毕业论文 - 太阳能光伏发电系统研究

毕业 设计(论文)

课题 ：离网光伏供电系统研究

专 业 光伏发电 班级

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总评成绩

摘 要：本文介绍了太阳能光伏发电的系统的基本组成和特性，说明了太阳能电池最大功率跟踪的原理以及一些常用的方法，并比较了他们的优缺点。本文研究一种带有双向变换器功能的离网光伏发电系统，通过对目前太阳能独立光伏发电系统常用DC/DC拓扑结构的研究，总结了各种DC/DC拓扑结构的优缺点。添加了逆变电路使系统能够向交流负载供电，并对逆变电路通过MALTAB进行了仿真。

关键词：离网光伏发电，逆变电路，DC/DC变换器，最大跟踪率

目录

1绪论 .............................................................. 1 1.1太阳能光伏发电的背景 ............................................ 2 1.2太阳能光伏发电研究现状与发展趋势 ................................ 4 2光伏发电系统介绍 .................................................. 5 2.1离网光伏发电系统 ................................................ 8 2.1.1铅酸蓄电池 .................................................... 9 2.1.2太阳能电池最大功率点跟踪 ..................................... 12 2.2并网光伏发电系统 ............................................... 15 3太阳能离网光伏发电系统分析 ....................................... 15 3.1 离网光伏供电系统的主电路图..................................... 15 3.2电路工作原理 ................................................... 16 3.2.1 离网光伏供电系统常用DC/DC变换器拓扑结构..................... 16 3.2.2带双向变换器的太阳能独立光伏发电系统 ......................... 17 3.2.3逆变电路 ..................................................... 18

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3.3参数设计 ....................................................... 19 3.3.1 BOOST电路参数 ............................................... 19 3.3.2蓄电池电池和太阳能电池列阵参数 ............................... 21 3.3.3 双向BUCK-BOOST变换器参数.................................... 21 4 离网型光伏发电系统的仿真 ........................................ 22 总结............................................................... 24 参考文献........................................................... 24 致 谢............................................................. 26

1绪论

1.1太阳能光伏发电的背景

自人类社会诞生以来，能源一直是人类生存和发展的重要物质基础。随着社会的发展，能源在社会发展中的重要性越来越突出，尤其是近年来各国日益呈现出来的能源危机问题，更加明显地把能源置于社会发展的首要地位。根据《BP世界能源统2005》的统计数据，以目前的开采速度计算，全球石油储量可供生产40多年，天然气和煤炭则分别可以供应67年和164年。而我国的能源资源储量情况更是危机逼人，按2000年底的统计，探明可开发能源总储量约占世界总量的10.1%。我国能源剩余可开采总储量的结构为:原煤占58.8%，原油占3.4%，天然气占1.3%，水资源占36.5%。我国能源可开发剩余可采储量的资源保证程度为129.7年。自从工业革命以来，约80%温

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室气体造成的附加气候强迫是由人类社会活动引起的，其中CO2的作用约占60%，而化石能源的燃烧是CO2的主要排放源。[1]

随着化石能源的逐步消耗以及化石能源的开发和利用所造成的环境污染和生态破坏问题，开发和利用能够支撑人类社会可持续发展的新能源和可再生能源成为人类急切需要解决的问题。新能源与可再生能源是指除常规化石能源和大中型水力发电、核裂变发电之外的生物质能、太阳能、风能、小水电、地热能以及海洋能等一次能源。研究和实践表明，新能源和可再生能源资源丰富、分布广泛、可以再生且不污染环境，是国际社会公认的理想替代能源。新能源和可再生能源的开发利用不仅可以解决目前世界能源紧张的问题，还可以解决与能源利用相关的环境污染问题，促进社会和经济可持续性发展。根据国际权威机构的预测，到21世纪60年代，全球新能源与可再生能源的比例，将会发展到世界能源构成的50%以上，成为人类社会未来能源的基石和化石能源的替代能源。

