毕业设计(论文)-基于水库坝面的光伏发电系统设计-

基于水库坝面的光伏发电系统设计

1.光伏发电系统概述

1.1光伏发电技术的发展历程

1893年，法国科学家贝克雷尔（Becqurel）就发现，光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏特效应”，简称“光伏效应”。

图3 光伏发电实例3

1930年，德国科学家肖特（Walter Schottky）提出Cu2O势垒的“光伏效应”理论。同年，德国科学家朗格首次提出用“光伏效应”制造“太阳电池”，将太阳能转换成电能。

1941年，奥尔（Aall）在硅上发现光伏效应。

1954年，美国科学家恰宾和皮尔松在美国贝尔实验室首次制成了实用的单晶硅太阳电池，效率为6%。同年美国科学家韦克尔（Weichel）首次发现了坤化镓有光伏效应，并在玻璃上沉积硫化镉薄膜，制成了第一块薄膜太阳电池。

1957年，硅光伏电池效率达8%。1958年，光伏电池首次在空间应用，装备美国先锋1号卫星电源。

1959年，第一个多晶硅光伏电池问世，效率达5%。1960年，硅光伏电池首次实现并网运行。

20世纪70年代后，随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球约有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展，这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦时，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍。正是由于太阳能的这些独特优势，20世纪80年代后，太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益

广阔、市场规模也逐步扩大。

20世纪90年代后，光伏发电快速发展，到2006年，世界上已经建成了10多座兆瓦级光伏发电系统，6个兆瓦级的联网光伏电站。美国是最早制定光伏发电的发展规划的国家。1997年又提出“百万屋顶”计划。日本1992年启动了新阳光计划，到2003年日本光伏组件生产占世界的50%，世界前10大厂商有4家在日本。而德国新可再生能源法规定了光伏发电上网电价，大大推动了光伏市场和产业发展，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国，也纷纷制定光伏发展计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。世界光伏组件在1990年——2005年年平均增长率约15%。20世纪90年代后期，发展更加迅速，1999年光伏组件生产达到200兆瓦。商品化电池效率从10%～13%提高到13%～15%，生产规模从1～5兆瓦/年发展到5～25兆瓦/年，并正在向50兆瓦甚至100兆瓦扩大。光伏组件的生产成本降到3美元/瓦以下。2006年的光伏行业调查表明，到2010年，光伏产业的年发展速度将保持在30%以上。年销售额将从2004年的70亿美金增加到2010年的300亿美金。许多老牌的光伏制造公司也从原来的亏本转为盈利。

1.2光伏发电系统的分类

光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。

图1 光伏发电实例1

并网光伏发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。

图2 光伏发电实例2

1.3全球光伏发电现状及分析

从1998年开始，世界光伏发电市场出现了供不应求的局面，年增长率保持在30%～40%。2004年更是创造历史的新高，增产率达到67%，年产量达到1253MW。2009年全球装机猛增，见表1-1.

1.4光伏发电现状及趋势分析

1.4.1国内光伏发电发展历程及现状

中国太阳能资源非常丰富，理论储量达每年17000亿吨标准煤，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国地处北半球，南北距离和东西距离都在5000公里以上。在中国广阔的土地上，有着丰富的太阳能资源。大多数地区年平均日辐射量在每平方米4千瓦时以上，西藏日辐射量最高达每平米

7千瓦时。年日照时数大于2000小时。与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。

中国太阳电池的研究始于1958年，1959年研制成功第1个有实用价值的太阳电池。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，1971年3月首次成功地应用于我国第2颗卫星上，1973年太阳电池开始在地面应用，1979年开始生产单晶硅太阳电池。20世纪90年代中期后光伏发电进入稳步发展时期，太阳电池及组件产量逐年稳步增加。经过30多年的努力，21世纪初迎来了快速发展的新阶段。中国的光伏产业的发展有2次跳跃，第一次是在20世纪80年代末，中国的改革开放正处于蓬勃发展时期，国内先后引进了多条太阳电池生产线，使中国的太阳电池生产能力由原来的3个小厂的几百千瓦一下子上升到6个厂的4.5兆瓦，引进的太阳电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、国家工业部委和国家大型企业。第二次光伏产业的大发展在2000年以后，主要是受到国际大环境的影响、国际项目/政府项目的启动和市场的拉动。2002年由国家法改委负责实施的“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程以及2006年实施的送电到村工程均采用了太阳能光伏发电技术。在这些措施的有力拉动下，中国光伏发电产业迅猛发展的势头日渐明朗。到2007年年底，中国光伏系统的累计装机容量达到10万千瓦（100MW），从事太阳能电池生产的企业达到50余家，太阳能电池生产能力达到290万千瓦（2900MW），太阳能电池年产量达到1188MW，超过日本和欧洲，并已初步建立起从原材料生产到光伏系统建设等多个环节组成的完整产业链，特别是多晶硅材料生产取得了重大进展，突破了年产千吨大关，冲破了太阳能电池原材料生产的瓶颈制约，为中国光伏发电的规模化发展奠定了基础。2007年是中国太阳能光伏产业快速发展的一年。受益于太阳能产业的长期利好，整个光伏产业出现了前所未有的投资热潮，但也存在诸如投资盲目、恶性竞争、创新不足等问题[5]。2009年6月，由中广核能源开发有限责任公司、江苏百世德太阳能高科技有限公司和比利时Enfinity公司组建的联合体以1.0928元/度的价格，竞标成功我国首个光伏发电示范项目——甘肃敦煌10兆瓦并网光伏发电场项目，1.09元/千瓦时电价的落定，标志着该上网电价不仅将成为国内后续并网光伏电站的重要基准参考价，同时亦是国内光伏发电补贴政策出台、国家大规模推广并网光伏发电的重要依据。

