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料在相接的界面上構(gòu)成一個(gè)異質(zhì)P-N結(jié)的光伏電池肖特基結(jié)光伏電池使用金屬和半導(dǎo)體接觸組成一個(gè)“肖特基勢(shì)壘〞的光伏電池多結(jié)光伏電池由多個(gè)P-N結(jié)形成的光伏電池液結(jié)光伏電池由浸入電解質(zhì)中的半導(dǎo)體構(gòu)成的液結(jié)光伏電池按照形狀劃分塊狀光伏電池指像單晶硅、多晶硅制造的塊狀晶體，加工成薄片作為片狀半導(dǎo)體用于光伏電池薄膜光伏電池半導(dǎo)體層厚度為50μm以下的光伏電池按照材料劃分硅光伏電池以硅作為基體材料的光伏電池化合物半導(dǎo)體光伏電池以兩種或兩種以上元素組成的具有半導(dǎo)體特性的化合物材料制成的化合物半導(dǎo)體光伏電池有機(jī)半導(dǎo)體光伏電池用含有一定數(shù)量的碳-碳鍵且導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間的有機(jī)半導(dǎo)體材料制成的光伏電池2.3.2太陽能電池的工作原理光伏電池能夠?qū)崿F(xiàn)將光能轉(zhuǎn)換為電能的理論根底是半導(dǎo)體PN結(jié)的光伏效應(yīng)，指的是當(dāng)光線照射半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)部的電荷分布狀況會(huì)隨之發(fā)生變化，電荷的移動(dòng)產(chǎn)生電勢(shì)與電流。對(duì)于PN結(jié)而言，光線照射激發(fā)產(chǎn)生帶電粒子，在內(nèi)電場(chǎng)的作用下，帶電粒子移動(dòng)并積聚，形成光生電壓。2.3.3太陽能電池物理模型及根本特性1.短路電流將PN結(jié)外電路短路后流過的電流即為短路電流，也即與入射光能量成正比的光生電流。雖然較大的半導(dǎo)體材料禁帶寬度非常有利于開路電壓的提升，但是這會(huì)導(dǎo)致能夠產(chǎn)生光電流的光子的比例下降，進(jìn)而引起光生電流的弱化。開路電壓將PN結(jié)外電路開路后其兩端的電壓即為開路電壓，PN結(jié)的開路電壓主要取決于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度和費(fèi)米能級(jí)。設(shè)I=0，Iph=Isc，那么〔2-1〕在實(shí)際應(yīng)用的過程中，需要考慮器件結(jié)構(gòu)和材料特性的影響，引入附加電阻進(jìn)而產(chǎn)生附加損耗；如果考慮到電池漏電和制造工藝等各種因素的影響，導(dǎo)致局部電流短路，引入等效并聯(lián)電阻Rsh。如果忽略以上因素對(duì)器件性能的影響作用，Isc與入射光強(qiáng)度成正比。在很弱的陽光下，，因此〔2-2〕其中，。在很強(qiáng)的陽光下，，因此〔2-3〕根據(jù)以上分析可知，半導(dǎo)體器件的開路電壓與系統(tǒng)光照強(qiáng)度密切相關(guān)，在系統(tǒng)光照強(qiáng)度缺乏時(shí)，半導(dǎo)體器件的開路電壓與系統(tǒng)光照強(qiáng)度近似成正比，在系統(tǒng)光照強(qiáng)度充足時(shí)，半導(dǎo)體器件的開路電壓與系統(tǒng)光照強(qiáng)度的對(duì)數(shù)成正比。3.輸出特性研究光伏電池的電氣特性通常需要對(duì)器件進(jìn)行等效模擬，而要分析其輸出特性需要將其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行等效。當(dāng)外界光照條件不變時(shí)，光伏電池的輸出電流不會(huì)受到其他外界因素的影響，因此可以在分析過程中將其等效為恒流源。在等效電路結(jié)構(gòu)中，光伏電池產(chǎn)生的光電流一局部分配給負(fù)載RL并產(chǎn)生端電壓U，另一局部分配給PN結(jié)二極管并使其導(dǎo)通，理想的PN結(jié)同質(zhì)結(jié)光伏電池等效電路可以表示成圖2-6所示。圖2-6不考慮串并聯(lián)電阻的PN同質(zhì)結(jié)光伏電池等效電路在實(shí)際應(yīng)用的過程中，需要考慮器件結(jié)構(gòu)和材料特性的影響，引入附加電阻進(jìn)而產(chǎn)生附加損耗；如果考慮到電池漏電和制造工藝的影響，導(dǎo)致局部電流短路，引入等效并聯(lián)電阻Rsh，等效電路可以表示成圖2-7所示。圖2-7考慮串并聯(lián)電阻的PN同質(zhì)結(jié)光伏電池等效電路暗電流可以表示為PN結(jié)總面積AT與單位面積暗電流Jbk的乘積，光電流IL可以表示為電池有效受光面積AE與單位面積光電流JL的乘積，考慮串并聯(lián)電阻時(shí)的結(jié)電壓不等于負(fù)載端電壓。