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1、单向太阳能发电系统的设计一课题的目的及研究意义1.课题的目的及意义常规化石燃料的无节制使用和二十世纪七十年代发生的两次 石油危机，使得人们越来越清醒地认识到化石燃料资源迟早会枯 竭耗尽。根据我国现已探明可丌采的化石能源储量的统计和使用 这些能源的速度，可以预计，煤可以应用的时间约为54-81 年, 石油为15-20年，天然气的时间28-58年，核燃料使用的时间也 不会超过百年，前一个数字是预测的估计，后一个数字是保守的 估计。因此找到一条可持续发展的包括太阳能在内的可再生能源 等的新出路，将是我们避免人类能源短缺与枯竭的紧迫任务。 八十年代人们进一步认识到，化石燃料对环境的严重污染所导致 的生
2、态破坏、地球温室效应等正日趋严重地威胁着人类的生存。 能源短缺和环境污染是当前经济发展面临的两大问题，制约着经 济和社会的发展。自20世纪50年代太阳能电池的空间应用到如今的太阳能光 伏集成建筑，世界光伏工业已经走过了近半个世纪的历史。由于 太阳能资源分布相对广泛、蕴藏丰富，光伏发电系统具有清洁、 安全、寿命长以及维护量小等诸多优点，光伏发电被认为将是 21世纪最重要、最具活力的新能源。在世界各国尤其是美、日、 德等发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳能屋 顶计划的刺激和推动下，光伏工业近几年保持着年均30%以上的 高速增长。其中，以光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场己 经超过离网
3、应用，近几年的增长速度都在40%以上，成为世界光 伏工业的最主要发动机。并网光伏发电已经成为光伏发电领域研 究和发展的最新亮点。八十年代人们进一步认识到，化石燃料对环境的严重污染所 导致的生态破坏、地球温室效应等正日趋严重地威胁着人类的生 存。能源短缺和环境污染是当前经济发展面临的两大问题，制约 着经济和社会的发展。太阳能作为新能源和可再生能源的一种，是取之不尽、用之不竭 的洁净能源。开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环 境、促进经济发展和提高人民生活都有极为重要的意义。2.国内的研究现状分析由于我国光伏发电等可再生能源发电技术的研究仍然处于起 步阶段，技术水平相对国外还有一定差距。就
4、并网型光伏发电系 统的核心技术并网型逆变器而言，合肥工业大学能源研究所、燕 山大学、上海交通大学、中国科学院电工研究所等科研单位和大 学在这一方面进行了相关的研究，并且在“九五”、“十五”期 间，国家科技部投入相当数额的经费进行开发工作。除此之外， 北京索英电气技术有限公司和合肥阳光电源有限公司也在推出 了适合并网光伏系统用的逆变器。北京索英电气技术有限公司的 三相光伏并网逆变器，采用日本的智能功率模块IPM作为主回路 功率器件，运用该公司先进的并网控制技术，具有结构简单、效 率高、性能优良、电磁干扰小和安全可靠等优点。全新的的全数 字化DSP控制，简化控制回路，提高了系统控制性能。多项先进
5、的并网发电控制技术，保证向电网优质送电，还能够追踪太阳能 电池板的最大功率点，检测电网的状态，并实现对电网供电质量 的调节。合肥阳光的正弦波并网充放电装置虽不是专门为并网光 伏设计，但是也可应用在并网光伏系统中。从这两种成熟的市场 产品可以看出，国内对并网光伏逆变器的研究比较多的采用最大 功率跟踪和逆变部分相分离的两级能量变换结构，而且市场产品 的种类还相对单一，系统构建死板。并网型光伏发电系统在我国还没有真正地投入商业化运行 的应用，目前所建并网型光伏系统都为示范工程。并网型光伏发 电系统的核心并网型逆变器还主要依赖进口或者合作研究的方 式获得，导致并网型光伏系统的造价升高、依赖性强，从而制
6、约 了并网型光伏系统在国内市场的发展和推广。因此掌握并网型光 伏系统的核心并网型逆变器技术对推广并网型光伏系统有着至 关重要的作用。2.国外的研究现状分析国外并网型逆变器已经是一种比较成熟的市场产品，例如在 欧洲光伏专用逆变器市场中就有SMA,Fronius,Sputnik,Sun Power和西门子等众多的公司具有市场化的产品，其中SMA在欧 洲市场中占有的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己经产品 化。以SMA和西门子为例介绍目前光伏并网发电系统用逆变器的 发展情况。SMA光伏并网逆变器目前具有三大系列产品:支路逆变器、 集中逆变器
7、和多支路逆变器，其中以SWR和SB两个系列应用最 为广泛。该产品具有如下特点:高效率、高功率因数、低THD;基 于微处理器的自动功率点调节，即:基于软件实现的最大功率跟 踪:根据电网情况调制工作状态，工作状态自动切换；通过LED显 示主要工作状态；故障自诊断；测量数据和工作状态通过总线传 输至PC机:多台逆变器可以任意组合构建系统，使系统设计更加 简便、扩展更加方便。多支路逆变器是SMA最新推出的产品，该 产品米用最大功率跟踪和并网逆变两级能量变换结构，多个不同 支路共用同一个逆变环节，中间设置有内部直流母线，可以使系 统的灵活性大为提高;输出端无工频变压器隔离，采用最新的电 网阻抗检测和交、
8、直流剩余电流检测来实现有效保护。与SMA相比较，西门子并网光伏逆变器则采用主从式构建系 统，由主逆变器和若干个从逆变器来组建用户要求容量的并网光 伏系统，灵活性和系统扩展等均没有SMA的强。西门子SITOP Solar主要分为隔离和非隔离两种支路逆变器，两级能量变换， 最大功率跟踪和逆变部分集成在一个机箱内;功率因数高;基本 单级式并网型光伏发电系统用逆变器的研究数据本地集中显示； 实时发电电能显示;RS232串口连接PC或者调制器:能够外接辐 射计和组件温度传感器。除SMA和西门子外，美国的Xantrex的SunTieXR系列并网 逆变器也是根据光伏市场需要推出的产品，系列覆盖了中、大功 率