1.4.2国内光伏发电产业现状分析及未来趋势

有关专家指出，虽然中国光伏之路前景广阔，但在现实中还存在很多问题，中国的光伏发展荆棘满路，如果在光伏发展之中我们注意不到这些问题，那么势必会影响光伏产业的可持续发展。一是要想实现平价上网，还需要光伏发电达到市场化竞争程度。但现在光伏发电的成本还是很高的，

这就限制了光伏发电的商业化运行。国家能源局新能源和可再生能源司副司长史立山曾说，目前光伏装机投资成本每千瓦约18000元左右，而常规火电的投资成本约每千瓦3000～4000元，光伏电价是常规火电电价的3倍以上，成本太高是光伏规模化发展的重大阻碍。二是就中国光伏产品的市场现状来说，硅材料的源头在国外，硅材料95%依靠进口；主要市场目前也在国外，95%的光伏产品销往国外，国内市场与生产能力相比，十分狭小，大约仅为产能的5%。这种现象就像国家发改委能源研究所可再生能源发展中心副主任任东明在第二届亚洲光伏峰会上所说的：“中国沿袭…两头在外，大进大出?的发展模式。”中国的这种严重依赖进出口的模式加大了贸易风险。此外多晶硅产能有过剩的倾向，行业的调控和规范有待加强。三是光伏技术研发投入有限，研发能力和技术创新能力薄弱。新一代的薄膜太阳电池的商业化进程缓慢，聚光电池、新型太阳电池科研投入不足，比外国落后很多，后劲不足。缺乏自主创新能力是中国光伏产业发展滞后的根源，要想达到光伏生产方式的转变，掌握技术的主导权是相当重要的问题。四是光伏技术的滞后使环保问题与高能耗问题凸显。据任东明介绍，中国光伏产业能耗高，国际先进水平130～150kWh/kg，国内200～300 kWh/kg；另外光伏产品还存在环保问题，国内还不能达到全物料循环、清洁生产，如果不能妥善处理废弃物，势必会给脆弱的环境带来压力。五是政策细化不到位。光伏企业服务和监管滞后也是光伏产业存在的一大问题。“中国现在实际上面临的是细的政策没有到位，第一，光伏的振兴规划还没有公布；第二，上网电价还没有出台；第三，金太阳工程补贴资金不足，企业不赚钱；第四，电力公司的服务和监管严度差，企业出台的标准有很多和国际惯例不相匹配，而且给用户增加了很多负担。”王斯成在第二届亚洲光伏峰会上表示，国家现在制定目标是2020年达到20GW，相当于以前1.6GW的目标已经提高十几倍，但是相比于日本的28GW目标还是很低的，各个省没有光伏发电目标，各个大的光伏发电企业也没有一个有效的细化的规划目标，这就让国家在制定长远规划目标缺乏科学的依据。

二〇〇九年七月十六日国家三部委财政部、科技部、国家能源局联合印发了《关于实施金太阳示范工程的通知》，随后又公布了具体的《金太阳示范工程财政补助资金管理暂行办法》决定综合采取财政补助、科技支持和市场拉动方式，加快国内光伏发电的产业化和规模化发展，并计划在2－3年内，采取财政补助方式支持不低于500兆瓦的光伏发电示范项目；各种利好都给中国光伏发电产业注入了强劲的生命活力！希望在不远的将来，我国的光伏发电整体竞争力能够达到国际领先水平，光伏发电电力供应量在国内总电力供应中的占比能够达到更高水平，从而更加有力的推动我国经济结构转型和能源结构优化！2011年8月初，国家发改委发布了《关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知》，明确规定今年7月1日前后核准的光伏发电项目的上网电价分别定为1.15元/每千瓦时和1元/每千瓦时。这给光伏行业带来新的契机，同时许多业内人士认为，各地光照资源条件存在差异，采用“一刀切”的光伏上网电价，会造成未来一段时间西部地区光伏发电装机容量的增速明显超过东部地区的现象。

根据《可再生能源中长期发展规划》，到2020年，中国力争使太阳能发

电装机容量达到1.8GW（百万千瓦），到2050年将达到600GW（百万千瓦）。预计，到2050年，中国可再生能源的电力装机将占全国电力装机的25%，其中光伏发电装机将占到5%。预计2030年之前，中国太阳能装机容量的复合增长率将高达25%以上。

1.4.3全球光伏发电产业的展望

目前，国际光伏发电产业的发展已向集团化、规模化发展，产量增幅稳定，生产成本和市场售价平稳下降。在中国，“绿色奥运”、“村村通”等工程的实施，将使光伏电池在国内的销售急剧增长。预计今后10年光伏组件的生产将以20%～３０%甚至更高的递增速度发展，快速发展的“屋顶计划”、各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，均将为全球光伏发电市场的发展提供坚实的基础。光伏发电必将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。预计21世纪中叶，光伏发电将成为人类的基础能源之一。

