图1-1太阳能电池阵列结构图
1.2光伏发电系统的国外与国内发展
从上世纪 70 年代开始，各国政府都投入了很大的力量来支持太阳能电池的发展。 美国于1973 年首先制定了政府光伏发电发展计划，明确了近、中、远期的发展战略目标；日本于1974 年开始执行“阳光计划”，投资5 亿美元，迅速发展成为世界太阳能电池的生产大国。自上世纪80 年代以来，其他发达国家，如德国、英国、法国、意大利、西班牙、瑞士、芬兰等，也纷纷制定了光伏发展计划，并投入了大量资金进行技术开发和加速工业化进程。近年来世界太阳能光伏一直保持着快速发展，十世纪九十年代后期世界光伏市场更是出现了供不应求的局面，进一步促进了发展速度。综观进入新世纪后世界太阳电池的总产量，年增长率达到30-40%。
充分开发利用包括太阳能在内的可再生能源、实现能源工业的可持续发展具有重大的战略意义。随着对太阳能和可再生能源的广泛的大规模的利用，全球的能源结构必将发生根本性的变化。
我国正处在经济转轨和蓬勃发展时期，但能源问题严峻，由于城市中大量使用化石能源，环境持续恶化。另一方面，我国具有丰富的太阳能资源，日照时数大于2000h，太阳能总辐射量高于5016MJ/（m2a）的地方约占全国总面积的三分之二以上，尤其是西部地区有很大的潜力。在这些地方发展并网发电计划，对于缓解当地的能源贫乏情况，提高当地人们生活水平有着极其重要的意义。
我国在20世纪50年代开始研究太阳能电池，于1971年首次成功应用于我国发射的东方红二号卫星。此后，光伏发电就不断摸索中发展。在新世纪初，国家发改委在2002年启动了“送电到乡工程”，该工程光伏系统容量为20MW，极大地拉动了我国光伏市场的需求。
尽管我国研制太阳能电池始于1958年，中国的光伏技术经过了50年的努力，已经具有一定的水平和基础，但是与世界先进国家相比仍有不小的差距。近几年来，我国的光伏发电技术己经具有了一定的市场潜力和市场吸引力，但光伏并网发电的关键技术和设备主要依靠进口，光伏并网发电的技术更是刚刚起步，因此，并网型光伏系统的造价高，依赖性强，制约了并网型光伏发
6
电系统在国内的发展和推广。掌握并网型光伏系统的核心——并网逆变技术对发展并网型光伏发电系统具有至关重要的作用。
国内光伏系统主要采用单位功率因数并网，不具备电能质量控制功能。因此，研究具有电能质量调节功能的光伏并网系统有重要意义，其研究主要放在并网逆变器的控制方法上，相同的拓扑电路，采用不同的控制方法能够产生不同的控制效果。对逆变器建立模型并进行分析，采用先进的控制策略对于光伏并网系统的性能是必不可少的。同时采用先进的控制算法是提高逆变器效率的方法之一。
1.3 光伏发电系统形式
典型的光伏发电系统是由光伏阵列、蓄电池组、控制器、电力电子变换器、负载等构成，而光伏发电系统按工作条件分为独立型，并网型和介于两者之间的可调度型。
独立型：没有与电力公司的配电线并网的系统成为独立型系统。独立型光伏发电多用于边远山区，因为这些地方需要的电能容量小，建变电站成本昂贵，宜用独立型光伏发电。这种系统中要把使用的电量限制在PV系统的发电量以下，考虑到夜间和雨天PV系统不能发点，此时需要由蓄电池供给电力，西电池必须预先充电。此外，在通信基站等需要小量维持供电的情况下独立型光伏发电也有应用价值，在独立型光伏发电系统中储能部件是损耗最快，维护最频繁的组件。如下图1.3.1
太阳能 电池 充电 控制器 蓄电池 直流 负载 交流负载 逆变器
图1-2独立型光伏发电系统
并网型：并网型系统分为逆潮流系统和非逆潮流系统两种。我国现在多数是非逆潮流系统，并网光伏发电多见于城市供电系统，区域内的电力需求通常比PV系统的输出电力大，是城市电网的补充，可以实现用电时段的消峰填谷。与独立型光伏发电系统比较，并网型没用蓄电池，在没有太阳能光照条件下不能独立对用户供电，但极大的节约设备成本，简化了控制结构。
如下图1-3
7
太阳能电池 逆变器 计量电表 电网 交流负载
图1-3并网型光伏发电系统
可调度型：可调度式光伏发电系统是带有储能部件且可以并网的光伏发电系统。当电网断电也没有太阳光照时，蓄电池等部件提供一定时间的能量供给，而在电网正常或有光照能量输入时，可对蓄电池补充能量。在蓄电池充满电且又有光照的情况下，则应由光伏电池直接给负载供电或是并入电网。可调度式光伏发电系统比并网型和独立型有更大的灵活性，但成本更高，系统控制也较复杂。如下图：