Uj=IRs+U〔2-4〕根據(jù)圖2-7可以寫出輸出電流I與輸出電壓U之間的關(guān)系為〔2-5〕暗電流Ibk是結(jié)電壓Uj的函數(shù)，而Uj與U的關(guān)系。圖2-8所示為光伏電池的輸出特性曲線，由于此曲線會(huì)受到外界因素和負(fù)載變化的影響，最主要的影響因素就是系統(tǒng)的光照強(qiáng)度和工作時(shí)的環(huán)境溫度，通過對(duì)兩者的調(diào)節(jié)作用可使系統(tǒng)運(yùn)行在曲線上的任意點(diǎn)。圖2-8光伏電池輸出特性曲線效率太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率η表示的是輸出電功率與入射光功率之比，影響轉(zhuǎn)換效率的因素較多，主要影響因素包括光伏電池的結(jié)構(gòu)、PN結(jié)特性、材料性質(zhì)、電池工作溫度等?？梢员硎緸椤?-6〕其中，為太陽能電池的面積，為單位面積入射光功率，，如果從總面積中扣除遮光的柵線面積，可以得到有效面積下的電池效率。太陽能電池光電轉(zhuǎn)換過程中存在各種類型的損耗，如圖2-9所示。圖2-9太陽能電池光電轉(zhuǎn)換過程中存在的各種類型的損耗2.4本章小結(jié)本章主要介紹了太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要理論，包括系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的工作原理、特點(diǎn)、工程應(yīng)用選型等，為本文中所研究的5kW離網(wǎng)型系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論根底。系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般分為硬件局部和軟件局部，硬件局部先于軟件局部，硬件局部主要包括器件選型、器件連接、輔助設(shè)備設(shè)計(jì)等，軟件局部主要包括負(fù)載用電量、光伏電池面輻射量、安裝傾角等。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)，還應(yīng)當(dāng)包括備用電池選型、配電網(wǎng)設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)效益分析等。第3章最大功率點(diǎn)跟蹤原理及算法3.1最大功率點(diǎn)跟蹤的意義由第2章中光伏陣列的輸出特性曲線可知，其電壓、電流為非線性特性，而且其輸出值會(huì)受到外界因素和負(fù)載變化的影響。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)光照強(qiáng)度、工作環(huán)境溫度等外界因素的值，可以使其輸出電壓和輸出電流的乘積到達(dá)最大值，也即系統(tǒng)輸出功率到達(dá)極值[38-39]。為了提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，也為了提高對(duì)設(shè)備和太陽能資源的利用率，希望能夠通過實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)工作點(diǎn)以使其一直處于最大輸出功率狀態(tài)。3.2最大功率點(diǎn)跟蹤的原理器件輸出特性的影響因素較多，其中最重要的兩個(gè)因素是系統(tǒng)光照強(qiáng)度和工作環(huán)境溫度。圖3-1所示為光伏電池伏安特性曲線示意圖，在工作環(huán)境溫度固定不變的情況下，不同的系統(tǒng)光照強(qiáng)度條件所得到的光伏陣列輸出電壓和輸出電流的曲線關(guān)系圖。從圖3-1中可以看出，在工作環(huán)境溫度固定不變時(shí)，系統(tǒng)光照強(qiáng)度變化所引起的輸出電氣量變化中，短路電流的變化幅度要大于開路電壓的變化幅度。圖3-1光伏電池伏安特性曲線示意圖-溫度一定，光照強(qiáng)度變化圖3-2所示為光伏電池伏安特性曲線示意圖，在系統(tǒng)光照強(qiáng)度固定不變的情況下，不同的工作環(huán)境溫度條件所得到的光伏陣列輸出電壓和輸出電流的曲線關(guān)系圖。從圖3-2中可以看出，在系統(tǒng)光照強(qiáng)度固定不變時(shí)，工作環(huán)境溫度變化所引起的輸出變化中，開路電壓的變化要大于短路電流的變化。圖3-2光伏電池伏安特性曲線示意圖-光照強(qiáng)度一定，溫度變化從圖3-1和圖3-2中可以看出，當(dāng)輸出電壓較高時(shí)，輸出電流的變化幅度較為明顯，可以近似等效為電壓源，當(dāng)輸出電壓較低時(shí)，輸出電流的變化較為緩慢，可以等效為電流源。