1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1太阳能的发展现状以及研究的目的

我国的能源供应结构里，煤炭、石油与天然气等不可再生能源占绝大部分，但由于化石燃料的有限性和分布的不均匀性致使能源问题严峻，并且由于储存量有限，矿物能源正面临着枯竭的危险。新能源包括各种可再生能源和核能，而其中最理想的能源是太阳能。太阳能照射在地球上的能量非常巨大，大约四十分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费，特别是太阳能洁净、取之不尽、用之不竭，所以太阳能和其它形式的太阳能一起被誉为“人类的理想能源”。据粗步统计，2009年世界一次能源（包括生物能）消费总量为140.50亿吨标准煤，其消费结构为：石油占33.9%，开然气占19.6%，煤炭占22.7%，核电占6.1%，大中型水电占3.9%，新可再生能源占2.0%，传统生物能占11.8%。随着经济的发展，人口的增加以及社会生产力的提高，预计未来世界能源消费将以每年3%的速度增长。2010年全球人口约70亿左右，能源需求折合成装机容量为16TW之多；预计到2050年全世界人口将达100亿，能源需求装机达40～60TW，届时人类对能源的需求只能依靠可再生能源来解决。但是，地球上潜在的水能资源4.6TW，经济可开采资源只有0.9TW；风能实际可开发资源2TW；生物质能3TW；核能的利用争议很大，正如日本地震引起的福岛第一核电站核泄漏事故，对周边国家和地区造成了很大的安全危害，而且，如果按照目前核裂变技术，受资源限制最多可以开发3TW，人类掌握可控聚变技术预计还要100年。因此，只有太阳能是唯一能够保证人类能源需求的能量来源，其潜在资源120000TW，实际可开采资源高达600TW。我国的能源供应结构里，煤炭、石油与天然气等不可再生能源占绝大部分，但由于化石燃料的有限性和分布的不均匀性致使能源问题严峻，并且由于储存量有限，矿物能源正面临着枯竭的危险。新能源包括各种可再生能源和核能，而其中最理想的能源是太阳能。太阳能照射在地球上的能量非常巨大，大约四十分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费，特别是太阳能洁净、取之不尽、用之不竭，所以太阳能和其它形式的太阳能一起被誉为“人类的理想能源” 。

太阳能发电优势明显，具体变现为以下几点：1、太阳能储量巨大，取之不尽，用之不竭。据有关资料数据，太阳每年送给地球的能量相当于100亿亿千瓦时的能量。沙漠面积约占地球面积的21%左右，只要在全球4%的沙漠上安装太阳能光伏发电系统，所发电力就可以满足全球的需要。2、太阳能发电过程中不产生任何废弃物，没有污染，是一种清洁能源。3、太阳能随处可得，所以就近安装供电，避免了长距离输电线路的投资和能量的损失。4、太阳能发电不用燃料，运行成本相对较低。5、太阳能光伏发电没有旋转运动部件，不易损坏，维护相对简单。研究太阳能的发电，是目前的趋势所在。

1.2太阳能的利用方式

在目前太阳能利用的基本方式分为3种：(1)太阳能热利用；(2)光热发电；(3)光伏发电。

1.2.1太阳能热利用

基本原理是物理介质吸收太阳辐射能，并与其发生作用，继而转换为可以直接利用的热能。

热利用的特点：

①技术比较成熟，具有较高的商业化程度；

②太阳能热效率高达50％左右；

③应用范围广。

1.2.2光热发电

基本原理是先将太阳光辐射能转换为热能，然后按照某一种发电的方式将转化而来的热能再转换成电能，即经过辐射能．热能．电能的过程。太阳能热发电技术也可分为两大类：一是利用太阳热能直接发电；二是太阳能热动力发电，即先将太阳热能转换成机械能，然后再将机械能转换成电能。

1.2.3光伏发电

基本原理是利用光生伏打效应，以半导体为媒介，将太阳光照辐射能直接转换成电能，太阳能电池是太阳能光伏发电的基本装置。

根据未来全球能源供应的预测，随着新能源产业的不断发展和壮大，光伏发电在商业市场中的份额将大大增加，光伏发电将在全球能源结构中占据重要地位。

1.3光伏发电的组成

光伏发电系统的主要由光伏组件、DC／DC升压电路、逆变电路、滤波电路、控制电路等组成。

光伏组件是利用光生伏特效应将太阳光能直接转化为电能的能量转换器件，使转换得到的电能能在电力系统中储存和输送是光伏发电系统的重要组成部分，同时光伏组件也是中国光伏产业发展的支柱之一。

DC／DC升压电路直接与光伏组件相连，对光伏组件输出的电压起升压作用，为并网和带负载运行做好前期准备工作。目前DC／DC升压电路主要有Boost升压电路和直流升压变压器电路两种主要形式。

