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。

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、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(de)DC-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、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

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 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(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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