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deDC-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。

wulunshiduliguangfufadianxitonghaishibingwangguangfufadianxitong，nibianxitongduiyujiaoliufuzaihebingwangfadiandoushibibukeshaode，jiexialaiwomenzhuyaojiuguangfufenbufadianzhongdenibianxitongdexiangguanshejijinxingyanjiu。
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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

同(tong)時(shi)變(bian)壓(ya)器(qi)存(cun)在(zai)偏(pian)磁(ci)現(xian)象(xiang)，初(chu)級(ji)繞(rao)組(zu)有(you)中(zhong)心(xin)抽(chou)頭(tou)
，流(liu)過(guo)的(de)電(dian)流(liu)有(you)效(xiao)值(zhi)和(he)銅(tong)耗(hao)較(jiao)大(da)，初(chu)級(ji)繞(rao)阻(zu)兩(liang)部(bu)分(fen)應(ying)緊(jin)密(mi)藕(ou)合(he)，繞(rao)製(zhi)工(gong)藝(yi)複(fu)雜(za)。因(yin)為(wei)推(tui)挽(wan)式(shi)逆(ni)變(bian)電(dian)路(lu)對(dui)於(yu)晶(jing)閘(zha)管(guan)的(de)耐(nai)壓(ya)要(yao)求(qiu)比(bi)較(jiao)高(gao)，不(bu)適(shi)合(he)作(zuo)為(wei)光(guang)伏(fu)發(fa)電(dian)的(de)逆(ni)變(bian)係(xi)統(tong)主(zhu)回(hui)路(lu)。

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tu3-3 suoshi。quanqiaoshidianlukeyishidejingzhaguanqijiandadaozuidashuchugonglv
，erqieqinibianchulaideboxinggengjiajiejinyuzhengxianbo。suoyi，zhecizheciguangfufadiandenibianxitongzhuhuiluxuanyonglequanqiaoshinibiandianlu。

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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