太陽能光伏電源設計方案

太陽能光伏電源設計目

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摘要...1ABSTRACT.21緒論....32太陽能光伏電源系統(tǒng)的原理及組成...42.1太陽能電池方陣...42.1.1太陽能電池的工作原理...52.1.2太陽能電池的種類及區(qū)別...52.1.3太陽能電池組件...52.2充放電控制器....62.2.1充放電控制器的功能...72.2.2充放電控制器的分類...72.2.3充放電控制器的工作原理...82.3蓄電池組...92.3.1太陽能光伏電源系統(tǒng)對蓄電池組的要求....92.3.2鉛酸蓄電池組的結構....102.3.3鉛酸蓄電池組的工作原理...102.4直流-交流逆變器....112.4.1逆變器的分類...112.4.2太陽能光伏電源系統(tǒng)對逆變器的要求...122.4.3逆變器的主要性能指標...122.4.4逆變器的功率轉換電路的比較...143太陽能光伏電源系統(tǒng)的設計原理及其影響因素...163.1太陽能光伏電源系統(tǒng)的設計原理...173.1.1太陽能光伏電源系統(tǒng)的軟件設計...173.1.2太陽能光伏電源系統(tǒng)的硬件設計...193.2太陽能光伏電源系統(tǒng)的影響因素...204總結...21

摘要光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術。這種技術的關鍵元件是太陽能電池。太陽能電池經(jīng)過串聯(lián)后進行封裝保護可形成大面積的太陽電池組件，再配合上蓄電池組，充放電控制器，逆變器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。本文首先介紹了太陽能光伏電源系統(tǒng)的原理及其組成，初步了解了光生伏打效應原理及其模塊組成，然后進一步研究各功能模塊的工作原理及其在系統(tǒng)中的作用，最后根據(jù)理論研究成果，利用硬件和軟件相結合的方法設計出太陽能光伏電源系統(tǒng)，以及研究系統(tǒng)的影響因素。

關鍵詞：光生伏特效應；太陽能電池組件；蓄電池組；充放電控制器；逆變器緒論

人類社會進入21世紀，正面臨著化石燃料短缺和生態(tài)環(huán)境污染的嚴重局面。廉價的石油時代已經(jīng)結束，逐步改變能源消費結，大力發(fā)展可再生能源，走可持續(xù)發(fā)展的道路，已逐漸成為人們的共識。

太陽能光伏發(fā)電具有獨特的優(yōu)點，近年來正在飛速發(fā)展。太陽能電池的產量年增長率在40%以上，已成為發(fā)展最迅速的高新技術產業(yè)之一，其應用規(guī)模和領域也在不斷擴大，從原來只在偏遠無電地區(qū)和特殊用電場合使用，發(fā)展到城市并網(wǎng)系統(tǒng)和大型光伏電站。盡管目前太陽能光伏發(fā)電在能源結構中所占比例還微不足道，但是隨著社會的發(fā)展和技術的進步，其份額將會逐步增加，可以預期，到21世紀末，太陽能發(fā)電將成為世界能源供應的主體，一個光輝的太陽能時代將到來。

我國的光伏產業(yè)發(fā)展極不平衡，2007年太陽能電池的產量已經(jīng)超過日本和歐洲而居世界第一，然而光伏應用市場的發(fā)展卻非常緩慢，光伏累計安裝量大約只占世界的1%，應用技術水平與國外相比還有相當大的差距。光伏產品與一般機電產品不同，必須很據(jù)負載的要求和當?shù)氐臍庀?、地理條件來決定系統(tǒng)的配置，由于目前光伏發(fā)電成本較高，所以應進行優(yōu)化設計，以達到可靠性和經(jīng)濟性的最佳結合，最大限度的發(fā)揮光伏電源的作用。

為了提高太陽能的轉換效率，獲取更多的有效能源，滿足人類的能源供應，世界各國在研究太陽能光伏系統(tǒng)中都投入了大量的人力與物力。我國對太陽能光伏電源系統(tǒng)的研究還處于世界低等水平，產品的性能還有待提高，為迎接未來能源短缺帶來的嚴峻挑戰(zhàn)，我們應該加大對太陽能光伏系統(tǒng)的研究，以滿足人類未來對能源的需求。本文從理論出發(fā)，闡述了太陽能光伏電源的原理及其組成結構；結合科研實際，應用硬件和軟件結合的方法，設計了簡易的太陽能光伏電源模擬系統(tǒng)。根據(jù)這個簡易系統(tǒng)研究分析了太陽能光伏電源的影響因素，合理優(yōu)化了系統(tǒng)的配置，以提高系統(tǒng)的性能，最終提高了太陽能的轉換效率。