1.光伏发电系统设计

2.1光伏发电系统设计原则

本节将详细叙述光伏发电系统设计的原则.设计步骤和内容，以及光伏发电系统容量设计中应考虑的各种因素和技术条件等。在进行光伏发电系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和设备选择所必需的基本数据，如光伏发电系统安装的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料，包括逐

月的太阳能总辐射量、直接辐射量及散射辐射量，年平均气温和最高、最低气温，最长边续阴雨天数，最大风速及冰雹、降雪等特殊气象情况等。要求所设计光伏发电系统具有先进性、完整性、可扩展性、智能化程度，以保证系统安全、可靠和经济[1]。

（1）先进性，随着国家的对可再生能源的日益重视，开发利用可再生能源已经是新能源战略的发展趋势。根据当地太阳日照条件、电源设施及用电负载的特性，利用太阳能资源建设光伏的发电统，既节能环保，又能避免（远离市电电源的用电负载）采用市电铺设电缆的巨大投资，是具有先进性的电源建设方案。

（2）完整性。太旭能光伏系统包括太阳能电池组件、蓄电池、控制器、逆变器等部件，光伏发电系统可以独立对外界提供电源，与其他用电负载和市电电源配套，形成一个完整的离肉和并肉的光伏发电系统。光伏发电系统应具有完善的控制系统、储能系统、功率变换系统，防雷接地系统等，并构成了一个统一的整体，具有完整性。

（3）可扩展性。随着太阳能光伏发电技术的快速发展，光伏发电系统功能也越来越强大。这就要求光伏发电系统能适应系统的扩充和升级，光伏发电系统的太阳能电池组件应为并联模块结构组成。

（4）智能化程度。所设计的太阳能光伏发电系统，在使用过程中应不需要任何人工的操作，控制器可以根据太阳能电池组件和蓄电池的容量情况控制负载端的输出，所有功能都由微处理器自动控制，还应能实时检测太阳能光伏发电系统的状态，定时或实时采集光伏发电系统主要部件的状态数据并上传至控制中心，通过计算机分析，实行掌握设备的工作状况。

光伏发电系统总的设计原则是在保证满足负载的用电需要的前提下，确定最少的太阳能电池组件和蓄电池容量，以尽量减少投资，即同时考虑可靠性及经济性。

2.1.1设计需考虑的因素及地理气象条件

在进行光伏发电系统的设计之前，需要了解并获取一些进行计算和选择必需的基本数据：光伏发电系统现场的地理位置，包括地点、纬度、经度和海拔；该地区的气象资料，包括逐月的太阳能总辐射量.直接辐射量以及散射辐射量，年

平均气温和最高、最低气温，最长连续阴雨天数，最大风速以及冰雹、降雪等特殊气象情况。

一、地面太阳能辐射资源及气象地理条件

太阳照在地面光伏电池方阵上辐射光的光强受到大气质量、地理位置、当地气候、气象、地形等多方面因素的影响，因此在设计光伏发电系统时，应考虑太阳辐射的方位角和倾斜角、峰值日照数、连续阴雨天数及最低气温、冰雹等。

1.光伏阵列的方位角与倾斜角

在光伏发电系统设计中，光伏阵列的安装方式对光伏发电系统接受到的太阳辐射有很大的影响，从而影响到光伏发电系统的整体效率。光伏阵列的安装方式有固定式和自动跟踪式两种形式，其中自动跟踪式包括单轴跟踪装置和双轴跟踪装置。

与光伏阵列相关的有下列两个角度：光伏阵列方位角，光伏阵列的倾斜角。光伏阵列的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。在北半球，光伏电池组件朝南正南（即方阵垂直面与正南的夹角为0°）时，光伏阵列的发电量是最大的。光伏阵列的倾斜角是光伏电池组件平面与水平地面的夹角。

对于固定式光伏发电系统，一旦安装完成，光伏阵列的方位角与倾斜角就无法改变。而安装了跟踪系统装置的光伏发电系统，光伏阵列可以跟随太阳运行轨迹而移动，增加了光伏阵列接受的太阳辐射量。

地面应用的光伏发电系统，光伏阵列平面要朝赤道，相对地面有一定倾斜角。倾斜角不同，各个月份阵列面接受到的太阳辐射量差别就很大。因此，确定阵列的最佳倾斜角是光伏发电系统设计中不可缺少的重要环节。目前有的观点认为阵列倾斜角等于当地纬度为最大，但是这样使得夏天光伏电池组件发电量往往过盈而造成的浪费，冬天时发电量又往往不足而使蓄电池处于充电状态；也有观点认为所取光伏阵列倾斜角应使全年辐射量最弱的月份能得到最大的太阳辐射量为好，推荐光伏阵列倾斜角在当地纬度的基础上再增加15°～２０°；国外设计手册也提出，设计月份应以辐射量最小的１２月（在北半球）或６月（在南半球）作为依据，这样往往会使夏季获得的辐射量过少，从而导致光伏阵列全年得到的太阳辐射量偏小。在离网型光伏发电系统中，由于受到蓄电池荷电状态等因素的限制，要综合考虑光伏阵列平面上太阳辐射量的连续性、均匀性和极大性；对于并网型光伏发电系统，通常总是要求在全年中得到最大的太阳辐射量，通常选倾斜角为当地纬度值。

