光伏系统计算

太阳能计算地球上各地区受太阳光照射及辐射能变化的周期为一天 24h 。处在某一地区的太阳能电池方阵的发电量也有 24h 的周期性的变化 ,其规律与太阳照在该地区辐射的变化规律相同。 但是天气的变化将影响方阵的发电量。如果有几天连续阴雨天 ,方阵就几乎不能发电 ,只能靠蓄电池来供电 ,而蓄电池深度放电后又需尽快地将其补充好。设计者多数以气象台提供的太阳每天总的辐射能量或每年的日照时数的平均值作为设计的主要数据。 由于一个地区各年的数据不相同 ,为可靠起见应取近十年内的最小数据。 根据负载的耗电情况 ,在日照和无日照时 ,均需用蓄电池供电。 气象台提供的太阳能总辐射量或总日照时数对决定蓄电池的容量大小是不可缺少的数据。对太阳能电池方阵而言 ,负载应包括系统中所有耗电装置 (除用电器外还有蓄电池及线路、控制器等 )的耗量。方阵的输出功率与组件串并联的数量有关 ,串联是为了获得所需要的工作电压 ,并联是为了获得所需要的工作电流 ,适当数量的组件经过串并联即组成所需要的太阳能电池方阵。蓄电池组容量设计太阳能电池电源系统的储能装置主要是蓄电池。与太阳能电池方阵配套的蓄电池通常工作在浮充状态下 ,其电压随方阵发电量和负载用电量的变化而变化。它的容量比负载所需的电量大得多。蓄电池提供的能量还受环境温度的影响。为了与太阳能电池匹配 ,要求蓄电池工作寿命长且维护简单。1.蓄电池的选用能够和太阳能电池配套使用的蓄电池种类很多 ,目前广泛采用的有铅酸免维护蓄电池、 普通铅酸蓄电池和碱性镍镉蓄电池三种。国内目前主要使用铅酸免维护蓄电池 ,因为其固有的 “ 免 ” 维护特性及对环境较少污染的特点 ,很适合用于性能可靠的太阳能电源系统 ,特别是无人值守的工作站。 普通铅酸蓄电池由于需要经常维护及其环境污染较大 ,所以主要适于有维护能力或低档场合使用。碱性镍镉蓄电池虽然有较好的低温、过充、过放性能 ,但由于其价格较高 ,仅适用于较为特殊的场合。2.蓄电池组容量的计算蓄电池的容量对保证连续供电是很重要的。在一年内 ,方阵发电量各月份有很大差别。方阵的发电量在不能满足用电需要的月份 ,要靠蓄电池的电能给以补足 ; 在超过用电需要的月份 ,是靠蓄电池将多余的电能储存起来。 所以方阵发电量的不足和过剩值 ,是确定蓄电池容量的依据之一。 同样 ,连续阴雨天期间的负载用电也必须从蓄电池取得。所以 ,这期间的耗电量也是确定蓄电池容量的因素之一。因此 ,蓄电池的容量 BC计算公式为 :BC=A× QL× NL× TO/CC，式中 :A 为安全系数 ,取 1.1~1.4 之间 ; QL 为负载日平均耗电量 ,为工作电流乘以日工作小时数 ;NL 为最长连续阴雨天数 ;TO 为温度修正系数 ,一般在 0℃以上取 1,-10 ℃以上取 1.1,-10 ℃以下取 1.2;CC 为蓄电池放电深度 , 一般铅酸蓄电池取 0.75, 碱性镍镉蓄电池取 0.85 。如： 5000w 系统一天共 5000× 12＝ 60KW 选用系统电压 48V，蓄电池 2V,1.5KAH 安时数＝ 60KW/48=1.3KAh 蓄电池安时数＝ 1.3KAH*10*1.2/0.75=20.8KAH=QL*NL*TO/0.75 蓄电池需要串联 48/2=24 并联数＝ 20.8KAH/1.5KAH=14 蓄电池 24× 14＝ 336 太阳能电池方阵设计1. 太阳能电池组件串联数 Ns 太阳能电池组件按一定数目串联起来 ,就可获得所需要的工作电压 ,但是 ,太阳能电池组件的串联数必须适当。 串联数太少 ,串联电压低于蓄电池浮充电压 ,方阵就不能对蓄电池充电。 如果串联数太多使输出电压远高于浮充电压时 ,充电电流也不会有明显的增加。 因此 ,只有当太阳能电池组件的串联电压等于合适的浮充电压时 ,才能达到最佳的充电状态。计算方法如下 :Ns=UR/Uoc=(Uf+UD+Uc)/Uoc(2) 式中 :UR 为太阳能电池方阵输出最小电压 ; Uoc 为太阳能电池组件的最佳工作电压 ;Uf 为蓄电池浮充电压 ;UD 为二极管压降 ,一般取 0.7V;UC 为其它因数引起的压降。电池的浮充电压和所选的蓄电池参数有关 ,应等于在最低温度下所选蓄电池单体的最大工作电压乘以串联的电池数。2. 太阳能电池组件并联数 Np 在确定 NP 之前 ,我们先确定其相关量的计算方法。