2太陽能光伏電源系統(tǒng)的原理及組成

太陽能光伏電源系統(tǒng)是利用以光生伏打效應原理制成的太陽能電池將太陽輻射能直接轉換成電能的發(fā)電系統(tǒng)。它由太陽能電池方陣、充電放電控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部分組成，其系統(tǒng)組成如圖2-1所示。

圖2-1太陽能光伏電源系統(tǒng)示意圖

2.1太陽能電池方陣太陽能電池單體是光電轉換的最小單元，尺寸一般為4㎝2到100㎝2不等。太陽能電池單體的工作電壓約為0.5V，工作電流約為20—25mA/㎝2，一般不能單獨作為電源使用。將太陽能電池單體進行串并聯(lián)封裝后，就成為太陽能電池組件，其功率一般為幾瓦至幾十瓦，是可以單獨作為電源使用的最小單元。太陽能電池組件再經(jīng)過串并組合安裝在支架上，就構成了太陽能電池方陣，可以滿足負載所要求的輸出功率（見圖2-2）。

圖2-2

太陽能電池單體、組件和方陣2.1.1太陽能電池的工作原理光是由光子組成，而光子是包含有一定能量的微粒，能量的大小由光的波長決定，光被晶體硅吸收后，在PN結中產生一對對正負電荷，由于在PN結區(qū)域的正負電荷被分離，因而可以產生一個外電流場，電流從晶體硅片電池的低端經(jīng)過負載流到電池的頂端。這就是“光生伏打效應”。將一個負載連接在太陽能電池的上下兩表面間時，將有電流流過該負載，于是太陽能電池就產生了電流；太陽能電池吸收的光子越多，產生的電流也就越大。光子的能量由波長決定，低于基能能量的光子不能產生自由電子，一個高于基能能量的光子將僅產生一個自由電子，多余的能量將使電池發(fā)熱，伴隨電能損失的影響將使太陽能電池的效率下降。

2.1.2太陽能電池的種類及其區(qū)別目前世界上有3種已經(jīng)商品化的硅太陽能電池：單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池。對于單晶硅太陽能電池，由于所使用的單晶硅材料與半導體工業(yè)所使用的材料具有相同的品質，使單晶硅的使用成本比較昂貴。多晶硅太陽能電池的晶體方向的無規(guī)則性，意味著正負電荷對并不能全部被PN結電場所分離，因為電荷對在晶體與晶體之間的邊界上可能由于晶體的不規(guī)則而損失，所以多晶體硅太陽能電池的效率一般比單晶體硅太陽能電池低，多晶體硅太陽能電池用鑄造的方法生產，所以它的成本比單晶體硅太陽能電池的低。非晶體硅太陽能電池屬于薄膜電池，造價低廉，但光電轉換效率比較低，穩(wěn)定性也不如晶體硅太陽能電池，目前多數(shù)用于弱光性電源，如手表、計算器等。一般產品化單晶硅太陽能電池的光電轉換效率為13%-15%；多晶硅太陽能電池的光電轉換效率為11%-13%；非晶硅太陽能電池的光電轉換效率為5%-8%。

2.1.3太陽能電池組件一個太陽能電池只能產生大約0.5V電壓，遠低于實際應用所需要的電壓，為了滿足實際應用的需要，需把太陽能電池連接成組件。太陽能電池組件包含一定數(shù)量的太陽能電池，這些太陽能電池通過導線連接。一個組件上，太陽能電池的標準數(shù)量是36片，能提供大約17V電壓，正好能為額定電壓為12V的蓄電池進行有效的充電。通過導線連接的太陽能電池被密封成物理單元被稱為太陽能電池組件，具有一定的防腐、防風、防雨等能力，廣泛應用于各個領域和系統(tǒng)。當應用領域需要較高的電壓和電流而單個組件不能滿足要求時，可把多個組件組成太陽能電池方陣，以獲得所需要的電壓和電流。太陽能電池組件的電氣特性主要是指電流-電壓輸出特性，也稱為V-I特性曲線，如圖2-3所示。V-I特性曲線顯示了通過太陽能電池組件傳送的電流Im與電壓Vm在特定的太陽輻照度下的關系。如果太陽能電池組件電路短路即V=0，此時的電流稱為短路電流Isc；如果電路開路即I=0，此時的電路稱為開路電壓Voc。太陽能電池組件的輸出功率等于流經(jīng)該組件的電流與電壓的乘積，即P=V*I。

