1、光伏并聯發電裝置學 生：譚繼鑫指導教師：王歸新（三峽大學 科技學院）摘 要：在串聯光伏電池陣列中，若有一個損壞，貝牒個陣列不能工作。采用并聯式太 陽能發電裝置，通過對現有光伏陣列串并聯結構的研究，提出了一種更為有效的并聯結 構。并聯光伏發電系統是設計一種新型并聯光伏發電系統，并將通過控制并網。對并聯 光伏發電系統中關鍵模塊一DC/DC變換器的結構進行設計，通過拓撲分析比較不同DC/DC 變換電路的優缺點，確定最佳的電路結構。通過實驗驗證電路選擇的正確性。系統前端 為光伏電池，光伏電池之后并聯一個模塊，模塊里有單獨的最大功率跟蹤控制系統，模 塊并聯之后接直流母線，經過控制使光伏電池發出的直流電能

2、逆變為交流電能，通過控 制使逆變器輸出的交流電能與電網電壓保持幅度、相位的協調，以向電網輸出功率。關鍵詞：新能源；光伏發電；MPPT全獨立并聯式光伏發電技術Photovoltaic （pv） parallel power systemsStude nt:譚繼鑫 in structor:王歸新（三峽大學 科技學院）Abstract:Abstract: _ln tan dem solar cell array, if one is damaged, the en tire array does nt work.Adopt parallel solar power systems, based on

3、 the research of the existing parallel of photovoltaic array structure, a more efficient parallel structure is proposed.Parallel photovoltaic power gen erati on system is to desig n a new type of parallel photovoltaic power gen eratio n systems, and by controlling the grid.The key modules in paralle

4、l photovoltaic power generation systems, to design the structure of the DC/DC converter, through topology analysis and comparis on of the adva ntages and disadva ntages of differe nt DC/DC conv ersi on circuit, the circuit structure to determine the best.Through the experiment to prove the validity

5、of the circuit selection.System front-end for photovoltaic cells, photovoltaic cells after a module in parallel, the module has a separate maximum power tracking control system, after the module parallel dc bus, after control the dc inverter for ac electric energy from the photovoltaic cells, throug

6、h the control of the inverter output ac power to the power grid voltage amplitude and phase of the coordinated, the output power to the grid.KeywordsKeywords： New energy；Photovoltaic power generation；MPPT；All independent parallel photovoltaic power generation technology、八 、-前言太陽能發電有著廣泛的發展前景。太陽輻射地球表面

7、的能量約為 17 萬億千瓦，相 當于目前全世界一年能源總消耗量的 3.5 萬倍。太陽能光伏發電在不久的將來會占據世 界能源消費的重要席位，不但要替代部分常規能源，而且將成為世界能源供應的主體。 根據預測 2030年太陽能光伏發電在世界總電力的供應中將達到 10%以上;2040 年太陽能 光伏發電將占總電力的 20%以上 ;21 世紀末太陽能發電將占 60%以上，顯示出重要戰略地 位。世界各國都紛紛把陽光能源作為重要的戰略能源之一，光伏發電將逐漸發展為一種 替代能源。光伏發電的并網開發應用是目前世界上大規模利用光伏發電的必然選擇，也 是未來最大的光伏發電市來講， 風電上網電價采取特許權招標電價和

8、核定電價 （ 基本上 分為 0.51 元、0.56 元和 0.61 元三個檔次 ）兩種形式 ;太陽能發電只對屋頂光伏項目進行 補貼，2009年的補貼標準為 20元/瓦，以后逐年遞減， 開闊地光伏電站目前剛剛開始啟 動試點項目，主要通過招標確定上網電價 （敦煌項目， 1.09 元/ 度）; 生物質能發電則是在 當地火電標桿電價的基礎上補貼 0.25 元/ 度。在我國發展大型光伏并網發電，是改變和 優化電力結構的理想選擇，也是可持續電力供應的理想模式。同時，智能電網的建設和 發展，將有效地促進分布式可再生能源發電的發展，為太陽能光伏發電并網帶來美好前 景。且光伏點具有調節常規電力負荷高峰的作用，因

9、此光伏發電成為一次能源緊缺的有 效解決方案，面對全球能源枯竭的現狀， 世界各國不斷出臺利好的太陽能光伏補貼政策， 刺激光伏產業發展，因此近幾年世界太陽能光伏產業呈現迅猛發展，但在現有工藝條件 下，光伏電池 （ 包括光伏單體及光伏組件 ） 的伏安特性存在較大差異，而這將影響光伏陣 列的工作特性。在串聯光伏電池陣列中，若有一個損壞，則整個陣列不能工作。采用并 聯式太陽能發電裝置，通過對現有光伏陣列串并聯結構的研究，提出了一種更為有效的 并聯結構 - 并聯光伏發電系統。1緒論1.1光伏板的原理太陽能不象煤和石油一樣用交通工具進行運輸，而是應用光學原理， 通過光的反射和折射進行直接傳輸，或者將太陽能轉

10、換成其它形式的能量 進行間接傳輸。 直接傳輸適用于較短距離，基本上有三種方法：通過反射 鏡及其它光學元件組合，改變陽光的傳播方向，達到用能地點；通過光導 纖維，可以將入射在其一端的陽光傳輸到另一端，傳輸時光導纖維可任意 彎曲；采用表面鍍有高反射涂層的光導管，通過反射可以將陽光導入室內。 間接傳輸適用于各種不同距離。將太陽能轉換為熱能，通過熱管可將太陽 能傳輸到室內；將太陽能轉換為氫能或其它載能化學材料，通過車輛或管 道等可輸送到用能地點；空間電站將太陽能轉換為電能，通過微波或激光 將電能傳輸到地面。太陽能的光電轉換是指太陽的輻射能光子通過半導體物質轉變為電能 的過程，通常叫做 光生伏打效應”太

