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1、青岛科技大学本科毕业设计（论文）1.1 能源现状能源是人类经济及文化活动的动力来源。世界文明史上，人类不断的从自然界索取、探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步伐。从原始社会开始，化石能源逐步成为人类所用能源的主要来源，这种状况一直延续到科技发达的现代社会。随着人类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。全球资源专家们呼吁：煤炭、石油等可贵的化石资源应该是留给子孙后代的“化工原料 ，而不该在我们这代人手中仅仅把它们作为燃料而消耗殆尽。此外，大量使用化石燃料已经给人类生存环境带来了严重的后果。目前由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约1 亿吨温室效应气体，
2、已经造成极为严重的大气污染。如果不加控制，温室效应会将融化两极的冰山，这可能会使海平面上升几米，四分之一的人类生活空间将由此受极大威胁。当前人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化已经形成一对十分突出的矛盾，它向全世界能源工作者提出了严峻的命题和挑战，在有限资源和环保严格要求的双重制约下发展经济已成为全球热点问题，而能源问题将更为突出。因此，人类要解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模的开发利用可再生洁净能源。太阳能具有储量的“无限性 ”、存在普遍性、开发利用清洁性及逐渐显露的经济性等优势，它的开发利用是最终解决常规能源，特别是化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等
3、问题的有效途径，是人类理想的替代能源llJ 。在可再生能源中，太阳能光伏发电产业是全球发展最快的新兴产业之一，从1996 年到2006 年最近十年的平均年增长率为40，从 2001 年到 2006 年最近 5 年的平均年增长率为45，2006 年世界太阳能电池产量达到了 2790MW ，总装机容量达到了8GW 。太阳能开发利用必将在21 世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为21 世纪后期的主导能源。1.2 光伏发电产业的现状国外光伏发电产业的现状光伏并网发电开始于上个世纪80 年代初，美国、日本、德罔、意大利都为此做出了努力。按照当时认识，建造的都是较大型的光伏并网电站
4、，而且都是政府投资的试验性电站。试验结果在发展相应的技术方面都是成功的，但在经济性方面却并不十分令人鼓舞，主要是由于太阳能电池成本过高，虽然具有明显环境效益，但其发电成本却很难让电力公司接受。通过改进工艺、扩大规模和开拓市场等措施，大幅度的降低了太阳能电池成本。90 年代以来，国外发达国家重新掀起了发展光伏并网系统的研发高潮，这次的重点并未放在建造大型并网光伏电站方面，而是侧重发展 “屋顶光伏并网系统 ”。人们认为，屋顶光伏并网系统不单独占地，将太阳能电池安装在现成的屋顶上，非常适合太阳能能量密度较低的特点，其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，有利于普及，有利于战备1基于 FPGA的多
5、太阳能电池板微型逆变器的逆变电路硬件设计和能源安全。而且由于功率比较小，并网逆变器的体积也可以做的很小，因而可以直接安装在太阳能电池板的背面，使并网发电系统的安装和使用更加简易。在各国的屋顶光伏并网系统发展中，德国的屋顶光伏并网系统发展速度始终是位于世界前列的。 1993 年，德国首先开始实施由政府补贴支持的“1000 个光伏屋顶计划，同时制定了 “可再生能源电力供应法”，规定光伏发电的上网电价为每度0.99 马克，极大的刺激了光伏发电市场。由此为契机，德国在1995 年安装了太阳能发电系统容量5MW ， 1996 年增加了一倍，达到了10MW ， 1999 年扩大为15 6MW 。1997
6、年在慕尼黑贸易展览中心安装了世界上最大的屋顶太阳能并网发电系统，容量为1016MW 。1999 年 1 月德国开始实施“十万屋顶计划 。 2000 年安装太阳能发电系统容量超过40MW 。现在德国的太阳能发电市场已由探索阶段发展为繁荣的专业市场。在技术方面，专用逆变设备和相关系统已经比较成熟，在欧洲光伏专用逆变器就有SMA ， Fronius， Sputnik ，Sun Pwer 和西门子等众多的公司具有市场化的产品，其中SMA 在欧洲市场中占有50的份额。除欧洲外，美国、加拿大、澳大利亚、新西兰以及亚洲的日本在并网型逆变器方面也都已经产品化。这些都表明光伏并网发电产业已经是世界范围内一个蓬勃
7、发展的高新技术产，它和光伏器件(主要是太阳能电池)同时并列为光伏产业的两大支柱。总之，从能源利用的国际发展趋势来看，光伏发电最终将以替代常规能源的角色进入电力市场，而并网发电将是光伏发电进入电力市场的必由之路。国内光伏发电产业的现状我国正处在经济转轨和蓬勃发展时期，但能源问题严峻，由于城市中大量使用化石能源，环境持续恶化。 2000 年世界卫生组织公布的世界上污染最严重的十大城市中，中国占了 8 个。另一方面，我国具有丰富的太阳能资源，尤其是西部地区有很大的潜力。在这些地方发展并网发电计划， 对于缓解当地的能源贫乏情况， 提高当地人们生活水平有着极其重要的意义。 我国在 20 世纪 50 年代