目前世界大部分国家能源供应不足，不能满足经济发展的需要，各国纷纷出台各种法规支持开发利用新能源和可再生能源，使得新能源和可再生能源在全球升温。20世纪90年代以来，以欧盟为代表的地区集团，大力开发利用可再生能源，连续10年可再生能源发电的年增长速度都在15%以上。以德国、西班牙为代表的一些国家通过立法方式，促进可再生能源的发展，1999年以来可再生能源年均增长速度均达到30%以上。西班牙2003年风力发电装机占到全机总量的4%，德国在过去11年间，风力发电增长21倍，2003年占全的3.1%。

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瑞典和奥地利的生物质能源在其能源消费结构中高达15%以上。[2]

我国拥有丰富的新能源与可再生能源可供开发利用，近十年来的高长使我国迫切需要加大对新能源和可再生能源的开发利用，以解决能源题，保障能源供应安全。近年来，由于各级政府和社会各界的高度重视可再生能源的开发和利用方面取得了较快发展，并于2005年2月28日通过了《再生能源法》，该法已于2006年1月1日起实施，这对于我国可再生能具有十分重要的意义。[3]

1.2太阳能光伏发电研究现状与发展趋势

当今世界各国特别是发达国家对于太阳能光伏发电十分重视，针对其制定规划，增加投入，大力发展。20世纪80年代以来，即使是在世界经济从总体上处于衰退和低谷的时期，太阳能光伏发电产业也一直以10%-15%的递增速度在发展。[4]90年代后期，发展更为迅速，成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。

国外太阳能光伏发电现状与发展趋势：

到2004年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到964.9MW，到2005年底，达到4961.69MW。己经商业化、实用化的太阳能光伏电池主要有单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、聚光电池、带状硅电池以及薄膜电池等几类。在国际市场上目前太阳能光伏电池的价格大约为3.15美元/W，并网系统价格为6美元/w，发电成本为0.25美元/(kw·h)。光伏电池的发电转化效率也不断提高，晶体硅光电池转化率达到15%，单晶硅光电池转化率是23.3%，砷化镓光电池转化率是25%，在实验室中特制的砷化嫁光电池转化率己达35%-36%。太阳能

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光伏电池/组件使用寿命大大增长，可使用30多年。目前，太阳能光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其太阳能光伏发电量约占世界光伏发电量的80%。今后太阳能光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用等方向发展。专家们预测到2050年，太阳能光伏发电在发电总量中将占13%-15%，到2100年将约占64%。

我国太阳能光伏发电现状与发展趋势：

20世纪90年代以来是我国太阳能光伏发电快速发展的时期，在这一时期我国光伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加，2004年累计容量达35MW，约占世界份额的3%。10多年来，我国太阳能光伏产业长期平均维持了全球市场1%左右的份额。到2020年前，我国太阳能光伏发电产业将会得到不断的完善和发展，成本将不断下降，太阳能光伏发电市场发生巨大的变化:2005-2010年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成本到2010年将约为1.20元/(kW·h);2010-2020年，太阳能光伏发电将会由独立光伏发电系统转向并网发电系统，发电成本到2020年将约为0.60元/(kw·h)。到2020年，我国太阳能光伏产业的技术水平有望达到世界先进行列。[5] 2光伏发电系统介绍

太阳能是一种能量巨大的可再生能源，据估算，太阳能传送到地球上每40秒钟就有相当于210亿桶石油的能量传送到地球，相当于全球一天的能源。在目前的几种新能源技术中，太阳能以其突出的优势被定位为的未来能源，有无尽的潜力。

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目前太阳能利用的方式有:太阳能光伏发电，太阳能热利用，太阳能动力利用，太阳能光化利用，太阳能生物利用和太阳能光-光利用。其中太阳能光伏发电以其优异的特性近年来在全世界范围得到了快速发展，被认为是当前具有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨资竞相研究开发，并产业化进程，大力开拓太阳能光伏发电的市场应用。

太阳能光伏发电是利用太阳能电池将太阳光能转化为电能的一种发太阳能电池单元是光电转化的最小单位，将太阳能电池单元进行串并联可以做成太阳能电池组件，其功率一般为几瓦到几百瓦，这种太阳能电池组件可以单独作为电源使用的最小单元，可以将太阳能电池组件进行进一步的串并联，构成太阳能电池方阵，以满足负载所需要的功率输出。[6]