11、陽電池就是利用這種效應制成的。當 太陽光照射到半導體上時，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半導體 吸收或透過。被吸收的光，當然有一些變成熱，另一些光子則同組成半導 體的原子價電子碰撞，于是產生電子 - -空穴對。這樣，光能就以產生電子 - - 空穴對的形式轉變為電能、如果半導體內存在 P-nP-n結，則在P P型和n n型交 界面兩邊形成勢壘電場，能將電子驅向 n n區，空穴驅向P P區，從而使得n n 區有過剩的電子，P P區有過剩的空穴，在 P-nP-n結附近形成與勢壘電場方向 相反光的生電場。光生電場的一部分除抵銷勢壘電場外，還使P P型層帶正電，n n型層帶負電，在n n區與p p區

12、之間的薄層產生所謂光生伏打電動勢。 若分別在P P型層和n n型層焊上金屬引線，接通負載，則外電路便有電流通 過。如此形成的一個個電池元件，把它們串聯、并聯起來，就能產生一定 的電壓和電流，輸出功率。1.21.2光伏發電過程太陽電池是一對光有響應并能將光能轉換成電力的器件。能產生光伏效應的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。 它們的發電原理基本相同，現以晶體為例描述光發電過程。P P型晶體硅經過摻雜磷可得N N型硅，形成P P-N N結。當光線照射太陽電池 表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子 發生了越遷，成為自由電子在 P-NP-N結兩側集

13、聚形成了電位差，當外部接通 電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產生一定的輸出功 率。這個過程的的實質是：光子能量轉換成電能的過程。1.31.3光伏發電裝置的分類光伏發電系統分為獨立光伏系統和并網光伏系統。獨立光伏電站包括邊遠地區的村莊供電系統，太陽能戶用電源系統，通信信號電源、陰極保護、太陽能路燈等各種帶有蓄電池的可以獨立運行的 光伏發電系統。并網光伏發電系統是與電網相連并向電網輸送電力的光伏發電系統。可以分為帶蓄電池的和不帶蓄電池的并網發電系統。帶有蓄電池的并網發電 系統具有可調度性，可以根據需要并入或退出電網，還具有備用電源的功 能，當電網因故停電時可緊急供電。帶有蓄電池的光

14、伏并網發電系統常常 安裝在居民建筑；不帶蓄電池的并網發電系統不具備可調度性和備用電源 的功能，一般安裝在較大型的系統上。1 1. 4 4光伏并聯發電技術的發展太陽能光伏發電系統主要有離網型和并網型兩種工作方式。在太陽能電池發 展初期，由于生產成本比較昂貴，光伏發電主要應用于偏遠的無電：郊區，以農村 用戶為主，這種發電方式都屬于離網型。隨著光伏發電產業迅速的發展，光伏發 電開始由偏遠的農村地區向城市并網發電、光伏集成建筑以及大型：荒漠光伏并網 發電的方向轉移，太陽能已經將全球性“補充能源”的標識摘下，戴上“替代能 源”的標識。中國能源戰略安全的唯一選擇是率先邁入新型清潔能源的時代 我國地大物博，

15、幅員遼闊，太陽能資源相當豐富，據統計，每年我國地表吸收的 太陽能，同樣能量可以燃燒3萬億噸的標準煤，是2009年全國能源消耗總量27. 5 億噸標準煤的872倍。由于我國現有沙漠化土地逐年擴大，假設將這些沙漠化土地的1 %用來安裝并網光伏發電系統，根據保守估計，裝機容量可以達到10億千瓦，而2009年全國發電總裝機容量僅為8. 74億千瓦。據統計，隨著近些年世界光伏 并網發電市場發展十分迅速，光伏并網發電在光伏行業中的市場比例逐年增加。據不完 全統計，截止2010年底，我國建成裝機容量超過 200KW光伏并網電站項目近20個；而 未來幾年內，我國10MW以上級特大型光伏電站建設計劃項目約有 3

16、0項，其中百兆瓦以 上級特大型光伏電站建設計劃項目約有 12項，總裝機容量接近4GW/隨著光伏并網發電 系統技術較快發展，其市場份額將始終保持在85%以上。我們完全可以期待，大規模的 利用新能源光伏發電，可以全面遏制對環境的影響和破壞，到那個時候，整個地球將是 一個低碳、可持續發展的美好世界。光伏并網發電系統產業已經在全球范圍內成為了一個蓬勃向上的高科技產業，其下屬產業支柱主要包括光伏電池組件和光伏逆變器。在市場方面，國內的逆變器市場也較 被業內人士看好，國內安裝光伏發電裝機容量已經：進入快速增長階段。在國家政策明 確之后，風力發電連續幾年翻番式增長，而中國的光伏發電市場在實行“上網電價政策

17、之后，未來將會進行井噴式的發展。從 2011年開始，將是中國并網光伏發電發展的高 峰期，業內人士預計，2011和2012年的中國光伏新增裝機量將在 2010年僅400MV左右 的基礎上猛增至1. 5GW和3GW以上，大幅拉動并網光伏逆變器需求。1.51.5本文主要工作第一章 緒論部分闡述了課題背景與選題意義，主要包括能源短缺、環境污染及太陽能 光伏發電的諸多優點三大方面；其次分別介紹了國內外光伏發電技術的研究。第二章太陽能光伏發電系統概述第三章 光伏發電MPPTI勺概述，簡單介紹了光伏發電 MPPT勺原理、功能、方法。第四章 介紹并聯發電裝置的構成、優點、解決的問題。第五章 介紹光伏并聯發電裝