圖3-3所示為光伏電池輸出功率和端電壓的特性曲線圖，在工作環(huán)境溫度固定不變的情況下，不同的系統(tǒng)光照強(qiáng)度條件所得到的光伏陣列輸出電壓和輸出功率的曲線關(guān)系圖。從圖3-3中可以看出，在工作環(huán)境溫度固定不變時(shí)，輸出功率的幅值會(huì)隨著系統(tǒng)光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而不斷增大。圖3-3光伏電池輸出功率與端電壓特性曲線-溫度一定，光照強(qiáng)度變化圖3-4所示為光伏電池輸出功率和端電壓的特性曲線圖，在系統(tǒng)光照強(qiáng)度固定不變的情況下，不同的工作環(huán)境溫度條件所得到的光伏陣列輸出電壓和輸出功率的曲線關(guān)系圖。從圖3-4中可以看出，在系統(tǒng)光照強(qiáng)度固定不變時(shí)，輸出功率的幅值會(huì)隨著工作環(huán)境溫度的降低而不斷增大。圖3-4光伏電池輸出功率與端電壓特性曲線-光照強(qiáng)度一定，溫度變化在實(shí)際應(yīng)用的過程中，通常無法保證系統(tǒng)光照強(qiáng)度或者工作環(huán)境溫度固定不變，因此系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率一般會(huì)同時(shí)受到兩者的影響。從總體趨勢(shì)分析可知，不考慮影響程度，工作環(huán)境溫度升高，系統(tǒng)光照強(qiáng)度增強(qiáng)，都會(huì)引起輸出功率幅值的增大。最大功率點(diǎn)跟蹤控制策略在系統(tǒng)工作的過程中，一方面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光伏陣列的輸出功率，另一方面對(duì)當(dāng)前工作狀態(tài)下光伏陣列可能的最大輸出功率進(jìn)行預(yù)估，監(jiān)測(cè)結(jié)果與預(yù)估結(jié)果進(jìn)行比擬，如果兩者相差較多，說明系統(tǒng)未工作在最正確狀態(tài)，可以通過控制器的控制作用進(jìn)行調(diào)整以使光伏陣列的輸出功率逐漸到達(dá)預(yù)估值。圖3-5所示為光伏電池在不同的系統(tǒng)光照強(qiáng)度下的兩組輸出特性曲線圖，A點(diǎn)是特性曲線1的最大功率輸出點(diǎn)，B點(diǎn)是特性曲線2的最大功率輸出點(diǎn)。假設(shè)某一時(shí)刻，系統(tǒng)工作在特性曲線1的最大功率輸出點(diǎn)處，當(dāng)系統(tǒng)光照強(qiáng)度增強(qiáng)時(shí)，系統(tǒng)的輸出特性曲線轉(zhuǎn)移變?yōu)樘匦郧€2。如果負(fù)載未發(fā)生改變，那么此時(shí)的光伏陣列工作在特性曲線2的A’點(diǎn)，A’點(diǎn)與B點(diǎn)相差較多，系統(tǒng)已經(jīng)偏離最大功率輸出點(diǎn)，為了使系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行在新的特性曲線的最大功率輸出點(diǎn)處，需要調(diào)整系統(tǒng)的負(fù)載特性以使其工作在圖中的B點(diǎn)即可。圖3-5光伏電池在不同光照強(qiáng)度下的特性曲線3.3最大功率點(diǎn)跟蹤的方法3.3.1恒定電壓法從圖3-3中可以看出，在工作環(huán)境溫度固定不變時(shí)，器件的輸出特性曲線最大功率輸出點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓值根本固定。恒定電壓法就是利用光伏陣列的特性，在實(shí)際應(yīng)用的過程中，為系統(tǒng)設(shè)定恒定電壓，此電壓對(duì)應(yīng)的輸出功率盡可能接近系統(tǒng)最大輸出功率。圖3-6所示為恒定電壓法控制流程圖。圖3-6恒定電壓法控制流程圖由圖3-6可以看出，一方面系統(tǒng)采樣光伏陣列的輸出電壓，另一方面計(jì)算在當(dāng)前工作環(huán)境溫度下最大功率輸出點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓值并將其設(shè)定為電壓參考值，采樣結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比擬，如果兩者不同，說明系統(tǒng)未工作在最正確狀態(tài)，可以通過控制器的控制作用進(jìn)行調(diào)整以使器件的輸出電壓值與參考值相等。恒定電壓法控制算法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用的過程中可以根據(jù)情況進(jìn)行簡(jiǎn)化，因此此方法在簡(jiǎn)單的光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛。但是，從圖3-4中可以看出，器件的最大輸出功率點(diǎn)會(huì)隨著溫度的變化而變化，當(dāng)工作環(huán)境溫度變化較為明顯時(shí)，采用此方法同樣會(huì)使系統(tǒng)輸出功率偏離最大功率輸出點(diǎn)，產(chǎn)生較大的功率損失。通過恒定電壓法的控制原理和控制流程圖可知，此方法只是實(shí)現(xiàn)了近似控制，并沒有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤控制，因此只能應(yīng)用于較為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中。此方法的前提條件是假定工作環(huán)境溫度固定不變或者變動(dòng)較小，而在實(shí)際應(yīng)用的過程中工作環(huán)境溫度不可能滿足此假設(shè)條件，進(jìn)而產(chǎn)生較大的監(jiān)測(cè)誤差，無法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的控制目標(biāo)。為了彌補(bǔ)上述缺陷，可以在恒定電壓法的根底上采用相應(yīng)的改良方法。采用手工調(diào)節(jié)方式：當(dāng)工作環(huán)境溫度變化較大時(shí)，特定工作環(huán)境溫度下最大功率輸出點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓參考值也會(huì)有所變化，手動(dòng)調(diào)節(jié)此值以彌補(bǔ)工作環(huán)境溫度變化引起的誤差，此方法雖然較為便捷但是所得結(jié)果的準(zhǔn)確度不高。采用微處理器查詢數(shù)據(jù)表格方式：在試驗(yàn)的過程中，監(jiān)測(cè)不同工作環(huán)境溫度下的輸出電壓參考值并進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)；在實(shí)際應(yīng)用的過程中，溫度傳感器獲取光伏陣列的工作環(huán)境溫度并將溫度信息傳送給微處理器，微處理器調(diào)取存儲(chǔ)輸出電壓參考值信息的表格以確定當(dāng)前工作狀態(tài)下的輸出端電壓參考值，并進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。3.3.2干擾觀測(cè)法由圖3-3和圖3-4可知，當(dāng)工作環(huán)境溫度和系統(tǒng)光照強(qiáng)度固定不變時(shí)，器件的輸出特性曲線固定。在最大功率輸出點(diǎn)的左側(cè)，隨著輸出電壓的增大，系統(tǒng)輸出功率增大，在最大功率輸出點(diǎn)的右側(cè)，隨著輸出電壓的增大，系統(tǒng)輸出功率減小。此特性可以用于判斷系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)是位于極值點(diǎn)的左側(cè)還是右側(cè)，進(jìn)而調(diào)整系統(tǒng)輸出電壓以使其工作在極值點(diǎn)處。干擾觀測(cè)法依據(jù)的即為此原理，先使系統(tǒng)工作在某一輸出電壓下并監(jiān)測(cè)其輸出功率值，施加正向電壓擾動(dòng)，如果輸出功率值增大，那么系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)位于極值點(diǎn)的左側(cè)，可以繼續(xù)施加正向電壓擾動(dòng)；如果輸出功率值減小，那么系統(tǒng)當(dāng)前工作狀態(tài)位于極值點(diǎn)的右側(cè)，應(yīng)當(dāng)施加反向電壓擾動(dòng)。圖3-7所示為干擾觀測(cè)法控制流程圖。圖3-7干擾觀測(cè)法控制流程圖干擾觀測(cè)法控制算法簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際應(yīng)用的過程中多采用傳感器進(jìn)行輸出電壓和輸出電流的采樣，對(duì)傳感器要求較低、數(shù)字控制系統(tǒng)編程提高效率，因此此方法在光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，能夠較為有效地實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤控制。但是，通過干擾觀測(cè)法的控制原理和控制流程圖可知，此方法在實(shí)際應(yīng)用的過程中只能保證系統(tǒng)在極值點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，而無法精確定位最大功率輸出點(diǎn)?？梢酝ㄟ^合理設(shè)置擾動(dòng)步長(zhǎng)克服此缺點(diǎn)，在設(shè)置的過程中，步長(zhǎng)過大會(huì)造成振蕩范圍過大，功率損失增加；步長(zhǎng)過小會(huì)造成跟蹤響應(yīng)速度慢，跟蹤效果差。