太阳能光伏发电之所以发展如此迅速，是因为其具有以下优点 (l)取之不尽，用之不竭。地球表面所接受的太阳能约为1.07×1014GWh/年，是全球能量年需求的35000倍，可以说是一种无限的资源。

(2)无污染。光伏发电本身不消耗工质，不向外界排放废物，无转动部件，不产生噪声，是一种理想的清洁能源。

(3)资源分布广泛。不同于水电受水力资源限制，火电受到煤炭资源及运输成本等影响，光伏发电几乎不受地域的限制，理论上讲在任何可以得到太阳能的地方都可以利用太阳能进行发电。

(4)建设周期短，建造灵活方便，运行维护费用低。光伏发电系

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统可以按照需要将光伏组件灵活地串并联，达到所需功率，所以其建设周期短，扩容方便;安装于房顶，沙漠，还可与建筑相结合，从而节约占地面积，节省安装成本;太阳能光伏发电所消耗的太阳能无需付费，一年中往往只需在遇到连续阴雨天最长的季节前后去检查太阳能电池组件表面是否被污染，接线是否可靠以及蓄电池电压是否正常等，因而太阳能光伏发电的运行费用很低。

(5)光伏建筑集成。光伏产品与建筑材料集成是目前国际上研究及发展的前沿，这种产品不仅美观大方，还节省发电站使用的土地面积和费用。

(6)分布式。光伏发电系统的分布式特点将提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害和战备的角度看，更具有明显的意义。

太阳能光伏发电系统按是否与电网连接可分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。太阳能光伏发电系统结构如图1.1所示，该系统中的能量能进行双向传输。在有太阳能辐射时，由太阳能电池阵列向负载提供能量;当无太阳能辐射或太阳能电池阵列提供的能量不够时，由蓄电池向系统负载提供能量。该系统可为交流负载提供能量，也可为直流负载提供能量，当太阳能电池阵列能量过剩时，可以将过剩能量存储起来或把过剩能量送入电网。该系统功能全面，但是系统过于复杂，成本高，仅在大型的太阳能光伏发电系统中才使用这种结构，并具有上述全面的功能;而一般使用的中小型系统仅具有该系统的部分功能。[7]

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蓄电池交流负载太阳能电池阵列控制器逆变器电网DC/DC变换器直流负载

图1.1太阳能光伏发电系统

2.1离网光伏发电系统

离网光伏发电系统是指未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统，其输出功率提供给本地负载(交流负载或直流负载)的发电系统。其主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边防哨所等特殊处所提供电源。

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图2.1所示为一种常用的太阳能独立光伏发电系统结构示意图，该系统由太阳能电池阵列、DC/DC变换器、蓄电池组、DC/AC逆变器和交直流负载构成。DC/DC变换器将太阳能电池阵列转化的电能传送给蓄电池组存储起来供日照不足时使用。蓄电池组的能量直接给直流负载供电或经DC/AC变换器给交流负载供电。该系统由于有蓄电池组，因而系统成本增加，但可在无日照或日照不足时为负载供电。[8]

太阳能电池板DC/DC蓄电池图变换器2.1离网光伏发电系统 直流负载2.1.1铅酸蓄电池 储能是光伏发电系统的重要组成部分，尤其对于独立光伏发电系统而言，储能环节更是不可缺少的组成部分。储能系统的好坏直接影响到光伏发电系统的性能在实际的光伏发电系统中，储能部分又是最控制器逆变器交流负载易受损、最易消耗的部分。所以获得最佳的储能系统成为光伏系统设计的重要组成部分。目前光伏发电系统中通常使用蓄电池实现储能，常用蓄电池属于电化学电池。蓄电池在充电时把电能转化为化学能储存起来，放电时把储存的化学能转化为电能提供给负载使用。一般来讲，光伏发电系统白天把太阳能转化为电能，通过充电器和蓄电池把电能储存起来，晚上再通过放电器把储存在蓄电池里的电能放出来使用。

其中常用的蓄电池有铅酸蓄电池、镍镉蓄电池和镍氢蓄电池。目前中国用于太阳能光伏发电系统的蓄电池除有少量用于高寒户外系统采用镍镉蓄电池外，绝大多数是采用铅酸蓄电池。在小型的太阳能

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草坪灯和便携式太阳能供电系统中使用镍镉或镍氢蓄电池比较多。 铅酸蓄电池充电控制方法:

在太阳能独立光伏发电系统中，对铅酸蓄电池使用的充电控制方法直接影响到系统的性能。充电控制方法的优劣影响到铅酸蓄电池的荷电量的大小，同时也关系到铅酸蓄电池的使用寿命。而电荷量的大小决定着太阳能独立光伏发电系统向负载供电的能力、铅酸蓄电池的使用寿命关系到系统的成本、造价以及系统的使用寿命，因此选择合理的充电控制方法是提高太阳能独立光伏发电系统性能的有效手段。目前铅酸蓄电池常用的充电控制包括恒流充电、恒压充电、两阶段和三阶段充电等方法。[9]

(一)恒流充电

恒流充电就是以一定的电流进行充电，在充电过程中随着铅酸蓄电池电压的变化要进行电流调整使之恒定不变。这种方法特别适合于多个铅酸蓄电池串联的铅酸蓄电池组进行充电，能使落后的铅酸蓄电池的容量易于得到恢复，最好用于小电流长时间的充电模式。这种充电方式的不足之处在于:铅酸蓄电池开始充电电流偏小，在充电后期充电电流又偏大，充电电压偏高，整个充电过程时间长。

(二)恒压充电法

恒压充电就是以一恒定电压对铅酸蓄电池进行充电。在充电初期由于铅酸蓄电池电压较低，充电电流较大，但随着铅酸蓄电池电压的逐渐升高，电流逐渐减少。在充电末期只有很小的电流通过，这样充电过程中就不必调整电流。相对恒流电来说，此法的充电电流自动减

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少，所以充电过程中析气量小，充电时间短，能耗低。这种充电方法不足之处在于:在充电初期，如果铅酸蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，不仅危及充电器的安全，而且铅酸蓄电池可能因过流而受到损伤;如果铅酸蓄电池电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的铅酸蓄电池组充电。铅酸蓄电池电压的变化很难补偿，充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。这种充电方法在小型的太阳能光伏发电系统中经常用到，因为这种系统中来自太阳能电池阵列的电流不会太大，而且这种系统中铅酸蓄电池组串联不多。

(三)两阶段充电法

这种方法是为了克服恒流与恒压充电的缺点而结合的一种充电策略。它首先对铅酸蓄电池采用恒流充电方式充电，铅酸蓄电池充电到达一定容量后，然后采用恒压充电方式充电。采用这种充电方式，在充电初期，铅酸蓄电池不会出现很大的电流，在充电后期也不会出现铅酸蓄电池电压过高，使铅酸蓄电池产生析气。

(四)三阶段充电法

三阶段充电法是在两阶段充电完毕后，铅酸蓄电池容量己经达到额定容量时，再继续以很小的电流向铅酸蓄电池充电以弥补铅酸蓄电池由于自放电损失的电量，这种以小电流充电的方式也称为浮充。在浮充时，铅酸蓄电池充电电压要比恒压阶段的充电电压低。

在太阳能光伏发电系统中，综合考虑日照强度以及环境温度对光伏系统充电电流的影响、铅酸蓄电池性能以及系统成本等因素，使用

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三阶段充电法对铅酸蓄电池充电较为合理。 2.1.2太阳能电池最大功率点跟踪

目前，太阳能电池阵列在太阳能光伏发电系统造价中占很大比重，而且太阳能电池的转化效率本身就不高，因此有必要研究提高太阳能电池利用效率的方法，以降低系统单位价格的成本，促进太阳能光伏发电系统的应用推广。太阳能电池最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking ，简称MPPT)是其中的途径之一，它能最大程度的利用太阳能电池转化所得的电能。[10]

太阳能电池最大功率点跟踪原理:

由第二章可知，太阳能电池的输出特性受电池温度和日照强度等因素的影响，电池温度主要影响太阳能电池的开路电压，日照强度主要影响太阳能电池的短路电流。在一定日照强度和温度下，太阳能电池有唯一的最大输出功率点，太阳能电池只有工作在最大功率点才能使其输出的功率最大。

太阳能电池最大功率点跟踪方法:

目前使用的太阳能电池最大功率点跟踪方法主要有恒电压法、观察扰动法、电导增量法以及其它的一些跟踪方法。

1. 恒电压法(Constant Voltage Tracking，简称CVT) 温度一定时，在不同的日照强度下，太阳能电池阵列输出曲线的最大功率点基本是分布在一条垂直线的附近，因此只要保持太阳能电池阵列输出电压为常数且等于某一日照强度下太阳能电池阵列最大功率点的电压，就可以大致保证在该温度下太阳能电池阵列输出最大

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功率。

恒电压法具有控制简单，易于实现，稳定性好，可靠性高等优点，比一般太阳能光伏系统可望多获得20%的电能，较之不带CVT的直接藕合要有利得多。然而恒电压法忽略了太阳能电池温度对太阳能电池阵列最大功率点的影响，一般硅太阳能电池的开路电压都在较大程度上受结温影响，以常规单晶硅太阳能电池而言，当太阳能电池温度每升高1℃时，其开路电压下降率约为0.35%-0.45%，这说明太阳能电池的最大功率点对应的电压也随电池温度的变化而变化，其中对太阳能电池温度影响最大的因素是环境温度和日照强度。因此对于四季温差或日温差较大的地区，CVT方式并不能完全跟踪太阳能电池阵列最大功率点，从而导致系统功率损失。研究结果表明，虽然许多太阳能光伏系统仍然采用这种最大功率点跟踪方法，但这种方式所带来的功率损耗相比于微电子技术的迅速发展及微电子器件的大幅度降价，已经显得很不经济。

2. 扰动观察法(Perturbation & Observation)

扰动观察法的原理是:在每个控制周期用较小的步长改变太阳能电池阵列的输出，改变的步长是一定的，方向可以是增加也可以是减少，控制对象可以是太阳能电池阵列的输出电压或电流，这一过程称为“扰动”;然后，通过比较干扰周期前后太阳能电池阵列的输出功率，如果输出功率增加，那么继续按照上一周期的方向继续“干扰”过程，如果检测到输出功率减少，则改变“干扰”的方向。

扰动观察法的最大优点就是结构简单，被测参数少，容易实现。

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但是即使在某一周期太阳能电池阵列运行在最大功率点，由于扰动的存在，下一周期太阳能电池阵列运行点又会偏离最大功率点，因此太阳能电池阵列实际是在最大功率点附近振荡运行，从而导致部分功率损失;其次，难以选择合适的变化步长，步长过小，跟踪的速度缓慢，太阳能电池阵列可能长时间运行于低功率输出区，步长过大太阳能电池阵列在最大功率点附近的振荡又会加大，跟踪精度下降，从而导致更多的功率损失;另外，当外部环境突然变化，太阳能电池阵列从一个稳定运行状态变换到另一个稳定运行状态的过程中，会出现误判现象。

3. 增量电导法(Incremental Conductance Algorithm) 为了解决扰动观察法导致的功率损失问题，K.H.Hussein在1995年提出了增量电导法。由太阳能电池阵列输出电气特性知，太阳能电池阵列的输出功率-电压(P-V)曲线是一个单峰曲线，在最大功率点处，功率对电压的导数为零。

增量电导法的优点是:在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。增量电导法的缺点是:太阳能电池阵列可能存在一个局部的最大功率点，这种算法可能导致系统稳定在一个局部的最大功率点;如同扰动观察法一样，增量电导法的变化步长也是固定的，步长过小会使跟踪速度变慢，太阳能电池阵列较长时间工作在低功率输出区;步长太长，又会使系统振荡加剧，影响跟踪精度。在实际的光伏系统中，增量电导法的实现对硬件的要求相对较高，控制系统需采用高速

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微处理器完成数据处理。

2.2并网光伏发电系统

与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。并网光伏发电系统将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、同频、同相的交流电，并实现与电网连接，向电网输送电能。它是太阳能光伏发电进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一重要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。

一般的并网发电系统如图2.2所示，将太阳能电池控制系统和民用电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充。而当其输出的

负载功率超出负载需求时，将电能输送到电网中。 检测电路控制器负负载载电电压流采采样样光伏阵列BOOST变换器双向BUCK-BOOST变换器蓄电池阵阵列列输输出出电电流压驱动电路电网蓄电池充电电流采样蓄电池电压采样 DC/DC太阳能逆变器 图2.2 并网光伏发电系统结构框图 变换器电池板3太阳能离网光伏发电系统分析 交流负载3.1 离网光伏供电系统的主电路图 本设计的总体方框图为： 控制器