圖2-3

太陽能電池的電流-電壓特性曲線

I：電流

Isc：短路電流

Im：最大工作電流

V：電壓

Voc：短路電壓

Vm：最大工作電壓

當太陽能電池組件的電壓上升時，例如通過增加負載的電阻值或組件的電壓從零（短路條件下）開始增加時，組件的輸出功率亦從零開始增加；當電壓達到一定值時，功率可達到最大，這時當阻值繼續(xù)增加時，功率將越過最大點，并逐漸減少至零，即電壓達到開路電壓Voc。太陽能電池的內阻呈現(xiàn)出強烈的非線性，在組件的輸出功率達到最大點，稱為最大功率點，該點所對應的電壓，稱為最大功率點電壓Vm（又稱為最大工作電壓）；該點所對應的電流，稱為最大功率點電流Im（又稱為最大工作電流）；該點的功率稱為最大功率Pm。太陽能電池組件的輸出功率取決于太陽輻照度、太陽能光譜的分布和太陽能電池的溫度。太陽的輻照度越強，輸出的功率越大；太陽光譜分布越密集，輸出功率越大；太陽能電池的溫度越高，開路電壓越低，輸出功率越低。

2.2充電放電控制器

充放電控制器是能自動防止蓄電池組過充電和過放電并具有簡單測量功能的電子設備。由于蓄電池組的循環(huán)充放電次數(shù)及充放電深度是決定蓄電池使用壽命的重要因素，因此能控制蓄電池組過充電或過放電的充電放電控制器是必不可少的設備。2.2.1充電放電控制器的功能控制器的功能：

（1）高壓（HVD）斷開和恢復功能：控制器應具有輸入高壓斷開和恢復連接的功能。（2）欠壓（LVG）告警和恢復功能：當蓄電池電壓降到欠壓告警點時，控制器應能自動發(fā)出聲光告警信號。（3）低壓（LVD）斷開和恢復功能：這種功能可防止蓄電池過放電。通過一種繼電器或電子開關連結負載，可在某給定低壓點自動切斷負載。當電壓升到安全運行范圍時，負載將自動重新接入或要求手動重新接入。有時，采用低壓報警代替自動切斷。（4）保護功能：①防止任何負載短路的電路保護。②防止充電控制器內部短路的電路保護。③防止夜間蓄電池通過太陽電池組件反向放電保護。④防止負載、太陽電池組件或蓄電池極性反接的電路保護。⑤在多雷區(qū)防止由于雷擊引起的擊穿保護。（5）溫度補償功能：當蓄電池溫度低于２５℃時，蓄電池應要求較高的充電電壓，以便完成充電過程。相反，高于該溫度蓄電池要求充電電壓較低。通常鉛酸蓄電池的溫度補賞系數(shù)為－5mv/oC/CELL。

2.2.2充放電控制器的分類光伏充電控制器基本上可分為五種類型：并聯(lián)型、串聯(lián)型、脈寬調制型、智能型和最大功率跟蹤型。（1）并聯(lián)型控制器：當蓄電池充滿時，利用電子部件把光伏陣列的輸出分流到內部并聯(lián)電阻器或功率模塊上去，然后以熱的形式消耗掉。因為這種方式消耗熱能，所以一般用于小型、低功率系統(tǒng)，例如電壓在12伏、20安以內的系統(tǒng)。這類控制器很可靠，沒有如繼電器之類的機械部件。（2）串聯(lián)型控制器：利用機械繼電器控制充電過程，并在夜間切斷光伏陣列。它一般用于較高功率系統(tǒng)，繼電器的容量決定充電控制器的功率等級。比較容易制造連續(xù)通電電流在45安以上的串聯(lián)控制器。（3）脈寬調制型控制器：它以PWM脈沖方式開關光伏陣列的輸入。當蓄電池趨向充滿時，脈沖的頻率和時間縮短。按照美國桑地亞國家實驗室的研究，這種充電過程形成較完整的充電狀態(tài)，它能增加光伏系統(tǒng)中蓄電池的總循環(huán)壽命。（4）智能型控制器：采用帶CPU的單片機（如Intel公司的MCS51系列或Microchip公司PIC系列）對光伏電源系統(tǒng)的運行參數(shù)進行高速實時采集，并按照一定的控制規(guī)律由軟件程序對單路或多路光伏陣列進行切離/接通控制。對中、大型光伏電源系統(tǒng)，還可通過單片機的RS232接口配合MODEM調制解調器進行遠距離控制。（5）最大功率跟蹤型控制器：將太陽電池的電壓U和電流I檢測后相乘得到功率P，然后判斷太陽電池此時的輸出功率是否達到最大，若不在最大功率點運行，則調整脈寬，調制輸出占空比D，改變充電電流，再次進行實時采樣，并作出是否改變占空比的判斷，通過這樣尋優(yōu)過程可保證太陽電池始終運行在最大功率點，以充分利用太陽電池方陣的輸出能量。同時采用PWM調制方式，使充電電流成為脈沖電流，以減少蓄電池的極化，提高充電效率。