由此可知，此方法只適用于系統(tǒng)光照強(qiáng)度變化較為緩慢的場(chǎng)合，結(jié)合圖3-4可知，如果在施加擾動(dòng)的過程中，系統(tǒng)光照強(qiáng)度發(fā)生快速變化，輸出特性曲線也會(huì)隨之發(fā)生較大變化，進(jìn)而引起系統(tǒng)誤判。3.3.3三點(diǎn)重心比擬法通過干擾觀測(cè)法的控制原理和控制流程圖可知，此方法是對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前工作點(diǎn)和施加擾動(dòng)后的工作點(diǎn)進(jìn)行比擬，通過輸出功率的變化情況判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)點(diǎn)。干擾觀測(cè)法只適用于系統(tǒng)光照強(qiáng)度變化較為緩慢的場(chǎng)合，而三點(diǎn)重心比擬法可以在系統(tǒng)光照強(qiáng)度快速變化時(shí)并不快速移開工作點(diǎn)，減小系統(tǒng)擾動(dòng)造成的損失。仍然以圖3-3和圖3-4為根底，在系統(tǒng)最大功率輸出點(diǎn)附近任取三點(diǎn)不同位置，所得到的結(jié)果如圖3-8所示，其中，第一個(gè)點(diǎn)A為當(dāng)前工作點(diǎn)，第二個(gè)點(diǎn)B是在A點(diǎn)的根底上增加ΔD的工作點(diǎn)，第三個(gè)點(diǎn)C是在A點(diǎn)的根底上減小ΔD的工作點(diǎn)。引入狀態(tài)量M，如果B點(diǎn)的功率大于或者等于A點(diǎn)的功率，那么狀態(tài)量M記為“+〞，否那么記為“-〞，如果C點(diǎn)的功率小于A點(diǎn)的功率，那么狀態(tài)量M記為“+〞，否那么記為“-〞。當(dāng)狀態(tài)量有兩個(gè)“+〞時(shí)，記為M=2，說明系統(tǒng)當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大功率輸出點(diǎn)的左側(cè)，應(yīng)當(dāng)施加正向電壓擾動(dòng)以增大輸出電壓；當(dāng)狀態(tài)量有兩個(gè)“-〞時(shí)，記為M=-2，說明系統(tǒng)當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大功率輸出點(diǎn)的右側(cè)，應(yīng)當(dāng)施加反向電壓擾動(dòng)以減小輸出電壓；當(dāng)狀態(tài)量為一“+〞一“-〞時(shí)，記為M=0，那么電壓擾動(dòng)不改變，默認(rèn)此時(shí)系統(tǒng)工作在最大功率輸出點(diǎn)或者此時(shí)系統(tǒng)光照強(qiáng)度發(fā)生了快速變化。圖3-9所示為三點(diǎn)重心比擬法的流程圖，Va、Ia、Da；Vb、Ib、Db；Vc、Ic、Dc分別表示為A點(diǎn)、B點(diǎn)和C點(diǎn)的電壓、電流和干擾量。先讀取A、B、C三點(diǎn)的電壓值和電流值，然后計(jì)算功率Pa、Pb、Pc，M表示A、B、C三點(diǎn)功率的大小關(guān)系，當(dāng)M=2時(shí)，增加干擾量，當(dāng)M=-2時(shí)，減小干擾量，當(dāng)M=0時(shí)，干擾量不變。圖3-8三點(diǎn)重心比擬法可能情況匯總圖3-9三點(diǎn)重心比擬法流程圖3.3.4電導(dǎo)增量法由圖3-3和圖3-4可知，光伏陣列的輸出特性曲線為單峰值曲線，最大功率輸出點(diǎn)處滿足dP/dU=0，在最大功率輸出點(diǎn)的左側(cè)，滿足dP/dU>0，在最大功率輸出點(diǎn)的右側(cè)，滿足dP/dU<0。電導(dǎo)增量法依據(jù)的即為此原理，P=U*I，因此dP/dU=I+U*dI/dU=0，那么dI/dU=-I/U，判斷I/U+dI/dU也即G+dG的符號(hào)就可以判斷光伏陣列當(dāng)前工作狀態(tài)。符號(hào)為負(fù)表示系統(tǒng)當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大功率輸出點(diǎn)的右側(cè)，應(yīng)當(dāng)施加反向電壓擾動(dòng)以減小輸出電壓；符號(hào)為正表示系統(tǒng)當(dāng)前工作點(diǎn)位于最大功率輸出點(diǎn)的左側(cè)，應(yīng)當(dāng)施加正向電壓擾動(dòng)以增大輸出電壓；符號(hào)為零表示系統(tǒng)當(dāng)前工作點(diǎn)正好是最大功率輸出點(diǎn)，維持系統(tǒng)輸出電壓不變。