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图3.1太阳能独立光伏发电系统总框图

主电路图为：

图3.2主电路

3.2电路工作原理

3.2.1 离网光伏供电系统常用DC/DC变换器拓扑结构

到目前为止，在太阳能光伏发电系统中使用的DC/DC变换电路主要有BUCK电路，BOOST电路，BUCKK-BOOSTT电路以及CUK电路。它们的电路拓扑分别如下图3.3 (a)-(d)所示。

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a. BUCK电路拓扑图 b. BOOST电路拓扑图 太阳能L2Q2 光伏阵C1 Q1 蓄列Cpv 电C2 池 Q3

c. BUCK-BOOST电路拓扑图 d. CUK电路拓扑图

图3.3太阳能光伏发电系统中常用的DC/DC变换电路拓扑图

BOOST 直流负载或DC/AC交流负载L1双向BUCK-BOOST 3.2.2带双向变换器的太阳能独立光伏发电系统

图3.3所示为本文研究所用独立光伏发电系统结构图，该独立式光伏发电系统主电路包含以下五个部分:太阳能电池阵列，BOOST变换器和双向BUCK-BOOST变换器，蓄电池组以及负载。

BOOST电路以电感电流源方式向负载放电实现负载电压升高的目的。与BUCK电路相比，BOOST电路的电感在电路的输入端，因此只要输入电感足够大，BOOST电路可以始终工作于输入电流连续的状态下，电感上的纹波电流可以小到接近平滑的直流电流，因此在光伏发电系统应用中，只需在BOOST电路并联容量较小的无感电容甚至可以不加电容，如图3.3，这样就可避免加电容带来的种种弊端。同时BOOST结构也非常简单，并且功率开关管一端接地，使得开关管驱动电路设计更为简单。

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3.4带双向变换器的独立光伏发电系统

图3.5连接太阳能电池阵列的BOOST电路拓扑图

BOOST电路的不足之处在于其输入端电压较低，在同样的功率下，输入电流较大，因而电路损耗较大，与BUCK电路，BOOST电路转化效率略低一些;而且BOOST电路只能进行升压变换。典型的连接太阳能电池阵列的BOOST电路拓扑如图3.5所示，BOOST电路输出连接阻性负载或蓄电池。

双向BUCK-BOOST变换器是在BUCK电路中的续流二极管替换为功率MOSFET管而得到的，其电路结构如图3.4所示。为实现能量的双向自由流动，Q2和Q3互补PWM工作，即Q2导通时，Q3截止，Q3导通时，Q2截止。为了防止Q2，Q3同时导通，两者之间有死区时间，即Q2关断后经死区时间td后才允许Q3导通，反之亦然。

太阳能光伏阵列蓄电池 3.2.3逆变电路

直流-交流（DC/AC）变换器，也称逆变器。其功能是将直流电变为固定频率和电压或可调频率和可调电压的交流电，供负载使用。

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逆变电路的分类方法有很多种，本文采用双极性SPWM单相逆变电路。太阳能光伏阵列产生的电压，经过一个BOOST电路升压，通过调节Q5端占空比来调节升压后电压的大小。再经过双极性SPWM逆变电路，将直流电转换为交流电供负载使用。

图3.6逆变电路

双极性SPWM调制的特点是：三角载波有正负极性，同样再载波和调制波的交点处产生驱动信号。但是T6、T9和T7、T8的驱动脉冲互补。在T6、T9导通时，T7、T8截止；在T7、T8导通时，T6、T9截止。因此逆变器交流输出电压在半周期中也有正负极变化，故称双极性调制。在输出交流的正半周。正脉冲宽度大于负脉冲；在输出交流的负半周，负脉冲宽度大于正脉冲，且脉冲狂度随调制波变化，使输出交流电压按正弦规律变化。改变调制波的幅值，则改变了调制正弦波与三角波的交点位置，可以调节矩形脉冲宽度，从而改变交流电压的大小。改变调制正弦波的频率。使输出交流电的频率也随之变化，因此调节调制波的幅值喝频率就可以调节交流输出电压的大小和频率