2.全球太阳能辐射总量

在设计光伏发电系统容量时，当地全年太阳能辐射总量也是一个重要的参加数据，应通过气象部门了解当地近几年甚至8～10年的太阳能辐射总量年平均值。通常气象部门提供的是水平面上的太阳能辐射量，而光伏电池一般都是倾斜安装，因此还需要将水平面上的太阳能辐射量换算成倾斜面上的辐射量。太阳能辐射数据可以从县级气象台站取得，也可以从国家气象局取得。从气象局取得的数据是水平面的辐射数据，包括水平面总辐射、水平面直接辐射和水平面散射辐射。

2.1.2离网型光伏发电系统的容量设计

离网型光伏发电系统容量设计的一个主要原则就是设计的光伏阵列容量要

满足平均天气条件下负载的每日用电需求，因为天气条件有低于和高于平均值的情况，所以要保证光伏电池组件和蓄电池在天气条件有别于平均值的情况下协调工作。蓄电池在数天的恶劣气候条件下，其负荷状态（SOC）将会降低很多、在光伏阵列容量的设计中可无须考虑尽可能快地给蓄电池充满电，如果这样，就会导致一个很大的光伏阵列容量，使得系统成本过高，而在一年中的绝大部分时间里光伏阵列的发电量会远远大于负载的使用量，从而造成光伏电池组件不必要的浪费。蓄电池的主要作用是在太阳辐射低于平均值的情况下给负荷供电。在随后太阳辐射高于平均值的天气情况下，光伏电池组件就会给蓄电池充电。另外，由于各类负荷的特性及使用状况各不相同，设计考虑这些因素时比较复杂，原则上需要对每个发电系统单独进行计算，对一些无法确定数量的影响因素，只能采用一些系数来进行结算。

在某些情况下设计光伏阵列容量要满足关照最差季节的需要。在进行光伏电池组件设计的时候，首先要考虑的问题就是设计的光伏阵列容量输出要等于全年负载需求的平均值。在那种情况下，光伏电池组件将提供负载所需的所有能量。但这也意味着每年都有将近一半的时间蓄电池处于亏电状态。蓄电池长时间内处于亏电状态将使得蓄电池的使用寿命和性能将会受到很大的影响，整个系统的维护费用也将大幅度增加。光伏阵列容量设计中较好的办法是使光伏阵列能满足光照最恶劣季节里的负载需要，也就是要保护在光照情况下蓄电池也能够被完全地充满电。这样蓄电池全年都能达到全满状态，可延长蓄电池的使用寿命，减少维护费用。

如果在全年光照最差的季节，光照度大大低于平均值在这种情况下仍然按照最差情况考虑设计光伏阵列大小，那么所设计的光伏阵列在一年中的其他时候就会远远超过实际所需，而且成本高昂，这时就可以考虑使用带有备用电源的混合系统。但是对于很小的系统，安装混合系统的成本会很高；而在偏远地区，使用备用电源的操作和维护费用也相当高，所以设计离网型光伏发电系统的关键就是选择成本效益最好得方案。

总之，离网型光伏发电系统的设计要本着合理性、实用性、高可靠性和高性价比（低成本）的原则，做到既能保证光伏发电系统的长期可靠运行，充分满足负载的用电需要，同时又能使系统的配置最合理、最经济，特别是确定使用最少的光伏阵列功率，协调整个系统工作的最大可靠性和系统成本之间的关系，在满足需要保证质量的前提下节省投资，达到最好得经济效益。

2.1.3并网型光伏发电系统的设计

并网型光伏发电系统是目前发展最为迅速的光伏应用方式。并网型光伏发电包括如下几种形式：①不可调度式并网型光伏发电系统；②可调度式并网型光伏发电系统；③并网光伏发电混合系统

对于上述并网光伏发电系统的任何一种形式，通常选倾斜角值为当地的纬度值。但对于光伏建筑一体化工程，最佳倾斜角的选择还需要根据实际情况进行考虑，需要考虑光伏电池组件安装地点的限制，组件倾斜角的选择还要考虑建筑的美观度，需要根据实际需要对倾斜角进行小范围的调整，而且啊啊啊啊啊啊这种调整不会导致太阳能辐射吸收的大幅降低。对于不可调度式并网型光伏发电系统，系统中没有使用蓄电池，光伏阵列产生的电能直接并入电网，系统采用的并网逆变器是单向逆变器，因此系统不存在光伏电池组件和蓄电池容量的设计问题，光伏系统的规模取决于投资大小。

可调度式并网型光伏发电系统，使用了蓄电池蓄能，在并网运行方式下，控制系统按电流源的P/Q控制模式控制蓄电池出力，实现交换功率控制、削峰填谷控制。停电的时候，变为离网运行模式，控制系统变换为按电压源的V/F控制模式，以恒频恒压方式输出功率给负载供电。系统蓄电池的容量可以适当选择，因为蓄电池只是在电网故障的时候供电，考虑到实际电网的供电可靠性，蓄电池的自给天数可以选择1～2天；该系统通常使用双向逆变器并行工作模式。

（1）将市电和光伏发电并行工作。对于本地负载，如果光伏电池组件产生的电足够负载使用，光伏电池组件在给负载供电的同时将多余的电能馈入电网。

（2）如果光伏电池组件产生的电能不够用，则将自动启用市电给本地负载供电。

（3）如果市电发生故障，即市电停电或者是市电供电品质不合格，电压超出负载可接受的范围，系统就会自动从市电断开，转成离网工作模式，由蓄电池和逆变器给负载供电。一旦市电恢复正常，即电压和频率都恢复到允许的正常状态以内，系统就会断开蓄电池，转成并网模式工作。