電導(dǎo)增量法控制算法精確、與前幾種方法相比，流程也較為復(fù)雜，在實(shí)際應(yīng)用的過程中也需要采用傳感器進(jìn)行輸出電壓和輸出電流的采樣，此方法適用于系統(tǒng)環(huán)境條件變化較快的場(chǎng)合，因此對(duì)于系統(tǒng)的硬件要求較高、本錢也較高。電導(dǎo)增量法的流程圖如圖3-10所示。圖3-10電導(dǎo)增量法流程圖3.4本章小結(jié)本章主要介紹了最大功率點(diǎn)跟蹤原理及算法，其電壓、電流為非線性特性，而且其輸出值會(huì)受到外界因素和負(fù)載變化的影響。通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)光照強(qiáng)度、工作環(huán)境溫度等外界因素的值，可以使其輸出電壓和輸出電流的乘積到達(dá)最大值，也即系統(tǒng)輸出功率到達(dá)極值。為了提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，也為了提高對(duì)光伏陣列和太陽能資源的利用率，希望能夠通過實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)工作點(diǎn)以使其一直工作在最大輸出功率狀態(tài)。目的是提高光伏電池的利用率，提高系統(tǒng)的整體效率。第4章家用5kW離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1太陽能電池板的配置與計(jì)算太陽能電池板是由光伏陣列經(jīng)過串并聯(lián)構(gòu)成的，其配置和計(jì)算的主要內(nèi)容是在滿足負(fù)載日用電量要求的情況下，考慮到設(shè)備本錢、占地面積、氣候環(huán)境條件等因素的影響，選取適宜的光伏陣列器件，以負(fù)載日用電量為主要依據(jù)，再結(jié)合多種相關(guān)影響因素的作用進(jìn)行計(jì)算，最終確定器件的串并聯(lián)數(shù)目。計(jì)算光伏電池組件的并聯(lián)數(shù)目需要以每個(gè)組件的日平均發(fā)電量為基準(zhǔn)，選取適宜的光伏陣列器件后即可通過查詢產(chǎn)品參數(shù)確定單個(gè)組件的日平均發(fā)電量，再將負(fù)載的電壓/功率數(shù)據(jù)和平均使用時(shí)間相結(jié)合即可計(jì)算負(fù)載日用電量，兩個(gè)參量的比值即為組件的并聯(lián)數(shù)目；計(jì)算光伏電池組件的串聯(lián)數(shù)目需要以每個(gè)組件的工作電壓為基準(zhǔn)，選取適宜的光伏陣列器件后即可通過查詢產(chǎn)品參數(shù)確定單個(gè)組件的工作電壓，根據(jù)負(fù)載的電壓/功率數(shù)據(jù)即可獲取整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓，兩個(gè)參量的比值即為組件的并聯(lián)數(shù)目。由于家用光伏發(fā)電系統(tǒng)既有直流負(fù)載，又有交流負(fù)載，且本文中以家用空調(diào)和新能源觀光電動(dòng)汽車充電器為例進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。按照實(shí)際情況進(jìn)行假設(shè)，直流負(fù)載電動(dòng)汽車充電器為48V/3kW，每日使用時(shí)間為2h，交流負(fù)載家用空調(diào)為220V/960W，每日使用時(shí)間為5h。電器的消費(fèi)功率、額定電壓，電器的消費(fèi)電流可以根據(jù)式4-1確定。消費(fèi)電流=消費(fèi)功率/消費(fèi)電壓〔4-1〕對(duì)于直流48V/3kW的電動(dòng)汽車充電器來說，消費(fèi)電流為3000W/48V=62.5A；由于家用空調(diào)屬于交流負(fù)載，因此應(yīng)當(dāng)計(jì)算出交流消費(fèi)電流，然后換算成直流消費(fèi)電流，家用空調(diào)的直流消費(fèi)電流為960W/48V=20A。由于太陽能電池的設(shè)置條件與氣象、污染狀況等有關(guān)，并非一直處于最正確發(fā)電狀態(tài)，因此需要對(duì)太陽能電池的出力進(jìn)行修正[40-43]。太陽能電池每日的必要發(fā)電電流量=每日的消費(fèi)電流量/〔出力修正系數(shù)*蓄電池充放電損失修正系數(shù)*其他修正系數(shù)〕〔4-2〕式4-2中，出力修正系數(shù)與氣象條件、電池板的污染狀況、老化率有關(guān)，一般取為0.85，蓄電池的充放電損失系數(shù)與蓄電池的充放電效率有關(guān)，一般取為0.95，其他的修正系數(shù)與逆變器的轉(zhuǎn)換效率、損失等有關(guān)。太陽能電池每日所需發(fā)電電流量確定后，那么需要根據(jù)太陽能電池設(shè)置地區(qū)的平均日照時(shí)間決定太陽能電池的必要電流。