2.2.3充放電控制器的工作原理（1）單路并聯(lián)型充放電控制器（如圖2-4）

圖2-4單路并聯(lián)型充放電控制器

并聯(lián)型充放電控制器充電回路中的開關器件T1是并聯(lián)在太陽電池方陣的輸出端，當蓄電池電壓大于“充滿切離電壓”時，開關器件T1導通，同時二極管D1截止，則太陽電池方陣的輸出電流直接通過T1短路泄放，不再對蓄電池進行充電，從而保證蓄電池不會出現(xiàn)過充電，起到“過充電保護”作用。D1為防“反充電二極管”，只有當太陽電池方陣輸出電壓大于蓄電池電壓時，D1才能導通，反之D1截止，從而保證夜晚或陰雨天氣時不會出現(xiàn)蓄電池向太陽電池方陣反向充電，起到“放反向充電保護”作用。開關器件T2為蓄電池放電開關，當負載電流大于額定電流出現(xiàn)過載或負載短路時，T2關斷，起到“輸出過載保護”和“輸出短路保護”作用。同時，當蓄電池電壓小于“過放電壓”時，T2也關斷，進行“過放電保護”。D2為“防反接二極管”，當蓄電池極性接反時，D2導通使蓄電池通過D2短路放電，產生很大電流快速將保險絲BX燒斷，起到“防蓄電池反接保護”作用。檢測控制電路隨時對蓄電池電壓進行檢測，當電壓大于“充滿切離電壓”時使T1導通進行“過充電保護”；當電壓小于“過放電壓”時使T2關斷進行“過放電保護”。（2）串聯(lián)型充放電控制器：串聯(lián)型充放電控制器和并聯(lián)型充放電控制器電路結構相似，唯一區(qū)別在于開關器件T1的接法不同，并聯(lián)型T1并聯(lián)在太陽電池方陣輸出端，而串聯(lián)型T1是串聯(lián)在充電回路中。當蓄電池電壓大于“充滿切離電壓”時，T1關斷，使太陽電池不再對蓄電池進行充電，起到“過充電保護”作用。其它元件的作用和串聯(lián)型充放電控制器相同，不再贅述。

2.3蓄電池組蓄電池組是光伏電站的貯能裝置，由它將太陽能電池方陣從太陽輻射能轉換來的直流電轉換為化學能貯存起來，以供應用。

2.3.1太陽能光伏電源系統(tǒng)對蓄電池組的基本要求太陽能光伏電源系統(tǒng)對所用蓄電池組的基本要求是：(1)自放電率低；(2)使用壽命長；(3)深放電能力強；(4)充電效率高；(5)少維護或免維護；(6)工作溫度范圍寬；(7)價格低廉。光伏電站中與太陽能電池方陣配用的蓄電池組通常是在半浮充電狀態(tài)下長期工作，它的電能量比用電負荷所需要的電能量要大，因此，多數(shù)時間是處于淺放電狀態(tài)。當冬季和連陰天由于太陽輻射能減少，而出現(xiàn)太陽能電池方陣充電不足的情況時，可啟動光伏電站備用電源—柴油發(fā)電機組給蓄電池組補充充電，以保持蓄電池組始終處于淺放電狀態(tài)。固定式鉛酸蓄電池性能優(yōu)良、質量穩(wěn)定、容量較大、價格較低,是我國光伏電站目前選用的主要貯能裝置。

