光伏系统的设计研究(6)

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图2-5 光伏瓦的特性

我们采用恒压充电,恒压充电就是指以一恒定电压对蓄电池进行充电。因此在充电初期由于蓄电池电压较低，充电电流很大，但随着蓄电池电压的渐渐升高，电流逐渐减小。在充电末期只有很小的电流通过，这样在充电过程中就不必调整电流。相对恒流充电来说，此法的充电电流自动减小，所以充电过程中析气量小、充电时间短、能耗低，充电效率可达80%，此法的不足之处有：

(1)在充电初期，如果蓄电池放电深度过深，充电电流会很大，蓄电池可能因过流而受到损伤；

(2)如果蓄电池充电电压过低，后期充电电流又过小，充电时间过长，不适合串联数量多的电池组充电；

(3)蓄电池端电压的变化很难补偿，串联充电过程中对落后电池的完全充电也很难完成。

这种充电方式，在小型光伏系统中常采用，由于其充电电源来自太阳能阵列，其功率不足以使蓄电池产生很大的电流，而且在这样的系统中蓄电池组串联不多。

控制器除应具有防蓄电池过充功能、过放功能、防负载短路的功能外，还有以下的 几个重要指标[14]。

(1)控制器本身自耗电要低。特别是在小系统的应用中成为一个重要指标，世界银行的标准是自耗电流小于额定工作电流的1％，因此电路的设计与低功耗器件的选择非常重要。

(2)回路压降要低。世界银行的标准是回路压降应小于系统电压的5％，这跟电路的设计与开关器件的选择密切相关。

(3)放PV组件或蓄电池反接保护。可在蓄电池负极端与蓄电池正极相串联的熔断器间并接一大功率二极管。

(4)防反充保护。在太阳电池正极输入端串接防反充二极管或者其他开关方式防蓄

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光伏瓦光伏系统的性能研究

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电池电流倒流。

(5)防雷击保护。PV系统若安装在易遭雷击的地方时可在控制器输入端并接压敏电阻或增设其它防雷措施。

逆变器与正变换正好相反，它使用具有开关特性的全控功率器件，通过一定的控制 逻辑，有主控制电路周期性地对功率器件发出开关控制信号，再经变压器耦合升(或降)压、整形滤波就得到我们需要的交流电。一般中小功率的逆变器采用功率场效应管(MOSFET)、绝缘栅晶体管(IGBT)，大功率的逆变器都采用可关断晶闸管(GTO)器件【】。

如图2-5所示，这是一个采用MOSFET功率开关管构成的最简单的逆变电路。其实质是推挽式逆变电路，将升压变压器的中性抽头接于正电源，两只功率管SWl、SW2交替工作输出得到交流电力。由于功率晶体管共地连接，驱动及控制电路简单，另外由于变压器具有一定的漏感，可限制短路电流，因而提高了电路的可靠性。其缺点是变压器效率低，带感性的负载能力较差，可以采用全桥式逆变电路避免这点，在此不做介绍。

光伏逆变器主电路的拓扑结构比较多的是采用三级结构(DC—AC．DC．AC)，也有采用单级(DC．AC)或两级(DC．DC．AC)式结构。一般来说，中小功率的光伏系统其PV阵列的直流电压都不太高，而且大电流的功率开关管其额定耐压值也都比较低，因此逆变电压也比较低，要得到220V或380V的交流电，无论是推挽式还是全桥式的逆变电路，其输出都必须加升压变压器，其拓扑结构一般采用二级、三级结构。

逆变器的几个重要指标[14]： (1)要有较高的逆变效率

大功率逆变器在满载时，效率必须在90％或95％以上。中小功率的逆变器在满载时 也应在85％或者90％以上。这里电路的设计与器件的选择以及系统负载的匹配性好坏对 逆变器效率有较大的影响。