(1) 将太阳能电池方阵安装地点的太阳能日辐射量 Ht, 转换成在标准光强下的平均日辐射时数H:H=Ht × 2.778/10000h(3) 式中 :2.778/10000(h?m2/kJ) 为将日辐射量换算为标准光强 (1000W/m2) 下的平均日辐射时数的系数。(2) 太阳能电池组件日发电量 Qp Qp=Ioc × H× Kop× CzAh?穴 4?雪式中 :Ioc 为太阳能电池组件最佳工作电流 ;Kop 为斜面修正系数 ;Cz 为修正系数 ,主要为组合、衰减、灰尘、充电效率等的损失 ,一般取 0.8 。(3) 两组最长连续阴雨天之间的最短间隔天数 Nw, 此数据为本设计之独特之处 ,主要考虑要在此段时间内将亏损的蓄电池电量补充起来 ,需补充的蓄电池容量 Bcb 为 :Bcb=A× QL× NLAh?穴 5?雪(4) 太阳能电池组件并联数 Np 的计算方法为 :Np=(Bcb+Nw × QL)/(Qp ×Nw)? 穴 6?雪式 (6) 的表达意为 : 并联的太阳能电池组组数 ,在两组连续阴雨天之间的最短间隔天数内所发电量 ,不仅供负载使用 ,还需补足蓄电池在最长连续阴雨天内所亏损电量。3. 太阳能电池方阵的功率计算根据太阳能电池组件的串并联数 ,即可得出所需太阳能电池方阵的功率 P:P=Po × Ns× NpW(7) 式中 :Po 为太阳能电池组件的额定功率。注意：很多非太阳能光电专业人士在计算 太阳能电池的日工作时间（有效日照时间） 的时候，总是把日照时间看作每天有太阳光的时间，选择计算时间为 8 小时左右。其实不然，这样会给整个光伏系统造成不稳定的因数。其实根据不同的地区的光照条件，我们要分别区分太阳能电池的有效工作时间。我国可分为：丰富地区、比较丰富地区、可以利用地区、贫乏地区。他们的年光辐射量分别是大于等于５８６ＫＷ／平方米，５０２－５８６ＫＷ／平方米、４１９－５０２ＫＷ／平方米、小于４１９ＫＷ／平方米。由于以上的原因，所以我们计算太阳能电池的日工作时间的时候就不能都以８小时来计算了，根据不同地区我们不同的选择：他们的不同平均峰值时间分别是：５．１０－５．４２小时，４．４６－４．７８小时，３．８２－４．１４小时，３．１９－３．５０小时。只有根据这些参数才能准确计算各地区的光照时间，和准确计算太阳能光伏系统所用的太阳能电池板大小和保险系数。那些只应用电子电工原理上的欧姆定律和一些能量守衡定律计算太阳能光伏系统是不够的。设计实例以某地面卫星接收站为例 ,负载电压为 12V, 功率为 25W, 每天工作 24h, 最长连续阴雨天为 15d, 两最长连续阴雨天最短间隔天数为 30d, 太阳能电池采用云南半导体器件厂生产的太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流 220V 或110V ，还需要配置逆变器。各部分的作用为：（一） 太阳能电池板： 太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能力转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。（二） 太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。 在温差较大的地方， 合格的控制器还应具备温度补偿的功能。 其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项；（三） 蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来， 到需要的时候再释放出来。 太阳能电池产生的直流电先进入蓄电池储存，蓄电池的特性影响着系统的工作效率和特性。蓄电池技术是十分成熟的，但其容量要受到末端需电量，日照时间 ( 发电时间 ) 的影响。因此蓄电池瓦时容量和安时容量由预定的连续无日照时间决定。（四） 逆变器： 太阳能的直接输出一般都是 12VDC 、 24VDC 、 48VDC 。 为能向 220VAC 的电器提供电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需要使用 DC-AC 逆变器。太阳能发电系统的设计需要考虑的因素：1、 太阳能发电系统在哪里使用？该地日光辐射情况如何？2、 系统的负载功率多大？3、 系统的输出电压是多少，直流还是交流？4、 系统每天需要工作多少小时？ （即负载日用电时间）5、 如遇到没有日光照射的阴雨天气，系统需连续供电多少天？