2.3.2鉛酸蓄電池組的結構鉛酸蓄電池主要由正極板組、負極板組、隔板、容器、電解液及附件等部分組成。極板組是由單片極板組合而成，單片極板又由基極(又叫極柵)和活性物質構成。鉛酸蓄電池的正負極板常用鉛銻合金制成，正極的活性物是二氧化鉛，負極的活性物質是海綿狀純鉛。極板按其構造和活性物質形成方法分為涂膏式和化成式。涂膏式極板在同容量時比化成式極板體積小、重量輕、制造簡便、價格低廉，因而使用普遍;缺點是在充放電時活性物質容易脫落，因而壽命較短?；墒綐O板的優(yōu)點是結構堅實，在放電過程中活性物質脫落較少，因此壽命長；缺點是笨重，制造時間長，成本高。隔板位于兩極板之間，防止正負極板接觸而造成短路。材料有木質、塑料、硬橡膠、玻璃絲等，現(xiàn)大多采用微孔聚氯乙烯塑料。電解液是用蒸餾水稀釋純濃硫酸而成。其比重視電池的使用方式和極板種類而定，一般在1.200－1.300(25℃)之間(充電后)。容器通常為玻璃容器、襯鉛木槽、硬橡膠槽或塑料槽等。2.3.3鉛酸蓄電池組的工作原理蓄電池是通過充電將電能轉換為化學能貯存起來，使用時再將化學能轉換為電能釋放出來的化學電源裝置。它是用兩個分離的電極浸在電解質中而成。由還原物質構成的電極為負極。由氧化態(tài)物質構成的電極為正極。當外電路接近兩極時，氧化還原反應就在電極上進行，電極上的活性物質就分別被氧化還原了，從而釋放出電能，這一過程稱為放電過程。放電之后，若有反方向電流流入電池時，就可以使兩極活性物質回復到原來的化學狀態(tài)。這種可重復使用的電池，稱為二次電池或蓄電池。如果電池反應的可逆變性差，那么放電之后就不能再用充電方法使其恢復初始狀態(tài)，這種電池稱為原電池。電池中的電解質，通常是電離度大的物質，一般是酸和堿的水溶液，但也有用氨鹽、熔融鹽或離子導電性好的固體物質作為有效的電池電解液的。以酸性溶液(常用硫酸溶液)作為電解質的蓄電池，稱為酸性蓄電池。鉛酸蓄電池視使用場地，又可分為固定式和移動式兩大類。鉛酸蓄電池單體的標稱電壓為2V。實際上，電池的端電壓隨充電和放電的過程而變化。鉛酸蓄電池在充電終止后，端電壓很快下降至2.3伏左右。放電終止電壓為1.7－1.8伏。若再繼續(xù)放電，電壓急劇下降,將影響電池的壽命。鉛酸蓄電池的使用溫度范圍為＋40℃―－40℃。鉛酸蓄電池的安時效率為85%－90%，瓦時效率為70%，它們隨放電率和溫度而改變。

2.4直流-交流逆變器眾所周知，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換為交流電。這種對應于整流的逆向過程，被稱之為“逆變”由于太陽能電池和蓄電池是直流電源，而負載是交流負載時，逆變器是必不可少的。

2.4.1逆變器的分類根據(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)逆變器使用的半導體器件類型不同，可分為晶體管逆變器、MOSFET模塊及可關斷晶閘管逆變器等；根據(jù)功率轉換電路的不同，又可分為推挽電路、橋式電路和高頻升壓電路逆變器等。（1）方波逆變器：方波逆變器輸出的交流電壓波形為50HZ方波。此類逆變器所使用的逆變線路也不完全相同，但共同的特點是線路比較簡單，使用的功率開關管數(shù)量少。設計功率一般在幾十瓦至幾百瓦之間。方波逆變器的優(yōu)點是：價格便宜，維修簡單。缺點是：由于方波電壓中含有大量高次諧波，在以變壓器為負載的用電器中將產生附加損耗，對收音機和某些通信設備也有干擾。此外，這類逆變器中有的調壓范圍不夠寬，有的保護功能不夠完善，噪聲也比較大。（2）正弦波逆變器：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)點是：輸出波形好，失真度低，對通信設備無干擾，噪聲也很低。此外，保護功能齊全，對電感性和電容型性負載適應性強。缺點是：線路相對復雜，對維修技術要求高，價格較貴。