S 太阳能 电池 充电控制器 蓄电池 逆变器 直流负载 交流负载 图1-4可调度式光伏发电系统
本论文所主要研究的是独立型光伏发电系统与并网型光伏发电系统 1.4光伏发电系统中逆变器的架构及类型（单相）
将直流电变换为交流电的过程称为逆变换或DC－AC变换，实现逆变的主电路称为DC－AC变换电路。通常将DC－AC变换电路、控制电路、驱动及保护电路组成的DC－AC逆变电源称为逆变器（Inverter）。
根据输入直流电源的性质、逆变器的直流输入波形和交流输出波形，可以把逆变器分成电压型逆变器（也可以称为电压源逆变器）和电流型逆变器（也可以称为电流源逆变器）。
1.4.1电压型单相全桥逆变电路[4]
直流母线电容滤波，直流电压Ud经C1、C2分压，VT1、VT2交替导通/关断；负载上的电压幅值为Ud的一半，功率为全桥逆变器的四分之一；开关管VT1、VT2上承受的最大电压为Ud；控制方式主要是PWM脉宽调制控制，移相控制等
8
C1UdC2RLV1VD1UoV1VD2
图1-5电压型单相半桥逆变电路
半桥逆变电路的优点是简单，使用器件少。其缺点是输出交流电压的幅值Um仅仅为Ud/2,且直流侧需要两个电容串联，工作时还要控制两个电容器电压的均衡。因此，半桥电路常常用于几千瓦以下的小功率逆变电源。
1.4.2电压型单相全桥逆变电路
+VD1VT1VT3VD3UdCd负载VD2VT2VT4VD4-图1-6电压型单相全桥逆变电路
直流母线电容Cd滤波，VT1、VT4和 VT2、VT3交替导通/关断；加在负载上的电压幅值为Ud，输出功率为半桥逆变器的四倍；开关管VT1～VT4上承受的最大电压为Ud；控制方式有单极、双极式PWM脉宽调制控制，移相控制，调频控制等方式。
1.4.3电流型单相全桥逆变电路
直流母线电感Ld滤波，VT1、VT4和 VT2、VT3交替导通/关断；负载上的电流波形为方波，幅值为Id；开关管VT1～VT4上承受的电压为负载上的电压。负载上的电压幅值和相位取决于负载阻抗大小和性质。
由于电流型不太常用，因此对其不作详细的讨论。
9
+LdVT1UdVT3负载VT2VT4-图1-7电流型单相全桥逆变电路
1.5所涉及的逆变器控制技术简介
本论文主要讨论光伏发电系统中应用的电压型单相全桥逆变电路，其中会简单的涉及到保护电路中的器件简析，光伏并网中的并网逆变器(PWM控制技术)。
第二章 光伏系统的组成
2.1光伏系统的中逆变器及控制电路的器件
在小容量、低压PVS 中，功率器件多使用金属-氧化物-半导体场效应管（MOSFET）。因其在低压时，具有较低的通态压降和较高的开关频率，但随MOSFET 电压的升高，其通态电阻增大。因此，在大容量、高压PVS 中，一般使用绝缘栅晶体管（IGBT）作为功率器件；在100kVA 以上特大容量的PVS 中，一般采用门极可关断晶闸管（GTO）作为功率器件。PVS 中的逆变驱动电路主要针对功率开关管的门极驱动。要得到好的PWM脉冲波形，驱动电路的设计很重要。近年来，随着微电子及集成电路技术的发展，陆续推出了许多多功能专用集成芯片，如：HIP4801,TLP520,IR2130,EXB841 等，它们给应用电路的设计带来了极大的方便。逆变电源中常用的控制电路主要是为驱动电路提供要求的逻辑和波形，如PWM，SPWM控制信号等。目前，较常用的芯片有国外生产的8XC196，MP16，PIC16C73 和国内生产的TMS320F206，MS320F240 ，SG3525 等。
2.1.1 IGBT
其中逆变电路的重要器件绝缘栅双极型晶体管――IGBT的基本特性：静态特性与P-MOSFET类似；UGE=0时IC=0，IGBT处于阻断状态（断态）；UGE足够大（一般为5~15V），IGBT进入导通状态（通态），当UCE大于一定值（一般2V左右）时IC>0。
优点：驱动功率小、开关速度高通流能力强、耐压等级高 2.1.2单片机STC89C51
本论文会涉及PWM控制技术，但不会太深入，控制系统以单片机STC89C51为核心，可以实现反馈信号的处理和A/D转换、DC/DC变换器和PWM逆变器控制脉冲的产生、系统运行状态的监视和控制、故障保护和存储、485通讯等功能。 实际电路中的中间电压VDC、网压、并网电流和太阳能电池的电压电流信号采样后送至控制板上。
10