6、 负载的情况，纯电阻性、电容性还是电感性，启动电流多大？7、 系统需求的数量。1.家用太阳能系统光电发电能力 :1000 瓦以下目标设施 :个人住宅用途 :照明、电视机、收音机、路灯优点 : ● 系统结构简单。● 非常适合分散居住的乡村。● 使用更精确，因为用户是单独的住户。图片附件 : image003.gif (2006-6-7 07:29, 8.49 K) 100~150Wp 家用太阳能发电系统设计负载电器名称 规格型号 负载功率 数 量 每日工作时间 日耗电量照明 节能灯 11W 2 只 3/4 88Wh 卫星电视接收机 25W 1 3/4 100Wh 彩色电视 21 寸 70W 1 3/4 280Wh 总计 117W 468Wh 设备配置：太阳电池组件： 100W~150Wp ；免维护蓄电池： 50~65AH/24V ；逆变器： 150W 充电控制器： 6A；安装方式：简易自安装可以连续工作三个阴雨天300Wp 家用太阳能发电系统设计负载电器名称 规格型号 耗电功率 数量 每日工作时间 日耗电量照明 节能灯 11W 4 4 176Wh 收音机 3W 1 6 18Wh 卫星电视接收机 25W 1 6 150Wh 彩色电机 21 寸 70W 1 6 420Wh 水泵 200W 1 0.9 180Wh 总计 342W 944Wh 设备配置：太阳电池组件： 300Wp；免维护蓄电池： 150AH/24V ；逆变器： 500W ；充电控制器： 12A。安装方式：简易自安装可以连续工作三个阴雨。500Wp 家用 /办公太阳能发电系统设计负载电器名称 规格型号 耗电功率 数 量 每日工作时间日耗电量照明 节能灯 11W 6 4 264Wh 电脑 液晶显示 100W 1 5 500Wh 打印机 喷墨 30W 1 1 30Wh 传真机 喷墨 150W 1 1 150Wh 电冰箱 (选项 ) 150L 100W 1 24 800Wh 卫星电视接收机 /VCD 25W 1 6 150Wh 彩色电视 21 寸 70W 1 6 420Wh 水泵 200W 1 0.5 100Wh 总计 640W 1614Wh 设备配置：太阳电池组件： 500Wp；免维护蓄电池： 300AH/24V ；逆变器： 1000W ；充电控制器： 20A。安装方式：可上门安装或提供图纸可以连续工作三个阴雨 . 电冰箱与办公设备只能选其一。800Wp 家用 /办公太阳能发电系统设计负载电器名称 规格型号 耗电功率 数 量 每日工作时间日耗电量照明 节能灯 11W 6 4 264Wh 电脑 液晶显示 100W 1 5 500Wh 打印机 喷墨 30W 1 1 30Wh 传真机 喷墨 150W 1 1 150Wh 电冰箱 150L 100W 1 24 800Wh 洗衣机 300W 1 0.5 150Wh 微波炉 (选项 ) 1000W 1 0.5 500Wh 卫星电视接收机 /VCD 25W 1 6 150Wh 彩色电视 21 寸 70W 1 6 420Wh 水泵 200W 1 0.5 100Wh 总计 2000W 2264Wh 设备配置：太阳电池组件： 800Wp；免维护蓄电池： 400AH/24V ；逆变器： 2000W ；充电控制器： 30A。安装方式：可上门安装或提供图纸可以连续工作三个阴雨天微波炉与办公设备只能选其一。如果太阳电池组件采用 1000Wp，微波炉与办公设备即可同时使用。2.适用于学校，医院和公共会堂等的光电发电系统光电发电能力 :1 到 10 千瓦目标设施 :学校、医院、公共会堂或私人住宅用途 :电视机、录像机、电信设备、照明优点 : ● 能够优先向公共建筑和电气设施供电。● 便于收取以下费用 :设施使用、食物存藏、充电和水。● 设施管理人员能够同时控制系统运行。● 能够显著提高生活水平。光电发电能力 :1 到 10 千瓦目标设施 :学校、医院、公共会堂或私人住宅用途 :电视机、录像机、电信设备、照明优点 : ● 能够优先向公共建筑和电气设施供电。● 便于收取以下费用 :设施使用、食物存藏、充电和水。● 设施管理人员能够同时控制系统运行。● 能够显著提高生活水平。