离网太阳能光伏发电系统设计

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(1.东北电力大学电气工程学院电气工程及其自动化专业08级毕业生,吉林 吉林 132012；2. 东北电力大学

电气工程学院，吉林，吉林 132012)

摘 要：太阳能光伏发电是可再生能源利用的一种重要形式。本文主要是对光伏发电控制系统的仿真研究。首先介绍了目前国内外太阳能光伏发电技术的背景及其意义。接着对太阳能光伏发电系统进行概述，介绍了它的组成和分类。本文以太阳能光伏发电系统为研究对象，先对其整体结构进行设计，再对蓄电池和光伏阵列容量进行计算，最后对DC-DC变换器、DC-AC逆变器和光伏阵列进行仿真。

关键词：光伏电池；DC-DC变换器；逆变器；并网；仿真

１ 引 言

太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源，具有充分的清洁性、绝对的安全性、相对的广泛性、确实的长寿命和维护性、资源的充足性及潜在的经济性等优点，在长期的能源战略中具有重要地位并且得到广泛的应用。光伏发电系统是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电系统装置。

２ 太阳能光伏发电系统原理

目前，电力系统是以大容量集中发电，高压输电和大电网联网运行的方式进行电能的生产、输送和分配，全世界90%的电力都是由这种集中单一的大电网提供的。近年来以可再生能源为主的分布式发电技术得到了快速发展，与传统电力系统相比克服了大电网系统的一些弱点，并以其环保性能与大电网形成了良好的互补性，成为世界能源系统发展的热点之一。

根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。

３ 独立光伏发电系统的设计

3.1 独立光伏发电系统的设计

整个电路有如下几个部分：光伏电池阵列、蓄电池、DC-DC电路、DC-AC电路、负荷。如图3-1。

图3-1整体电路结构

控制器：白天给发电机供电接三相交流电，晚上切换到两相给电灯供电，实现自动切换。 充放电控制器：阴雨天放电，正常天气充电

3.2蓄电池容量的设计

(1)蓄电池选择NP65-12，浮充电压为1.2V。

(2)蓄电池容量 Be(AH) 计算

蓄电池的容量由下列公式(3)计算决定

Be=(P L*24*D)/(K b*V)

符号含义

D :连续不日照天数(一般在 3 至 7 天)

Kb :安全系数 ( 放电深度(一般为 70%),逆变器效率(根据厂家数据),线损(一般为 5%)等)

V :系统电压(V)

PL ：负荷的消费电力

PL=（2*4+5*4）/（4+4）=3.5kwh

Be=(P L*24*D)/(K b*V)

=（3.5*24*1）、（0.8*324）

=324Ah

3.3 光伏阵列的容量设计

太阳电池采用38D97x400型组件，组件的标准功率为38w，工作电压为17.1v，工作电流为2.22A，安装地水平面上接收的平均日辐射量为13572（KJ/m2），Kop值为1.1548,最佳倾角44.9o。

太阳能电池组组件串联数Ns

Ns=Ur/Uoc=(Uf+Ud+Uc)/Uoc

=(324+0.7+1.2)/17.1

=19

Ur:太阳能电池方阵输出最小电压；

Uoc:太阳能电池组件的最佳工作电压；

Uf：蓄电池组浮充电压；

Ud：二极管压降，一般取0.7；

Uc：其他因素引起的压降。

太阳能电池组件日发电量Qp

Qp=IocTKopCz

=2.22x3.77x1.1548x0.8

=7.732Ah

T=Ht*2.778/10000=3.77

式中：Ioc：太阳能电池组件最佳工作电流；

T:：等效峰值太阳小时数

Kop：斜面修正系数，参考表7-5

Cz：修正系数，主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失，一般取0.8

两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数Nw，主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来，需补充的蓄电池容量Bcb为：

Bcb=AQLNL

=1.2x66.7x1

=80.04Ah

Ql=2/220*4+5/（3*220）*4=66.7Ah

式中：A：安全系数，取1.1-1.4之间

Ql：负载日平均耗电量，为工作电流乘以日工作小时数

Nl：最长连续阴雨天数

4. 太阳能电池组件并联数Np的计算方法

计算方法如下：Np=(Bcb+NwQl)/QpNw*n*Fc

=(80.04+7*66.7)/(7.732*7)

=10.10

≈12

n：蓄电池充电效率的温度修正系数，蓄电池充电效率受到环境环境温度的影响，修正系数见表7-6

Fc：太阳能电池组件表面灰尘、赃物等其他因素引起的损失的总修正系数（通常取1.05） 太阳能电池方阵的功率计算

P=PoNsNp

=38*19*12

=8.664kw

Po：太阳能电池组件的额定功率。

综上，太阳能电池功率为8.664kw，蓄电池容量为324Ah。

4 重要部分的设计

4.1 太阳能电池方阵

太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为4cm2到100cm2不等。太阳能电池单体的工作电压约为0.5V, 工作电流约为20－25mA/cm2, 一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联封装后，就成为太阳能电池组件，其功率一般为几瓦至几十瓦，是可以单

独作为电源使用的最小单元。太阳能电池组件再经过串并联组合安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，可以满足负载所要求的输出功率

