1KW负载光伏市电供电互补智能控制系统设计毕业论文Word格式.docx
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0.2重庆市政府对分布式光伏的政策支持
我国长期以来坚定不移地实施国民经济可持续发展战略和环境保护战略，其中可再生能源作为战略纲要的重要组成部分之一，清洁式发电系统为新能源的发展奠定了基础。
重庆市按照属地化原则实事求是，实地考察选好项目实施区县，再实施城市光伏发电项目，项目具体措施不仅要通过企业实施，当地政府部门也应制定相关文件保证项目成功开展。
区、县（自治县）根据本区的实际情况，在其管辖范围内寻找太阳能资源，充分利用园区厂房、大型商业建筑等地方空间，确保电网能够成功接入。
通过这种方式能促进分布式光伏发电项目有序发展[1]。
0.3重庆市全年光照特点
重庆位于我国内陆地区，地处中低纬度北纬30度附近,气候温和，非常适宜人群居住。
重庆地区位于长江中上游，水源充足，年平均照明时间约为1100小时左右，属于太阳能资源综合地区。
夏季太阳光充足，利用光伏发电会有效的节能减排，而冬季多阴雨，光照不足时需要自动切换至市电，季节不同日照时间不一，所以可以进行灵活的调整。
1引言
1.1光伏发电的特点
1、太阳能是一种清洁能源，不存在资源枯竭的危险；
2、太阳能电池在运行时无噪声和污染物的排放；
3、不受资源分布地理位置的限制，当地环境也不受其破坏；
4、可就近发电，减少配套投资和输电损失；
5、具有稳定的光电转换效率，且转换效率高。
6、安装在建筑物屋顶的光伏板能有效地减少阳光辐射，降低室内温度，对节能减排起到重要作用。
1.2分布式光伏发电系统设计构思
光伏电源（互补）智能控制系统是一个分布式光伏发电系统，主要由太阳能电池板、主电路、控制电路、逆变器、蓄电池和负载组成。
我们可以在30教的屋顶安装太阳能电池板。
系统通过自动切换继电器实现与电网相连，现共同承担为交流负载供电任务。
当有阳光照射时，光伏发电系统转换的直流电通过控制器存储在磷酸锂铁电池中。
当负载需要工作时，逆变器起到了发电关键作用，可将电流转变成我们生活中常用220V、50HZ正弦交流电，以提供交流负载使用。
如果光伏系统不能产生足够的电力，它将被传感器自动检测并连接到电网上，符合将由电网和光伏系统共同提供。
图1分布式光伏发电系统设计构思图
Fig.1Designconceptofdistributedphotovoltaicpowersystem
一般来说，大功率电器设计有相应的接地保护系统，光伏发电更要做好安全防护，包括防雷和漏电保护系统，充分利用过（欠）流保护等功能，提高电力系统的安全性和稳定性。
2正文
2.1太阳能电池板
2.1.1太阳能电池板工作原理
半导体是太阳能电池的主要材料，可以看成由两种不同的材料构成一个大面积P-N结，其中P区带负电荷，N区带正电荷。
在没有光照的情况下，太阳能电池可以看作是一个二极管，其内部载流子处在动态平衡状态，不存在电流；
在光照射条件下，P-N结会产生导电的载流子-空穴和电子，在静电场作用下，P区电位升高，N区电位降低，由于P区和N区电位不平衡从而产生了电动势，在这种情况下，电子形成光伏效应。
若与外部电路连接，光照条件下电路会一直导通，此时P-N结相当于电源，为外部电路提供电能。
因此可将太阳能电池中太阳能转换为电能的过程分为3步：
（1）一定能量的光子被太阳能电池吸收后，电子-空穴对在半导体内产生，形成“光生载流子”，并且两者所带电荷相反，电子带负电荷，空穴带正电荷。
（2）为保证电流的顺利传输，半导体中PN结产生的静电场作用能够被充分地利用，从而将电极性质相反的光生载流子自然分开。