2.4.2太陽能光伏電源系統(tǒng)對逆變器的要求采用交流電力輸出的光伏發(fā)電系統(tǒng)，由光伏陣列、充放電控制器、蓄電池和逆變器四部分組成，而逆變器是其中關鍵部件。光伏發(fā)電系統(tǒng)對逆變器的技術要求如下：（1）要求具有較高的逆變效率。由于目前太陽電池的價格偏高，為了最大限度地利用太陽電池，提高系統(tǒng)效率，必須設法提高逆變器的效率。（2）要求具有較高的可靠性。目前光伏發(fā)電系統(tǒng)主要用于邊遠地區(qū)，許多電站無人值守和維護，這就要求逆變器具有合理的電路結構，嚴格的元器件篩選，并要求逆變器具備各種保護功能，如輸入直流極性接反保護，交流輸出短路保護，過熱、過載保護等。（3）要求直流輸入電壓有較寬的適應范圍。由于太陽電池的端電壓隨負載和日照強度而變化，蓄電池雖然對太陽電池的電壓具有鉗位作用，但由于蓄電池的電壓隨蓄電池剩余容量和內阻的變化而波動，特別是當蓄電池老化時其端電壓的變化范圍很大，如１２Ｖ蓄電池，其端電壓可在10V-16V之間變化，這就要求逆變器必須在較大的直流輸入電壓范圍內保證正常工作，并保證交流輸出電壓的穩(wěn)定。（4）在中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，逆變器的輸出應為失真度較小的正弦波。這是由于在中、大容量系統(tǒng)中，若采用方波供電，則輸出將含有較多的諧波分量，高次諧波將產生附加損耗，許多光伏發(fā)電系統(tǒng)的負載為通信或儀表設備，這些設備對供電品質有較高的要求。另外，當中、大容量的光伏發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)運行時，為避免對公共電網(wǎng)的電力污染，也要求逆變器輸出失真度滿足要求的正弦波形。

2.4.3逆變器的主要技術性能指標（1）額定輸出電壓：在規(guī)定的輸入直流電壓允許的波動范圍內，它表示逆變器應能輸出的額定電壓值。對輸出額定電壓值的穩(wěn)定精度有如下規(guī)定：①在穩(wěn)態(tài)運行時，電壓波動范圍應有一個限定，例如，其偏差不超過額定值的±3％或±5％。②在負載突變（額定負載的0％?50％?100％）或有其它干擾因素影響動態(tài)情況下，其輸出電壓偏差不應超過額定值的±8％或±10％。（2）逆變器應具有足夠的額定輸出容量和過載能力：逆變器的選用，首先要考慮具有足夠的額定容量，以滿足最大負荷下設備對電功率的需求。額定輸出容量表征逆變器向負載供電的能力。額定輸出容量值高的逆變器可帶更多的用電負載。但當逆變器的負載不是純阻性時，也就是輸出功率因數(shù)小于1時，逆變器的負載能力將小于所給出的額定輸出容量值。（3）輸出電壓穩(wěn)定度：在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中均以蓄電池為儲能設備。當標稱電壓為12V的蓄電池處于浮充電狀態(tài)時，端電壓可達13.5V，短時間過充狀態(tài)可達15V。蓄電池帶負荷放電終了時端電壓可降至10.5V或更低。蓄電池端電壓的起伏可達標稱電壓的30％左右。這就要求逆變器具有較好的調壓性能，才能保證光伏發(fā)電系統(tǒng)以穩(wěn)定的交流電壓供電。輸出電壓穩(wěn)定度表征逆變器輸出電壓的穩(wěn)壓能力。多數(shù)逆變器產品給出的是輸入直流電壓在允許波動范圍內該逆變器輸出電壓的偏差百分數(shù)，通常稱為電壓調整率。高性能的逆變器應同時給出當負載由0％→100％變化時，該逆變器輸出電壓的偏差百分數(shù)，通常稱為負載調整率。性能良好的逆變器的電壓調整率應≤±3％，負載調整率應≤±6％。（4）輸出電壓的波形失真度：當逆變器輸出電壓為正弦波時，應規(guī)定允許的最大波形失真度（或諧波含量）。通常以輸出電壓的總波形失真度表示，其值不應超過5％。（5）額定輸出頻率：逆變器輸出交流電壓的頻率應是一個相對穩(wěn)定的值，通常為工頻50Hz。正常工作條件下其偏差應在±1％以內。（6）負載功率因數(shù)：“負載功率因數(shù)”表征逆變器帶感性負載或容性負載的能力。在正弦波條件下，負載功率因數(shù)為0.7－0.9(滯后)，額定值為0.9。（7）額定輸出電流（或額定輸出容量）：它表示在規(guī)定的負載功率因數(shù)范圍內，逆變器的額定輸出電流。有些逆變器產品給出的是額定輸出容量，其單位以VA或kVA表示。逆變器的額定容量是當輸出功率因數(shù)為1（即純阻性負載）時，額定輸出電壓與額定輸出電流的乘積。（8）額定逆變輸出效率：整機逆變效率高是光伏發(fā)電用逆變器區(qū)別于通用型逆變器的一個顯著特點。10千瓦級的通用型逆變器實際效率只有70％－80％，將其用于光伏發(fā)電系統(tǒng)時將帶來總發(fā)電量20％－30％的電能損耗。光伏發(fā)電系統(tǒng)專用逆變器，在設計中應特別注意減少自身功率損耗，提高整機效率。這是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)技術經(jīng)濟指標的一項重要措施。在整機效率方面對光伏發(fā)電專用逆變器的要求是：千瓦級以下逆變器額定負荷效率≥80％－85％，低負荷效率≥65％－75％；10千瓦級逆變器額定負荷效率≥85％－90％，低負荷效率≥70％－80％。逆變器的效率值表征自身功率損耗的大小，通常以百分數(shù)表示。容量較大的逆變器還應給出滿負荷效率值和低負荷效率值。千瓦級以下的逆變器效率應為80％－85％，10千瓦級的逆變器效率應為85％－90％。逆變器效率的高低對光伏發(fā)電系統(tǒng)提高有效發(fā)電量和降低發(fā)電成本有著重要影響。（9）保護功能：光伏發(fā)電系統(tǒng)正常運行過程中，因負載故障、人員誤操作及外界干擾等原因而引起的供電系統(tǒng)過流或短路，是完全可能的。逆變器對外部電路的過電流及短路現(xiàn)象最為敏感，是光伏發(fā)電系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)。因此，在選用逆變器時，必須要求具有良好的對過電流及短路的自我保護功能。這是目前提高光伏發(fā)電系統(tǒng)可靠性的關鍵所在。①過電壓保護：對于沒有電壓穩(wěn)定措施的逆變器，應有輸出過電壓的防護措施，以使負載免受輸出過電壓的損害。②過電流保護：逆變器的過電流保護，應能保證在負載發(fā)生短路或電流超過允許值時及時動作，使其免受浪涌電流的損傷。（10）起動特性：它表征逆變器帶負載起動的能力和動態(tài)工作時的性能。逆變器應保證在額定負載下可靠起動。高性能的逆變器可做到連續(xù)多次滿負荷起動而不損壞功率器件。小型逆變器為了自身安全，有時采用軟起動或限流起動。（11）噪聲：電力電子設備中的變壓器、濾波電感、電磁開關及風扇等部件均會產生噪聲。逆變器正常運行時，其噪聲應不超過65dB。