图片附件 : image009.gif (2006-6-7 07:29, 10.89 K) 1600Wp 家用 /办公太阳能发电系统设计负载电器名称 规格型号 耗电功率 数 量 每日工作时间日耗电量照明 节能灯 11W 8 6 528Wh 电脑 液晶显示 100W 2 5 1000Wh 打印机 激光 250W 1 1 250Wh 传真机 喷墨 150W 1 2 150Wh 电冰箱 150L 100W 1 24 800Wh 洗衣机 300W 1 0.5 150Wh 微波炉 1000W 1 1 1000Wh 卫星电视接收机 /VCD 25W 1 6 150Wh 彩色电视 21 寸 95W 1 6 570Wh 水泵 400W 1 1 100Wh 总计 2600W 4698Wh 设备配置：太阳电池组件： 1600Wp；免维护蓄电池： 400AH/48V ；逆变器： 3000W ；充电控制器： 30A 。安装方式：可上门安装或提供图纸可以连续工作三个阴雨天2400Wp 家用 /办公太阳能发电系统设计负载电器名称 规格型号 耗电功率 数 量 每日工作时间日耗电量照明 节能灯 11W 8 6 528Wh 电脑 液晶显示 100W 2 5 1000Wh 打印机 激光 250W 1 1 250Wh 传真机 喷墨 150W 1 2 150Wh 电冰箱 150L 100W 1 24 800Wh 洗衣机 300W 1 0.5 150Wh 微波炉 1000W 1 1 1000Wh 空调 1.5 匹 1200W 1 5 3000Wh 卫星电视接收机 /VCD 25W 1 6 150Wh 彩色电机 21 寸 95W 1 6 570Wh 水泵 400W 1 1 100Wh 总计 3800W 7698Wh 设备配置：太阳电池组件： 2400Wp；免维护蓄电池： 600AH/48V ；逆变器： 5000W ；充电控制器： 60A 。安装方式：可上门安装或提供图纸 可以连续工作三个阴雨天3.适用与乡村和边远地区的发电系统（集中式）光电发电能力 :超过 10 千瓦目标设施 :乡村用途 :电灯、电视机、洗衣机、冰箱、路灯优点 : ● 终端设备 /站的负载容量是可变的，可使供电更加灵活● 可以集中运行和控制光电 (PV)发电系统。● 可以方便地建立设施监控系统工作原理： 白天，在光照条件下，太阳电池组件产生一定的电动势，通过组件的串并联形成太阳能电池方阵， 使得方阵电压达到系统输入电压的要求。 再通过充放电控制器对蓄电池进行充电，将由光能转换而来的电能贮存起来。 晚上，蓄电池组为逆变器提供输入电，通过逆变器的作用，将直流电转换成交流电，输送到配电柜，由配电柜的切换作用进行供电。 蓄电池组的放电情况由控制器进行控制， 保证蓄电池的正常使用。 光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置，以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击，维护系统设备的安全使用。二、光伏系统的组成光伏系统是由太阳能电池方阵， 蓄电池组， 充放电控制器， 逆变器， 交流配电柜等设备组成。其各部分设备的作用是：⑴太阳能电池方阵：在有光照（无论是太阳光，还是其它发光体产生的光照）情况下，电池吸收光能，电池两端出现异号电荷的积累，即产生 “光生电压 “，这就是 “光生伏打效应 “。在光生伏打效应的作用下， 太阳能电池的两端产生电动势， 将光能转换成电能， 是能量转换的器件。 太阳能电池一般为硅电池， 分为单晶硅太阳能电池， 多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。⑵蓄电池组： 其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。 太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是： a.自放电率低； b.使用寿命长； c.深放电能力强；d.充电效率高； e. 少维护或免维护； f.工作温度范围宽； g.价格低廉。目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。 配套 200Ah 以上的铅酸蓄电池，一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为 2VDC ；配套200Ah 以下的铅酸蓄电池，一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池，每只蓄电池的额定电压为 12VDC 。