1、毕业设计开题报告 电气工程及其自动化 小型独立光伏发电系统控制电路的设计 1 前言部分 随着科学技术日新月异的飞速发展，对能源的需求在不断增长。然而供应常规电力所用的室友燃料的储量是有限的，即使储量最丰富的煤炭最多也只能维持二三百年。就连近代发展起来的核能发电的原料铀也是有限的，而且还存在安全和污染的难题。因此，研究新一代取之不尽而又没有公害的新能源势在必行。 太阳能是人类最早认识并加以利用的能源之一。早在 3000年前人们就懂得聚焦太阳能来取火。在二十一世纪的今天，在经历建立在化石能源基础之 上的工业革命之后，随着世界经济的发展进入 21世纪以来，各国对能源的消耗以日俱增。众多不可再生能源的
2、消耗殆尽和环境污染问题的日益严重，已成为制约人类社会可持续发展的两个关键性因素。人类开始将目光转向可再生能源的发展。太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其他新能源相比利用最大 ,是最理想的可再生能源 1 。经济界权威人士在综合分析了科学技术的发展和突破、全球环境的制约，以及经济和政治等诸方面的因素后指出：如果说 20世界是石油实际， 21世界已将进去新能源世界。我国有着十分丰富的太阳能资源。据估算，陆地表面每年接收的太阳辐射能约为 58 1019KJ，约相当于 1700亿 t标准煤的热值。全国各地年太阳辐射总量达 3340-8400MJ/ 2m a,全国年平均光照小时数为 2200h、平均太
3、阳能电力为 1700TW h。我国西北地区、西南地区、南方的广东省、海南省及沿海岛屿等广大地区的太阳辐射总量很大，具有得天独厚的开发利用太阳能的优越资源条件。 太阳能作为一种可再生的新能源，越来越引起人们的关注，尤其是可再生能源法正式颁布和环保政策的出台，显示了 国家对可再生能源发展的重视，为太阳能光伏发电的发展提供了政策保证。 太阳能电池发电，又称光伏发电，光伏发电是利用太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式 2 。它具有使用寿命长、安全可靠、操作简单、维护简单、不易损坏、适合无人管理等特点，是一种理想的替代能源。在边远无电农村的少量供电，并网太阳
4、能电站等都有很大的应用范围。国内在这方面相对还比较落后。随着煤炭、石油等现有能源的频频告急和生态环境的恶化，人类不得不尽快寻找新的清洁能源和可再生资源，其中包括水能、风能和 太阳能，而太阳能以其储量巨大、安全、清洁等优势成为最主要能源之一 3 5。因此，太阳能的利用，特别是太阳能光伏发电，越来越受到重视。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能，并使之转变成电能的直接发电方式。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并封装后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是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
5、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 能光伏发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）和太阳跟踪控制系统组成，如图 1。其中控制系统一般由控制电路来完成的 7。它主要实现以下功能： (1) 转换采样电路的模拟信号，计算出太阳能电池阵列的输出电压、输出电流以及输出功率，再将数据输出给显示电路； 2) 根据太阳能电池阵列的输出电压调整太阳能电池阵列的工作状态使其稳定工作在最大功率点； (3) 根据采样到的蓄电池的电压和充电电流 ,对其实现恒压限流充电以及过充过放保护； (4) 根据系统工作状态实现系统工作状态的切换。即当有日照时，太阳能电池阵列向负 载
6、供电，多余的电能传输给蓄电池，将能量储存起来；当太阳能电池阵列不足以向负载供电时，蓄电池和太阳能电池阵列同时向负载供电。完美的控制系统可以延长整个光伏系统的使用寿命，提高光能的利用率跟转换率，节省维护开资，优化资源的利用 8。 图 1 光伏系统结构图 2 主题部分 美国推出了“太阳能路灯计划”，旨在让美国一部分城市的路灯都改为由太阳能供电，根据计划，每盏路灯每年可节电 800kWh。日本也正在实施太阳能“ 7万套工程计划”，准备普及太阳能住宅发电系统，主要是装设在住宅屋顶上的太阳能电池发电设备，家庭剩余 的电量还可以卖给电力公司。欧洲则将研究开发太阳能电池列入著名的“尤里卡”高科技计划，推出了
7、“ 10万套工程计划”。日本韩国以及欧洲地区总共 8个国家最近决定携手合作，在亚洲内陆及非洲沙漠地区建设世界上规模最大的太阳能发电站，他们的目标是将占全球陆地面积约 1/4的沙漠地区的长时间日照资源有效地利用起来，为 30万用户提供 100万 kW的电能。目前，美国拥有世界上最大的光复发电厂，其功率为 7MW；日本也简称了发电功率达 1MW的光伏发电厂。全世界总共有 23万座光伏发电设备，以色列、澳大利亚、新西兰居于领先地位。 2009年 全球新装置的太阳能发电容量为 7.2GW，其中欧盟就占了 5.8GW。至于德国，由于第 4季需求大增，全年新增的 太阳能发电 容量有 3.8GW，约占全球的