逆变电路是实现直流侧和交流侧之间能量流动的核心环节，也是光伏发电系统的核心组成部分。

控制电路通过对电池组件的输出电压和电流进行采样和控制实现最大功率点控制，并对入网电流进行采样控制，实现入网电流和电网电压同频同相。

1.4并网发电的优点

光伏发电系统主要分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。

独立运行的太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多的好处：

1．不必考虑负载供电的稳定性的问题；

2．光伏电池可以始终工作在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率；

3．因为直接将电能输入，可以充分利用太阳能光伏阵列所发的电力。省略了作为储能环节的蓄电池，降低了蓄电池充放电的能量损耗，免除了对蓄电池的维护，以及由其带来的间接污染，降低了系统的成本；

4．并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。与所有光伏发电系统一样，并网系统也存在以下问题：（1）太阳能光伏阵列发电效率低；（2）系统的造价成本高；（3）发电运行受气候环境因素影响大。另外并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生不良的影响，如谐波污染、孤岛效应等。

1.5光伏并网逆变器存在的问题

在光伏并网发电系统中，由于光伏组件在每一光照和稳定条件下都会产生特定的功率，而传输到电网的瞬时功率却含有两倍工频的功率脉动，这是单相并网逆变器中普遍存在的瞬时功率不匹配的现象。光伏组件输出平滑直流的功率,而传输到电网的瞬时功率却呈现周期性脉动。在传统的光伏并网发电系统当中，为稳定逆变器输入输出功率，通常是在光伏组件的两侧并联一个大容量的电解电容。但是，电解电容在105℃工作温度下的使用寿命仅为l000h～7000h，这对光伏组件而言是一项极大的限制通常,将大容量的电解电容并联在光伏组件两侧,来实现光伏组件输出功率与并网逆变器输出功率的解耦，然而电解电容的引入缩短了逆变器系统的整体寿命,也降低了光伏并网系统的可靠性。电解电容寿命有限，远低于光伏组件的寿命要求，这成为影响微型逆变器寿命和稳定性的决定性因素。

在目前，国内外研究发展了多种功率解耦技术，使得所需的电容容量大大减小，从而使用小容量、长寿命的电容如薄膜电容，来替代电解电容，以支撑逆变器的整体使用寿命。

1.6国内外的研究现状

目前国内外，已经实现了很多种功率解耦技术，以此来减少所需的电容容量。要实现功率解耦、降低电容容值的目的，目前已发展出一些特殊的电路拓扑及控制方法。从解耦电容在电路中的位置，可以分为三类：光伏组件输出侧的解耦、直流母线上的解耦和三端口解耦。

1.6.1光伏组件输出侧的解耦

在光伏组件输出侧的解耦方法如图所示。其中图a为解耦电路与光伏组件串联，图b为解耦电路与光伏组件并联。

图a

图b

将解耦电路并联或串联在光伏组件输出侧的目的，就是通过一级电路变换将

解耦电容上的电压升高，电压纹波加大，减小了电容容值，同时保证最大功率时

的光伏组件输出电压稳定。

1.6.2直流母线上的解耦

在多级微型逆变器中，可以将解耦电容并联在DC母线上，如图所示。在光伏组件输出侧的解耦中，光伏组件输出电压及电压纹波有严格的限制，而DC母线上电压可以很高，同样也可以允许较大的纹波，这样就使得减小解耦电容容值更为方便。在PV组件输出侧解耦中，标称电压是变化的，而且为使光伏组件输出能量最大化，电压纹波需限制在一个较小范围内。不同于PV组件输出侧解耦，直流母线上解耦通过一级变换直接升压。这样就可以计算出解耦电容最小值。

1.6.3三端口解耦

三端口网络解耦方法如图所示，三端口中，一个用来处理光伏组件的MPPT，一个用于完成DC／AC的逆变，还有一个用于实现功率解耦。

解耦电容嵌入逆变级本身，其中，电容两端电压可控。由于交流输出侧两端电压较高，所以容值较小，可采用无极性(薄膜)电容。可以达到减小薄膜电容的目的！

2. 研究的基本内容与方案

2.1三种功率解耦技术的优缺点比较

（1）光伏组件输出侧的解耦：结构简单，使用元件少，电容电压较低，各开关管电压应力小，电路控制方法实现简单；解耦电路与PV板不隔离，在控制方法的设计上需要多加考虑，减少解耦电路对PV板输出特性的影响；解耦电路的连接方式上，并联连接优于串联连接，因为并联连接使得解耦电路只需要处理功率的脉动，而串联连接中，PV板输出的所有功率都会经过解耦电路，这会增加损耗和开关管的电压电流应力。

