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光伏发 电的基本原理及系统设计

1.光伏发电的类别
       光伏发 电一般按照与电力系统的关系分类，可以分 为独立光伏发电和并网光伏发电。独立光 伏发电不与电力系统连接在一起，独立于整个系统，发出的直流、交流电直接供给负载。而并网 光伏发电则像发电站一样，可以向电网输送有功、无功的电能。

2. 独立光 伏发电的基本原理
       独立光 伏发电系统由太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器组件、控制器和负载（直流负载和交流负载）组成。因为太 阳能电池产生的电能为直流，但是由 于光照强度实时变化，太阳能 电池输出的电压也不稳定，这时也 需要蓄电池来起到一个滤波的作用，将太阳 能电池产生的电压稳定在蓄电池的电压值上，在另外一种意义上，用蓄电 池也有储能的作用，可以将 过剩的电能储存起来供在光照强度较低的时候使用。如果是 直流负载就可以直接接在蓄电池上工作，如果是交流负载，那么需 要经过逆变器的DC-AC 变换，将直流电变成交流电，供给交流负载。

3.并网光 伏发电的基本原理
       独立光 伏发电系统由太阳能电池阵列、蓄电池、逆变器组件、控制器和负载组成。因为需 要将光伏发出来的电回馈给电网，这就需 要将直流电转换为电网要求的220V、50HZ 的交流电，并且在 相同相位的情况下并网，像电网供电。

       无论是 独立光伏发电系统还是并网光伏发电系统，逆变系 统对于交流负载和并网发电都是必不可少的，接下来 我们主要就光伏分布发电中的逆变系统的相关设计进行研究。

4. 光伏发 电逆变系统设计
4.1 光伏发 电逆变系统的组成
       光伏发 电系统主要由太阳能电池、主回路、控制电路和负载组成。主回路主要包括DC/DC 电路、DC/AC 电路、滤波器组件。下面主 要对于主回路部分的设计做介绍，其中包 括主回路的拓扑结构进行分析，介绍一 下全桥逆 变电路的工作原理以及逆变器模块的选型，以及相关保护的设计。

4.2 光伏发 电逆变系统的拓扑结构
       通常单 相电压型逆变器主要分为推挽式、半桥和 全桥逆变电路三种。这三种 方式根据其不同的特点应用于不同的场合。

       推挽式 逆变电路的电路结构比较简单，如图3-1 所示。其上电 路只需要两个晶闸管，基极驱 动电路不需要隔离，驱动电路比较简单，但是晶闸管需要承受2 倍的线路峰值电压，所以适 合于低输入电压的场合应用。

       同时变 压器存在偏磁现象，初级绕组有中心抽头，流过的 电流有效值和铜耗较大，初级绕 阻两部分应紧密藕合，绕制工艺复杂。因为推 挽式逆变电路对于晶闸管的耐压要求比较高，不适合 作为光伏发电的逆变系统主回路。

       相比于 推挽式逆变电路，单相半 桥式逆变电路中所使用的晶闸管的耐压要求就相对较低，不会有线电压峰值2 倍这么多，绝对不 会超过线电压峰值。其逆变 出来的波形也相对推挽式比较接近于正弦波，所以滤 波的要求也相对较低。由于晶 闸管的饱和压降减小到了最小，所以不 是最重要的影响因素之一。但是由 于半桥式逆变电路的结构决定其集电极电流在晶闸管导通时会增加一倍，使得在 晶闸管选型的过程中，要考虑大电流、承受高压的情况，就难免 会因为其价格昂贵，所以不适合 作为光伏发电的逆变系统主回路。

       全桥式 逆变电路就是介于推挽式和半桥式之间，兼顾其 各自优点的一种逆变电路。其既有 推挽式电路的电流性质，也有半 桥式电路的电压性质，其结构详见图3-3 所示。全桥式 电路可以使得晶闸管期间达到最大输出功率，而且其 逆变出来的波形更加接近于正弦波。所以，这次这 次光伏发电的逆变系统主回路选用了全桥式逆变电路。

       其中VT1-VT4 为晶闸管，VD1-VD4 为四个 反向并联的二极管。下面详 细介绍一下全桥逆 变电路的工作原理。

4.3 全桥逆 变电路的工作原理
       首先，VT1 和VT4 是一对 同时开关的晶闸管，VT2 和VT3 是另外 一对同时开关的晶闸管，VT1、VT4,VT2、VT3各受两 路控制电压的控制。首先，VT2、VT3 的控制电压为负值，那么VT2、VT3 关断，处于截止状态。VT1、VT4 的的控制电压为正值，那么VT1、VT4 导通，电流流通路径如图3-4 所示。如果忽 略晶闸管自身的压降，那么输出电压就等于Uout=EN2/N1.然后，VT1、VT4 关断，四个功 率开关都处于截止状态。

