本课题采用的是一种两级式的结构，如图 3.1 所示，前级 DC/DC 变换器作为 MPPT 控制器实现最大功率跟踪功能， 后级为全桥逆变电路， 产生与电网电压同频同相的电流， 使整个装置的并网功率因数为 1。二者通过直流母线 DClink 相连，控制上相互独立。 DClink 电压通过并网逆变级控制为恒定值， 通过控制 DClink 电压产生并网电流给定值， 并网电流的幅值大小反映了光伏电池输出功率大小。 在全桥逆变器与电网间加入工频变 压器隔离，这样整个系统就不会向电网输出直流分量，有时候工频变压器还起到升压的 作用，这样使直流侧的输入电压具有更宽的范围。
太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应， 将太阳光辐射能直接转换成电 能的一种新型发电系统。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制 器、逆变器和蓄电池(组)构成[9]。下面是各个组成部分的具体分析： 1）太阳能电池板。太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是 将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。 2）太阳能控制器。太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电 压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的 使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流 负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因，太阳电池方 阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。 3）逆变器。逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变 成 220 伏交流电，供给交流负载使用。 4） 蓄电池(组)。 蓄电池(组)的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来， 供 负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负 载用电外，还对蓄电池充电；当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。
21 世纪是世界能源结构发生巨大变革的世纪。 太阳能作为一种新兴的绿色能源， 具 有储量大、寿命长、利用经济、清洁环保等特点，因此，太阳能的利用越来越受到人们 的重视。其中，将太阳能应用于发电系统更是人们研究的热点。 目前我国光伏发电系统的应用一方面以采用户用光伏发电系统和建设小型光伏电 站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，为 200 万户偏远地区农牧民(即 目前我国三分之一的无电人口)提供最基本的生活用电；另一方面，通过借鉴发达国家 建设屋顶光伏发电系统的经验，在经济较发达、城市现代化水平较高的大中城市，在公 益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明系统中推广使用光伏 电源，建设屋顶光伏发电系统。此外，还将建立大型的并网光伏系统，以便于在光伏发
照照射、光伏系统所产生的交流电能超过负载所需时，多余的部分将送往电网；夜间当 负载所需电能超过光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载补充电能。
2.2.3 混合型光伏发电系统 图 2.4 为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备用发电 机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组，它既可以直 接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合型光伏发电系统。
本章主要介绍并分析了太阳能光伏发电系统及相关概念，包括其系统组成及其分 类，同时重点对我国目前的太阳能光伏发电系统的状况分类进行了说明，这包括对光伏 发电系统、并网光伏发电系统、混合型光伏发电系统的介绍，还包括了太阳能光伏发电 系统的应用分析；通过这些分析，可见目前我国的光伏发电以采用户用光伏发电系统和 建设小型光伏电站为主的运作方式。
2.2.2 并网光伏发电系统 并网光伏发电系统如图 2.3 所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起很 重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构 形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电 系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开 关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有 重要意义：此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高 次谐波分量从而提高电能质量。 不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式 并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转化为和 电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。当有日
统起步较晚，与上述国家相比，还有一段很大的差距。但我国己在深圳国际园林花卉博 览园内建成了亚洲最大的并网太阳能光伏电站 yak，它在综合展馆、花卉展馆、管理中 心、南区游客服务中心和北区东山坡都安装了太阳能光伏电站，电站总容量达 1 兆瓦， 并网光伏电站的年发电能力约为 100 万 KWh，相当于每年可节省标准煤约 384 余吨， 减排粉尘约 4.8 吨， 减排灰渣约 101 吨， 减排二氧化碳约 170 余吨， 减排二氧化硫约 7.68 吨，是真正的无污染的绿色能源。深圳国际园林花卉博览园 1MWp 并网光伏电站建成 后，成为目前亚洲和中国总容量第一的并网光伏电站，同时，也是世界上为数不多的兆 瓦级大型太阳能光伏电站之一。填补了我国在大型并网光伏电站设计和建设上的空白， 将成为中国并网太阳能发电史上的里程碑。
