光伏發(fā)電的基本原理
光伏發(fā)電的類別
光伏發(fā)電一般按照與電力系統(tǒng)的關系分類，可以分為獨立光伏發(fā)電和并網光伏發(fā)電。獨立光伏發(fā)電不與電力系統(tǒng)連接在一起，獨立于整個系統(tǒng)，發(fā)出的直流、交流電直接供給負載。而并網光伏發(fā)電則像發(fā)電站一樣，可以向電網輸送有功、無功的電能。
1、獨立光伏發(fā)電的基本原理
獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池陣列、蓄電池、逆變器組件、控制器和負載(直流負載和交流負載)組成。因為太陽能電池產生的電能為直流，但是由于光照強度實時變化，太陽能電池輸出的電壓也不穩(wěn)定，這時也需要蓄電池來起到一個濾波的作用，將太陽能電池產生的電壓穩(wěn)定在蓄電池的電壓值上，在另外一種意義上，用蓄電池也有儲能的作用，可以將過剩的電能儲存起來供在光照強度較低的時候使用。如果是直流負載就可以直接接在蓄電池上工作，如果是交流負載，那么需要經過逆變器的DC-AC 變換，將直流電變成交流電，供給交流負載。
2、并網光伏發(fā)電的基本原理
獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽能電池陣列、蓄電池、逆變器組件、控制器和負載組成。因為需要將光伏發(fā)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，并且在相同相位的情況下并網，像電網供電。
無論是獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)還是并網光伏發(fā)電系統(tǒng)，逆變系統(tǒng)對于交流負載和并網發(fā)電都是必不可少的，接下來我們主要就光伏分布發(fā)電中的逆變系統(tǒng)的相關設計進行研究。
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光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)設計
光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)的組成
光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽能電池、主回路、控制電路和負載組成。主回路主要包括DC/DC 電路、DC/AC 電路、濾波器組件。下面主要對于主回路部分的設計做介紹，其中包括主回路的拓撲結構進行分析，介紹一下全橋逆變電路的工作原理以及逆變器模塊的選型，以及相關保護的設計。
光伏發(fā)電逆變系統(tǒng)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于不同的場合。
推挽式逆變電路的電路結構比較簡單，如圖3-1 所示。其上電路只需要兩個晶閘管，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，所以適合于低輸入電壓的場合應用。
圖 單相推挽式逆變電路
同時變壓器存在偏磁現(xiàn)象，初級繞組有中心抽頭，流過的電流有效值和銅耗較大，初級繞阻兩部分應緊密藕合，繞制工藝復雜。因為推挽式逆變電路對于晶閘管的耐壓要求比較高，不適合作為光伏發(fā)電的逆變系統(tǒng)主回路。
相比于推挽式逆變電路，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 倍這么多，絕對不會超過線電壓峰值。其逆變出來的波形也相對推挽式比較接近于正弦波，所以濾波的要求也相對較低。由于晶閘管的飽和壓降減小到了最小，所以不是最重要的影響因素之一。但是由于半橋式逆變電路的結構決定其集電極電流在晶閘管導通時會增加一倍，使得在晶閘管選型的過程中，要考慮大電流、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(fā)電的逆變系統(tǒng)主回路。
全橋式逆變電路就是介于推挽式和半橋式之間，兼顧其各自優(yōu)點的一種逆變電路。其既有推挽式電路的電流性質，也有半橋式電路的電壓性質，其結構詳見圖3-3 所示。全橋式電路可以使得晶閘管期間達到最大輸出功率，而且其逆變出來的波形更加接近于正弦波。所以，這次這次光伏發(fā)電的逆變系統(tǒng)主回路選用了全橋式逆變電路。
其中VT1-VT4 為晶閘管，VD1-VD4 為四個反向并聯(lián)的二極管。下面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各受兩路控制電壓的控制。首先，VT2、VT3 的控制電壓為負值，那么VT2、VT3 關斷，處于截止狀態(tài)。VT1、VT4 的的控制電壓為正值，那么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，那么輸出電壓就等于Uout=EN2/N1.
然后，VT1、VT4 關斷，四個功率開關都處于截止狀態(tài)。
圖 電流流通途徑
第三個時刻，VT1、VT4 的控制電壓為負值，那么VT1、VT4 關斷，處于截止狀態(tài)。VT2、VT3 的的控制電壓為正值，那么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，那么輸出電壓就等于Uout=-EN2/N1.
最后，VT2、VT3 關斷，四個功率開關都處于截止狀態(tài)。
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系數(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，這里取3.6h:方陣表面由于塵污遮蔽或老化引起的修正系數，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制器效率的修正系數，通?？扇?.9~0.95L :蓄電池的維修保養(yǎng)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 的單晶硅電池板，則總共需要8 塊，總功率為1.84Kw .
由于當地的用電電壓為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(tǒng)計可知，用戶的最大功率約為716W, 考慮到用戶負載中有感性負載，在啟動過程時有較大的沖擊電流，同時考慮系統(tǒng)的臨時增加負載的情況，所以逆變器功率應相對選擇較大的。在逆變系統(tǒng)中要求系統(tǒng)響應快，可靠性高，保護功能強等。本次設計的逆變電路中蓄電池通過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余量的關系，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.考慮到留有一定的余量，每個晶閘管的耐流值設定在30A.然后我們就可以進行選型了。
最后，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(fā)電逆變系統(tǒng)對于模塊的要求。
逆變器支流側電容的設計
對于分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其直流側需要增加電容保證直流側電壓穩(wěn)定，不出現(xiàn)電壓突變。那么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，那么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 為波紋系數，取0.1.
U 為直流母線電壓，取400V.
所以，我們只要選用大于1273.89 的電容即可，我選用2200.由于考慮到直流側電壓為400V,那么選擇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。
為了使得輸出的波形更加接近正弦波，以保證負載和電網獲得高質量的電能，濾波電路是影響波形輸出的一個重要環(huán)節(jié)。在濾波電路的設計中最重要的就是電感和電容的設計。
其中，由于逆變器的輸出為220V/3kVA,那么所以Poutmax=3kVA.Uout=220V.
設定逆變器效率為96%.波紋電流系數為17%.
那么而電容的設計如下：
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.那么所以根據設計數據，濾波電容選擇40,濾波電感選擇2mH.
光伏分布式發(fā)電在日常生活中越來越常見，其中在并網和交流負載的使用過程中，逆變器的設計至關重要，本文通過對于逆變器部分的結構和原理的分析，簡述了光伏發(fā)電中逆變器設計的總體思路。整個光伏發(fā)電系統(tǒng)的正常運行還依靠于各個部分，包括太陽能電池、蓄電池、濾波部分、控制部分、并網控制部分的配合。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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