光伏發電的基本原理

光伏發電的類別

光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)一(yi)般(ban)按(an)照(zhao)與(yu)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)的(de)關(guan)係(xi)分(fen)類(lei)，可(ke)以(yi)分(fen)為(wei)獨(du)立(li)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)和(he)並(bing)網(wang)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)。獨(du)立(li)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)不(bu)與(yu)電(dian)力(li)係(xi)統(tong)連(lian)接(jie)在(zai)一(yi)起(qi)
，獨(du)立(li)於(yu)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)
，發(fa)出(chu)的(de)直(zhi)流(liu)
、交流電直接供給負載。而並網光伏發電則像發電站一樣，可以向電網輸送有功、無功的電能。

1、獨立光伏發電的基本原理

獨立光伏發電係統由太陽能電池陣列、蓄電池、逆變器組件
、控製器和負載(直流負載和交流負載)組(zu)成(cheng)。因(yin)為(wei)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)能(neng)為(wei)直(zhi)流(liu)，但(dan)是(shi)由(you)於(yu)光(guang)照(zhao)強(qiang)度(du)實(shi)時(shi)變(bian)化(hua)，太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)輸(shu)出(chu)的(de)電(dian)壓(ya)也(ye)不(bu)穩(wen)定(ding)，這(zhe)時(shi)也(ye)需(xu)要(yao)蓄(xu)電(dian)池(chi)來(lai)起(qi)到(dao)一(yi)個(ge)濾(lv)波(bo)的(de)作(zuo)用(yong)，將(jiang)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)產(chan)生(sheng)的(de)電(dian)壓(ya)穩(wen)定(ding)在(zai)蓄(xu)電(dian)池(chi)的(de)電(dian)壓(ya)值(zhi)上(shang)，在(zai)另(ling)外(wai)一(yi)種(zhong)意(yi)義(yi)上(shang)，用(yong)蓄(xu)電(dian)池(chi)也(ye)有(you)儲(chu)能(neng)的(de)作(zuo)用(yong)，可(ke)以(yi)將(jiang)過(guo)剩(sheng)的(de)電(dian)能(neng)儲(chu)存(cun)起(qi)來(lai)供(gong)在(zai)光(guang)照(zhao)強(qiang)度(du)較(jiao)低(di)的(de)時(shi)候(hou)使(shi)用(yong)。如(ru)果(guo)是(shi)直(zhi)流(liu)負(fu)載(zai)就(jiu)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)接(jie)在(zai)蓄(xu)電(dian)池(chi)上(shang)工(gong)作(zuo)，如(ru)果(guo)是(shi)交(jiao)流(liu)負(fu)載(zai)
，那(na)麼(me)需(xu)要(yao)經(jing)過(guo)逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)DC-AC 變換，將直流電變成交流電，供給交流負載。

2
、並網光伏發電的基本原理

獨立光伏發電係統由太陽能電池陣列
、蓄電池、逆變器組件、控製器和負載組成。因為需要將光伏發出來的電回饋給電網
，這就需要將直流電轉換為電網要求的220V、50HZ 的交流電，並且在相同相位的情況下並網
，像電網供電。

無(wu)論(lun)是(shi)獨(du)立(li)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)還(hai)是(shi)並(bing)網(wang)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)，逆(ni)變(bian)係(xi)統(tong)對(dui)於(yu)交(jiao)流(liu)負(fu)載(zai)和(he)並(bing)網(wang)發(fa)電(dian)都(dou)是(shi)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)的(de)
，接(jie)下(xia)來(lai)我(wo)們(men)主(zhu)要(yao)就(jiu)光(guang)伏(fu)分(fen)布(bu)發(fa)電(dian)中(zhong)的(de)逆(ni)變(bian)係(xi)統(tong)的(de)相(xiang)關(guan)設(she)計(ji)進(jin)行(xing)研(yan)究(jiu)。
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光伏發電逆變係統設計