3.3参数设计

3.3.1 BOOST电路参数

系统中BOOST电路设计开关管的开关频率fs=20kHz，输入直流电压Vin∈[25V，45V]，额定输入直流电压Vin=34V，输出直流电压Vo=48V，输出电流额定电流I0=22.3A，电感电流工作在电流连续模式(Current Continuous Mode)，效率η=0.95。

滤波电感的计算

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Il1?P01071??45A??Vin(min)0.95?25 （4-1）

（4-2）

V0L1??D?(1?D)?iL1?fs

D=1-Vin/V0 （4-3） 式中:D为开关管的占空比，fs为开关管开关频率。 由(4-2)和(4-3)可得:

V25Dmax?1?inmin?1??0.48V048

V0L1min??Dmax?(1?Dmax)?iL1?fs

取△iL1=0.2IL1，计算可得L1min=66.5uH 滤波电容的估算 由文献[44]可知:

C1?D?I0?TS?V0 （4-4）

（4-5）

（4-6）

取△Vo=4.8，由上述参数可得:

DmaxC1min??I0?110.5uF?Vo?fs

（4-7）

为了使输出电压纹波小于4.8V，滤波电容必须大于110.5uF，可取120uF，滤波电容的耐压值不应小于48x1.5=72V，因此滤波电容可取120uF/l00V。

功率开关管的选取

通过功率开关管的最大电流与通过电感的最大电流相等，为45A，功率开关管承受的最大电压为2Vin=2×45=90V。考虑到功率开关管电压和电流的设计裕量，开关管的额定电压应为珠的1.5倍，额定电流应大于开关管导通时流过的峰值电流的2倍。BOOST电路中开关管选取Infineon公司的IPBO42N10N3G MOSFET管，其额定耐压值VDS=l00V，额定电流ID=100A，导通电阻RDS(ON)=4.2mΩ

二极管的选取

通过二极管的最大电流与通过电感的最大电流相等，为45A，功率开关管承受的最大反向电压为Vomax=50.4v。考虑到二极管电压和电流的设计裕量，开关管的额定电压应为Vin的1.5倍，额定电流应大于开关管导通时流过的峰值电流

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的2倍。

BOOST电路中二极管选取Infineon公司的D255N二极管，其最大反向耐压VRRM=600V，最大正向电流IF=400A，反向恢复时间最长131ns。

3.3.2蓄电池电池和太阳能电池列阵参数

在本系统中铅酸蓄电池组接在双向BUCK-BOOST变换器上充当负载。当铅酸蓄电池组直接接在BOOST电路上充当负载时，系统为铅酸蓄电池充电以储存能量，当无太阳光照射时，铅酸蓄电池可通过双向BUCK-BOOST变换器向负载供电。本系统中铅酸蓄电池选择电压24V、容量为100AH的蓄电池组。

太阳能电池阵列是整个系统能量的来源，本系统所使用的太阳能电池阵列由七块无锡尚德太阳能电力有限公司生产的STP155S-24/Ab 型单晶硅太阳能电池并联而成，总功率1KW。STP155S-24/Ab型单晶硅太阳能电池组件参数如表4.1所示:

表3.5 最大工作 电压Vm 34.4V 最大工作 电流Im 4.51A 短路 电流Isc 4.9A 开路 电压Voc 43.2V 功率 153W 3.3.3 双向BUCK-BOOST变换器参数

系统中设计双向BUCK-BOOST变换器的功率开关管的开关频率也为Fs=20kHz，双向BUCK-BOOST变换器按BUCK变换器设计:输入额定直流电压为Vin=48V，输入电压波动△Vo=4.8v;输出直流电压Vo=24v，输出电压纹波为2V;输出额定电流I=45A。

滤波电感的估算

V24D?0??0.5Vin48

V24Dmin?0??0.476Vinmax50.4

V24Dmax?0??0.526Vinmin45.6

V?VL2?in0?D?iL1?fs

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(4-8)

(4-9)

(4-10)

(4-11)

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式中:D为开关管的占空比，fs为开关管开关周期。取输出电流纹波△i0=3A。可得:

L2?48?24?0.5?200uh33?20?10Vinmax(1?Dmin)Dmin?210uh?iL1?fsVinmin(1?Dmax)Dmax?iL1?fs (4-12)

L2max? (4-13)

(4-14)

L2min?