⑶充放电控制器： 是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。 由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素， 因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。其工作原理如下er=0> ⑷逆变器： 是将直流电转换成交流电的设备。 由于太阳能电池和蓄电池是直流电源， 而负载是交流负载时， 逆变器是必不可少的。 逆变器按运行方式， 可分为独立运行逆变器和并网逆变器。 独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统， 为独立负载供电。 并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。方波逆变器电路简单，造价低， 但谐波分量大， 一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。正弦波逆变器成本高，但可以适用于各种负载。逆变器工作原理图如下：逆变器保护功能：a、过载保护； b、短路保护； c、接反保护； d、欠压保护；e、过压保护； f、过热保护。⑸交流配电柜： 其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能， 保证系统的正常供电，同时还有对线路电能的计量。太阳能方阵角度的计算由于太阳能是一种清洁的能源，它的应用正在世界范围内快速地增长。利用太阳光发电就是一种使用太阳能的方式，可是目前建设一个太阳能发电系统的成本还是较高的，从我国现阶段的太阳能发电成本来看，其花费在太阳电池组件的费用大约为 60～ 70％，因此，为了更加充分有效地利用太阳能，如何选取太阳电池方阵的方位角与倾斜角是一个十分重要的问题。1.方位角太阳电池方阵的方位角是方阵的垂直面与正南方向的夹角（向东偏设定为负角度，向西偏设定为正角度）。一般情况下，方阵朝向正南（即方阵垂直面与正南的夹角为 0° ）时，太阳电池发电量是最大的。在偏离正南（北半球） 30° 度时，方阵的发电量将减少约 10％～ 15％；在偏离正南（北半球） 60° 时，方阵的发电量将减少约20％～ 30％。但是，在晴朗的夏天，太阳辐射能量的最大时刻是在中午稍后，因此方阵的方位稍微向西偏一些时，在午后时刻可获得最大发电功率。在不同的季节，太阳电池方阵的方位稍微向东或西一些都有获得发电量最大的时候。方阵设置场所受到许多条件的制约，例如，在地面上设置时土地的方位角、在屋顶上设置时屋顶的方位角，或者是为了躲避太阳阴影时的方位角，以及布置规划、发电效率、设计规划、 建设目的等许多因素都有关系。 如果要将方位角调整到在一天中负荷的峰值时刻与发电峰值时刻一致时，请参考下述的公式。至于并网发电的场合，希望综合考虑以上各方面的情况来选定方位角。 方位角 ＝（一天中负荷的峰值时刻（ 24 小时制）－ 12） × 15＋（经度－ 116） 10 月 9 日北京的太阳电池方阵处于不同方位角时，日射量与时间推移的关系曲线。在不同的季节，各个方位的日射量峰值产生时刻是不一样的。2.倾斜角倾斜角是太阳电池方阵平面与水平地面的夹角，并希望此夹角是方阵一年中发电量为最大时的最佳倾斜角度。 一年中的最佳倾斜角与当地的地理纬度有关， 当纬度较高时，相应的倾斜角也大。但是，和方位角一样，在设计中也要考虑到屋顶的倾斜角及积雪滑落的倾斜角（斜率大于 50％ -60％）等方面的限制条件。对于积雪滑落的倾斜角，即使在积雪期发电量少而年总发电量也存在增加的情况，因此，特别是在并网发电的系统中，并不一定优先考虑积雪的滑落，此外，还要进一步考虑其它因素。 对于正南（方位角为 0° 度），倾斜角从水平（倾斜角为 0° 度）开始逐渐向最佳的倾斜角过渡时，其日射量不断增加直到最大值，然后再增加倾斜角其日射量不断减少。特别是在倾斜角大于 50° ～ 60° 以后，日射量急剧下降，直至到最后的垂直放置时， 发电量下降到最小。 方阵从垂直放置到 10° ～ 20° 的倾斜放置都有实际的例子。对于方位角不为 0° 度的情况，斜面日射量的值普遍偏低，最大日射量的值是在与水平面接近的倾斜角度附近。 以上所述为方位角、 倾斜角与发电量之间的关系，对于具体设计某一个方阵的方位角和倾斜角还应综合地进一步同实际情况结合起来考虑。3.