18、置的技術手段，以及蟻群并聯光伏發電系統。第六章結論與展望2太陽能伏發電系統概述2.12.1太陽能光伏發電系統的組成太陽能光伏發電系統是利用太陽能電池的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉換成電能的一種新型發電系統。一套基本的光伏發電系統一般是由太陽能電池板、太陽能控制 器、逆變器和蓄電池（組）構成。太陽能電池板：太陽能電池板是太陽能光伏發電系統中的核心部分，其作用是將太陽能直接轉換成電能，供負載使用或存貯于蓄電池內備用太陽能控制器：太陽能控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓， 快速、平穩、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用 壽命；同時保護蓄電池，避免過充電

19、和過放電現象的發生。如果用戶使用的是直流負載， 通過太陽能控制器可以為負載提供穩定的直流電 （由于天氣的原因，太陽電池方陣發出 的直流電的電壓和電流不是很穩定）。逆變器：逆變器的作用就是將太陽能電池陣列和蓄電池提供的低壓直流電逆變成 220V交流電，供給交流負載使用。蓄電池（組）：蓄電池（組）的作用是將太陽能陣列發出的直流電直接儲存起來，供負 載使用。在光伏發電系統中，蓄電池處于浮充放電狀態，當日照量大時，除了供給負載 用電外，還對蓄電池充電；當日照量小時，這部分儲存的能量將逐步放出。2.22.2太陽能光伏系統的分類光伏發電是通過利用光伏電池板來實現太陽輻射能轉換為電能的一種發電方式。整個光伏

20、發電系統都是由以下幾個部分構成：光伏電池陣列、控制器、電能變換裝置和電 能儲存裝置。一般情況下，我們可以把光伏發電系統分為獨立型系統、并網型系統和混 合型系統。2.2.12.2.1獨立型光伏發電系統獨立型光伏發電系統的結構框圖如圖 2-1所示。其特點是不和電網相連接，無電地 區和特殊領域的供電，測站等遠離電網的用電設備。在有太陽光照的情況下，如偏遠山 村用電設備、衛星通信設備、航標燈、主要用于偏遠氣象和地震觀光伏陣列產生電能， 負載的消耗，那多余的電能就會轉換為化學能，并向負載供電。當光伏陣列的發電量大 于存儲在蓄電池中。當負載消耗大于當前光伏陣列產圖2-1獨立型光伏發電系統結構框圖生的電能，

21、那么光伏陣列和蓄電池同時對負載供電。如果當前沒有太陽光照，則由蓄電 池單獨供電。同時，還可以根據負載的類型，選擇是否加入逆變器。222222并網型光伏發電系統圖2-2并網型光伏發電系統結構框圖并網型光伏發電系統的結構框圖如圖2-2所示。其特點是輸出端與公共電網相連接。按照電網接入點的不同可以分為輸電側和配電側并網型光伏發電系統。城市中并網型光伏發電系統一般安裝在建筑物表面，并且并網點一般在配電側。而輸電側的并網型光伏 發電系統一般安裝在沙漠地區。其工作原理為：首先通過光伏陣列將太陽能轉換為電能，再通過逆變器將光伏陣列 產生的直流電轉換為和電網相位、頻率都相同的交流電，并將所產生的電能并入電網。

22、 2.2.32.2.3混合型光伏發電系統混合型光伏發電系統的結構框圖如圖 2-3所示。其最大的特點就是，系統中除了光 伏發電，還有其它形式的發電系統。當光伏陣列產生的電能不能滿足負載需求的時候， 可以通過其它形式的發電系統作為電能補充。目前應用比較多的就是風光互補發電系統，這樣組合可以使得系統的穩定性、可靠 性比單獨的光伏發電系統或者風力發電系統有了很大的提高。通過合理的配置和設計， 可以基本滿足負載的需求。圖2-3混合型光伏發電系統的結構框圖2.32.3太陽能光伏發電系統的應用目前我國光伏發電系統的應用主要在三方面：光伏陣列柴油發電機1、以采用戶用光伏發電系統和建設小型光伏電站為主，來解決偏

23、遠地區無電 村和無電戶的供電問題，為 200 萬戶偏遠地區農牧民 （即目前我國三分之一的無電 人口）提供最基本的生活用電；2、通過借鑒發達國家建設屋頂光伏發電系統的經驗，在經濟較發達、城市現 代化水平較高的大中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公園、車站 等公共設施照明系統中推廣使用光伏電源，建設屋頂光伏發電系統；3、建立大型的并網光伏系統，以便于在光伏發電成本下降到一定水平時而開 展大型并網光伏系統的大規模應用作好準備。2.42.4 光伏發電尚存在的問題目前，光伏發電仍存在下列幾個主要問題 :2.4 1 光伏陣列發電效率低 光伏陣列是光伏發電的最基本元件。光伏發電效率指的是光能轉化

24、為電能的比率。一般來講，晶體硅光伏電池效率為 10%- 15%左右，非晶體光伏電池效率為 5%- 8%薄 膜光伏電池目前的轉化效率僅為 28%左右。由于光電轉換效率太低，從而使光伏發電功 率密度低，難以形成高功率發電系統。并且由于對光電轉化管理不力，真正太陽能的利 用率只有 50%-70%。目前，科學家們正在加緊研究， 希望能大幅度提高光伏發電轉換率。 主要研究工作包括：在硅體里面增加其他元素，提高價能位置，從而形成更大的 P-N 結 的空間電荷區，得到更大的輸出電壓；增加受光面的折射度，讓太陽光線能夠在光伏電 池板上多次來回折射，以最大程度將光子能量轉換為電子能量；尋找對光感應更敏感的 材料

25、代替硅材料，以獲得更大的轉換效率。2.4.2系統造價成本高由于光伏發電效率低， 要發出足夠的電則需要許多光伏電池板。 2003 年單、雙晶硅 光伏電池組件的價格約為3640元/Wp，相比于目前的火力和水力發電，光伏發電的 成本約為后者的 6-20 倍。成本高是當前制約光伏發電市場快速發展的主要原因。2.4.3發電運行受氣候環境因素影響大 光伏發電源直接來源于太陽照射，而地球表面的太陽照射受氣候的影響時有時無。另外，由于環境污染的影響，特別是空氣中的顆粒物灰塵降落在光伏電池板上，從而阻 擋了陽光的照射，減少了光線的投入量，進而減少了光電的轉換。2.4.4制造單晶硅和多晶硅光伏電池需要消耗相當多的