（3）光生载流子电子和空穴是太阳能电池的正、负极收集的重要点[15]。
当一个电子流过一个外部电路时，它会产生电流，从而产生电能。
图2太阳能电池板工作原理图
Fig.2WorkingPrincipleofSolarPanel
2.1.2光伏列阵特性
光伏电池的输出特性独特，与一般电池输出不同，是非线性的，当电压的增大时，列阵的输出特性特性曲线呈规律变化，曲线出现先增大后减小现象，在输电过程会出现功率峰值。
研究表明，在一定范围内，光照强度越强，最大短路电流越大，相应的输出功率越大；
由于光伏电池板的最大开路电压会随着温度的升高而降低，因此对功率输出造成影响。
2.1.3太阳能电池容量的确定方法
（1）确定负载的功率和连续工作时间：
所有负载的名称、额定工作电压、功耗、功耗时间等、有无特殊要求等。
（2）确定太阳能电池组件安装的地理位置：
经度、纬度以及海拔高度。
（3）确定安装地点的气象：
年平均或月平均太阳辐射总量、年平均气温和较低极端天气温度、最长连续降雨等。
太阳能电池的标准输出功率满足由欧洲委员会提出的101标准，其概念为：
太阳能电池的额定输出功率的条件为电池温度处于25℃的室温条件，同时太阳的光照辐射强度达到1000W/m^2，并且大气空气质量保持在较好的AM1.5水平的条件下。
太阳能电池的输出电压定义为一定数量的太阳能电池组件串联或并联以保持其正常工作状态时需要达到的电压水平。
2.1.4太阳能电池阵列的应用
（1）太阳能电池阵列的倾角和方向
太阳能电池的组件为了达到较好的达到吸收太阳光的效果，需要在安装电池阵列时考虑一些主要的影响因素，具体包括安装的倾斜角度、方位角度、电池正面位于的方向等等。
在普遍情况下，当光伏发电系统的安装地点位于北半球时，因为正南朝向的电池可以接受到最大量的太阳光照射，实现了电池的最大发电量。
此外，倾斜角度主要决定了电池阵列接受太阳光能的效率[3]。
（2）太阳能电池阵列倾角。
在并网光伏发电系统中，关于太阳能电池阵列相对于水平面的倾斜角度的原则问题，应为太阳能电池板在一年中接收最大量的太阳辐射。
太阳能电池组件的安装应根据不同地区的地理位置和气象环境，选择最佳角度。
目前并网的最大特点在于，该系统可以在太阳光充足的情况下向电网进行收集电量的回馈。
同时，在无太阳光存在的阴天或黑天时，该系统可以将其负载电器转变为由电网供电，以此满足各个负载电器的用电需求。
为了提高并网光伏发电系统的发电量，人们可以通过设置最佳效果的倾斜角来实现。
最佳倾斜角度的选择需要人们根据各个实际情况来综合评判，其中太阳能光伏电池组件的安装地点是主要限制因素。
此外，在一些BIPV项目中，倾角的设置还与建筑外观的美观程度息息相关。
因此，在实际安装中可以在小范围内进行倾角的细微调整，以期望达到不会对太阳辐射吸收效率造成不良影响，又能营造良好的外观效果的目的。
2.1.5太阳能电池板的型号
该1kw光伏发电系统设计中选用的单块太阳能电池的主要技术参数为：
表2.1-1太阳能电池技术参数表
Tab.2.1-1SolarCellTechnicalParameterTable
图片
项目名称
技术参数
峰值功率
260W
峰值电压
30.21V
峰值电流
8.23A
开路电压
37.87V
短路电流
8.61A
尺寸
1640*992*40mm
重量
19.5kg
最大风载
2400Pa
最大雪载
5400Pa
工作温度
-40℃～+85℃
2.2控制器
2.2.1控制器基本工作原理