2.4.4逆變器的功率轉換電路比較逆變器的功率轉換電路一般有推挽逆變電路、全橋逆變電路和高頻升壓逆變電路三種，其主電路分別如圖2-5和圖2-6所示。圖2-5所示的推挽電路，將升壓變壓器的中心抽頭接于正電源，兩只功率管交替工作，輸出得到交流電輸出。由于功率晶體管共地連接，驅動及控制電路簡單，另外由于變壓器具有一定的漏感，可限制短路電流，因而提高了電路的可靠性。其缺點是變壓器利用率低，帶動感性負載的能力較差。圖2-6所示的全橋逆變電路克服了推挽電路的缺點，功率開關管Ｔ3、Ｔ6和Ｔ4、Ｔ5反相，Ｔ3和Ｔ4相位互差180°，調節(jié)Ｔ3和Ｔ4的輸出脈沖寬度，輸出交流電壓的有效值即隨之改變。由于該電路具有能使Ｔ5和Ｔ6共同導通的功能，因而具有續(xù)流回路，即使對感性負載，輸出電壓波形也不會產生畸變。該電路的缺點是上、下橋臂的功率晶體管不共地，因此必須采用專門驅動電路或采用隔離電源。另外，為防止上、下橋臂發(fā)生共態(tài)導通，在Ｔ3、Ｔ6及Ｔ4、Ｔ6之間必須設計先關斷后導通電路，即必須設置死區(qū)時間，其電路結構較復雜。