       第三个时刻，VT1、VT4 的控制电压为负值，那么VT1、VT4 关断，处于截止状态。VT2、VT3 的的控制电压为正值，那么VT2、VT3 导通，电流流通路径如图3-5 所示。如果忽 略晶闸管自身的压降，那么输出电压就等于Uout=-EN2/N1.

       最后，VT2、VT3 关断，四个功 率开关都处于截止状态。
       这就是一个周期内，晶闸管 的开关变化情况。按照这种工作方式，则可以 获得交变的电压。

4.4 逆变器的设计
       逆变器 组件的设计根据某地的用户载荷分析，用户的 用电载荷平均大概为3.2kW.根据某 地全年品均月辐照强度5.4KWh/m?/ 天。总共需 要的电池板方阵功率计算公式为：
       Wl :负载的消耗功率F :蓄电池 放电效率的修正系数（通常取1.05）Tm :峰值日照时数，其值与 辐照强度的值基本相同，这里取3.6h:方阵表 面由于尘污遮蔽或老化引起的修正系数，通常可取0.9~0.95:方阵组 合损失和对最大功率点偏离以及控制器效率的修正系数，通常可取0.9~0.95L :蓄电池的维修保养率（通常取0.8）Ka :包括逆 变器等交流回路的损失率（通常取0.7,如逆变器效率高可取0.8）本方案选用230W 的单晶硅电池板，则总共需要8 块，总功率为1.84Kw .

       由于当 地的用电电压为22OV,所以选择输出电压为22OV的离网逆变器，经过用 户用电器统计可知，用户的最大功率约为716W, 考虑到 用户负载中有感性负载，在启动 过程时有较大的冲击电流，同时考 虑系统的临时增加负载的情况，所以逆 变器功率应相对选择较大的。在逆变 系统中要求系统响应快，可靠性高，保护功能强等。本次设 计的逆变电路中蓄电池通过DC/DC 变换最 大提供给逆变器400V 的直流电压，所以单 个晶闸管所承受的最大耐压也为400V,考虑到 电压波动和留一定的余量的关系，最终将 晶闸管的最大耐压设定在150% 的输入最大输入电压，那就是600V.

       逆变器 的额定输出功率为3kW,输出电流的峰值为18A,隔离变 压器的变压比为1 :1.考虑到 留有一定的余量，每个晶 闸管的耐流值设定在30A.然后我 们就可以进行选型了。
       最后，选择了PM200CLA060 型号的 三菱公司出品的IPM模块，其耐压600V,耐流200A,符合我 这次设计的光伏发电逆变系统对于模块的要求。
　

4.5 逆变器 支流侧电容的设计
       对于分 布式光伏发电系统，其直流 侧需要增加电容保证直流侧电压稳定，不出现电压突变。那么需 要设计出符合以下公式要求的电容。

       其中P 为太阳 能电池的输出功率，按照此 项目每块太阳能电池的输出功率80W±3% 计算，那么40 块太阳 能电池组成的阵列，其输出功率可达3.2KW.
       f 为电网的频率，取50Hz.
       K 为波纹系数，取0.1.
       U 为直流母线电压，取400V.
       所以，我们只要选用大于1273.89 的电容即可，我选用2200.由于考 虑到直流侧电压为400V,那么选择500V/2200的电解电容。

4.6 交流输 出滤波电路设计
       由单相 全桥逆变电路逆变出来的电压不是标准的正弦波，而是直流斩波电压。如下图所示。
       为了使 得输出的波形更加接近正弦波，以保证 负载和电网获得高质量的电能，滤波电 路是影响波形输出的一个重要环节。在滤波 电路的设计中最重要的就是电感和电容的设计。
       其中，由于逆变器的输出为220V/3kVA,那么所以Poutmax=3kVA.Uout=220V.
       设定逆变器效率为96%.波纹电流系数为17%.
       那么而 电容的设计如下：
       其中K 为谐振频率/ 基波频率，设定为12.
       f 为基波频率，就是50Hz.那么所 以根据设计数据，滤波电容选择40,滤波电感选择2mH.