除了上述系统外，还有并网光伏混合系统。它不仅使用光伏发电，还使用其他能源形式，比如风力发电机、柴油机等。这样可以进一步地提高负载保障率。系统是否使用蓄电池，要据实际情况而定。光伏电池组件的容量同样取决于投资规模。

2.2光伏发电系统配置

2.2.1离网型光伏发电系统配置

离网型光伏发电系统主要由光伏阵列、直流防雷汇流箱、充放电控制器、蓄电池组、逆变器、交流配电柜、防雷系统、监控系统等组成；其中光伏电池组件的配置根据容量大小、电池类型、电池型号、光照条件以及所在地等综合考虑进行确定；直流汇流箱根据光伏发电系统容量的设计进行选择，逆变器以及交流配电柜的配置根据负载确定；防雷系统根据防雷要求进行不同的设计；监控系统根据光伏发电系统容量以及需求进行选配，如图 8-1所示。对于不需要长距离输电，不需要升压变压器。

2.2.2并网型光伏发电系统配置

并网型光伏系统的配置主要有光伏阵列、直流防雷汇流箱、逆变器、交流配电柜、防雷系统、监控系统、保护设备等组成；由于要并入电网需要对并网光伏系统进行监测以及控制，对逆变器要求具备相应的功能；对于大型的并网型光伏发电系统必须配置监控系统，如图8-2所示。对于市电接入，不需要升压变压器。

3.光伏阵列

3.1太阳能光伏阵列的性能指标

太阳能电池方阵的基本特性同样要用在IEC标准条件下的开路电压U oc、短路电流I sc、最佳工作电压U m、最佳工作电流I m、最佳输出功率P m、填充因子FF以及光电转换效率η等参数来表示。

η=U m I m/P o A a=FFU oc I sc/P o A a*100%

式中，P o为单位面积上接收的太阳能。按IEC标准，在25°C、AM1.5时的光

谱条件下，P o=100mW/cm2。Aa为方阵面积，通常是指方阵边框的实际面积。此时的效率即为方阵的效率。

由组件合成方阵时，将有电压损失和电流损失，因而将有输出功率的损失。方阵的功率损失主要来源为组件的特性不一致、串并联的二极管和接线损失等。方阵的功率损失因子也可以称为光伏方阵的组合因子ηa，当有n个组件被组合

为方阵时，其组合损失因子可以表示为：ηa=Pm/∑

=

n

i

P m i 1

式中Pm-方阵的实际输出功率；

Pmi-n个组件中每个组件的输出功率。

（1）“热斑”效应太阳能电池方阵在实际工作中可能会出现这样的情形；方阵可能由于外部扰动影响而被遮挡（或其中部分损坏），但阵列的其余部分仍处于阳光暴晒之下；也有可能出现某一块太阳能电池被遮挡，这样局部遮挡的太阳能电池或组件就必然要由其余没有被遮挡的那部分太阳能电池或组件来提供负载所需要的全部或部分功率，这就使得某些太阳能电池如同工作于反向电压下的二极管一样，其电阻及压降将很大，从而吸收功率导致发热，显然这容易损害甚至损坏太阳能电池，由于有局部高温出现，人们通常把这类故障称为“热斑”现象。

在一个电池方阵中，如果被遮挡的部分是并联部分，那么问题较为简单，只是该部分贡献的电流将减小而已。但如果被遮挡的部分是串联部分，如图3-35所示，则问题严重多。一方面这会使整个回路的输出电流减小为该遮挡部分的电流，另一方面，被遮挡部分的太阳能电池将作为耗能器件，以发热方式将其他未遮挡太阳能电池串所产生的多余能量消耗掉，而且长时间的阴影会造成组件出现“热斑”效应，局部温度的升高很可能烧坏太阳能电池组件。

为避免这种“热斑”的产生，通常采用旁路二极管或阻塞二极管的方法，如图3-36所示。这样，旁路二极管可防止串联电路中个别太阳能电池由于被遮挡而损坏，同时也避免了由于阵列通过该被遮挡的太阳能电池放电而造成功率的损失。当阵列中某一并联支路由于被遮挡而导致与阵列解放时，由于该支路的阻塞二极管可防止阵列通过该解列支路放电，因此也可有效防止阵列中该并联支路所有相串联的太阳能电池被损坏。

总的来说，这些二极管具有两个功能，一是防止那些被解列的太阳能电池或组件损坏，其二是防止阵列中有部分太阳能电池元件被解列时整体效率严重降7低。

图3-37给出了太阳能电池方阵未被遮挡阵列的特性曲线以及被遮挡部分太阳能电池的特性曲线比较，其工作点为两个曲线的交点，可以看出，方阵输出的功率有可能仍是很大的。实践表明，旁路二极管和阻塞二极管的运用对于改善阵列的特性及保持其效率是十分有效的。

（2）输出功率光伏阵列的输出功率取决于瞬时的日照强度，因此人们不能像对传统发电机那样给出其确定的额定功率。对于光伏阵列这种特殊的发电形式我们这样来定义其功率输出能力，即用当它处于满日照（日照强度为100mW/cm2）时所发出的峰值功率来表征，其单位为峰瓦，记为Wp.通常市场上光伏组件的价格也是按其峰值功率来给定的，即元/峰瓦。