8、 1/2。中国也不甘落后， 2009年相继提出了太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法、金太阳示范工程等鼓励光伏发电产业发展的政策， 2020年的光伏发电目标从原先的 1.6GW提高到现在的 20GW，一系列的政策支持和长远规划让中 国的光伏发电发展之路更加宽广。 2008年中国光伏安装总量是 40MW，累计安装总量只有 140MW，而 2009年全年安装量就有 160MW，是上一年的 4倍，比以往累计安装总量还要多，足见中国光伏呈现飞速发展的趋势。 2010年 7月下旬美国通过的千万太阳能屋顶计划将引发全球光伏市场激增。随着发电成本下降和补贴政策出台，美国光伏发电安装量不断攀升，正逐步追
9、赶传统的欧洲市场，预计北美市场将在未来几年成为全球光伏发电应用的主要新兴市场。而随着成本的持续降低，光伏发电应用最终将向中国和世界其他地区转移。 然而光伏系统 中的控制系统根据太阳能电池阵列、蓄电池以及负载的工作状态分为两种运行模式 :充电工作模式和放电工作模式，根据太阳能电池阵列、蓄电池以及负载的工作状态控制系统自动切换运行模式 9。图 2为一个基本的充放电控制器原理图。由光伏组件、蓄电池、控制电路、逆变器、负载组成基本的光伏发电系统 10。开关器件 K1、 K2 分别为充电开关和放电开关，是控制电路的一个重要部分。 K1、 K2 的断开闭合由控制电路根据检测到的系统状态发出的相应控制命令来
10、决定。 K1 闭合时由光伏组件给蓄电池充电， 当系统检测到蓄电池出现过充时， K1就 能接收命令及时切断充电回路，使光伏组件停止对蓄电池充电；相反， K1 还能按照预定的保护模式恢复对蓄电池的充电。 K2 闭合时，由蓄电池对外部放电，通过逆变器得到需要的电压向负载供电，当检测电路发现蓄电池过放电时， K2 就会接收命令及时切断放电电路，蓄电池停止向外部供电。当蓄电池达到预定的恢复充电点时， K2 又能根据命令自动恢复向外供电。 K1、 K2 起到开关作用，而实际应用中由各种开关元件构成，灵敏度更高，能量损失更少，这也决定了一个光伏发电系统的高效性 11。 （ 1）旁路型充放电控制 旁路型充放电
11、控 制的原理如图 3所示。该回路的开关元件 T1 在太阳能组件的输出端。当蓄电池电压大于预定的过充电压时， T1 导通， VD1（防反充二极管）截止，则太阳能组件输出的电流直接通过 T1 旁路泄放， 实现对蓄电池的充电关闭，起到过充保护作用。 VD1还能起到防反充作用。开关元件 T2 为蓄电池的放电开关，在正常放电时 T2 导通，当突然出现负载电流大于额定电流出现过载或者出现短路时， T2 断开，起到输出过载保护和短路保护。同时当蓄电池电压小于过放电压，此时 T2 断开，这就是过放保护。 VD2为防反接二极管，如果蓄电池接反就会使 VD2导通， 由于短路放电很快产生大的电流，使保险丝烧断保护了
12、整个系统，起到蓄电池防反接保护的作用。 图 2 充放电控制器原理图 （ 2）串联型充放电控制 串联型充放电控制与旁路型充放电控制在电路的实现上只有一点不同， 即串联型充放电控制的开关元件 T1 是接在充电回路中。在功能上有一点与旁路充放电控制不同，当蓄电池电压大于过充电压时， T1 断开， 太阳能组件停止对蓄电池充电， 起到过充保护作用且太阳能组件继续向负载供电，相对来说对太阳的利用率更高 12。 （ 3）多路充放电控制 当蓄电池电压大于过充电压时， 控制电路将开关元件从 S1 至 Sn 顺序断开，当 S1 路断开太阳能组件 P1 后，如果蓄电池的电压低于设定值，则控制电路等待，直到蓄电池的电
13、压再次高于过充电压，再断开开关 S2 路的 P2，再进行等待，看是否继续断开后面的太阳能组件，如果蓄电池的电压不再上升到设定值，则其他支路保持接通充电状态。 VD1VDn为防反充二极管， A1、 A2 分别为充电电流表和放电电流表， V 为蓄电池电压表 13。 图 3 旁路型充放电控制原理图 （ 3） PWM充放电控制 PWM 充电控制以脉冲方式作为开关元件的输入，当蓄电池趋 向充满时，随着端电压的升高，脉冲的频率或者占空比发生变化，使导通时间缩短，充电电流逐渐趋近零，反之充电电流就会增大 14。采用这种电路的优点是既能保护蓄电池，又能充分利用能量，另外 PWM控制器还可以实现光伏系统的最大功
14、率跟踪功能，因此可用于大型光伏系统 15。 3 总结部分 在当今能源逐渐匮乏的时代，太阳能作为一种可再生的新能源，越来越引起人们的关注，尤其是可再生能源法正式颁布和环保政策的出台，显示了国家对可再生能源发展的重视，为太阳能光伏发电的发展提供了政策保证。而在太阳能光伏系统中，控制系统扮演着极 为重要的角色。优越的控制系统可以有效的提高对太阳能的转化率跟利用率，节省各种不适很重要的开资得到更好的收益。可以涌多种电路相结合等办法从材料跟性能上来提高。 4 参考文献 1 张雅欣 .电视概论 M . 北京 :中国广播电视出版社 ,1997. 8. 2 李安定 . 太阳能光伏发电系统工程 M . 北京 :
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