阴影对发电量的影响 一般情况下，我们在计算发电量时，是在方阵面完全没有阴影的前提下得到的。因此，如果太阳电池不能被日光直接照到时，那么只有散射光用来发电，此时的发电量比无阴影的要减少约 10％～ 20％。针对这种情况，我们要对理论计算值进行校正。 通常， 在方阵周围有建筑物及山峰等物体时， 太阳出来后，建筑物及山的周围会存在阴影，因此在选择敷设方阵的地方时应尽量避开阴影。如果实在无法躲开，也应从太阳电池的接线方法上进行解决，使阴影对发电量的影响降低到最低程度。 另外， 如果方阵是前后放置时， 后面的方阵与前面的方阵之间距离接近后， 前边方阵的阴影会对后边方阵的发电量产生影响。 有一个高为 L1 的竹竿，其南北方向的阴影长度为 L2，太阳高度（仰角）为 A，在方位角为 B 时，假设阴影的倍率为 R，则：R ＝ L2/L1 ＝ ctgA × cosB 此式应按冬至那一天进行计算，因为，那一天的阴影最长。例如方阵的上边缘的高度为 h1，下边缘的高度为 h2，则：方阵之间的距离 a ＝ （ h1-h2 ） × R。当纬度较高时，方阵之间的距离加大，相应地设置场所的面积也会增加。对于有防积雪措施的方阵来说，其倾斜角度大，因此使方阵的高度增大，为避免阴影的影响，相应地也会使方阵之间的距离加大。通常在排布方阵阵列时，应分别选取每一个方阵的构造尺寸，将其高度调整到合适值，从而利用其高度差使方阵之间的距离调整到最小。 具体的太阳电池方阵设计，在合理确定方位角与倾斜角的同时，还应进行全面的考虑，才能使方阵达到最佳状态。多功能太阳光电能并网供电系统吴财福摘要为了避免太阳光电能并网供电系统在缺乏日照时无法工作的缺点， 本文提出 「多功能太阳光电能并网供电系统」 。 本系统应用既有的硬件架构，并在控制方式与软件上略加修改，使本系统在无日照时可以作为高功因电子安定器使用。此外，若再加上一单级双向的充 /放电器，使本系统也可提供紧急照明用电。由于需要较复杂之控制程序，本系统之控制核心采用数字信号处理器 (TMS320F240) 。 最后我们实际制作一个 「多功能太阳光电能并网供电与照明系统」，并利用计算机仿真与硬件实测结果来验证系统之可行性与实用性。 以类似的原理， 可将此既有硬件扩充至其它多功能应用，使其兼具功因校正、不断电功能、主动滤波及并网供电等多用途。一、前言于现今高科技环境下，能源是促进经济发达与社会进步的原动力。目前所使用之主要能源为化石能源，然而其蕴藏量有限，且在开发过程造成空气污染、环境破坏，因此环保意识抬头的今天，积极开发低污染及低危险性的能源乃为迫切需要。太阳光电能是干净、安全且随处可得的能源，唯其发电成本目前仍然偏高， 因此各国均不断地研发各种相关技术 [1]~[6] ，藉以提高系统效率并降低发电成本。以 日本、德国、荷兰、意大利、奥地利等国而言，虽其日照量及年平均日照时数均不如我国，但仍计画将太阳光电能普及于一般家庭的应用。 以国内而言， 95%以上的能源皆仰赖进口，若能逐渐推广普及太阳光电能系统的使用，虽在整个国家电力来源比例中，尚不能成为主要电力，却能减少煤、油燃料的进口，及污染、二氧化碳的排放量，并且对舒缓尖峰电力负载也有助益。太阳光电池为直流输出之电源，因此需要一操作于高频模式之半桥或全桥式直流 /交流电力转换器， 来将直流电源转换成交流输出， 并与电网并联供电 [3]~[6] 。如图 1 所示为一般太阳光电能并网供电系统之架构图，其中全桥式换流器的开关依序切换，产生弦波式脉宽调变 (Sinusoidal Pulse-Width Modulation: SPWM)[10] 方波， 再经由 LC 低通滤波器滤波后成为弦波电流， 即可与市电并联供电。 然而此系统架构在缺乏日照时 (例如阴天或晚上 )即无法运作， 对系统中既有之切换组件与控制电路而言， 这无疑是一项极大之浪费。因此，在本文中将提出一太阳光电能并网供电与照明系统，以克服上述之缺点。 我们利用同步开关理论 [7] ，并配合不同的脉宽调变方式，可在缺乏日照时将既有之换流器硬件架构移作功因校正与安定器使用，并且兼顾整体系统效率的提升，以期许能将太阳光电能的应用在国内普及化；此外， 加上一双向充 /放电器且再利用既有的全桥式换流器， 本系统又可提供紧急照明。整个系统的设计理念是将既有的硬件架构发挥到淋漓尽致，而仅在控制方式与软件上略加修改。 藉由此系统的研制， 可逐步扩充其容量，并将太阳光电能扩展至其它应用范围，有助于抑制现有发电设备之尖峰负载，并减少对火力及核能发电之依赖。