光伏發電逆變係統的組成

光伏發電係統主要由太陽能電池
、主回路

、控製電路和負載組成。主回路主要包括DC/DC 電路、DC/AC 電路
、濾(lv)波(bo)器(qi)組(zu)件(jian)。下(xia)麵(mian)主(zhu)要(yao)對(dui)於(yu)主(zhu)回(hui)路(lu)部(bu)分(fen)的(de)設(she)計(ji)做(zuo)介(jie)紹(shao)，其(qi)中(zhong)包(bao)括(kuo)主(zhu)回(hui)路(lu)的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)，介(jie)紹(shao)一(yi)下(xia)全(quan)橋(qiao)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)的(de)工(gong)作(zuo)原(yuan)理(li)以(yi)及(ji)逆(ni)變(bian)器(qi)模(mo)塊(kuai)的(de)選(xuan)型(xing)
，以(yi)及(ji)相(xiang)關(guan)保(bao)護(hu)的(de)設(she)計(ji)。

 光伏發電逆變係統的拓撲結構

通常單相電壓型逆變器主要分為推挽式
、半橋和全橋逆變電路三種。這三種方式根據其不同的特點應用於不同的場合。

推挽式逆變電路的電路結構比較簡單
，如圖3-1 所示。其上電路隻需要兩個晶閘管
，基極驅動電路不需要隔離，驅動電路比較簡單，但是晶閘管需要承受2 倍的線路峰值電壓，所以適合於低輸入電壓的場合應用。

圖 單相推挽式逆變電路

tongshibianyaqicunzaipiancixianxiang，chujiraozuyouzhongxinchoutou
，liuguodedianliuyouxiaozhihetonghaojiaoda，chujiraozuliangbufenyingjinmiouhe
，raozhigongyifuza。yinweituiwanshinibiandianluduiyujingzhaguandenaiyayaoqiubijiaogao，bushihezuoweiguangfufadiandenibianxitongzhuhuilu。

相比於推挽式逆變電路，單相半橋式逆變電路中所使用的晶閘管的耐壓要求就相對較低，不會有線電壓峰值2 倍(bei)這(zhe)麼(me)多(duo)，絕(jue)對(dui)不(bu)會(hui)超(chao)過(guo)線(xian)電(dian)壓(ya)峰(feng)值(zhi)。其(qi)逆(ni)變(bian)出(chu)來(lai)的(de)波(bo)形(xing)也(ye)相(xiang)對(dui)推(tui)挽(wan)式(shi)比(bi)較(jiao)接(jie)近(jin)於(yu)正(zheng)弦(xian)波(bo)
，所(suo)以(yi)濾(lv)波(bo)的(de)要(yao)求(qiu)也(ye)相(xiang)對(dui)較(jiao)低(di)。由(you)於(yu)晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)飽(bao)和(he)壓(ya)降(jiang)減(jian)小(xiao)到(dao)了(le)最(zui)小(xiao)，所(suo)以(yi)不(bu)是(shi)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)影(ying)響(xiang)因(yin)素(su)之(zhi)一(yi)。但(dan)是(shi)由(you)於(yu)半(ban)橋(qiao)式(shi)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)的(de)結(jie)構(gou)決(jue)定(ding)其(qi)集(ji)電(dian)極(ji)電(dian)流(liu)在(zai)晶(jing)閘(zha)管(guan)導(dao)通(tong)時(shi)會(hui)增(zeng)加(jia)一(yi)倍(bei)
，使(shi)得(de)在(zai)晶(jing)閘(zha)管(guan)選(xuan)型(xing)的(de)過(guo)程(cheng)中(zhong)，要(yao)考(kao)慮(lv)大(da)電(dian)流(liu)、承受高壓的情況
，就難免會因為其價格昂貴，所以不適合作為光伏發電的逆變係統主回路。

全(quan)橋(qiao)式(shi)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)就(jiu)是(shi)介(jie)於(yu)推(tui)挽(wan)式(shi)和(he)半(ban)橋(qiao)式(shi)之(zhi)間(jian)，兼(jian)顧(gu)其(qi)各(ge)自(zi)優(you)點(dian)的(de)一(yi)種(zhong)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)。其(qi)既(ji)有(you)推(tui)挽(wan)式(shi)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)流(liu)性(xing)質(zhi)
，也(ye)有(you)半(ban)橋(qiao)式(shi)電(dian)路(lu)的(de)電(dian)壓(ya)性(xing)質(zhi)，其(qi)結(jie)構(gou)詳(xiang)見(jian)圖(tu)3-3 所(suo)示(shi)。全(quan)橋(qiao)式(shi)電(dian)路(lu)可(ke)以(yi)使(shi)得(de)晶(jing)閘(zha)管(guan)期(qi)間(jian)達(da)到(dao)最(zui)大(da)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)
，而(er)且(qie)其(qi)逆(ni)變(bian)出(chu)來(lai)的(de)波(bo)形(xing)更(geng)加(jia)接(jie)近(jin)於(yu)正(zheng)弦(xian)波(bo)。所(suo)以(yi)，這(zhe)次(ci)這(zhe)次(ci)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)的(de)逆(ni)變(bian)係(xi)統(tong)主(zhu)回(hui)路(lu)選(xuan)用(yong)了(le)全(quan)橋(qiao)式(shi)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)。