电成本下降到一定水平时而开展大型并网光伏系统的大规模应用作好准备。 2.3.1 户用小型光伏电站 户用光伏系统、小型光伏电站属于非并网光伏发电系统(独立系统)，多用于我国的 广大无电贫困山区和贫困农村。自投入使用以来，运行可靠，发电正常，性能优良。例 如，辽宁建昌县贫困无电山区已经安装了 353 套独立家用太阳能光伏电源系统，太阳能 电池组件总功率可达 22650W。此家用光伏电源系统包括直流系统和交流系统两大类。 直流系统由太阳能电池组件及支架、控制器和蓄电池组 3 部分组成。交流系统比直流系 统多一个逆变器，共由 4 部分组成。白天，太阳能电池组件接收太阳光照输出电能，然 后经过防反充二极管向蓄电池组充电；夜晚，直流系统经过控制器将蓄电池组输出的直 流电供直流讯方面，微波通讯中继站应用光伏电源达到以上，小型光伏电站有 1300 个。 2.3.2 屋顶光伏发电系统 随着光伏应用技术的发展，世界各国普遍推出了相应的屋顶光伏计划， “九五”和 “十五”期间，我国国家科委也开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划。将太阳 能光伏发电系统与建筑物相结合之所以备受世界的重视是因为它存在很大方面的优点： 令不占用土地资源，这对于土地昂贵的城市尤为重要；令可以原地发电，原地使用，减 少了电力输送的线路损耗；令降低了墙面及屋顶的温升，减轻了建筑物的空调负荷，降 低了空调的能耗；令取代和节约了昂贵的外饰材料(如玻璃幕墙等)，使建筑物的外观统 一协调，美化建筑环境；令舒缓了高峰电力的需求，配备蓄电池后，还满足了安全用电 设施的不断电要求。 2008 年奥运会的申办成功为太阳能利用提供了新的契机， 国家计划 将太阳能光伏发电融入奥运建筑中， 各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技 术，中国政府对在奥运村及奥运场馆中太阳能利用和建筑设计相结合进行了研究，并在 奥运场馆及奥运村中应用，降低了建筑能耗，提升了城市的整体形象。 当今，诸多城市积极利用小型太阳能光伏电源，于道路、公园、车站甚至家庭安装 了太阳能庭院灯、太阳能草坪灯、太阳能路灯、市政交通及车位标识灯，造型新颖、美 观大方、变化多样，而且经久耐用、融观赏性与实用性与一体，既不用拉电线、占用空 间，还具有节能、环保，维护方便等优点，成为城市一道亮丽的风景线，为城市美化增 添色彩。 2.3.3 大型并网光伏发电系统 并网光伏发电系统是光伏技术进步的重要标志，是未来太阳能光伏发电的趋势，光 伏系统步入大规模发电阶段，意味着现在的能源结构将发生根本的变化，是人类社会利 用能源的一场革命。目前，在世界范围内，如美国、德国等发达国家已经开始建设了一 批千瓦级并网光伏发电系统，今年又正在建设一批兆瓦级的光伏并网发电系统，甚至印 度、菲律宾及非洲一些国家也开始建设大型并网光伏发电系统。我国的并网光伏发电系
根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立供电的光伏发电系统、并 网光伏发电系统、混合型光伏发电系统三种。 2.2.1 独立光伏发电系统 图 2.2 为独立运行的太阳能光伏发电系统结构框图。太阳能电池板作为系统中的核 心部分，其作用是将太阳能直接转换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情 况下输出能量。根据负载的需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大 于负载时，太阳能电池通过充电器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电 池同时对负载供电。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆 变器的作用是将直流电转换为与交流负载同相的交流电。
光伏发电系统是直接将太阳光能转换为电能的装置，根据光伏系统与电网的关系， 可以分为独立于电网的光伏系统和并网系统。独立于电网的光伏系统，常用在远离电网 的偏远地区。而在并网系统中，光伏发电系统代替电网提供有用功率，也把功率馈送会 电网。直接把光伏电池与负载相连，中间不带储能装置，这类光伏系统叫直接耦合光伏 系统，但这类系统在阴雨天和晚上的时候不能提供能量，所以通常中间要加入蓄电池。 由于光伏系统受外界因素影响比较大，所以为获得额定功率输出，通常要加上控制器来 调节、控制和保护系统功能。所以，光伏发电系统基本包括光伏电池板、电力电子变换 装置、储能装置、控制器四大部分，如图 2.1 所示。储能装置一般采用蓄电池，尤其是 铅酸蓄电池。电力电子变换装置根据负载的不同分为两类[10]：(1)直流变换器，按照直流 负载的要求供电。(2)逆变器，通常为工频逆变器，输出恒频、恒压的交流电。在并网光 伏发电系统中还要有交流并网装置和电能计量装置。控制器为整个系统的控制核心，负 责对系统各运行参数进行检测，并根据预设和判断做出控制指令，使系统能够自动稳定 运行，并工作于最佳状态。一般由一个控制器进行集中控制。
与独立的光伏发电系统相比，并网发电系统有很多好处，首先不必考虑负载供电的 稳定性和供电质量问题；其次，光伏电池可以始终运行在最大功率点处，由电网来接收 太阳能所发出的全部电能，减少了功率损失；再有，省略了蓄电池作为储能环节，避免 了蓄电池充放电过程中的能量损失，免除了由于存在蓄电池而带来的运行与维护费用， 同时也消除了处理废旧电池而带来的间接污染。 因此本章将对光伏并网发电系统的设计 过程及设计方案进行分析
DC/DC 变换器采用了 boost 变换器，boost 变换器以电感电流源的方式向负载放电， 实现负载电压升高的目的。boost 变换器的结构和控制较为简单，具有较高的效率，将 光伏电池直接接到 boost 变换器的输入端，就可以进行光伏电池板的最大功率跟踪。在 并网系统中，boost 变换器做 MPPT（最大功率点追踪）控制器是比较理想的选择，它是 升压电路，这样光伏电池电压就可以低于电网侧的峰值电压，光伏组件的串联受到电压 等级的限制，这样就使 boost 变换器输入端电压配置更加灵活[15-19]。
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