圖2-5推挽式逆變器電路原理框圖

圖2-6全橋逆變器電路原理框圖

圖2-7為高頻升壓電路，由于推挽電路和全橋電路的輸出都必須加升壓變壓器，而工頻升壓變壓器體積大，效率低，價格也較貴，隨著電力電子技術和微電子技術的發(fā)展，采用高頻升壓變換技術實現(xiàn)逆變，可實現(xiàn)高功率密度逆變。這種逆變電路的前級升壓電路采用推挽結構（T1、T2），但工作頻率均在20KHz以上，升壓變壓器B1采用高頻磁芯材料，因而體積小、重量輕，高頻逆變后經(jīng)過高頻變壓器變成高頻交流電，又經(jīng)高頻整流濾波電路得到高壓直流電（一般均在250Ｖ以上），再通過工頻全橋逆變電路（T3、T4、T5、T6）實現(xiàn)逆變。采用該電路結構，使逆變電路功率密度大大提高，逆變器的空載損耗也相應降低，效率得到提高。該電路的缺點是電路復雜，可靠性比上述兩種電路偏低。

圖2-7高頻升壓電路

3太陽能光伏電源系統(tǒng)的設計原理及其影響因素太陽能光伏電源系統(tǒng)的總體框圖如圖3-1所示。

圖3-1系統(tǒng)總體框圖由圖3-1可知，整個系統(tǒng)包含充電和逆變兩個主要環(huán)節(jié)。太陽電池是本系統(tǒng)賴以工作的基礎，它的效率直接決定系統(tǒng)的效率。3.1太陽能光伏電源系統(tǒng)的設計原理太陽能光伏電源系統(tǒng)的設計分為軟件設計和硬件設計，且軟件設計先于硬件設計。

3.1.1太陽能光伏電源系統(tǒng)的軟件設計軟件設計包括：負載用電量的計算，太陽能電池方陣面輻射量的計算，太陽能電池、蓄電池用量的計算和二者之間相互匹配的優(yōu)化設計，太陽能電池方陣安裝傾角的計算等。本系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，包括主程序模塊、WG模塊、PI調節(jié)模塊和MPPT模塊等。其中主程序模塊完成系統(tǒng)的初始化，各單元賦初值，判斷有無運行信號及對各種故障的判斷。同時，為避免啟動時出現(xiàn)過大的峰值電流，系統(tǒng)采用軟啟動方式，使輸出電壓呈斜坡上升至給定值。WG中斷模塊主要是從正弦表中取出相應的正弦值，然后送入WG—COMPX寄存器，從而得到不同脈寬的SPWM波。PI調節(jié)模塊主要是使系統(tǒng)輸出電壓在突加負載時訊速穩(wěn)定為220V。MPPT模塊主要是完成太陽電池的最大功率點跟蹤。充電程序主要由12/24V電池電壓的自動識別、太陽能電池板和電池之間的自動匹配、電池未接判斷、電池極性接反識別、過充保護和充電終點判斷部分組成,如圖3-2充電主程序流程圖。

圖3-2系統(tǒng)充電主程序流程圖3.1.2太陽能光伏電源系統(tǒng)的硬件設計硬件設計包括：蓄電池組容量的設計，太陽能電池方陣的設計，逆變電路的設計，充放電控制電路的設計等。（1）蓄電池組容量的計算公式為：B=A*QL*NL*TO/Cc(安時)A：安全系數(shù)，取1.1-1.4之間；QL：負載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數(shù)；NL：最長連續(xù)陰雨天數(shù)；TO：溫度修正系數(shù)，一般在0℃以上取1，-10℃以上取1.1，-10℃以下取1.2；Cc：蓄電池放電深度，一般鉛酸蓄電池取0.75，堿性鎳鎘蓄電池取0.85。（2）太陽能電池方陣中電池組件串聯(lián)數(shù)的計算公式：Ns=UR/UOC=(Uf+UD+Uc)/UOCUR：太陽電池方陣輸出最小電壓；UOC：太陽能電池組件的最佳工作電壓；Uf：蓄電池浮充電壓；UD：二極管壓降，一般取0.7V；Uc：其它因素引起的壓降。太陽能電池方陣中電池組件并聯(lián)數(shù)的計算公式：Np

=(Bcb+Nw*QL)/(Qp*Nw)Bcb：補充的蓄電池容量；Nw：兩組最長連續(xù)陰雨天氣的間隔天數(shù)；QL：負載日平均耗電量，為工作電流乘以日工作小時數(shù)；Qp：太陽電池組件日發(fā)電量。（3）逆變電路的設計正弦波逆變環(huán)節(jié)采用單相全橋電路，用IGBT作逆變電路的功率器件。IGBT是電壓控制型器件，它集功率MOSFET和雙極型晶體管的優(yōu)點于一體，具有驅動電路簡單、電壓和電流容量大、工作頻率高、開關損耗低、安全工作區(qū)大、工作可靠性高等優(yōu)點。逆變器將蓄電