其中VT1-VT4 為晶閘管，VD1-VD4 為四個反向並聯的二極管。下麵詳細介紹一下全橋逆變電路的工作原理。

圖 單相全橋式逆變電路
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全橋逆變電路的工作原理

首先，VT1 和VT4 是一對同時開關的晶閘管
，VT2 和VT3 是另外一對同時開關的晶閘管
，VT1、VT4,VT2、VT3各受兩路控製電壓的控製。首先，VT2、VT3 的控製電壓為負值，那麼VT2、VT3 關斷

，處於截止狀態。VT1、VT4 的的控製電壓為正值，那麼VT1、VT4 導通，電流流通路徑如圖3-4 所示。如果忽略晶閘管自身的壓降，那麼輸出電壓就等於Uout=EN2/N1.

然後，VT1
、VT4 關斷
，四個功率開關都處於截止狀態。

圖 電流流通途徑

第三個時刻
，VT1
、VT4 的控製電壓為負值，那麼VT1
、VT4 關斷
，處於截止狀態。VT2
、VT3 的的控製電壓為正值，那麼VT2、VT3 導通，電流流通路徑如圖3-5 所示。如果忽略晶閘管自身的壓降，那麼輸出電壓就等於Uout=-EN2/N1.

最後
，VT2、VT3 關斷，四個功率開關都處於截止狀態。

這就是一個周期內，晶閘管的開關變化情況。按照這種工作方式，則可以獲得交變的電壓。

圖 電流流通途徑
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逆變器的設計

逆變器組件的設計根據某地的用戶載荷分析，用戶的用電載荷平均大概為3.2kW.根據某地全年品均月輻照強度5.4KWh/m?/ 天。總共需要的電池板方陣功率計算公式為：

Wl :負載的消耗功率F :蓄電池放電效率的修正係數(通常取1.05)Tm :峰值日照時數
，其值與輻照強度的值基本相同，這裏取3.6h:方陣表麵由於塵汙遮蔽或老化引起的修正係數，通常可取0.9~0.95:方陣組合損失和對最大功率點偏離以及控製器效率的修正係數，通常可取0.9~0.95L :蓄電池的維修保養率(通常取0.8)Ka :包括逆變器等交流回路的損失率(通常取0.7,如逆變器效率高可取0.8)本方案選用230W 的單晶矽電池板，則總共需要8 塊，總功率為1.84Kw .

由於當地的用電電壓為22OV,所以選擇輸出電壓為22OV的離網逆變器
，經過用戶用電器統計可知
，用戶的最大功率約為716W, 考(kao)慮(lv)到(dao)用(yong)戶(hu)負(fu)載(zai)中(zhong)有(you)感(gan)性(xing)負(fu)載(zai)，在(zai)啟(qi)動(dong)過(guo)程(cheng)時(shi)有(you)較(jiao)大(da)的(de)衝(chong)擊(ji)電(dian)流(liu)，同(tong)時(shi)考(kao)慮(lv)係(xi)統(tong)的(de)臨(lin)時(shi)增(zeng)加(jia)負(fu)載(zai)的(de)情(qing)況(kuang)，所(suo)以(yi)逆(ni)變(bian)器(qi)功(gong)率(lv)應(ying)相(xiang)對(dui)選(xuan)擇(ze)較(jiao)大(da)的(de)。在(zai)逆(ni)變(bian)係(xi)統(tong)中(zhong)要(yao)求(qiu)係(xi)統(tong)響(xiang)應(ying)快(kuai)，可(ke)靠(kao)性(xing)高(gao)
，保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)強(qiang)等(deng)。本(ben)次(ci)設(she)計(ji)的(de)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)中(zhong)蓄(xu)電(dian)池(chi)通(tong)過(guo)DC/DC 變換最大提供給逆變器400V 的直流電壓，所以單個晶閘管所承受的最大耐壓也為400V,考慮到電壓波動和留一定的餘量的關係，最終將晶閘管的最大耐壓設定在150% 的輸入最大輸入電壓，那就是600V.