9、范围，也可将多台中功率的逆变器并联构成系统，而且逆变器 中也集成了最大功率跟踪环节。综上所述，目前国外光伏并网逆变器产品的研发主要集中在 最大功率跟踪和逆变环节集成的单级能量变换上，功率主要为几 百瓦到五千瓦的范围，控制电路主要采用数字控制，注重系统的 安全性、可靠性和扩展性，均具有各种完善的保护电路。二、理论依据、设计任务、技术方案及进度安排1. 理论依据：太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组） 组成。如输出电源为交流220V或110V，还需要配置逆变器。各 部分的作用为：（一）太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统的核心 部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作
10、用是将太阳 的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载 工作。（二）太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的 工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在 温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他 附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。（三）蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢 电池、镍辅电池或锂电池、其作用是在光照时将太阳能电池板所 发出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。（四）逆变器:太阳能的直接输出一般都是12VDC、24VDC、48VDC。 为能向220VAC的电器提供电能，需要将太阳能电系统所发出的 直流
11、电转换成交流电能，因此需要使用DC-AC逆变器。太阳能电站是利用太阳能电池组件将光能转化为电能的装 置，是地球的清洁能源和可再生能源。光伏发电具有许多常规发电和其他发电方式所不及的优点，女口： 安全、可靠、无噪声、无污染、能随时随处可得，不受地域限制， 无需消耗燃料，无机械转动部件，故障率低，维护简便，可以无 人职守，建站周期短，规模大小随意，无需架设输电线路等。2. 设计任务、技术方案本设计完成单相太阳能发电系统逆变部分设计,主要性能指标 如下：1 输入参数电压：DC 180V2输出参数电压：AC 220V频率：50Hz功率：5KW频率误差：W 0.5%电压误差：W 0.3%逆变部分总体方案
12、选择合理的方案是设计的首要任务,下面分析逆变部分的组 成及工作原理。逆变部分主要功能是将太阳能发电系统输出的 180V直流电经逆变、滤波、升压等环节转变为220V的工频交流 电压，并能通过控制单元调节其输出波形及频率。电网太阳能光伏 蓄电池阵列图为太阳能发电系统的逆变器电路。电路结构为光伏蓄电池 阵列DC直流滤波升压RC桥式正弦波振荡器工频逆变运算放大器升压滤波并入电网或负载。在该电路中,光伏蓄电池阵列的直流输出电压,先经DC直流滤波 升压后，再由运算放大器组成的RC桥式正弦波振荡器电路转变为 工频50HZ的交流电压，然后经运算放大器升压为220V的交流输 出电压,再经滤波器滤波得到220V的
13、工频电压输出并入电网或 负载。由以上分起振电压。正弦波振荡电路是用来产生一定频率 和幅度的交流信号的.它的频率范围很广,可以从一赫以下到几 百兆赫以上,输出的功率可以从几毫瓦到几十千瓦，输出的交流 电能是从电源的直流电能转换而来。由运算放大器组成的RC桥 式正弦波振荡器可将低压直流电转变为工频50HZ的低压交流电， 电路的振荡频率fO二1/ 2nRC，其中R = R2 = R3 ,C = C1 = C2 , 起振的幅值条件为Rf /R1 22 ,其中Rf = R4 + R5 +（R6 / / rD）, rD为二极管正向导通电阻。运算放大器将逆变后的工频交流电 压升压为工频220V的交流输出电压
14、。单相太阳能发电系统的逆变部分主要分为主电路和控制电 路两大部分。其中，主电路包括逆变电路、滤波电路、变压电路。 控制电路包括驱动电路、控制单元、电压采样电路。其工作过程简述如下：由太阳电池方阵（或蓄电池）送来的直流电 进入逆变主回路，经逆变转换成交流方波，再经滤波器滤波后成 为正弦波电压，最后由变压器升压后送至用电负载。逆变主回路 中功率开关管的开关过程，是由单片机通过驱动电路进行控制 的。逆变电路部分的工作参量，经由不同功能的检测回路变换为 可被识别的电信号后送入控制单元进行比较、分析与处理。根据 判断结果，控制单元对逆变各回路的工作状态进行调整。3. 设计的进度安排三、参考文献（1）、电
15、力电子技术 王兆安 黄俊主编 机械工业出版社；（2）、电力电子器件及其应用 李序葆 赵永健编著 机械工 业出版社1996.2(3) 、电力电子设备设计和应用手册 王兆安 张明勋主编 中国电工技术学会电力电子学会编著 北京：机械工业出版社， 2002(4) 、太阳能光伏发电及其应用 赵争鸣 刘建政 孙晓瑛 袁立强编 北京：科学出版社，2005.10(5) 、PIC16F87X单片机数据手册刘和平译北京航空航天 大学出版社；(6) 、PIC系列单片机原理和程序设计 窦建中 北京航空航 天大学出版社；(7) 、PIC系列单片机开发应用技术余光旳等 电子工业出 版社；(8) 、电路设计完全手册 精英科技编著 中国电力出版社，2001.107(9) 、电气工程及其自动化专业英语 戴文进主编；杨植新副 主编 北京：电子工业出版社，2004.8(10) 、电气工程制图 钱可强等主编 北京：化学化工出版社, 2004.8