太阳能电池的伏安特性是高度非线性的，当照明强度发生变化时，根据P=ui,开路电压U不会发生巨大变化，但最大电流会发生改变，从而使发电功率受到影响。
为了最大发电功率的获得，这就需要人们安装控制器，其功能是能够将光伏系统控制在最大功率点的周边距离。
具体来说，控制器作用表现在两个方面，一方面是对于充放电过程进行保护，防止出现过量的充放电现象，一方面是为逆变器提供较为平稳的直流电压源。
2.2.2控制器基本电路
太阳能光伏发电系统的控制器的微处理器主要采用16位，控制器的核心为80C196NC，同时控制器的外围电路由三部分主要构成，分别为组成蓄电池的电压电路、在外环境充电和放电时起到检测和控制作用的电路，以及输出电流与电压的控制电路。
图三控制器工作原理图
Fig.3WorkingPrincipleofcontroller
图3所示的电路结构为Buck型（降压）变换器，该类型变换器的主要作用是实现最大输出功率的跟踪。
它的具体工作原理为：
通过调制脉冲宽度，对主电路中各个功率电器的输出占空比实现控制。
使得为蓄电池充电的电流得到改变。
从而使太阳能电池的输出功率无限的朝着最大输出功率接近[5]。
此外，Buck型（降压）变换器还可以借助主电路完成蓄电池输出电压、充放电电流等的采集，通过将电路进行控制来实现对电路的跟踪、保护。
2.2.3控制器软件流程图
图四控制器软件流程图
Fig.4ControllerSoftwareFlowChart
如图4控制器软件流程图所示，太阳能电池控制器的最大功率跟踪方式为恒压跟踪。
这种跟踪方式的使用，能够起到提升电池整体功率效率的作用，同时整个光伏发电系统的工作性能也能够保持在较高水平。
2.3蓄电池
2.3.1蓄电池的作用
由于太阳能具有不稳定性，不能连续运行，所以蓄电池在其中具有非常重要的作用。
它的功能是将太阳辐射能转换成为化学能，用于负载应用。
反之，当各种电器负载需要补充电能时，蓄电池又能够实现由化学能向电能的转换。
太阳能光伏的整体特性将会被蓄电池的特性直接影响，蓄电池储能的能力也会影响系统电流输出的平稳性。
因此，在为光伏系统选择蓄电池时，应该能够遵守以下原则：
保证负载可用，同时能够将太阳能电池在晴天转换的能量尽可能存储下来。
在太阳能光伏发电系统中，蓄电池应满足以下两个要求：
其一，当蓄电池充放电完成后，尽可能使之恢复额定的容量；
其二，通过采用浮充电的方式使得蓄电池的电池损耗得到补充，最好能够恢复额定容量。
2.3.2实验蓄电池的选型
在实验室中选用的是磷酸铁锂（LiFePo4）电池储能系统，但此储能系统的标称电压为240V，不适用于1KW,所以我们可以使用标称电压为48V的蓄电池。
（1）在安全性方面，磷酸铁锂晶体中的P-O键能够保持稳定状态，不会轻易造成断裂。
它在高温条件或是充电过量的情况下，性能要明显优于钴酸锂电池，不会发生发热崩塌，也不会产生强腐蚀性的氧化性物质。
该种电池材料的安全性能较好[8]。
根据相关报道，将磷酸铁锂电池进行针刺和短路实验，得出少量样品发生燃烧的实验结果，但是没有造成爆炸。
在过充实验中，使用高压充电时仍会发生爆炸，爆炸强度是放电电压本身的几倍。
但与普通液体电介质锂钴氧化物电池相比，其过充安全性有了很大提高。
（2）铅酸电池平均循环使用次数为300次，然而对于相同质量的磷酸铁锂电池，以每次充电为5小时计算，它的循环次数可以高达2000次。
同时，铅酸电池面临着需要定期多次维护的问题，最长的使用寿命也就是1.5年左右。
而对于相同工作条件下的磷酸铁锂电池来说，其7-8年的理论寿命远高于铅酸电池。
（3）在电池容量方面，磷酸铁锂电池容量明显大于较为普通的铅酸电池，其容量可以达到5AH-1000AH。