此外，由于本系统需要较复杂之控制程序，所以其控制核心采用数字信号处理器 (TMS320F240)[12] 、 [13] 。图 1. 太阳光电能并网供电系统方块示意图二、系统架构与其操作模式介绍 (范例一 )如图 2 所示，为本文所提出的「多功能太阳光电能并网供电与照明系统」，其中主要包括了太阳能光电板 (Solar Array) 、全桥式换流器、半桥高功因电子安定器、充 /放电器、系统控制器、各式滤波器及继电器。系统的操作模式可分为：(1) 电网并联供电 (Grid Connection)：此模式主要在有阳光照射时运作，电力由光电板输向市电，此时全桥换流器的开关依序切换产生弦波式脉宽调变方波 (Sinusoidal Pulse-Width Modulation: SPWM)[10] ， 经由 L-C 低通滤波器滤波后成为弦波电流，馈入市电。除此之外，系统随时侦测太阳光电板之输出电压、电流，并配合最大功率追踪 (MPPT)法则 [1] 、 [2] ，动态地调整输出弦波电流的大小，以达到最大功率点追踪的功能。(2) 功因校正与安定器：此模式主要在无阳光照射 (例如：晚上 )且需照明时运作，电力由市电经高功因电子安定器供向灯具。经适当的同步操作，并配合不同之控制方式使原有全桥换流器可兼具功因校正与安定器的功能，其电力拓朴结构的推导过程将在下一节作详细之介绍。在此模式下，功率开关 与 只利用其反相并联二极管作为被动开关组件使用；此外，藉由功率开关 与 的交互导通，则可产生高频方波电压源，再经高频 LC 滤波器滤波，即可提供给灯管高频弦波电源做为点灯之用，并可兼具功因校正之功能 [8] 、 [9]。(3) 充 /放电与安定器： 此模式主要在晚上且无市电时运作。 充电器可在平时由市电或太阳光电能供电，而储存足够之能量，等到市电断电而需紧急照明时，则电池放电至大电容 C 上。藉由功率开关 与 的交互导通，可产生高频弦波电源来驱动灯管，并可做调光功能。图 2. 多功能太阳光电能并网供电与照明系统方块示意图三、功因校正与安定器推导本文之主要目的乃在于提供一具有多功能之太阳光电能并网供电与照明系统之电路架构，除了保有将太阳光电能转成交流输出并与电网并联供电的功能外，在缺乏日照时由电网馈入电力，原有之电路架构可同时兼具电子安定器及功因校正的功能，是以可使原有之全桥式电力转换器发挥最大功用， 充分利用了既有之切换组件及控制电路。 经由适当的同步操作，全桥换流器可兼具功因校正与安定器的功能，其电力拓朴结构之推导过程如图 3 所示。图 3(a)示出一直流升压 (Boost)转换器串接一半桥式换流器，其中直流升压 (Boost)转换器负责功因校正，而半桥式换流器则做安定器。若将直流升压 (Boost)转换器改成交流升压 (Boost)转换器，则仍然可做功因校正，其电路示于图 3(b)。接着利用同步开关理论 [7] ，我们将图 3(b)中之与 、 与 做同步操作，则可得到图 3(c)所示的电路架构。最后，将图 3(c)中之二极管 与 换成主动开关 与 ，则可得到如图 3(d)所示的电路图。将图 3(d)的电路与图 2 中之全桥式换流器比较，可知图 2 中之全桥式换流器逆向操作且将 与 看成被动开关时，并藉由 与 的交互导通，可兼具功因校正与安定器的功能。由以上的推导过程可以看出，利用不同之脉宽调变方式来控制全桥式换流器的四个切换组件，可使既有之电路架构发挥最大功用，有效利用控制电路及驱动电路。藉此不仅可以保有原有之换流器功能，且可在缺乏日照时将系统移作高功因电子安定器使用，因此而大大提高系统功能且能降低成本，此乃本系统所欲达成之主要目标。由于白天用电量高，造成尖峰负载问题，所以现有之太阳光电能发电系统皆在白天尽量发电，并且馈入电网，有助于抑制尖峰负载。此系统即根据此理念所设计出之电路结构，在缺乏日照时将其进一步用于点灯，藉此提高系统效能。以一般街灯照明系统为例，有阳光时利用太阳能来发电并馈入电网；至于晚上或无日照时，则不发电，而由市电提供能量用来点灯，因此将本电路架构应用在太阳能街灯系统是非常适合的。(a)(b)(c)(d)图 3. 功因校正与安定器整合电路推导过程四、各操作模式之动作原理分析介绍完本系统之电路架构以及其推导过程之后，在本节之中将针对电网并联供电及功因校正与安定器这两个操作模式，分别分析其电路动作原理。A. 