取L2=210uH。 滤波电容的设计

由于本系统中双向BUCK-BOOST变换器的负载为铅酸蓄电池，而铅酸蓄电池本身就相当于一个大电容，因此本双向BUCK-BOOST变换器输出端可以不用滤波电容;另外，省去滤波电容还可以减少由于铅酸蓄电池给滤波电容充电而导致的容量损失。而且省去滤波电容，减少了系统成本，缩小系统的体积，从而简化了电路。

功率开关管的选取

双向BUCK-BOOST变换器中，功率开关管Q2和Q3承受的最大电压均为Vin=50.4V，功率开关管Q2和Q3的最大工作电流与流过滤波电感的最大电流相同，即IQ2max=IQ3max=IL2max=45A。考虑到功率开关管电压和电流的设计裕量，可选择开关管的容许电压为100v，容许电流为50A。双向BUCK-BOOST变换器电路中开关管选取Infineon公司的IPBO42CN10N3G MOSFET管，其额定耐压值VDS=100V，额定电流ID=100A，导通电阻RDS(ON)=4.2mΩ

逆变器选择

本文采用双极性SPWM单相逆变电路。太阳能光伏阵列产生的电压，经过一个BOOST电路升压，通过调节Q5端得占空比来调节升压后电压的大小。再经过双极性SPWM逆变电路，将直流电转换为交流电供负载使用

4 离网型光伏发电系统的仿真

根据参数采用Matlab软件对逆变电路进行仿真。对系统做适合的实时修正或者按照仿真的最佳效果来调试及整定控制系统的参数，以提高系统的性能，减

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少设计系统过程中反复修改的时间，实现高效率地开发实际系统的目标。

图3.5逆变电路仿真结果

注：仿真中采用直流电压源（48V）代替逆变电路的输入端电压（A-a点电压）

从仿真图来看，三角载波有正负极性，同样再载波和调制波的交点处产生驱动信号。但是T6、T9和T7、T8的驱动脉冲互补。在T6、T9导通时，T7、T8截止；在T7、T8导通时，T6、T9截止。因此逆变器交流输出电压在半周期中也有正负极变化，故称双极性调制。在输出交流的正半周。正脉冲宽度大于负脉冲；在输出交流的负半周，负脉冲宽度大于正脉冲，且脉冲狂度随调制波变化，使输出交流电压按正弦规律变化。改变调制波的幅值，则改变了调制正弦波与三角波的交点位置，可以调节矩形脉冲宽度，从而改变交流电压的大小。改变调制正弦波的频率。使输出交流电的频率也随之变化，因此调节调制波的幅值喝频率就可以调节交流输出电压的大小和频率

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总结

本文主要研究功率为1KW的独立光伏发电系统，介绍了太阳能光伏发电的系统的基本组成和特性，并详细说明了太阳能电池的原理，特性以及太阳能电池工程模型太阳能电池最大功率跟踪的原理以及一些常用的方法，并比较了他们的优缺点。通过对目前太阳能独立光伏发电系统常用DC/DC拓扑结构的研究，总结了各种DC/DC拓扑结构的优缺点。本文重点研究一种带有双向变换器功能的太阳能独立光伏发电系统，对该系统主电路的参数进行了设计计算。为了使此独立光伏发电系统能够向交流负载供电，添加了逆变电路，并对逆变电路进行了仿真。

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参考文献

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[10] 陈维沈辉，邓幼俊.太阳能光伏应用中的储能系统研究[J].蓄电池，2006(1):21-27

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致 谢

本次论文是在潘建导师的精心指导和耐心帮助下完成的，谢谢老师的悉心指导和谆谆教诲。在编写论文过程中，潘老师提供了许多相关资料，并在对论文结构分布及其思路方面提出了许多宝贵的意见，对潘建老师致以深深的敬意！

感谢潘建导师对论文给予的指导和帮助，同时也谢谢大学期间所有任课老师的谆谆教诲！再次衷心对老师说声：老师，辛苦了，谢谢！

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