（4）没有记忆效应。
记忆效应是指充电电池在充满电，但未完全消耗的情况下工作时，其电池容量明显低于其额定容量的现象。
记忆效应在镍氢电池等常见的电池类型中都有发现，但在磷酸铁锂充电电池中不存在。
无论电池处于何种状态，都可以在充电时使用，而无需先将其取出再充电。
（5）重量轻。
磷酸铁锂电池具有重量小的优势，相同容量规格条件，它的体积只是铅酸电池的2/3左右，重量也达到了1/3左右的程度。
（6）环保。
符合SGS认证体系和欧洲RoHS的规定[8]。
因此，锂电池之所以受到业界的广泛青睐，主要是出于对环境保护的考虑。
在“十五”期间，该类型电池同时进入了"
十五"
和863"
国家发展重大计划，成为了受到重点扶持和发展的项目。
然而，一些专家表示，企业的非标准生产和回收过程是铅酸蓄电池造成环境污染的主要原因。
从原料组成方面分析，电池属于化学物质，电池各个生产工艺流程中产生的排泄物造成污染
同样地，磷酸铁锂电池本身也具有一些不足之处：
在低温环境中不能发挥较好性能，阴极材料的致密性不好，同等容量下的体积大于钴酸锂等锂离子电池。
2.3.3磷酸铁锂电池工作原理
橄榄石结构的LiFePo4是电池的正极材料，再通过一种材质特殊的聚合物隔膜将电池的正极与负极分离开，锂电池Li+能够通过隔膜，而电子e-的通过受到其阻碍，碳（石墨）是电池右边的负极材料，负极材料与电池负极通过铜箔相连。
电解质充满于电池的上下部分，并被密封在金属外壳中。
充电：
磷酸铁锂电池充电过程中，通过隔膜后的Li+再经电解质溶液迁移到电池负极材料表面，然后嵌入石墨烯晶格中，同时，电子经过导电体流向电池正极的铝箔，进而向负极的铜箔集流体移动，再经导电体到达石墨负极，从而使负极的电荷达到平衡，在这一过程中将磷酸铁锂转换成了磷酸铁。
放电：
电池放电过程中电子通过导电体流向负极的铜箔集电极，流向正极的铜箔集流体，再经导电体到磷酸铁锂正极，使正极达到电荷平衡状态[16]。
氧化还原反应就是磷酸铁锂电池充放电时发生反应的本质。
2.3.4计算采用的磷酸铁锂电池参数
表2.3-1磷酸铁锂电池参数表
Tab.2.3-1TableofParametersforLithiumIronPhosphateBatteries
序号
项目
参数
1
产品编号
HPB-001-21
2
电池规格
26650/15s16p/48V/50AH
3
标称电压
48V
4
标称容量
50AH
5
充电电压
54.75V
6
充电电流
<
=10A
7
放电电流
10A
8
瞬时放电电流
40A
9
放电截止电压
41.25V
10
锂电保护
短路，过充，过放，过流等保护
此蓄电池采用RS485通讯协议，该协议能够收集电池的电压、电流、温度和容量等信息，且电池组循环寿命高，低碳节能，遵循了绿色环保的价值理念。
2.4并网逆变器
2.4.1并网逆变器的功能
逆变器运行时，通过不断地改变直流电的正负极连接来得到电流方向不停变化的交流电。
要使逆变器与电网连接，必须严格满足三个要求。
电网电能质量、防止孤岛效应和安全隔离接地[9]。
为了避免光伏并网发电系统对公用电网的污染，需要满足一定的条件。
即，逆变器应输出失真度小的正弦波[9]。
（1）正弦波电流由逆变器输出。
并网光伏发电系统提供给公用电网的电力，必须符合电网制定的标准，不可以让电网被谐波污染。
（2）在负载和日照变化幅度较大的情况下，逆变器均能高效运行。
（3）逆变器具有跟踪太阳能电池最大功率的能力，当日照温度等外界环境发生改变时，通过逆变器的自动调节功能，使太阳能电池板的工作功率维持最大。
（4）逆变器的体积要小，可靠性要高。