（2）直流母线上的解耦：通过一级DC／DC可以将直流母线电压升高，从而使

降低电容成为可能；高的母线电压以及大纹波会引起的逆变器输出电流的畸变，所以在逆变器的控制方法上需要进行修正，以减小影响。

（3）三端口解耦技术：通过增加一个变压器输出绕组或者一个变压器，将解

耦电容放置在副边；利用变压器绕组使电容电压及电压纹波可以有很大的提高，电容更小；但电路中开关管的电压应力也进一步增大，会引起损耗；解耦电路与PV板隔离，在解耦电容上的大电压纹波不会影响到PV板的输出特性；电路成本增加最多，且考虑到隔离的因素，副边开关管的控制也会比较复杂。

光伏组件输出侧的解耦可以有效减小解耦电容，但是会影响逆变器效率；直流母线上的解耦容易实现，但是需要两级或三级的电路拓扑及复杂的控制策略；三端口解耦技术能大幅度减小解耦电容，但是产生高的电压应力会带来损耗。每种解耦技术在成本、效率及控制复杂度上均各有利弊，在使用过程中也需要综合考虑。

2.2反激式光伏并网逆变器的分析

本设计拟采用反激式光伏并网逆变器，设计出一种新型拓扑结构，来完成设计要求！

图中所示为反激式光伏并网微型逆变器电路拓扑。微型逆变器具有能量利用率高、可扩展性好、安装成本低、易于维护等优点，在未来光伏并网发电系统中的应用前景越来越广阔。反激变换器由于其结构简单、元件数量少、电气隔离等优点，在中小功率DC／Dc变换场合得到广泛应用。并且当反激变换器工作于电流断续模式(DCM)或者电流临界连续模式(BCM)时具有电流源特性，用作并网逆变器时可以省去电流环，只要采用锁相环就可以实现并网电流的单位功率因数，因此在中小功率光伏并网发电领域获得了广泛的研究与应用。

如图所示的反激式光伏并网微型逆变器由反激变换器和逆变器两部分组成。其中，S1为反激变换器的原边主开关管，D1为反激变换器的输出整流二极管，1：N为反激变压器的原副边匝比；逆变电路由开关管S1-S4组成。C1为输入电容，L为并网滤波电感，C3为并网滤波电容。反激变换器采用峰值电流控制，将变压器副边输出平均电流调制为正弦半波形状，反激变换器的输出则被电网电压嵌位。反激变换器中的高频变压器起到电气隔离的作用，将光伏组件与电网隔离，并且通过变压器升压，将较低的光伏组件输出电压升高至电网电压范围。逆变部分由全桥逆变电路构成，每桥臂的上下两管在电网电压的频率下互补工作，当电网电压为正时，S3(S4)导通，反之，S5(S3)导通，起到工频极性转换的作用。反激变换器输出电流的包络线为半波正弦，经过输出滤波电路后得到半波正弦形状的平滑的输出电流，经过逆变电路后得到相位与电网电压一致的正弦电流，将其并入电网。

输入电容C1，则起到功率解耦的作用。由解耦法可得，C1的计算方法为：

其中为输入功率，为解耦电容的平均电压也就等于输入电压，为解耦电容的纹波,为电网角频率，在100W的系统中，若输入电压为40V，输入电压纹波保持在2％以内，电网频率为50Hz，那么所需的解耦电容容值为2mF。因而可知，在加入解耦电路后，解耦电容可以大大减小，同时输入电容也随之降低，能够很好的起到降低电容值的作用！

2.3研究的基本内容与目标以及采用的措施

首先通过对三种功率解耦技术的优缺点进行详细的比较，综合比较其优缺点，选择合适的方案。本课题采用光伏组件输出侧的解耦的方法，然后在反激式光伏并网微型逆变器的基础上，应用一种新型的功率解耦电路拓扑，设计出一种逆变器，减少电解电容的容值，达到设计的目的！

本课题的设计思路是由整体到局部逐步细化的方式来完成设计，首先确定出总体的设计方案，完成系统拓扑结构图的绘制。然后设计出光伏并网逆变器的主电路部分，其主电路部分主要由太阳能电池板，升压变换电路，逆变电路，滤波和隔离变压器所组成。接着，设计出逆变器的检测和控制电路，其检测电路主要由输入电压电流检测电路，输出电流检测电路，电网检测电路所组成。

然后建立光伏电池模型并进行仿真分析。首先分析了光伏电池的工作原理，并基于光伏电池的数学表达式建立仿真模型，再对其输出特性进行仿真分析。其次分析了能实现最大功率点跟踪的扰动观察法，并在此基础上提出了一种改进的扰动观察法。改进的扰动观察法主要针对传统扰动观察法的振荡以及误判问题，提出了相应的控制策略，在实现最大功率点跟踪过程中改变扰动过程和扰动步长，最终实现最大功率点跟踪。最后在Matlab／Simulink中建立系统的仿真模型，分析了并网运行时并网电流与电网电压的情况，验证了该解耦控制的有效性与稳定性，如果出现问题，再进行更改！

3. 研究计划与安排

第3周：撰写并提交毕业设计开题报告；

第4~5周：完成英文文献翻译；

4. 参考文献（12篇以上）