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1、第一章 绪论1.1 光伏发电背景与意义作为一种重要的可再生能源发电技术，近年来，太阳能光伏(Photovoltaie，PV)发电取得了巨大的发展，光伏并网发电已经成为人类利用太阳能的主要方式之一。目前，我国已成为世界最大的太阳能电池和光伏组件生产国，年产量已达到100万千瓦。但我国光伏市场发展依然缓慢，截至2007年底，光伏系统累计安装100MWp，约占世界累计安装量的1，产业和市场之间发展极不平衡。为了推动我国光伏市场的发展，国家出台了一系列的政策法规，如中华人民共和国可再生能源法、可再生能源中长期发展规划、可再生能源十一五发展规划等。这些政策和法规明确了太阳能发电发展的重点目标领域。可再生
2、能源中长期发展规划还明确规定了大型电力公司和电网公司必须投资可再生能源，到2020年，大电网覆盖地区非水电可再生能源发电在电网总发电量中的比例要达到3以上。对于这一目标的实现，光伏发电无疑会起到非常关键的作用。当下，我国地方和企业正积极共建兆瓦级以上光伏并网电站，全国已建和在建的兆瓦级并网光伏电站共11个（2008年5月前估计），典型的如甘肃敦煌10MW并网光伏特许权示范项目，青海柴达木盆地的1000MW大型荒漠太阳能并网电站示范工程，云南石林166MW并网光伏实验示范电站。可以预见，在接下来的几年里，光伏并网发电市场将会为我国摆脱目前的金融危机提供强大的动力，光伏产业依然会持续以往的高增长率
3、，光伏市场的前景仍然令人期待。光伏并网发电系统是利用电力电子设备和装置，将太阳电池发出的直流电转变为与电网电压同频、同相的交流电，从而既向负载供电，又向电网馈电的有源逆变系统。按照系统功能的不同，光伏并网发电系统可分为两类：一种是带有蓄电池的可调度式光伏并网发电系统；一种是不带蓄电池的不可调度式光伏并网发电系统。典型的不可调度式光伏并网发电系统如图1-1所示。图1-1 不可调度式光伏并网发电系统从图1-1中可知，整个并网发电系统由光伏组件、光伏并网逆变器、连接组件、计量装置等组成，对于可调度式光伏并网发电系统还包括储能用的蓄电池组。并网逆变器是整个并网发电系统的核心设备，承担着光伏阵列的最大功
4、率点跟踪、直流逆变、防孤岛效应等诸多功能。目前，光伏并网发电的成本已降至2元KWH，但是对于大规模应用来说，成本依然过高，大多数国家主要靠政府补贴来推动光伏并网发电，对上网电价采取了差额补贴或固定上网电价的方式。而制约光伏发电成本进一步下降的主要原因是硅料和并网逆变器的成本过高。据专家预测，随着技术的进步，在今后的几年里光伏发电成本可望降至1元KWH，甚至可望与常规发电成本持平，这对大规模推广光伏发电无疑是非常有利的一面。因此，开发高性能低价格的光伏并网逆变器不但对降低光伏发电成本具有积极作用，同时还具有极大的市场前景。另外，随着电力电子器件的高频化和微处理器性能的飞速提高，使得电力电子设备的
5、全数字化控制日益增多，模拟控制己逐渐被数字控制取代，一些先进的数字控制技术也开始应用于各种电力电子设备的研发当中。与传统的采用模拟芯片控制的逆变器相比，光伏并网逆变器从一开始就采用全数字控制，除主电路变化不大以外，控制电路及控制方法都有很大的差别。目前，由于涉及到知识产权和商业化因素，国内外关于光伏并网的数字控制系统设计和数字控制方法研究的文献还比较少。同时，跟国外的光伏并网发电技术相比，我国的技术水平还有一定的差距，就并网逆变器而言，我国自主研发生产的知名品牌并不多，大部分的光伏示范工程都采用进口的国外品牌，导致光伏并网发电系统的造价高、依赖性强，制约了光伏并网系统在国内市场的发展和推广。因
