新型民用光伏單相發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計摘要化石能源日益枯竭、大家對環(huán)境保護問題重視程度也在不停提升,新能源發(fā)展問題變得越來越迫切。太陽能作為一個可再生能源它潔凈無污染,并可連續(xù)利用,所以有著寬廣應(yīng)用前景,光伏發(fā)電技術(shù)也越來越受到大家關(guān)注。本文敘述了一個小功率光伏逆變電源結(jié)構(gòu)、控制原理和設(shè)計。關(guān)鍵內(nèi)容以下:1.介紹現(xiàn)在中國外光伏發(fā)電現(xiàn)實狀況和發(fā)展前景,并對光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成和分類作了簡單介紹,對光伏發(fā)電系統(tǒng)建立了一個總體認識。2.研究了光伏電池基礎(chǔ)發(fā)電原理和輸出特征。3.對光伏逆變器進行研究,敘述了全橋逆變器工作原理、控制策略、軟硬件設(shè)計?？刂品椒ú扇≥敵鲭娏鳒h(huán)跟蹤方法,提出了有效檢測方法并用專業(yè)軟件仿真驗證其有效性。關(guān)鍵詞太陽能;光伏組件;蓄電池;控制器;逆變器;跟蹤系統(tǒng)一.太陽能家用發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計要求太陽照在太陽能電池方陣上輻射光光譜、光強受到大氣層厚度（即大氣質(zhì)量）、地理位置、所在地氣候和氣象、地形地物等影響,其能量在一日、一月和一年內(nèi)都有很大改變,甚至各年之間每年總輻射量也有較大差異。所以在設(shè)計家用太陽能電站系統(tǒng)時,要盡可能掌握當(dāng)?shù)貧庀蟆h(huán)境情況,要考慮用戶用電需求情況經(jīng)過綜合考慮和計算,最大程度發(fā)揮系統(tǒng)各部件性能做到盡可能最大優(yōu)化設(shè)計,另外因為家用太陽能光伏電源系統(tǒng)大多都用于偏遠落后地域,交通不便,用戶維護水平不高,這就要求系統(tǒng)含有很高可靠性。圖1-1伏電源系統(tǒng)通常結(jié)構(gòu)組成二.太陽能家用光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計太陽能家用光伏發(fā)電系統(tǒng)依據(jù)用電負載特點,可分為直流系統(tǒng)、交流系統(tǒng)和交直流混合系統(tǒng)等多個。其關(guān)鍵區(qū)分是系統(tǒng)是否帶有逆變器。通常來說,太陽能家用光伏發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵由太陽能電池組件、控制器、蓄電池組、直流/交流逆變器等部分組成。太陽能家用光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所表示,圖2為太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成框圖。圖2-1家用光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2-2能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成框圖1.太陽能電池光伏組件太陽能電池一個關(guān)鍵指標(biāo)是光電轉(zhuǎn)換效率,是指電池受光照時最大輸出功率與照射到電池上入射光功率P比值,用符號η表示。太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率是衡量電池質(zhì)量和技術(shù)水平關(guān)鍵參數(shù),它與電池結(jié)構(gòu)、結(jié)特征、材料性質(zhì)、工作溫度、放射性粒子輻射損傷和環(huán)境改變等相關(guān)。數(shù)據(jù)表明,在大氣質(zhì)量為AM1.5條件下測試,現(xiàn)在硅太陽能電池理論光電轉(zhuǎn)換率上限值為33%左右;現(xiàn)在商品單晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換率通常為16%～20%,現(xiàn)在商品多晶硅太陽能電池光電轉(zhuǎn)換率通常為15%～18%。2.蓄電池太陽輻射強度受氣候、晝夜和季節(jié)等原因影響較大,白天太陽輻射強,太陽能電池輸出功率大,而在陰雨天或夜間,基礎(chǔ)沒有太陽能輻射,太陽能電池輸出功率就極小。在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中,期望在光照強時能把太陽能電池多出輸出能量儲存起來,以確保系統(tǒng)在光照弱時也能正常使用,這時就需要配置儲能裝置。而光伏發(fā)電系統(tǒng)中常見儲能裝置通常選擇閥控式密封免維護鉛酸蓄電池,因為它含有容量大、價格低廉、壽命長、免維護、自放電率低、使用方便等優(yōu)越性,與傳統(tǒng)蓄電池相比,在使用、維護和管理上有著顯著優(yōu)點?