太陽能電池必要電流=太陽能每日的必要發(fā)電電流量/每日平均日照時(shí)間〔4-3〕平均日照時(shí)間一般根據(jù)每日的日照時(shí)間來決定，太陽能電池所使用的地區(qū)不同那么平均日照時(shí)間也不同，對(duì)于一般地區(qū)而言，將日射量換算成1000W/m2時(shí)，平均日照時(shí)間為2.6-4h，這里我們假設(shè)平均日照時(shí)間為3.3h。因?yàn)殡妱?dòng)汽車充電器為直流電器，因此式子中的其他修正系數(shù)取為1，家用空調(diào)為交流負(fù)載，需要通過逆變器將太陽能電池的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，逆變器的轉(zhuǎn)換效率與制造廠家、生產(chǎn)工藝、產(chǎn)品質(zhì)量有關(guān)，我們假設(shè)逆變器的轉(zhuǎn)換效率為80%。那么太陽能電池每日的必要發(fā)電電流量=太陽能電池的必要電流=太陽光線與器件擺放位置之間的夾角會(huì)影響到器件對(duì)太陽光的利用率，從理論角度分析，當(dāng)兩者的夾角為直角時(shí)，器件的出力最大。太陽能電池的設(shè)置角度一般選擇一年之中發(fā)電效率最高的南向與水平面的角度，設(shè)置場(chǎng)所內(nèi)選擇一年中日照時(shí)間最短日的日中，太陽能電池?zé)o陰影的地方，如果條件允許可以設(shè)置能夠根據(jù)冬、夏調(diào)整太陽能電池角度的臺(tái)架，是太陽能電池的出力增加。太陽能電池的最大出力電壓可以按照式4-4計(jì)算，二極管的作用在于當(dāng)太陽能電池不發(fā)電時(shí)，防止蓄電池中的電流流向太陽能電池。太陽能電池的最大出力電壓=蓄電池的公稱電壓*滿充電系數(shù)+二極管電壓降〔4-4〕本文中所采用的是鉛酸電池，產(chǎn)品數(shù)據(jù)顯示公稱電壓為12V，滿充電系數(shù)為1.24，使用硅整流二極管，其電壓壓降為0.7V，那么太陽能電池的最大出力電壓=太陽能電池的必要電流和最大出力電壓確定后，即可參考現(xiàn)有產(chǎn)品的規(guī)格以選取適宜的電池，由于其出力容易受到光照強(qiáng)度、設(shè)置場(chǎng)所的方位、角度的影響，因此在選擇的過程中必須考慮相關(guān)因素的影響并留有一定裕量。如前面所述，單個(gè)電池通常難以滿足實(shí)際負(fù)載的需要，因此需要進(jìn)行串并聯(lián)連接。而在進(jìn)行串并聯(lián)之前，為了充分發(fā)揮器件的功能，也為了提高系統(tǒng)輸出性能，應(yīng)當(dāng)盡量擇相同規(guī)格的電池，防止出現(xiàn)由器件引起的電壓不等現(xiàn)象。本文選用的太陽能電池的規(guī)格如下所示。最大出力：50W最大輸出電壓：15.9V最大輸出電流：3.15A由以上數(shù)據(jù)可知，將30枚太陽能電池并聯(lián)使用時(shí)，可以滿足前面算出的太陽能電池的必要電流93.8A、最大出力電壓15.58V的需要。4.2蓄電池組的配置與計(jì)算與太陽能電池板類似，要完成系統(tǒng)工作任務(wù)到達(dá)負(fù)載要求，需要蓄電池組串并聯(lián)，其配置和計(jì)算的主要內(nèi)容是與前者相配合，設(shè)計(jì)合理的蓄電池容量以滿足系統(tǒng)負(fù)載需求，在滿足負(fù)載日用電量要求的情況下，考慮到設(shè)備本錢、占地面積、氣候環(huán)境條件等因素的影響，選取適宜的蓄電池器件，現(xiàn)階段多采用鉛酸蓄電池，再結(jié)合多種相關(guān)影響因素的作用進(jìn)行計(jì)算，最終確定蓄電池組的串并聯(lián)數(shù)目。影響器件容量的因素較多，需要考慮的主要因素是，器件具有使用壽命，而在此期間內(nèi)，使用時(shí)間越長(zhǎng)，器件老化越嚴(yán)重，產(chǎn)生一定的充放電損耗，影響蓄電池的功率，進(jìn)而影響其容量；蓄電池組長(zhǎng)期工作在充放電狀態(tài)，其容量會(huì)受到放電率的影響，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載工作電流大時(shí)，蓄電池的實(shí)際容量要小于設(shè)計(jì)容量，這樣就會(huì)造成系統(tǒng)供電量的缺乏；而系統(tǒng)負(fù)載工作電流小時(shí)，蓄電池的實(shí)際容量要大于設(shè)計(jì)容量，這樣就會(huì)造成系統(tǒng)本錢的增加；工作環(huán)境溫度也會(huì)對(duì)蓄電池組的容量產(chǎn)生一定的影響，蓄電池組容量會(huì)隨著環(huán)境溫度的降低而不斷下降，也會(huì)隨著環(huán)境溫度的升高而略有上升。蓄電池容量計(jì)算公式較多，主要原因是影響蓄電池容量的因素較多，考慮的因素不同那么蓄電池容量的計(jì)算公式也會(huì)有所差異[44-47]。