一个确定光伏阵列的实际输出功率与安装地点的气候条件有关，并且随时间的变化而变化。光伏阵列的所有特性数据都与阵列的最大功率点有关，它们都是建立在假定效率为恒值（即与入射光照强度无关）的基础上的，因而也只是一个近似值。由于日照时间和气候的变化，实际所得的平均功率和最大功率之间的差异往往是非常大的。通常而言，平均功率值大概是最大功率值的四分之一至八分之一，而传统发电机的平均功率是不会大幅度地偏离其额定功率的，在对传统的

发电机和光伏阵列发电系统之间进行经济性比较时，要注意到它们之间的这种差异。

3.2光伏阵列的建模及工程计算

光伏电池的单二极管等效电路

I光伏电池特性及模型

针对光伏电池特性的研究和文献国内外有很多[1～5]，理论和技术均已成熟。根据光电学

原理，光伏电池数学模型可分为单指数模型和双指数模型，文献[3、4]中已经有详细的说明。按照文献[5]对光伏电池等值电路模型的分类有三种，其中最为精确，应用最广的是第三种，如式（1）所列。

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1

AKT

IRs

V

q

exp

I0

-

IL

I

根据工程应用要求实用性和精确性相结合的特点，根据文献[6]的近似方法可以得到式（2）。其中有两个近似系数K1、K2 可以由式（3）和（4）确定。

I=I sc-K1×I sc{exp[V/(K2V oc)]?1}

K1 = (1?I m/ I sc) exp[?V m/(K2V oc)]

K 2 =(V m/V oc -1 )[ln (1 I m/ I sc)]1-

由于光伏电池的特性与光强和温度有关，所以式中V m 、V oc 、I m 、I sc 是随温度和光强变化的。 按标准取参考光强S ref =1000W/m 2，取参考温度T ref =25℃，实时的温度、光强与参考值的差 表示为ΔT=（T ref -T ），ΔS=(S ref -S)。根据文献[6]中的方法，已知实时光强和温度与参考值 的差值，可以推算出新的光强和温度下的电池I-V 曲线。根据文献[6]中给出的典型工程参数 可以得到式（5）～（7），这就得到了完整的光伏电池模型。文献[6]的仿真结果表明（2）～

（7）表示的太阳能电池模型，对光伏电池特性的拟合精度可以满足通常的工程要求。本文 也对其精度进行仿真比较，结果符合世界上多数光伏电池厂商提供光伏电池参数要求。

()???? ???-?+=Sref S T Vocref Voc 21ln 0028.01

()???? ???-?+=Sref S T Vmref Vm 21ln 0028.01

I sc = I m = S (1? 0.0025ΔT ) / S ref

1.2 光伏阵列模型

因为单个光伏电池产生的电压很小, 所以在实际中很少应用单个光伏电池, 而是将许多 光伏电池相互串联形成一个具有一定程度的抗冲击力、耐腐蚀的光伏模块。相应地, 再将许 多模块集中到一起通过串联增加电压, 并联增加输出电流, 以便向负载提供更大的功率, 从

而形成光伏阵列。当若干个光伏电池串、并联在一起时,因受到光强、温度以及连接阻抗等 因素的影响，输出的电流和电压已经不能简单的用电源串、并联原理来计算，必须考虑到光 强、温度系数以及串、并联因素等。

本文应用文献[7]中确定温度和光强对输出电压和电流的影响系数的方法和相关工程参

数，经过推导得出工程实用的光强和温度同时对光伏电池输出电压或电流的影响系数关系式 K v 和K i 。再将这些系数关系与文献[8]中给出的光伏阵列与串、并联光伏电池函数关系相结合， 得出构建能实时采集环境数据的光伏阵列模型。其中，文献[8]中有关光伏电池I-V 曲线拟合 部分是采用经验值拟合的，不适合工程应用。本文将1.1节中提出的拟合模型与文献[8]中方 法相结合，得出光伏电池动态拟合模型。推导过程如下：

如果按标准取参考光强和温度，光伏电池的运行光强和温度与参考值的差有以上定义为 ΔS 、ΔT 。那么变化的环境温度对光伏电池输出电压和电流的影响系数分别由式（8）和（9） 表示。其中系数β、λ是根据不同参考温度、光强和不同的电池特性进行测试来确定，如果 取标准参考温度和光强时，通常取值范围为：β＝0.003～0.004，λ＝0.06～0.07。由于变化 的光强促使光伏电池的光伏电流和运行温度发生变化，从而引起输出电压的变化。当光强变 化时，其对输出电压和电流的影响系数可以由式（10）和（11）表示。其中系数α也是根据 不同参考温度、光强和不同的电池特性进行测试来确定的。这里给出标准参数下的工程实用 计算公式α＝ΔT/ΔS,本文取文献参数0.2。

C TV = 1+ βΔT （8）

C TI = 1?λΔT / S ref （9）

C SV = 1?αβΔS （10）

C SI = 1? ΔS / S ref （11）

如果综合规算光强和温度同时对电压或电流的影响，可以定义影响系数为K v ＝C TV C SV 和K i =C TI C SI ，那么它们的取值公式可由式（12）和（13）表示。从而可以得到光伏电池运行 电压和电流的输出值与参考值间的关系函数式见式（14）和（15）。