26、能源 硅是地球上各種元素中含量僅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（ SiO2 ，二氧化硅）。從沙子變成多晶硅和單晶硅要經過多道化學和物理工序，其間，要消耗相當多的 能量，這也是他們生產成本高的原因。制造非晶硅光伏電池所需的能耗少得多，人們正 在為提高它的穩定性和工作壽命，降低它的內阻從而提高它的光電轉換效率而不懈努 力。2.4.5其他因素 由于太陽光存在著間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的特點，因此發電受外 界環境的影響較大。3 大功率點跟蹤技術3.1光伏電池及其特性3.1.1硅太陽能電池 指以硅為基體材料的太陽能電池，有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、非晶硅太陽能電池等。其中，單晶硅

27、太陽電池效率高、壽命長、性能優良，但成 本高，而且限于單晶的尺寸，單片太陽電池面積難以做得很大。多晶硅電池成本 比單晶硅低，單片電池也可以做得比較大，效率比單晶硅電池低。非晶硅太陽電池對太 陽光的吸收系數大，因而非晶硅太陽電池可以做得很薄，通常是單晶硅或多晶硅電池的 五百分之一，所以制作非晶硅太陽電池資源消耗少。非晶硅太陽電池存在的問題是光電 轉換率偏低，目前效率一般在 6%左右。3.1.2化合物半導體太陽能電池 指由兩種或兩種以上元素組成的具有半導體特性的化合物半導體材料制成 的太陽能電池，如硫化福太陽能電池、砷化嫁太陽能電池等。3.2有機半導體太陽能電池指用含有一定數量的碳一碳鍵且導電能力

28、介于金屬和絕緣體之間的半導體 材料制成的太陽能電池。3.2.1 薄膜太陽能電池 指用單質元素、無機化合物或有機材料制成的薄膜為基體材料的太陽能電池。目前 主要有非晶硅薄膜太陽能電池、 多晶硅薄膜太陽能電池、 化合物半導體薄膜太陽能電池、 納米晶薄膜太陽能電池、微晶硅薄膜太陽能電池等 此外，按照應用還可將太陽能電池分為空間太陽能電池和地面太陽能電池兩大類。地面太陽能電池又可分為電源太陽能電池和消費品用太陽能電池兩種。空間太陽 能電池的主要要求是耐輻射性好、可靠性高、光電轉換效率高、功率面積比和功率質量 比優等。N型區內建電廠P型區光子入射光子入射3.3太陽能電池的基本工作原理太陽能電池是利用半導

29、體材料的電子特性把太陽光直接轉換成電能的一種固態器太陽能電池工作原理的基礎，是半導體P-N結的光生伏打效應。所謂光生伏打效應， 簡單地說，就是當物體受到光照時，其體內的電荷分布狀態發生變化而產生電動勢和電 流的一種效應。現將半導體太陽能電池的發電過程概括成如下4點：3.3.1.首先是收集太陽光和其他光使之照射到太陽能電池表面上。3.3.2太陽能電池吸收具有一定能量的光子，激發出非平衡載流子（光生載流子）一一電子一空穴對。這些電子和空穴應有足夠的壽命，在它們被分離之前不會復合消失。3.3.3這些電性符號相反的光生載流子在太陽能電池 P-N結內建電場的作用下，電 子一空穴對被分離，電子集中在一邊，

30、空穴集中到一邊，在 P-N結兩邊產生異性電荷的 積累，從而產生光生電動勢，即光生電壓。3.3.4在太陽能電池P-N結的兩側引出電極，并接上負載，則在外電路中即有光生電流通過，從而獲得功率輸出，這樣太陽能電池就把太陽能（或其他光能）直接轉換成了電能。當太陽光（或其他光）照射到P-N結時，半導體內的原子由于獲得了光能而釋放電子， 相應地便產生了電子一空穴對，并在勢壘電場的作用下，電子被驅向N型區，空穴被驅向P型區，從而使N區有過剩的電子，P區有過剩的空穴，于是就在 P-N結的附近形成 了與勢壘電場方向相反的光生電場。光生電場的一部分抵消勢壘電場，其余部分使P型區帶正電、N型區帶負電，于是就使得 P

31、區與N區之間的薄層產生了電動勢，即光生伏 打電動勢。當接外電路時，便有電能輸出。這就是P-N結太陽能電池發電的基本原理。如圖3-1所示：+圖3-1光生伏打效應原理圖3.43.4太陽能電池的等效電路太陽能電池的等效電路如圖3-2所示:sc- loexpq(U IRs)AKT-1rU RsIRsh(3-1)其中：I sc：是短路電流，就是將太陽能電池置于標準光源的照射下，在輸出端短路時，流 過太陽能電池兩端的電流。它的值與太陽能電池的面積大小、光照強度、環境溫度成正 比。U為太陽能電池的輸出值，當太陽能電池兩端開路時，太陽能電池輸出的電壓值為 開路電壓Unr，與太陽光輻射強度有關系，而與電池板面積

32、的大小沒有關系。開路電壓 值隨著光照強度的升高而升高Io為通過P-N結的總擴散電流。Rs為串聯電阻，主要由電池的體電阻、表面電阻、電極導體電阻和電極與硅表面間 接接觸電阻所組成。Rsh為并聯電阻，是電池邊緣漏電或者耗盡區內的復合電流引起的。根據太陽能電池等效電路和電子學理論，太陽能電池的電流方程可以用下式表示：式中：I太陽能電池輸出電流，A； q電子電荷常數，為1.6 10J9C ；I。一一反向飽和電流，A；A 常數因子（正偏電壓大時A值為1,正偏電壓小時A值為2）；K 波爾茲曼常數，1.38 1O3J/K ；T 絕對溫度，Ko通常情況下，一個理想的太陽能電池，串聯電阻 尺很小，而并聯電阻Rs