4.2 光伏电源充放电控制器

（1）高压（HVD）断开和恢复功能：控制器应具有输入高压断开和恢复连接的功能。

（2）欠压（LVG）告警和恢复功能：当蓄电池电压降到欠压告警点时，控制器应能自动发出声光告警信号。

（3）低压（LVD）断开和恢复功能：这种功能可防止蓄电池过放电。通过一种继电器或电子开关连结负载，可在某给定低压点自动切断负载。当电压升到安全运行范围时，负载将自动重新接入或要求手动重新接入。有时，采用低压报警代替自动切断。

（4）保护功能：

① 防止任何负载短路的电路保护。

② 防止充电控制器内部短路的电路保护。

③ 防止夜间蓄电池通过太阳电池组件反向放电保护。

④ 防止负载、太阳电池组件或蓄电池极性反接的电路保护。

⑤ 在多雷区防止由于雷击引起的击穿保护。

（5）温度补偿功能：当蓄电池温度低于２５℃时，蓄电池应要求较高的充电电压，以便完成充电过程。相反，高于该温度蓄电池要求充电电压较低。

4.3 DC-DC变换器原理

升压式DC/DC变换器主要用于输出电流较小的场合，只要采用1~2节电池便可获得3~12V工作电压，工作电流可达几十毫安至几百毫安，其转换效率可达70%-80%。升压式DC/DC变换器的基本工作原理如图4-1所示。

图4-1升压式DC/DC变换器

4.4 DC-AC逆变器的设计

三相电压源型SPWM逆变器是在通用变频器中使用最多的，本文用Simulink模块仿真三相电压源型SPWM逆变器很方便，使用模型库的多功能桥模块（Universal Bridge）和PWM脉冲发生器（PWM Generator）就能实现

SPWM逆变器模型的参数设置。对多功能桥设为三相桥臂，三相在输出端，开关器选择了IGBT。并且在测量中选择了电压和电流，这是为便于通过多路测量器（Multimeter）观测IGBT承受的电压和电流，为选择IGBT参数提供了依据。IGBT的驱动信号由PWM信号发生器产生，

在发生器对话框中，选择了内产生调制信号方式，当然也可以采用外调制信号输入方式，这时需要外加三相正弦调制信号。选择三角波频率仅为600Hz，这样观察电压波形比较清楚，实用频率要高得多。利用MATLAB模块建立了仿真模型，三相电压源型SPWM逆变器的仿真模型如图4-2所示

图4-2三相电压源型SPWM逆变器的仿真模型

图4-3三相电压源型SPWM逆变器的仿真波形

结 论

本文通过对太阳能的发展历程以及太阳能应用，主要的是太阳能光伏发电系统原理及应用

的研究，让我更加深刻的认识到发展利用可再生能源是当今世界必须要走的能源之路。只有这样才能最大限度的降低环境污染，从而保卫我们生存的地球。光是一种清洁、可再生能源，并且太阳能资源在我国广泛分布。由于我国是一个能源消耗大国，并且人口分布极不合理，因此发展太阳能光伏发电系统对于我国的可持续发展、保持能源供给的独立性和安全性，以及分散人口地区居民用电具有重要意义。

同时，在研究这个论题时，也让我更加深刻的理解事物的发展是存在两面性的。在太阳能开发利用的同时，还存在许多的技术难关，还 有环境是否也会遭到破坏！这些问题是每个人都要想的。在此同时，也希望开发利用太阳能的技术越来越完善。

参考文献

[1]郝晶卉 机电专业委员会全国职业培训教学工作指导委员会 电工与电子基础 机械工业出版社 2009

[2]崔容强、赵春江、吴达成 并网型太阳能光伏发电系统——太阳能实用技术丛书 化学工业出版社 2007

[3]黄汉云 太阳能光伏发电应用原理 化学工业出版社 2009

[4]尹建华,李志伟 半导体硅材料基础 化学工业出版 2009

[5]罗玉峰等著21世纪高校规划教材（光伏专业） 太阳能光伏发电 技术 电力建设网 2009

[6]罗玉峰 陈裕先 李 玲 太阳能光伏发电技术 江西高校出版社 2009

[7]李钟实 太阳能光伏发电系统设计施工与维护 人民邮电出版 2008

[8]惠晶 方光辉 新能源转换与控制技术 机械工业出版社 2008

[9]侯俊 太阳能LED照明系统设计与实现.广东 华南理工大学 2008

[10]寇臣锐 太阳能LED照明控制系统的研制.河北 河北工业大学 2007

Off-grid solar PV system design

Xue an

(1.Electrical Engineering College of Northeast Dianli University,Jilin

City,JilinProvince,China,132012；2. Electrical Engineering College of Northeast

Dianli University,Jilin City,JilinProvince,China,132012)

Abstract：The PV generation system is a significant measure in renewable energy utilization.Simulation on the control system of photovoltaic generation is presented in the thesis.Firstly,introducing the presently application and development situation of photovoltaic technology at home and abroad. Secondly, Having an overview of solar photovoltaic systems and introducing its composition and classification.Thirdly, researching three DC-DC converters’principle,presenting that using Boost DC-DC converter to realize conversion and building the simulation model after analyze the parameters.Finally,simulating and analyzing the Inverter by MATLAB,the results show that the control method and strategy is practical.

Key words：PV cell；DC-DC converter；Inverter；on grid；simulation