，F(xiàn)在中國與光伏發(fā)電系統(tǒng)配套使用蓄電池關(guān)鍵是鉛酸蓄電池,鉛酸蓄電池用正極二氧化鉛和負極海綿狀鉛作為活性物質(zhì)參與電化學(xué)反應(yīng),以密度為1.28～1.32g/mL（濃度為27%～37%）硫酸溶解液作為電解液,統(tǒng)稱為鉛酸蓄電池（亦稱“鉛酸電池”）。為了取得足夠容量,在工程中往往將單體蓄電池進行串并聯(lián)而形成蓄電池組。3.控制器在獨立家用光伏發(fā)電系統(tǒng)中,控制器基礎(chǔ)作用是為蓄電池提供最好充電電流和電壓,快捷、平穩(wěn)、高效地為蓄電池充電,并在充電過程中降低損耗,盡可能延長蓄電池使用壽命,同時保護蓄電池,含有輸入充滿和容量不足時斷開和恢復(fù)接連功效,以免過充電和過放電現(xiàn)象發(fā)生,同時還含有最大功率點跟蹤控制功效,以確保系統(tǒng)效率。假如用戶使用直流負載,需要時控制器還能夠有穩(wěn)壓功效,為負載提供穩(wěn)定直流電。4.逆變器逆變器是將直流電變換成交流電設(shè)備。因為太陽能電池方陣和蓄電池組發(fā)出是直流電,當(dāng)負載是交流負載時,逆變器是不可缺乏。對逆變器基礎(chǔ)要求是:能輸出一個電壓穩(wěn)定交流電。圖2-3橋逆變電路圖SPWM調(diào)制技術(shù)（1）SPWM調(diào)制技術(shù)SPWM調(diào)制技術(shù)是指用正弦波為調(diào)制波,而以N倍于調(diào)制波頻率三角波為載波進行波形比較,在調(diào)制波大于載波分產(chǎn)生一組幅值相等,而寬度按正弦規(guī)律改變矩形脈沖序列來等效正弦波,用開關(guān)量替換了模擬量,并經(jīng)過對開關(guān)管通斷控制,就能夠得到交流SPWM波形。下圖是單相橋式PWM逆變電路,依據(jù)調(diào)制脈沖極性,可分單極性SPWM和雙極性SPWM。圖2-4SPWM逆變電路(2)雙極性PWM控制方法在調(diào)制信號ur和載波信號uc交點時刻控制各開關(guān)器件通斷。在ur半個周期內(nèi),三角波載波有正有負,所得PWM波也是有正有負,在ur一個周期內(nèi),輸出PWM波只有±Ud兩種電平。在ur正負半周,對各開關(guān)器件控制規(guī)律相同。當(dāng)ur>uc時,V1和V4導(dǎo)通,V2和V3關(guān)斷,這時如io>0,則V1和V4通,如io<0,則VD1和VD4通,不管哪種情況都是uo=Ud。當(dāng)ur<uc時,V2和V3導(dǎo)通,V1和V4關(guān)斷,這時如io<0,則V2和V3通,如io>0,則VD2和VD3通,不管哪種情況都是uo=-Ud。圖2-5雙極性PWM控制方法波形5.自動跟蹤系統(tǒng)陽位置是由太陽高度角與方位角決定,太陽能電池板必需繞兩條不一樣方向軸線運動才‘能正確地跟蹤太陽,這就是雙軸跟蹤系統(tǒng)。單軸跟蹤系統(tǒng)是指太陽能電池板以南北方向為旋轉(zhuǎn)軸跟伴隨太陽自東向西運動,因為太陽俯仰角以一年為周期,改變量很小,所以只要每過一個月時間手動調(diào)整一次太陽能電池板與南北方向傾斜角就能夠滿足使用要求。即使雙軸跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度高,可大大提升發(fā)電量,不過結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高。單軸跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,控制簡單,可靠性高,在功率較低光伏發(fā)電系統(tǒng)中含有很高性價比,所以本人采取單軸跟蹤系統(tǒng)。圖2-6自動跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖工作原理:傳感器將太陽光信號轉(zhuǎn)換為電信號,送到單片機內(nèi)部集成A/D轉(zhuǎn)換器上轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號單片機經(jīng)過分析與比較,經(jīng)過驅(qū)動電路來控制步進電機（步進電機是一個將電脈沖信號轉(zhuǎn)化為角位移或線位移控制電機）,從而帶動機械傳動機構(gòu),使太陽光一直垂直照射在太陽能電池板上,提升了太陽光有效利用率。三、結(jié)語本文設(shè)計民用光伏單相發(fā)電系統(tǒng)采取了數(shù)字控制技術(shù),控制靈活,功效完善。逆變電源采取SPWM控制技術(shù),試驗結(jié)果證實,逆變器輸出功率可達成300w,效率在85%以上。為了提升光伏發(fā)電系統(tǒng)效率,還設(shè)計太陽自動跟蹤系統(tǒng),經(jīng)過反復(fù)試驗,本文設(shè)計太陽自動跟蹤系統(tǒng)原理上是可行。因為本人時間有限,學(xué)習(xí)和實踐水平不足,在民用光伏單相發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計當(dāng)中還存在以下部分問題需要深入研究和處理:(l)改善SPWM技術(shù)降低元器件開關(guān)次數(shù),從而降低開關(guān)損耗,提升效率。(2)沒有設(shè)計發(fā)電系統(tǒng)與上位機間通訊,在上位機上不能監(jiān)控系統(tǒng)各個狀態(tài)