33、h很大。由 于Rs和Rsh分別串聯和并聯在電路中，所以在進行理想的電路計算時，它們可以忽略不 計，太陽能電池的電流方程可化為：q(u+iRs)c、I = Isc-loexps -1(3-2)AKT當電路外接負載接RL時，設太陽能電池輸出電流為IL，則輸出功率為：q(URs)P = IL2 RL 二Isc-Ie AKT -12 RL(3-3)3.53.5太陽能電池的l-Vl-V特性在特定的太陽光照強度和環境溫度下，由公式3-3可知，當外接電阻R,從0變化到無窮大時，可以得出太陽能電池負載特性曲線，曲線如圖3-3所示。與曲線上的任一點相對應的橫坐標、縱坐標即為太陽能電池的工作電壓和工作電流。當調節

34、負載電阻R到某一值時，太陽能輸出功率為最大值，此工作點即為太陽能電池最大功率點。該點所 對應的功率稱為最大功率點功率Pm，該點所對應的電壓稱為最大功率點電壓 Um，該點所對應的電流稱為最大功率點電流Im :Pm = I m U m(3-4)太陽能電池的I-V特性曲線對于分析太陽能電池非常重要，由圖可以看出太陽能電池是一個既非恒壓源又非恒流源的非線性直流電源。圖3-3太陽能電池負載曲線根據太陽能電池的I-V特性曲線，在給定溫度和日照強度下，可以定義出幾個重要 的技術參數：(1)短路電流Is :電池板所能輸出的最大電流() 開路電壓U0 :電池板所能輸出的最大電壓(3)最大功率點電流lm:電池板最

35、大功率點上的電流(4)最大功率點電壓Um :電池板最大功率點上的電壓(5)最大功率點電壓Pm :電池板最大功率點上的功率日照強度的影響太陽能電池的輸出電流直接受到日照強度的影響，在特定溫度下，太陽能電池在不 同日照強度下的I-V特性曲線如圖3-4所示：圖3-4不同日照強度下的太陽能電池板的I-V特性曲線由圖3-4可以看出在一定的溫度下，隨著太陽光照強度的增加，太陽能電池板輸出 電流增加比較大，而輸出電壓變化卻比較小，可以看出光照強度對太陽能電池輸出電流 的影響比較大。功率P/WP/W22圖3-5不同光照強度下的P-V曲線由圖3-5可以看出，在一定的溫度下，隨著太陽光照強度的增加，太陽能電池板輸

36、 出的功率也在增加。3.5.1.環境溫度的影響在特定的太陽光照強度下，太陽能電池板的輸出電壓直接受到環境溫度的影響，太 陽能電池在不同的溫度下的I-V特性曲線如圖3-6所示：圖3-6不同溫度下太陽能電池板的I-V特性曲線由上圖可以看出在一定的光照強度下，隨著溫度的變化，太陽能電池板輸出電壓變化比較大，輸出電流變化比較小，隨著溫度的增加，輸出電壓在減小，輸出電流在增加電壓U/VU/V1000W/m800W / m2600 W / m400W/m2圖3-7不同溫度下太陽能電池板的 P-V特性曲線由圖3-7可以看出太陽能電池具有負溫度系數。在一定的光照強度下，隨著溫度的 升高，太陽能電池板輸出的功率

37、也會相應地減小。4 MPPT的概述4.14.1 MPPTMPPT通過前面的分析可知，光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強度、 環境溫度和負載情況影響。在一定的光照強度和環境溫度下，光伏電池可以工作在不同 的輸出電壓，但是只有在輸出某一電壓值時，光伏電池的輸出功率才能達到最大值，這 是光伏電池的工作點就達到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點(Maximum Power Point, MPP)。因此，在光伏發電系統中，要提高系統的整體效率，一 個重要的途徑就是實時調整光伏電池的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一 過程就稱為最大功率點跟蹤最大功率點跟蹤(Maximum

38、Power Point Tracking，簡稱MPPT系統是一種通過 調節電氣模塊的工作狀態，使光伏板能夠輸出更多電能的電氣系統能夠將太陽能電池板 發出的直流電有效地貯存在蓄電池中，可有效地解決常規電網不能覆蓋的偏遠地區及旅 游地區的生活和工業用電，不產生環境污染。光伏電池的輸出功率與MPPT空制器的工作電壓有關，只有工作在最合適的電壓下， 它的輸出功率才會有個唯一的最大值。日照強度為 1000W加，U=24V,I=1A; U=30V,l=0.9A ; U=36V,l=0.7A;可見 30 的電 壓下輸出功率最大4.1.14.1.1MPPTMPPT的原理給蓄電池充電，太陽能電池板的輸出電壓必須

39、高于蓄電池的當前電壓，如果太陽能 電池板的電壓低于電池的電壓，那么輸出電流就會接近0。所以，為了安全起見，太陽能電池板在制造出廠時，太陽能板的峰值電壓（ Vpp）大約在17V左右，這是以環境溫 度為25C時的標準設定的。當天氣非常熱的時候，太陽能電池板的峰值電壓Vpp會降到15V左右，但是在寒冷的天氣里，太陽能的峰值電壓Vpp可以達到18V。現在，我們再回頭來對比MPPT太陽能控制器和傳統太陽能控制器的區別。傳統的 太陽能充放電控制器就有點象手動檔的變速箱，當發動機的轉速增高的時候，如果變速 箱的檔位不相應提高的話，勢必會影響車速。但是對于MPPT太陽能控制器來說，充電參數都是在出廠之前就設定