6、此开展对光伏并网逆变器的研究，掌握并网逆变器关键技术对推广光伏并网发电系统，实现节能减排有着十分重要的作用。1.2 光伏发电技术的应用和现状考虑到能源的持续发展和环境压力，上世纪90年代后期世界上许多国家都制定了大力发展新能源的计划。太阳能以其环保和不歇性得到了诸多国家的青睐。德国的光伏并网发电走在了世界的前列。其10万屋顶光伏计划及最近通过的新可再生能源法规定光伏电价为0.99马克/KWh（高于常规电价0.6马克/KWh）的电价，对德国的光伏发展起到巨大推动作用。日本在光伏发电与建筑相结合方面已经做出了十几年的努力，1994年1月通产省宣“朝日七年计划” ，计划到2000年推广16.2万套太
7、阳能屋顶住房，总功率达到185MWp；1997年又宣布“七万屋顶计划”。美国在上世纪80年代初就开始实施计划，即作为规模公共电力应用的光伏发电计划，首批建造了100KW以上的大型并网光伏电站4座，其中容量最大的为6MW（原计划为10MWp）。1997年6月,克林顿宣布实施“百万个太阳能屋顶计划” ，计划到2010年安装100万套太阳能屋顶，总装机容量为3025MWp，所产生的电力相当于3-5座大型燃煤电站，每年可望减排二氧化碳35亿吨，相当于减少85万辆汽车的尾气排放，同时，通过该计划的实施将使光伏发电的成本由1997年的22美分度下降到7.7美分/度。许多其它发达国家也都有类似的光伏屋顶并网
8、发电项目或计划，如荷兰、瑞士、芬兰、奥地利、英、加拿大等。属于发展中国家的印度也在1997年12月宣布到2020年将建成150万套太阳能屋顶并网发电系统。目前为止，世界范围内的并网系统己经占光伏系统总量的50%以上，整个光伏并网市场在蓬勃发展。中国的光伏市场在近些年发展也很迅速，但主要集中在边远地区的独立逆变系统，如在国家支持下1999年底分别在西藏的个无电县城安装了光伏系统，“中国光明工程”2000年起又开始了无电乡村的光伏电站建设，另外光伏水泵、光伏照明等方面也有所发展。光伏并网系统的发展受市场和技术的限制，目前在整个光伏产业中所占比重有限，在2003年为4%。但随着世界光伏市场的变化趋势
9、，中国的光伏并网产业也越来越受到人们关注，预计到2050年，光伏并网市场份额要占总光伏市场的80%。 第二章 太阳能光伏发电系统概述太阳能光伏发电系统包括离网光伏发电系统（独立光伏发电系统）和并网光伏发电系统。而光伏发电应用已经开始由边远农村地区逐步向并网发电和建筑结合的常规供电方向发展，最终将走向并网运行，因此本文则重点介绍并网光伏发电技术。2.1 太阳能光伏并网发电系统的组成并网光伏发电系统包括建筑光伏系统（BIPV）、地面光伏系统（包括盐碱地、荒漠地、大型荒漠光伏电站等）和并网光伏系统。光伏并网发电系统就是把太阳能电池产生的直流电通过逆变器变成220V的交流电并接入商业电网。如图2-1所
10、示,光伏并网发电系统由光伏阵列、光伏系统控制器、光伏系统逆变器、光伏系图2-1 并网光伏系统的组成统平衡部分和电网五个部分组成。2.2 光伏阵列2.2.1 太阳能电池简介光伏阵列是由一个个太阳能电池组成。太阳能电池作为光伏系统中不可缺少的关键部件，它的特征性能对整个系统都有着非常重要的影响，分析太阳能电池的特性，了解其电气特性，是开发一个光伏系统中的一个必要的步骤。它是利用半导体材料的电子特性把光能直接转换成电能的一种固态器件，在光伏发电中占有极其重要的位置，对它的研究是太阳能利用中最具发展潜力的研究课题之一。太阳能电池的伏安特性受到环境温度和阳光辐照度的影响，是一个非线性元件，它可等效为一个
11、电压随日照强度，环境温度变化且其等效内阻随外接负载电阻变化的电压源表示。2.2.2 太阳能电池组件模型图2-2所示硅型光伏电池板的理想电路模型。光伏电池的理想模型可由（2-1）式表示： (2-1) 其中， Iph光生电流，Iph值与光伏电池的面积、入射光的辐射度以及环境温度相关，ID暗电流（暗电流是指光伏电池在没有光照条件下，在外电压的作用下PN结流过的单向电流），v开路电压，RS串联电阻（一般小于1欧姆），RSH旁路电阻（一般几十千欧），vt电池板热电势。图2-2 光伏电池的等效电路图图2-3表述在特定光照条件下电池板的伏安特性。阴影部分是电池板在相应条件下所能够输出的最大功率。太阳能电池板
