光伏發電的基本原理

光伏發電的類別

guangfufadianyibananzhaoyudianlixitongdeguanxifenlei
，keyifenweiduliguangfufadianhebingwangguangfufadian。duliguangfufadianbuyudianlixitonglianjiezaiyiqi

，duliyuzhenggexitong，fachudezhiliu、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。

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、lvboqizujian。xiamianzhuyaoduiyuzhuhuilubufendeshejizuojieshao，qizhongbaokuozhuhuiludetuopujiegoujinxingfenxi，jieshaoyixiaquanqiaonibiandianludegongzuoyuanliyijinibianqimokuaidexuanxing
，yijixiangguanbaohudesheji。

 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guoDC/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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