40、好的，就是說，MPPT空制器會實時跟蹤太陽能板中的最大的 功率點，來發揮出太陽能板的最大功效。電壓越高，通過最大功率跟蹤，就可以輸出更 多的電量，從而提高充電效率。理論上講，使用 MPPT空制器的太陽能發電系統會比傳 統的效率提高50%但是跟據我們的實際測試，由于周圍環境影響與各種能量損失，最 終的效率也可以提高20%-30%從這個意義上講，MPP太陽能充放電控制器，勢必會最終取代傳統太陽能控制器4.1.24.1.2MPPTMPPT的功能MPPT控制器主要功能：檢測主回路直流電壓及輸出電流，計算太陽能陣列的輸出 功率，并實現對最大功率點的追蹤。擾動電阻 R和MOSFET串連在一起，在輸出電壓

41、基本穩定的條件下，通過改變 MOSFET的占空比，來改變通過電阻的平均電流，因此 產生了電流的擾動。同時，光伏電池的輸出電流電壓亦將隨之變化，通過測量擾動前后 光伏電池輸出功率和電壓的變化，以決定下一周期的擾動方向，當擾動方向正確時太陽 能光能板輸出功率增加，下周期繼續朝同一方向擾動，反之，朝反方向擾動，如此反 復進行著擾動與觀察來使太陽能光電板輸出達最大功率點。4.1.34.1.3MPPTMPPT方法傳統的MPPT方法依據判斷方法和準則的不同被分為開環和閉環 MPPT方法。實 際上，外界溫度、光照和負載的變化對光伏電池輸出特性的影響呈現出一些基本的規律， 比如光伏電池的最大功率點電壓與光伏電

42、池的開路電壓之間存在近似的線性關系，基于這些規律，可提出一些開環的MPPT控制方法，如定電壓跟蹤法，短路電流比例系數法 和插值計算法等。閉環MPPT方法則通過對光伏電池輸出電壓和電流值的實時測量與閉環控制來實 現MPPT，使用最廣泛的自尋優類算法即屬于這一類 。典型的自尋優MPPT算法有擾 動觀察法(Perturbation and Observation Method , P&O)和電導增量法(In creme ntal Conductanee , INC)兩種5伏并聯發電裝置的技術手段5.15.1 般模式光伏發電出現的問題當前國內的并網逆變器主要采用工頻變壓器的隔離方式，這種方式實現了電壓

43、變換 和電氣隔離，所以安全性能較好、可靠性較高。但是其缺點是比較笨、成本高、效率低。 這在很大程度上影響了光伏行業的發展。在控制策略上，主要是對交流的電網電壓進行 控制實現并網，當光照變化較大時，這種控制方法控制精度較低，而且效率不高。在主 電路結構上，現在的逆變器采用的都是單向結構，一旦電網停電，這個光伏并網系統將 停止工作，嚴重影響光伏發電系統的效率。到目前為止，我國光伏并網發電的關鍵技術 及設備與世界先進水平相比仍有一定差距，國內光伏發電技術普遍規模小，結構工藝、 制造水平、性能穩定性等指標跟國外一流水平有一定差距。具體光伏發電系統的研究主 要具體存在以下幾個方面的問題：(1)光伏最大功

44、率點的跟蹤控制技術國內通常采用自尋優類MPPT技術，而系統在實際工作中，會出現原先的單峰值曲線畸變為多峰值的非正常情形，因此達到控制精度方 面存在著一定的問題。 光伏并網逆變器的主控制通常采用間接電流控制策略技術，其控制方法比較落 后，隨著逆變器市場的蓬勃發展，難以滿足實際應用的要求。(3)在光伏并網系統中，對逆變器并網電流的諧波有嚴格的限制要求。而對于大功率 并網逆變器，由于開關頻率不高，濾波器的體積和損耗較大的問題。(4)而光伏電廠(站)的一般模式是，先把N個光伏電池組件串聯成一條支路，再將M 條支路并聯起來構成光伏電池陣列。這樣的發電結構存在兩方面的問題：第一、每條支 路上的各光伏電池組

45、件的特性必須一致，否則，整條支路的電流被輸出能力最差的光伏 電池組件所限制，嚴重地，當有個別光伏電池組件損壞時，整條支路不能出力；第二、 全部M條支路的端口電壓是一致的，而特性不一致的各條支路在一致的端口電壓下并不 能都輸出最大功率。這些問題都需要亟待改進。5.2全新并聯式光伏發電技術的優點并聯式光伏發電技術首先以單塊光伏電池組件為基本單位，為之配備微型功率控制器，使其輸出最大功率并獲得獨立性；其次將Nt基本單位并聯起來構成一個并聯組，為之配備小型就地升壓器，并使并聯組獲得獨立性；最后全部并聯組再并聯匯流到并網 逆變器或負載。所以，解決了以上兩個問題：一、整個光伏電廠的全部光伏電池板，無 論其

46、型號、特性是否有差異，都工作在個體最大出力狀態，則集體出力最大化。即使有 少數光伏電池板損壞或由于各種原因不能出力，也不影響其它正常的光伏電池板的出 力。二、個體與個體之間、并聯組與并聯組之間相互獨立，雖然最終并聯匯流出口電壓 只有一個，但該電壓不會影響各并聯組乃至單體的最大出力。所以，全獨立并聯式光伏發電技術具有以下特點：一、將光伏電廠（站）圖1 1的全部光伏電池組件的出力都發揮到極致，使系統運行在真最大功率輸出狀態，提高了 發電效率。二、全獨立的電氣結構設計，使單體光伏組件或單個并聯組性能劣化或發生 故障時，不影響其它正常的光伏組件或并聯組的繼續處理，系統可以繼續運行，提高了 光伏電廠（站