12、在高输出电压区域，具有低内阻特性，可以视为一系列不同等级的电压源；在低输出电压区域内，该电源有高内阻特性，可以视为不同等级的电流源。电压源与电流源的交汇处便是电池板在相应条件下的最大输出功率。在电池板的温度保持不变的情况下，这个极大功率值会随着光照强度的变化而变化，最大功率跟踪要求能够自动跟踪电池板的工作在输出功率极大的条件。图2-3 硅电池伏安特性2.3 光伏系统控制器2.3.1 控制器的作用在光伏系统中，控制器也是一个很重要的组成部分。光伏控制器是协调系统各部分正常工作,确保系统安全、可靠运行的电气装置。近些年来，随着计算机技术的发展，电气自动化技术也随之快速发展，出现了各种各样的自动化装
13、置。现在很多光伏系统都引入了这种多功能的、智能化的自动化控制装置，也就是我们常说的光伏系统控制器。在光伏系统中，光伏系统控制器能够自动地对光伏系统的多路模拟信号进行采集处理，从而达到对整个系统的工作状态进行检测和保护的功能。它能够对系统运行中出现的偏差进行自诊断、分析、自校正，使系统自动调整工作状态，也可以监视某些关键器件的工作状况，避免因为某些器件工作出现问题而影响整个系统的情况出现。除了基本的功能以外，现在很多控制器都设计得非常全面周到，在起到普通控制器作用的同时，也是一个系统和人机信息交换的中介。在一些要求比较高的系统中的控制器，例如光伏电站中用的控制器，能够对整个系统的运行状态进行优化
14、调整，对工作状态进行实时监控、报告；也可以很好地对人为指令进行理解、执行和回复;自动协调系统各部分正常工作,确保系统安全、可靠运行的功能。现在的光伏系统中，根据用的场合以及系统对控制器的作用、功能等的具体要求，往往开发适合自己的控制器。2.3.2 Boost电路的工作原理Boost电路由开关管Q1，二极管D，电感L，电容C组成，完成将太阳能电池输出的直流电压场v升压到Vdc, 如下图2-4所示:图2-4 Boost电路图当开关管Q1导通时，二极管反偏，于是将输出级隔离，由输入端向电感器供应能量;当开关管Q1断开时，输出级吸收来自电感器和输入端的能量。如下图2-5所示： (a) (b)图2-5
15、Boost电路的工作过程根据电感电流在周期开始是否从零开始，是否连续，可分为连续的工作状态或不连续的工作状态两种模式。由于电路在断续工作时电路，电感电流的不连续，就意味着太阳能输出的电能在每个周期内都有一部分被浪费掉了，而且纹波也会大些。因此电路的参数的选择应让电路工作在连续导电的模式下。2.4 光伏系统逆变器2.4.1 逆变器的概念逆变器（inverter）是把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成交流电（一般为220v50HZ正弦或方波）。应急电源，一般是把直流电瓶逆变成220V交流的。通俗的讲，逆变器是一种将直流电（DC）转化为交流电（AC）的装置。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。广泛适用于空调、家庭影院、电动砂轮、电动工具、缝纫机、DVD、VCD、电脑、电视、洗衣机、抽油烟机、冰箱，录像机、按摩器、风扇、照明等 。2.4.2 逆变器的分类逆变器主要分两类，一类是正弦波逆变器，另一类是方波逆变器。正弦波逆变器输出的是同我们日常使用的电网一样甚至更好的正弦波交流电，因为它不存在电网中的电磁污染。方波逆变器输出的则是质量较差的方波交流电，其正向最大值到负向最大值几乎在同时产生，这样，对负载和逆变器本身造成剧烈的不稳定影响。同时，其负载能力差，仅为额定负载的4060，不能带感性负载。如所带的负载过大，方波电流