8、开始研究太阳能电池，于 1971 年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星。我国光伏产业发展经历了2 个重要时期，第一个是在20 世纪 80 年代中期，引进4 条总计 5MW 的光伏电池生产线，光伏产业初步形成。第二个发展时期是在新世纪初，国家发改委在 2002 年启动了 “送电到乡工程”，该工程光伏系统容量为20MW ，极大的拉动了我国光伏市场的需求。国内光伏系统主要采用单位功率因数并网，不具备电能质量控制功能。因此，研究具有电能质量调节功能的光伏并网系统有重要意义，其研究主要放在并网逆变器的控制方法上，相同的拓扑电路，采用不同的控制方法能够产生不同的控制效果。对逆变器建立模型并进行分析，采
9、用先进的控制策略对于光伏并网系统的性能是必不可少的。同时采用先进的控制算法是提高逆变器效率的方法之一。2青岛科技大学本科毕业设计（论文）第 2 章 光伏并网发电系统简介2.1 光伏并网发电系统的组成典型的光伏发电系统主要由光伏阵列、电力电子变换器、储能装置、负载等组成，其构成如 2-1 图所示。3基于 FPGA的多太阳能电池板微型逆变器的逆变电路硬件设计图 2-1 太阳能光伏发电系统组成Fig.2-1 Solar photovoltaic power generation system2.2 光伏阵列光伏阵列的结构光伏发电系统，是利用光生伏打效应原理制成的光伏电池将太阳能直接转化为电能。光伏电
10、池单体是用于光电转换的最小单元，一个单体产生的电压大约为0.45V ，工作电流约为 2025m A / cm2 ,将光伏电池进行串、并联封装后， 就成为光伏电池组件。实际光伏发电系统可根据需要，将若干光伏电池组进行串、并联，排列组成光伏阵列，满足光伏系统实际电压电流的需要。光伏组件串联，要求所串联组件具有相同的电流容量，串联后的阵列输出电压为各光伏组件输出电压之和，相同电流容量光伏电池串联后输出电流不变；光伏电池组件并联要求所有并联的光伏组件具有相同的输出电压等级，并联后的阵列输出电流为各个光伏电池输出电流之和，而电压保持不变。光伏阵列的保护在一定条件下，一串联支路中被遮蔽的光伏组件，将被当做
11、负载消耗其他有光照的光伏电池组件所产生的能量。被遮蔽的光伏电池组件此时会发热，这就是热斑效应。这种效应能严重破坏光伏电池，有光照的光伏电池所长生的部分或全部能量，都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止光伏电池由于热斑效应而遭受破坏，需要在光伏电池组件的正负极两端并联一个旁路二极管，实现电流的旁路保护光伏阵列。为了避免由于光伏电池在阴雨天和夜晚不发电时或者出现故障时，蓄电池通过光伏方阵放电，这就需要在方阵中加入防反充二极管，又称为阻塞二极管。除了电方面的保护，还要考虑机械方面的保护，如如防风、防雨、防雹能力，另外，为了防止鸟粪玷污光伏电池表面引起热斑反应，还需要在方阵顶上特别安装驱鸟器。4青岛科技大
12、学本科毕业设计（论文）2.3 电力电子变换器变换器是光伏发电系统的关键部件，变换器分直流变换器和交流变换器两种。光伏发电系统中的变换器一般要具备几种功能：最大功率点跟踪、蓄电池充电、直流电的升压或降压以及逆变。最大功率点跟踪控制器。通过调剂负载功率，改变光伏电池板的输出电压和电流，是光伏电池板输出功率最大化。蓄电池充电控制器。通过调剂控制器的输出电压和电流，实现对蓄电池策略的充电控制，有利于有效的利用太阳能以及对蓄电池的保护。升降压变换器。 因为光伏阵列实际的工作电压跟负载或者后端逆变器所需电压不匹配，所以需要对光伏阵列的输出电压进行调节，或升获降，以满足负荷的使用要求。逆变器。因为光伏电池发
13、出的电视直流电，如果光伏发电系统是并交流电网运行或者给交流负载供电，那么就需要逆变器进行直流交流的变换。2.4 储能装置在独立运行的光伏发电系统中，储能装置是必不可少的。因为光伏电池的输出功率随光照强度在变化，当夜间或阴雨天时，光伏电池的输出功率很小，不能满足负载的要求；而白天阳光充足时，光伏电池发出的电相对负载可能有多余的。因此， 需要一个储能装置，既可以作为太阳能不足时候的补充，又可以作为多余太阳能的存储。现在可选的储能方法有很多，如电容器储能，飞轮储能，超能储能等等，但从方便、可靠价格等综合因素考虑，多数大中型光伏发电系统都采用免维护铅蓄电池作为储能元件。但选用铅蓄电池也有不足之处， 铅蓄电池比较昂贵， 初期投资能够占到整个发电系统的 1/3 左右，而铅蓄电池又是整个系统中较薄弱的环节，因此如果管理不当，会使蓄电池提前失效，增加整个系统的运营成本。2.5 光伏并网发电系统的优缺点光伏发电是利用太阳能电池这种半导体电子器件有效的吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式。光伏发电具有以下明显的优点：1)无污染：零排放，无任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等“排放 ”；2)可再生：资源无限，可直接输出高品质电能，有理想