47、）運行的可靠性。三、增強了光伏電廠（站）設計、安裝規劃和擴容的靈 活性。四、降低了光伏電廠（站）維護維修的難度和成本，維修時可以熱插拔光伏發電 的基本原理是太陽光量子照射到光伏電池板上引起半導體PN結載流子的激發而形成電流。其輸出伏安特性如圖1所示。由于半導體工藝的分散性、光伏電池組件的老化程度 不一致、光照環境不一致等多種原因，造成各光伏電池組件的實際輸出伏安特性差異較 大。如圖1所示，當將一定數量的光伏電池組件串聯時，它們的輸出電流相等，貝鬧沒 有運行在各自的最大功率輸出點；當將它們并聯連接時，它們的輸出電壓相等，貝U也都沒有運行在最大輸出功率點的可能圖2所示為目前世界范圍內普遍采用的光伏

48、發電廠（站）的一般電氣原理框圖。圖 2 中，先將N塊光伏電池組件串聯連接成一條支路，使支路總的開口輸出直流電壓達到功 率變換器所要求的電壓等級，并在每個支路上安裝一個防倒流二極管；然后將M條支路并聯匯流到正、負直流母線上，以獲得所要求的功率等級。正、負直流母線將光伏電池 輸出的直流電能送入功率變換器，由功率變換器將該直流電能變換為交流電能送入交流 電網或供給交流負載并進行最大功率跟蹤控制（MPPT。圖2所示的光伏發電系統存在 的問題是：一、在一個串聯支路內，N個光伏電池組件輸出同一個電流，且該電流不能大于電流輸出能力最差的那一塊光伏組件的電流，根據圖1，各光伏電池組件都沒有工作在最大可出力狀態

49、，嚴重地，若在支路內即使只有一個光伏電池損壞，則整條支路不 能出力。雖然在每塊光伏電池組件兩端反并一個二極管可以克服此問題，但又造成了電 流輸出能力小的光伏組件完全不能出力。二、M條支路的端口電壓同一，且不能高于電壓輸出能力最低的哪條支路。圖1所示的伏安特性同樣適合于描述各條支路。根據圖 1, 各支路都沒有工作在最大可出力狀態。所以，無論后續的功率變換器的MPP算法如何，系統實際輸出的只是一種虛假的最大功率，光伏電池的發電潛力并未充分發揮。圖2所示的系統結構在工程實踐上也存著充分利用場地與保持支路特性盡可能一致 的沖突、前期投入與后期擴容的沖突以及檢查維修困難等問題。第1列第2列第M列AC交流

50、電網交流負載6 6系統工作原理6.16.1本發電系統方案的基本內容第一為大型光伏電廠（站）中的每一塊光伏電池組件設計一套“功率控制器”電路，該功率控制器電路與單塊光伏組件一起構成一個基本單元。在功率控制器的控制下,基本單元中的光伏電池組件總是保持其自身所能發出的最大功率，并由功率控制器單向性的向外輸出。功率控制器采取獨立的控制結構和方式，并具有多種保護功能，使基本 單元自成一個完整、獨立的子系統，以獨立的身份參與并聯。第二，將N個基本單元分為一個并聯組，并為之配備一個就低升壓器。就地升壓器也采取獨立控制，使各并聯組也以獨立的地位參與并聯匯流。M個并聯組的輸出采用高壓小電流方式將電力長距離傳輸到

51、匯流柜。并聯組M從光伏組件發出的電力，經過輸入 EM濾波器濾波后，送入DC/D（斬波器進行控制， 經過DC/D（斬波器控制后的電力再經過輸出EM濾波器濾波后送入基本單元的輸出端口； DC/D（斬波器的PW脈沖寬度占空比受控制單元的控制， 控制單元對光伏電池組件發出的 電壓和電流進行檢測，計算出光伏組件的發出的功率，通過最大功率跟蹤控制算法計算 出使光伏電池組件能夠發出最大功率的 PW脈沖寬度占空比，并產生相應的PW脈沖，經 過脈沖驅動電路后去控制DC/D（斬波器；控制單元還檢測輸出連接端口的電壓，防止外 部直流母線上的電壓過高而損壞基本單元內的 DC/D（斬波器電路；輔助電源部分從光伏 電池組

52、件輸出的電力中取一小部分，進行 DC/D（變換后使成為穩定、合適的直流電壓供 控制單元使用，以避免基本單元依賴外部提供輔助電源。如圖4所示，為本發明的微型功率控制器的電氣原理圖。在圖4中，由電容C Ci i、差模電感L Li i、電容C C2 2、和壓敏電阻R Ri i構成輸入EMI濾波器 輸入EMI濾波器具有低通特性，其功能是過濾光伏電池組件產生的電磁干擾噪聲，而讓 直流電流順利通過，使從光伏電池組件輸送到功率控制器中的DC/D（斬波器的電能為純凈的直流電；同時輸入EMI濾波器也將阻斷功率控制器中的DC/D（斬波器所產生的開關 噪聲，使之不至于干擾光伏電池組件。輸入 EMI濾波器中的壓敏電阻

53、起著輸入瞬時過電 壓保護作用。在圖4中，由電容C C3 3、電感L L2 2、功率半導體開關三極管T Ti i、功率半導體開關二極管 D Di i、輸出濾波電容C C4 4等構成DC/D（斬波器，該斬波器為一個升壓型，即輸出電壓高于 輸入電壓。該電路的基本功能可以用汲水筒來形象的描述。從控制單元發來的高頻PWM 脈沖作用到功率半導體開關三極管T Ti i的控制極，使功率半導體開關三極管交替地開通和 關斷，實現電能的轉換。當功率半導體開關三極管導通時，相當于汲水筒的汲水過程， 電路從光伏電池組件中汲取電能并存儲在輸入電感 L L2 2中，當功率半導體開關三極管關斷 時，相當于汲水筒的噴水過程，儲