逆變器的額定輸出功率為3kW,輸出電流的峰值為18A,隔離變壓器的變壓比為1 :1.考慮到留有一定的餘量，每個晶閘管的耐流值設定在30A.然後我們就可以進行選型了。

最後
，選擇了PM200CLA060 型號的三菱公司出品的IPM模塊，其耐壓600V,耐流200A,符合我這次設計的光伏發電逆變係統對於模塊的要求。

逆變器支流側電容的設計

對於分布式光伏發電係統，其直流側需要增加電容保證直流側電壓穩定，不出現電壓突變。那麼需要設計出符合以下公式要求的電容。

其中P 為太陽能電池的輸出功率，按照此項目每塊太陽能電池的輸出功率80W±3% 計算，那麼40 塊太陽能電池組成的陣列
，其輸出功率可達3.2KW.

f 為電網的頻率，取50Hz.

K 為波紋係數
，取0.1.

U 為直流母線電壓
，取400V.

所以，我們隻要選用大於1273.89 的電容即可，我選用2200.由於考慮到直流側電壓為400V,那麼選擇500V/2200的電解電容。
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交流輸出濾波電路設計

由單相全橋逆變電路逆變出來的電壓不是標準的正弦波，而是直流斬波電壓。如下圖所示。

為(wei)了(le)使(shi)得(de)輸(shu)出(chu)的(de)波(bo)形(xing)更(geng)加(jia)接(jie)近(jin)正(zheng)弦(xian)波(bo)
，以(yi)保(bao)證(zheng)負(fu)載(zai)和(he)電(dian)網(wang)獲(huo)得(de)高(gao)質(zhi)量(liang)的(de)電(dian)能(neng)，濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)是(shi)影(ying)響(xiang)波(bo)形(xing)輸(shu)出(chu)的(de)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)環(huan)節(jie)。在(zai)濾(lv)波(bo)電(dian)路(lu)的(de)設(she)計(ji)中(zhong)最(zui)重(zhong)要(yao)的(de)就(jiu)是(shi)電(dian)感(gan)和(he)電(dian)容(rong)的(de)設(she)計(ji)。

其中，由於逆變器的輸出為220V/3kVA,那麼所以Poutmax=3kVA.Uout=220V.

設定逆變器效率為96%.波紋電流係數為17%.

那麼而電容的設計如下：

其中K 為諧振頻率/ 基波頻率，設定為12.

f 為基波頻率，就是50Hz.那麼所以根據設計數據，濾波電容選擇40,濾波電感選擇2mH.

光(guang)伏(fu)分(fen)布(bu)式(shi)發(fa)電(dian)在(zai)日(ri)常(chang)生(sheng)活(huo)中(zhong)越(yue)來(lai)越(yue)常(chang)見(jian)
，其(qi)中(zhong)在(zai)並(bing)網(wang)和(he)交(jiao)流(liu)負(fu)載(zai)的(de)使(shi)用(yong)過(guo)程(cheng)中(zhong)，逆(ni)變(bian)器(qi)的(de)設(she)計(ji)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)，本(ben)文(wen)通(tong)過(guo)對(dui)於(yu)逆(ni)變(bian)器(qi)部(bu)分(fen)的(de)結(jie)構(gou)和(he)原(yuan)理(li)的(de)分(fen)析(xi)
，簡(jian)述(shu)了(le)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)中(zhong)逆(ni)變(bian)器(qi)設(she)計(ji)的(de)總(zong)體(ti)思(si)路(lu)。整(zheng)個(ge)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)的(de)正(zheng)常(chang)運(yun)行(xing)還(hai)依(yi)靠(kao)於(yu)各(ge)個(ge)部(bu)分(fen)，包(bao)括(kuo)太(tai)陽(yang)能(neng)電(dian)池(chi)、蓄電池、濾波部分、控製部分
、並網控製部分的配合。所以在實際的逆變器設計過程中，要充分考慮到其他部分的配合和影響。

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