蓄電池容量=〔4-5〕蓄電池容量=〔4-6〕計(jì)算蓄電池容量時(shí)，需要考慮其充放電損失，蓄電池保守率是用來對(duì)其充放電時(shí)的損失進(jìn)行修正的參數(shù)，一般取為0.8，蓄電池的容量計(jì)算如式4-7所示。蓄電池的容量=每日消費(fèi)電流量*連續(xù)無日射保障日數(shù)/蓄電池保守率〔4-7〕考慮到雨天、夜間使用的需要，假設(shè)蓄電池存儲(chǔ)的電力能滿足使用5天的需要。蓄電池的容量=太陽能電池與蓄電池同時(shí)使用時(shí)，必須要對(duì)蓄電池進(jìn)行合理的選擇并進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)。選擇蓄電池時(shí)必須考慮負(fù)載容量、蓄電池放電深度、設(shè)置環(huán)境、價(jià)格本錢以及使用壽命等因素。由于系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于停滯狀態(tài)時(shí)，蓄電池會(huì)出現(xiàn)過充電，過多地消費(fèi)蓄電池的電解液，從而導(dǎo)致蓄電池破損，因此系統(tǒng)經(jīng)常使用對(duì)蓄電池有利。根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，選取適宜的鉛酸蓄電池進(jìn)行配置工作，鉛酸蓄電池的名稱由單體蓄電池的格數(shù)、型號(hào)額定容量、電池功能和形狀等組成，通常分為三段表示，第一段為數(shù)字，表示單體電池的串聯(lián)數(shù)，第二段為2-4個(gè)漢語拼音字母，表示蓄電池的類型、功能和用途等，第三段表示電池的額定容量，表4-1所示為蓄電池常用字母含義表。表4-1蓄電池常用字母含義表第1個(gè)字母含義第2、3、4個(gè)字母含義Q啟動(dòng)型A干荷電式G固定型M密封式D電力機(jī)車F閥控式N內(nèi)燃機(jī)車W免維護(hù)T鐵路客車H濕荷電式M摩托車WF微型閥控式EV電動(dòng)道路車用P排氣式C船艦用J膠體式CN儲(chǔ)能用JR卷繞式DZ電動(dòng)助力車用MT煤礦特殊計(jì)算蓄電池組的串聯(lián)數(shù)目需要以每個(gè)組件的標(biāo)稱電壓為基準(zhǔn)，選取適宜的蓄電池器件后即可通過查詢產(chǎn)品參數(shù)確定單個(gè)組件的標(biāo)稱電壓，根據(jù)負(fù)載的電壓/功率數(shù)據(jù)即可獲取整個(gè)系統(tǒng)的工作電壓，兩個(gè)參量的比值即為組件的串聯(lián)數(shù)目；計(jì)算蓄電池組的并聯(lián)數(shù)目需要以每個(gè)組件的標(biāo)稱容量為基準(zhǔn)，選取適宜的蓄電池器件后即可通過查詢產(chǎn)品參數(shù)確定單個(gè)組件的標(biāo)稱容量，再結(jié)合已經(jīng)計(jì)算得到的器件總?cè)萘?，兩個(gè)參量的比值即為組件的并聯(lián)數(shù)目。如果選擇免維護(hù)鉛酸蓄電池，其規(guī)格為2V/1200A·h，那么蓄電池的并聯(lián)數(shù)為1935/1200=2個(gè)，蓄電池串聯(lián)數(shù)為48/2=24個(gè)。4.3DC-DC變換器的設(shè)計(jì)對(duì)于DC-DC變換電路選用Buck-Boost電路，主要原因是Buck-Boost電路的輸出電壓范圍寬，在輸出電壓要求一定時(shí)，允許的輸入電壓變化范圍較大，因此應(yīng)用在系統(tǒng)中適用性更強(qiáng)、適用范圍更廣。圖4-1所示為Buck-Boost變換電路的原理圖，當(dāng)開關(guān)管VT導(dǎo)通時(shí)，二極管因?yàn)槌惺芊聪螂妷憾P(guān)斷，輸入與輸出隔離，在此工作狀態(tài)下其等效電路圖如圖4-2所示。此時(shí)電源向電感供電，電感不斷儲(chǔ)存能量，負(fù)載輸出由電容供電，負(fù)載電壓和負(fù)載電流的極性如圖4-1所示。圖4-1Buck-Boost變換電路原理圖圖4-2開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)Buck-Boost電路的等效電路當(dāng)開關(guān)管VT關(guān)斷時(shí)，二極管因?yàn)槌惺苷螂妷憾鴮?dǎo)通，在此工作狀態(tài)下其等效電路圖如圖4-3所示。圖4-3開關(guān)管關(guān)斷時(shí)Buck-Boost電路的等效電路因?yàn)殡姼械淖饔脤?dǎo)致電路中的電流無法突變，磁通變化產(chǎn)生與Us反向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，向負(fù)載供電的同時(shí)向電容充電，因此輸出電壓的極性