K v =1?8×10?4ΔS +4×10?3ΔT ?3.2×10?6ΔS ΔT （12）

K i =1?1×10?2ΔS ?6×10?4ΔT +6×10?6ΔS ΔT （13）

V out = K v V ref （14）

I out = K i I ref ? I 0 （15）

考虑到串、并联因素等对光伏电池输出电压和电流的影响，根据（Sandia ）IV 跟踪程 序[8]原理给出串、并联因素对输出电压和电流的影响系数A v 、A i 的公式，见式（16）和（17）。 由式（14）～（17）可以推导出式（18）和（19）。

A v = V ref /V out ?1 （16）

A i = I out ? I ref （17）

A v = 1/ K v ?1 （18）

A i = (K i ?1)I ref ? I 0 （19）

光伏阵列由众多光伏电池模块串、并联而成，如果定义串联模块数为N S ,并联模块数为 N P ，可以根据以上给出的串、并联因素的算法，以及文献[8]中给出的光伏阵列外电路特性， 得出完整的光伏阵列模型。定义V BO 为光伏阵列输出电压，I C 为光伏模块输出电流，I d 为采 集光伏阵列外电路负载电流，那么光伏阵列模型可以由式（20）～（23）表示。其中式（22） 是光伏电池I-V 曲线拟合模型，是根据1.1 节中给出的式（2）～（7）所得，在仿真时由底 层语言编辑的运算模块来实现。

()[]

?-=dt Id Ic Np Cp Vbo *1

（20）

V = V BO (1+ A v ) / N S （21）

I = f (V ) （22）

I c = I + A i （23）

4.光伏发电系统中的电能变换技术

4.1直流-直流变换技术

4.1.1基本原理

直流变换电路主要由两部分组成，一部分是实现直流变换的主电路，另一部分是

实现直流变换的控制电路。直流变换电路的功能是，直流变换的主电路在控制电路的控制下将不可控的直流输入变为可控的直流输出。在光伏发电系统中，其输入通常是太阳能电池或储能装置如蓄电池组等。因为这种电路的作用相当于某一直流电压为负载供电时，在其中间串入一个可控开关，通过有规律地控制开关的通与断，将输入斩开很多缺口，从而达到控制负载两端直流电压平均值的目的，故这种电路也被称为斩波电路。

在直流变换电路中，输出直流电压平均值的大小是可以控制的。若假定输入电压是固定不变的，则可以利用控制开关的开通和关断时间ton和toff来控制输出电压的平均值。为了说明开关式变换电路的工作原理，给出如图5-2所示的直流-直流变换电路基本工作原理示意图。

图5-2中输入直流电压为U1，可变输出平均电压为Uo。控制输出电压的方法有多种，其中最常用的方法是在开关频率不变的情况下，改变开关S在每个周期内的导通时间即可控制平均输出电压Uo的大小，其波形如图5-2（b）所示。这种方法称为脉冲宽度调制（PWM）法或称为定额调宽法。开关的导通时间ton 与开关周期Ts之比定义为开关的导通占空比δ，即

δ=ton/Ts

式中，ton为开关每次接通的时间；Ts为开关通断的工作周期（即开关接通时间ton和关断时间toff之和）。改变开关接通时间和工作周期的比例，Uo的平均值也随之改变。因此，随着负载及电源的电压变化，自动调整ton和Ts的比例便能使输出电压维持不变。

改变接通时间ton和工作周期Ts比例亦即改变脉冲的占空比的这种方法，称为“时间比率控制法”(Time Ratio Control,简记为TRC)。

实现TRC 控制有三种方式，即脉冲宽度调制方式、脉冲频率调制方式和混合调制方式。

（1）脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,简记为PWM）脉冲宽度调制方式指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。因为功率开关器件开关周期恒定，因而滤波电路的设计容易。在实际应用中，PWM是应用最多、最成功的调制方式。

（2）脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation,简记为PFM）脉冲频率调制方式是指导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式，因为ton/Ts可以在很宽的范围内变化，输出电压的可调范围较PWM方式更大。当然，滤波电路要能适应较宽的频段，因而，滤波器体积较大是其不足之处。

（3）混合调制混合调制方式是指导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上两种方式的混合。如果ton和T都可变化，在频率变化不大的情况下，可以得到非常大的输出电压调节范围，因此，用来制作要求能宽范围输出电压的实验室电源非常合适。

实现直流-直流变换的电路其具体的结构形式有多种，按照输入与输出是否有隔离措施来看，可以分为隔离型与不隔离型两种。其中隔离型变换电路是从不隔离变换电路派生发展而来的。典型的不隔离型变换电路有压降型变换器（Buck）、升压型变换器（Boost）、降-升压型变换器（Buck-Boost）以及库克变换器（Cuk）等；隔离型变换电路为了实现输入和输出的电隔离，功率变换主电路往往包含高频变压器。根据隔离变压器的工作模式，可分为单端和双端两种，其中典型的单端变换器可分为单端正激（Foward）和单端反激（Flyback）变换器，典型的双端变换器可分为推挽、半桥和全桥变换器。