（5）在电网断电而有日照的情况下，逆变器具有单独供电的能力。
2.4.2小容量逆变器的优势
对于1KW负载光伏系统，可以使用小容量的逆变器。
与集中式逆变器相比，小容量逆变器运行简单，维护成本低。
然而从电站监控的角度，集中型逆变器易于配置监控系统，更适合参与电网稳定管理，如调节功率、电压等电能质量参数。
表2.4-1小容量逆变器优势表
Tab.2.4-1SmallCapacityInverterAdvantageTable
分析项目
小容量方案
集中性方案
单台产品功率
1.2-17KW
100-500KW
设备总成本
较低
较高
汇流箱
不要求
要求
直流配电柜
交流配电柜
直流电缆
监测系统
选配
运维费用
无
需要
组件朝向对发电效率的影响
不同朝向、不同角度的光伏列阵单独组成一个发电单元，以实现发电效率最大化
人为将不同朝向、不同角度的光伏列阵接入同一台逆变器，会导致效率损失
精确设计
每个单元都可实现逆变器与光伏阵列的精确匹配
合并为几个发电单元，无法精确匹配，不能充分利用各屋面
安装调试
质量轻，墙面户外就近安装，调试简单，普通电工即可胜任
质量大、需吊车吊装；
调试复杂，需原厂专业技术人员进行调试
安全性
设备故障时影响范围很小，恢复也很快，只需更换故障设备即可
一旦设备故障，会导致大面积停电，且恢复周期长
场地要求
简便安装，无需专门的配电室
需专门的配电室来放置逆变器
运行维护
几乎零成本，普通电工即可解决常规问题
每年需投入设备成本的10%-15%左右的维护费用，需专业技术人员定期维护
零配件
无需任何零配件
需库存一定数量的零配件
针对该1kw负载光伏系统，逆变器可设计为小容量逆变系统。
2.4.3逆变器的电路
图五逆变器电路图
Fig.5InverterCircuitDiagram
逆变模块由逆变器驱动芯片，散热风扇，反馈模块，升压模块四个部分组成。
EGS002是该逆变器中的一款驱动板，它专门用于单相纯正弦波逆变器。
DC-DC-AC两级功率变换应使用EG8010，并将一个12MHZ晶体振荡器外接。
能实现高精度、失真、谐波都很小的纯正弦波50HZ输出[10]。
此逆变器为48V直流变48V交流，功率为3600W。
如图六所示，如若想实现至220V的变换，需要外接电感电容还有升压器才能够实现，电感电容使输出的波形变为正弦波，升压器使电压升至220V，这样就可正常接负载。
2.4.4并网逆变器的实物
逆变器实物见附录A，大小为19cm*11cm*8cm
表2.4-2逆变器接口说明表
Tab.2.4-2NverterInterfaceDescriptionTable
名称
作用
开关
接一个小开关作为开机或待机控制
指示灯
接LED发光二极管指示待机或者开机
电池
接直流电压表监测电池电压
风扇
接12V散热风扇
220V
接交流电压表监测逆变器输出电压
反馈
接逆变器220V端检测输出电压稳压采用作用
2.5交流负载
2.5.1负载选择
教学楼里的日光灯为单个功率因数为0.3-0.4之间的感性负载，实验选用的日光灯功率为250W，但由于日光灯本身的功率因素过低，在并入电网时会引起电网波动，甚至并不进电网，因此需要提高日光灯的功率因素。
为日光灯并联一个大电容是提高功率因素的有效方法，该方法能够使日光灯的功率因数提高至95%。
2.6接入并网控制传感器
2.6.1传感器工作原理
为了实现光伏系统与市电的自由切换，需要在电网和独立光伏系统之间加入一个控制传感器，此传感器连接控制器和电网侧，可通过反馈
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