(2)要有较高的可靠性和可恢复性

目前光伏发电系统主要用于边远地区，许多电站无人值守和维护，这就要求逆变电 源具备一定的抗干扰能力、环境适应能力、瞬时过载能力以及各种保护功能，如输入直 流极性接反保护，交流输出短路保护，过热、过载保护等。

(3)要求直流输入电压有较宽的适应范围

由于太阳电池的端电压随负载和日照强度而变化，蓄电池虽然对太阳电池的电压具 有钳位作用，但由于蓄电池的电压随蓄电池剩余容量和内阻的变化而波动，特别是当蓄 电池老化时其端电压的变化范围很大，如12V蓄电池，其端电压可在11\之间变化，这就要求逆变电源必须在较大的直流输入电压范围内保持正常工作，并保证交流输出电压的稳定。

(4)在中、大容量的光伏发电系统中，逆变电源的输出应为失真度较小的正弦波。 这是由于在中、大容量系统中，若采用方波供电，则输出将含有较多的谐波分量，高次谐波将产生附加损耗，许多光伏发电系统的负载为通信或仪表设备，这些设备对电

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网品质有较高的要求。另外，当中、大容量的光伏发电系统并网运行时，为避免对公共 电网的电力污染，也要求逆变器电源输出正弦波电流，并且“孤岛\检测保护相应快、可靠性好。

以上几条是作为逆变电源设计与采购的主要依据，也是评价逆变电源技术性能的重要指标，应高度重视。 实验过程：

(1)按回路法按照图2-3连接电路图，然后检查线路，按回路法仔细检查一遍，看各个回路是否能走通，正负极是否有接反，确认没问题后在通电。

(2)预计实验做两次完整的充放电过程的数据记录，第二次作为第一次实验数据和问题反映的肯定，以及对整个光伏瓦光伏系统在日常生活中应用的有力说明。 (3)实验数据分为5组 ，首先对蓄电池进行放电到最后控制器报警为结束志，然后断开K1、K2、K3、K4四个开关，用万用表测量光伏瓦组件两端的电压U1，然后合上K1、K2开关测定蓄电池端电压U2、U3,再把K1和K2打开接入指针式电流表，测量光电流I1、I2。每隔20分钟重复测试上述五组数据一次以及阳光强度；记录数据如表2-3、2-4、2-5，直到蓄电池充电达饱和状态为止。

(4)放电阶段：打开K1、K2，合上K3、K4，测定放电前蓄电池电压U4，放电结束时蓄电池两端电压U5，以及放电时间长度；记录数据如表2-6所示。 注意事项：

(1)慎重通电，手按开关，眼看电表等元件，通电时看有没有异常现象，比如充电时确认充电的指示灯是否有循环闪亮，表针猛偏或反偏；有的元件过热，甚至冒烟有焦糊味等。遇到异常应立即断开所有开关，重新检查电路和元件。

(2)实验时先观察后测量，即边调节边观察，全面观察一两次，待现象心中有数后再开始记录所需要的数据。避免操之过急，盲目记录。

(3)中途若长时间离开时应关掉充电和放电设备的开关，不允许仪器在通电状态下离开岗位。

(4)电路故障的排除一般采用伏特计法和欧姆计法，此实验遵循先定性、后定量的原则。

(5)实验中时间间隔很难做到准确无误，尽可能把握住时间间隔和测量手法，以免造成严重误差。 备注：

由于此次试验并非采用电脑或自动化设备收集数据，所以从太阳能辐射到蓄电池充电过程中的计算演变并不能和理论值相符合，而且数据采用陕西省西安市当地真实值，由于天气原因，数据的起伏程度比较大，处于对以后光伏瓦在实际生活中的大量使用、数据储备和参考使用方面的考虑，以实际量产为前提的条件下，做出非常重要的几点实际价值研究。