本节首先讨论降压型、升压型、降-升压型和库克型等不隔离型变换电路，然后讨论单端正激、单端反激、半桥和全桥型四种隔离型直流变换电路。

4.1.2直流-直流变换器的控制与驱动

（1）直流-直流变换器的控制电路

①控制电路的功能控制电路的作用是向驱动电路提供一对前沿陡峭，相位差180°，对称和宽度可变的矩形脉冲列（有时还要求彼此绝缘；对于单端变换器而言，只要一组脉冲列），通过这一对脉冲电压的有和无、脉冲的宽与窄、脉冲宽度的变化量和输出电压变化量的关系及从一个脉宽变换到另一脉宽的速度等关系来实现设计目标。具体地说，控制电路需具备的基本功能如下。

a.要有足够的电路增益。在输入电网电压以及负载电流允许的变化范围内，使变换器输出电压达到规定的精度（往往还包括温度漂移和时间漂移）。

b.获得规定的输出电压值以及调节范围。

C.实现输出电压的软启动。

d.实现输入电压的软启动。

e.负载发生过流或短路时应能限制变换器的输出电流或切断电源输出，以对负载和稳压电源提供保护。

f.当稳压电源输出过电压时，应能迅速切断输出以对负载提供保护。

g.大多数场合下要求控制电路实现输入和反馈输入之间绝缘。

②控制电路的结构形式如前文所述，控制电路通常采用时间比例控制技术，脉宽调制（PWM）和脉频调制（PFM）是两种常见的形式，因而，控制电路的结构也按上述形式分为两类。PWM型控制电路的控制电路款图如图5-28所示。

时钟振荡器产生恒定频率的脉冲作为时间比较的基准，“电压/脉宽转换”电路（简称V/W电路）将电压信号转换成脉冲宽度信号，V/W电路的输入控制电压由误差较大电路检测电源输出电压的误差信号并经过比较放大后提供；V/W电路输出的一组脉冲列经分频电路分频，变成1,3,5,7,9……以及2,4,6,8,10……两列彼此交替出现的脉冲，送至驱动电路，以激励高压开关管使稳压电源输出电压达到要求。

PFM型控制电路款图如图5-29所示。

它和PWM型控制电路的差别仅在于；PWM型电路必须要有恒频振荡器和V/W 电路，而PFM型电路则一定要有恒定脉宽发生电路，以及“电压/频率转换”电路（简称V/F电路）。

两种电路的控制方式是；

PWM型控制电路；Uo增加——脉宽减小；Uo减小——脉宽增大。

PFM型控制电路；Uo增加——周期增加；Uo减小——周期减小；

（2）直流-直流变换器的驱动电路驱动电路的主要功能是

4.2直流-交流变换技术

5.1控制芯片MC9S08JM60简介

1.MC9S08JM60评估板概述

MC9S08JM60评估板是一款以学习HCS08系列微控制器为应用目标的评估板。MC9S08JM60评估板（简称MC9S08JM60EVB）包含MC9S08JM60（以下简称JM60）最小系统、SCI、LED、蜂鸣器、按键、写入调试接口。评估板配套资料提供了部分硬件模块的以用于实际系统开发中。

开发环境可使用CodeWarrior6.0，可选配写入器。

2. MC9S08JM60芯片概述

HCS08系列MCU是Freescale 8位微处理器的主流产品，应用非常广泛。MC9S08J系列单片机是HCS08系列单片机大家族中具有USB接口的一类，MC9S08JM60是MC9S08J系列中的一个型号，MC9S08JM60单片机具有多种封装形式，它们分别为44脚、48脚、64脚等，在相同管脚数目的情况下还有宽脚和密脚之分，本评估板使用64引脚宽脚封装。

MC9S08JM60单片机的主要特点概述如下：

①4K片内RAM；60K片内Flash程序存储器；256B USB RAM，具有在线编程能力和保密功能。

②时钟发生器模块，具有PLL电路，可产生各种工作频率；内部总线频率最高可达24MHz。

③增强的HCS08 CPU结构；最高支持32个中断源。

④51根通用I/O脚，包括37根多功能I/O脚和14根专用I/O脚；部分I/O 口有可选择的内部上拉电阻，并且可以选择引脚的驱动能力。

⑤两个增强型串行通讯口SCI；两个串行外围接口SPI；两个集成电路内部通信接口IIC；两个16位双通道定时器接口模块(TIM1和TIM2)，每个通道可选择为输入捕捉、输出比较和PWM；一个模拟信号比较器ACMP；12路12位AD转换模块；8位键盘唤醒口；一个实时时钟计数器模块；一个计算机工作正常(COP)复位模块。

⑥一个USB2.0全速设备，速度可达12Mbps。

⑦优化用于控制应用；优化支持C语言。

3.实物图及逻辑结构图

图5.1 实物图

图5.2 逻辑图

5.2 基于MC9S08JM60 DSP 的控制系统 MC9S08JM60采样电

路驱动

电路阵列输出电压电流

蓄电池电压电流

直流负载电压电流 交流负载电压电流 PWM0

PWM1PWM2

PWM3

ADC

图5.3

接线图为：

图5.4

由MC9S08JM60 DSP 产生的PWM 信号分别为PWM0做Q1驱动信号；PWM1为Q2和Q3驱动信号（Q2和Q3信号互补）；PWM2为逆变电路BOOST 部分Q5的驱动信号；PWM3为逆变电路全桥T6、T9和T7、T8的驱动信号（T6、T9和T7、T8的驱动脉冲互补）