电网并联供电模式：当本系统操作于电网并联供电模式时，图 2 中的 Relay_1 与 Relay-3闭合，而 Relay_2 则接到下方接点； 此外， 因为不需要点灯，所以 Relay_4开启。图 4 为系统操作于此模式下之等效电路图。图 4. 系统操作于电网并联供电模式之电路图本系统采用电压源 (Voltage-Fed)之电流控制 (Current-Controlled) 和电压控制 (Voltage-Controlled) 换流器，来分别达成并联运转及自立运转之功能。 并利用技术已相当成熟的正弦脉波宽度调变 (SPWM)[10] 信号来驱动四个功率开关 ( ~ )，以产生我们所需的弦波输出。其调变方式基本上是由我们所需频率之弦波控制信号与一锯齿波比较所得，如图 5(a)所示。图 4 中之全桥式换流器中，其左臂 ( 与 )及右臂 ( 与 )分别被 与 及之比较信号所控制。而 与 的开关状态如下：当 导通，此时 ，当 导通，此时 ，因此 之波形如图 5(b)所示。同理， 与 开关状态如下：当 导通，此时 ，当 导通，此时 ，因此 之波形即如图 5(c)所示。 在上面四种开关状态的组合下， 其全桥式功率级输出 之电压波形如图 5(d)所示，再经由 LC 滤波器滤波后， 即可产生弦波式输出电压。而 输出电压准位关系如下：(1) ， 导通； , ；(2) ， 导通； , ；(3) ， 导通； , ；(4) ， 导通； , ；使用 SPWM 调变方式的好处在于能使全桥功率级输出电压 之谐波成份，将往高频的开关切换频率为中心移动 [11] 。 如此一来， 我们只须用较小的 L、C 值来作为滤波器，便可达到良好的滤波效果，故可大大缩小换流器的体积和重量。图 5. 全桥式换流器之正弦脉波宽度调变讯号示意图B. 功因校正与安定器模式：当本系统操作在功因校正与安定器模式时，图 2 中的 Relay_1 与Relay_4 闭合，而 Relay_2 则是接到上方的 ；此外，由于此时没有太阳光电能，因此 Relay_3 是开启的。为了方便分析起见，我们将此模式的电路图重画于图 6，图中采用串联谐振并联负载的方式，而 、 分别为谐振电感、电容， 则为灯管等效电阻。图 6. 具功因校正功能的倍压整流型 SRPLI 电路图我们知道在此模式下 与 仅被作为被动开关组件使用，因此图 6 即为一个具功因校正功能的倍压整流型串联谐振并联负载换流器 (SRPLI) 电路图。在此图中，以电感 作为能量缓存器，并取出 A、 B 两点间的方波电压作为 dither 讯号 [8]、 [9] 。将此高频的方波讯号拉到市电输入侧，将经由LC 低通滤波器滤波后，而得到近似于弦波的输入电流，如此即可达到功因校正的功能。在此电路中，每半周期 ( 秒 )的平均输入功率 可以表示如下：(1)其中 为开关切换频率， 为电源频率， 为电源电压峰值， 为电容 C 上之电压 (直流链电压 )， D 则为 的导通周期。由于 可以由总灯管输出功率决定，因此我们可以由上式求出电感 之值。此外，藉由 与 的交互导通，我们可以得到一个如图 7 所示的等效电路图。由于在 较大时，方波电压源 可以用其基本波来近似，此时再利用弦波稳态的相量 (Phasor)观念分析图 7 之电路， 则灯管电压 及电流 可以分别表示如下：(2)及(3)其中 为方波电压源之基本波， ， 。因此灯管输出功率可以表示成(4)图 7. SRPLI 的等效电路图五、仿真与实验结果根据以上的分析结果，我们实际设计一个多功能太阳光电能并网供电与照明系统，其中之规格及重要组件值如下所示：市电： 110V， 60Hz，太阳光电板： SOLAREX MAGA SX-60 × 16，灯管： GE TBX 26W × 4 ( )，mH， F，H，mH， nF，C=470 F， F。针对系统的两个操作模式，我们分别进行计算机仿真及量测一些重要波形，以下将就这些实际量测结果与计算机仿真比较说明：A. 电网并联供电模式：图 8 为系统之全桥式换流器在闭回路控制下，但不与市电并联供电时(称之为自立运转模式 )，其输出电压与电流的仿真与实测波形。除了输出电压在峰值有些许失真，以及输出电流在零交越处稍稍落后电压波形外，输出电压及电流仍近似 60Hz 之正弦波，并与仿真结果十分相近，亦可达到我们的需求。表 1 为此情况下，输出电压的总谐波失真及奇数次谐波大小。(a) (50 V/div, 10 A/div, 5 ms/div)(b) (50 V/div, 10 A/div, 5 ms/div)图 8. (a) 系统