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时间 9:20 9:40 10:00 10:20 10:40 11:00 11:20 11:40 12:00 14:00 14:20 14:40 15:00 15:20 15:40 16:00 16:40 17:00 17:20 17:40 18:00 U1/V 38.3 38.4 39.63 39.05 39.7 39.23 39.2 38.83 39.4 39.18 39.1 39.23 39.4 39.98 39.35 39.4 38.8 38.32 38.02 37.73 36.35 U2/V 25.3 25.38 25.49 25.42 25.55 25.63 25.83 25.6 25.86 26.06 25.6 25.95 25.54 25.4 25.66 25.76 25.48 25.46 25.21 25.33 25.26 U3/V 24.88 25.02 25.11 25.06 25.15 25.24 25.41 25.2 25.45 25.65 25.25 25.56 25.2 25.05 25.32 25.4 25.18 25.14 24.9 25.03 24.98 I1/A 1.23 1.305 1.386 1.284 1.665 1.647 1.749 2.016 2.043 1.725 1.533 1.467 1.287 1.05 0.804 0.72 0.375 0.27 0.225 0.159 0.09 I2/A 1.125 1.236 1.245 1.236 1.629 1.626 1.707 2.004 2.007 1.707 1.509 1.488 1.266 1.035 0.786 0.714 0.363 0.264 0.216 0.153 0.066 光照强度/lux 60000 62200 71200 65000 83200 86500 87900 92900 105000 88000 78000 62000 70500 50000 30000 35000 15600 14000 10200 4900 3600 表2-3 充能实验数据

时间 8:40 9:00 9:20 9:40 10:30 U1/V 40.8 40.68 40.25 40.15 40.1 U2/V 24.04 24.33 24.4 24.44 24.57 24.64 24.67 24.8 U3/V 23.68 24.95 24.02 24.06 24.17 24.25 24.27 24.36 I1/A 0.627 0.819 0.945 1.083 1.323 1.395 1.644 1.605 I2/A 0.609 0.81 0.933 1.053 1.314 1.383 1.629 1.59 光照强度/lux 32800 42300 47600 53700 68300 72000 89000 82000 10:10 40.15 11:00 40.05 11:20 39.17

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11:40 12:20 12:40 13:20 15:20 16:00 39.3 38.9 38.6 38.5 38.4 37.8 24.76 24.84 24.67 24.89 24.9 24.93 24.87 24.73 24.66 24.6 24.55 24.51 24.36 24.43 24.27 24.47 24.48 24.51 24.47 24.36 24.31 24.05 24.22 24.18 1.824 1.914 2.1 2.016 1.92 1.92 0.735 1.179 0.42 0.405 0.384 0.333 1.809 1.905 2.097 1.989 1.905 1.899 0.723 1.173 0.414 0.405 0.366 0.324 96500 104300 115000 105000 102500 100200 49000 69000 28500 25500 22300 19000 光照强度/lux 23000 57600 70000 40800 40000 25000 40000 12:00 39.16 13:00 38.25 15:40 39.73 16:20 38.25 16:40 38.47 17:00 38.25 表2-4充能实验数据

时间 9:00 9:20 9:40 10:00 10:20 10:40 11:00 U1/V 39.89 41 41.77 39.85 39.92 39.6 40.15 U2/V 24.44 24.78 25.02 24.8 24.82 24.71 24.74 U3/V 24.08 24.42 24.64 24.44 24.46 24.36 24.4 放电时U4/V 24.7 2.2.3数据归纳和原因分析

所有试验数据都在陕西科技大学2B507测定完成，由于天气原因，表2-3是2012/4/16收集完成，表2-4是2012/4/18收集完成，表2-5是2012/4/19测定完成。随即做放电试验得到表2-6。

(a)由表2-1知道光伏瓦的每片开路电压为3.66V,则此光伏组件的总开路电压U0

为: U0=UOC*总片数=3.66*12=43.92V (2-3)

I1/A I2/A 0.537 0.534 0.933 1.014 1.374 1.359 0.78 0.786 0.57 0.765 0.78 0.561 0.555 0.546 表2-5 充能实验数据

间长度/h 13 20.66 表2-6 放电数据

U5/V

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