54、存在輸入電感L L2 2中的能量通過二極管注入到輸出電路。 電路以高頻化的開通、關斷連續不停的工作，設脈沖寬度占空比為d,則輸出電壓與輸入電壓的關系為：1V。v1 -d因為基本單元的輸出是并聯在并聯組母線上的，輸出電壓 V。的高低取決于并聯組母 線上的功率平衡。根據式（1），無論輸出電壓V。的高低如何，總是可以通過改變脈沖寬 度占空比d獲得所需的輸入的電壓Vi,即光伏電池組件的輸出電壓，從而可以尋找到一個 使光伏組件輸出最大功率點。由于功率半導體開關二極管D Di i具有單向導電性，圖6中的DC/D（斬波器的功率流動也是單向性的，只能流出基本單元，而不能流入基本單元。在圖6中，由電容C C5

55、5、差模電感L L3 3、電容C C6 6、和壓敏電阻R R2 2構成輸出EMI濾波器。 輸出EMI濾波器具有低通特性，其功能是過濾由 DC/DC斬波器電路產生的電磁干擾噪 聲，而讓直流電流順利通過，使從基本單元輸出到直流母線的電能為純凈的直流電；同 時輸出EMI濾波器也防止直流母線上的電磁噪聲干擾基本單元。輸出EMI濾波器中的壓敏電阻R R2 2起著防止直流母線瞬時過電壓而損壞基本單元的保護作用。在圖6中，由電阻R R2 2、電阻R R3 3、電阻R R4 4、電阻R R8 8、電阻R R9 9、集成電路ICICi i、集成電路 ICIC2 2、電阻R Rioio、電容C C7 7、電容C

56、C8 8、石英晶體振蕩器X Xi i、電容C C9 9、發光二極管D D2 2、發光二 極管D D3 3、電阻R R5 5、電阻R R6 6、集成電路ICIC3 3等構成控制單元。控制單元的基本功能是通 過檢測光伏電池組件輸出的功率， 依據最大功率跟蹤控制算法，確定輸出到DC/DC斬波 器的PW脈沖寬度占空比d，使DC/DC斬波器從光伏電池組件中提取最大功率；控制單元的附加功能是進行系統保護和故障報警。由取樣電阻R R2 2對從光伏電池組件輸出的電流進行取樣， 經過精密電流取樣集成放大 器電路ICICi i將取樣電流信號轉換并放大為電壓信號，由分壓電阻 R R8 8、R R9 9分壓后得到的電

57、 壓正比于光伏電池組件的輸出電流的大小， 將之送入集成電路ICICi i中的ADi口。集成電路 ICIC2 2為一塊單片機芯片，其內部的模/數轉換器將該信號轉換成數字量，以作為光伏組件 功率計算的電流因子。由取樣電阻R R3 3、R R4 4對從光伏電池組件輸出的電壓進行分壓取樣，得到正比于光伏電 池組件輸出電壓的取樣信號，送入集成電路ICIC2 2中的AD2口，集成電路ICIC2 2為一塊單片機 芯片，其內部的模 / 數轉換器將該信號轉換成數字量，以作為光伏組件功率計算的電壓 因子。在單片機內部，執行功率計算，即將上述采集到的電流、電壓進行乘法運算，得到輸入的直流功率。然后顳部程序執行最大功

58、率跟蹤控制算法，其算法流程圖如圖7所示。集成電路ICIC3 3等構成PW脈沖驅動電路，將單片機PW輸出口發來的PW脈沖進行放 大，以驅動DC/D斬波器電路中的功率半導體三極管。由取樣電阻R R5 5、R R6 6對直流母線電壓進行取樣，送入單片機ICIC2 2的AD3q，單片機內部的模/數轉換器將該信號轉換成數字量，程序定時對該電壓進行檢測，當該電壓超過預先設定的值，即直流母線電壓超過一定的閾值時，控制單元封鎖發往 DC/D（斬波器的PWM 脈沖，以使DC/DC斬波器免于因過電壓而擊穿。連于集成電路ICIC2 2的通用I/O口上的發光二極管D D2 2為綠色，指示系統正常運行，發光 二極管D

59、D3 3為紅色，指示系統故障。有了這樣的指示，檢修人員不用對每一個基本單元進 行測試就可以方便的確定故障部位并更換檢修。在圖6中,由集成電路ICIC3 3及其外圍元件電容C Cioio、電感L L4 4、二極管D D2 2構成輔助電源， 其作用是從光伏電池組件上取電，并穩壓為 +5V,供控制單元內部使用。這樣，整個基 本單元沒有從外部引入電源線，簡化了基本單元同外部的電氣連接。該電路為一個降壓 式DC/DC斬波器電路，將高于5V勺光伏電池組件發出的電壓高效地穩定在 +5V。綜上所述，基本單元自成為一個獨立、完善的子系統，實現了單塊光伏電池組件發 出的功率最大化、故障保護和運行狀態指示等功能。基

60、本單元與外部的連接只有兩根輸 出引線連向并聯組母線上，當基本單元出現故障時，僅只不能輸出功率，不會產生并聯 組母線上的功率倒流而影響其它基本單元的正常運行， 更換維修和增加基本單元可以熱 插拔的方式進行。6.26.2 就地升壓變換器 本系統的第二個方面是為每一個并聯組配置一個就地升壓直流變換器，其基本作用是將各并聯 組母線上較低的直流電壓升高并穩定到規定值，其目的在于：一、減小從光伏安裝現場到匯流柜之 間的長距離的導線傳輸損耗；二、為并網逆變器創造良好的運行條件，使脫網時間縮短。同基本單 元的功率控制器一樣，就地升壓變換器實際上是并聯組的功率控制器，其輸出將通過導線在匯流柜 上并聯，因此，要保