第1章 绪论
1.1 太阳能并网逆变器的设计背景
1.1.1 全球能源危机与环境问题
能源是我们生存的基础，与我们的生活有着不可分离的关系。但是，随着全球工业化的全面展开，物资水平的快速提高，能源物资消耗急剧上升，煤炭、石油和天然气三大化石能源日渐枯竭。可见，能源的匮乏问题逐渐显现，促使着人们去寻找新的能源来改变现今存在的问题。
然而，伴随着能源的大量消耗，由能源消耗导致的问题层出不穷，温室效应气体大量增加，全球气候变暖，空气质量急速下降，污染严重，出现了由污染导致的各种疾病。面临实现经济和社会可持续发展的重大挑战，人类文明的高度发展与地球生存环境的快速恶化已经形成一对十分突出的矛盾。因此，在资源有限和保护环境的双重制约下，人类要解决能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。
在这能源紧缺的时代，我国经济正处于一个飞速发展的时期，工业化正努力与全球工业水平接轨，能源需求量更是远远超过全球平均水平。而在我国的能源结构中，煤是主要的能源物资，消耗量极大，占能源消耗总量的76%。由于大量的消耗煤资源，产生大量的CO与CO2等污染气体，严重的污染了环境。这种不合理的能源结构和低水平的能源利用技术严重阻碍了我国经济的发展。因此，开发利用可再生能源，改变能源结构已成为我国能源战线上十分艰巨而紧迫的任务。
可见，能源的匮乏已成为全球经济发展与人类文明前进的制约因素之一，人类经济要想得到快速的发展和突破，就必须开发新能源，改变能源的供给状况。在二十世纪初，人们发现了太阳能，它的优势正好满足现今社会的要求，能够实现经济发展与环境保护的双赢。太阳能无处不在，储备量丰富，开发利用没有污染，取之不尽用之不竭，是人类的实现可持续发展的最佳能源。随着技术的提高，太阳能的经济优势也逐渐体现，也开始投入了市场经济。我相信，只要我们努力，将来一定能让太阳能取代其他能源，解决能源匮乏、环境污染、温室效应等一系列由化石能源过度使用导致的问题。
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1.1.2 太阳能光伏发电的优势
随着工业文明的不断发展，我们对于能源的需求越来越多。传统的化石能源已经不可能满足要求，为了避免面出现能源枯竭的困境，寻找优质的替代能源成为人们关注的热点问题。可再生能源如水能、风能、太阳能、潮汐能以及生物质能等能源形式不断映入人们的眼帘。水利发电作为最早应用的可再生能源发电形式得到了广泛使用，但也有人就其的环境问题、安全问题提出过质疑，况且目前的水能开发程度较高，继续开发存在一定的困难；近些年来风能的利用也是热点问题，但风力发电存在稳定性不高、噪音大等缺点，大规模并网对电网会形成一定冲击，如何有效控制风能的开发和利用仍是学术界关注的热点。
在剩下的可再生能源形式当中，太阳能发电技术是最有利用价值的能源形式之一。太阳能储量丰富，每秒钟太阳向地球输送相当于 210 亿桶石油的能量，相当于全球一天消耗的能量；一天内达到地球表面的的太阳能总量折合准煤共约5.184?1021吨，是目前世界能源探明储量的1万倍。而我国是太阳能资源十分丰富国家，但是目前的太阳能利用率还不到 1/1000 ，因此在我国大力开发太阳能潜力巨大[20]。到目前为止，太阳自出现以来只消耗了它本身能量的2%，今后足以供地球使用几十亿年，可谓是取之不尽用之不竭，这就决定开发利用太阳能将是人类解决能源匮乏问题行之有效的途径。
太阳能的利用分为“ 光热” 和“ 光伏” 两种，其中光热式热水器在我国应用广泛，光伏是利用光生伏特效应原理，通过半导体材料直接将太阳能转化为电能的一种现代技术，太阳能发电技术具有很好经济性和可持续发展性，具有其他能源无法比拟的优点。
太阳能在地域上不受限制，任何地方的太阳能都可以免费被开发和利用，不存在能源垄断问题，而其他化石能源存在地域性，可为化石能源匮乏的地区解决能源问题；太阳能是最环保的能源，在开发利用时，不消耗燃料，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪声，不会造成污染和公害，更不会影响生态平衡，同时在沙漠上面建造太阳能光伏发电基地，直接降低沙漠地带直射到地表的辐射，有效的降低地表温度，减少蒸发量，稳固并减少沙丘，做到了环保与经济的双赢；太阳能经济性好，相对其他的风能、水能基地建造，太阳能光伏发电系统成本较低、占地面积小、灵活性好（屋顶、墙面等只要能与太阳光线直接接触的地方都可以成为光伏发电基地）。
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1.1.3 国内外太阳能光伏发电的现状与发展
光伏发电技术在本世纪迅速的发展，已成为当今国际电力发展的趋势，成为了电力主导技术，为解决能源匮乏问题提供了很好的平台。早在1839年，法国科学家贝克雷尔发现了光生伏打效应并实验成功，20世纪70年代，随着全球工业的迅速发展，已有的化石能源逐渐减少，人们渐渐将目光投向了可再生能源，希望可以改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。太阳能的廉价、绿色环保、无穷的储备量等独特的优势吸引了人们的眼球。从此，各国都纷纷制定了发展计划：日本于1992年启动了新阳光计划，美国于1997年制定了“百万屋顶”计划，德国也相继制定了可在生能源法规定光伏发电上网电价，瑞士、法国、意大利、西班牙、芬兰等国都纷纷制定光伏发电计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程，直到2006年，世界已经建成10多座MW级光伏发电站[12]。
世界光伏工业从1997年到2001年，5年的年平均增长率达35.5%。2004年世界光伏电池组件的生产量达到1194MW，比2003年的744.26MW增长了60.46%。到2004年底，世界光伏发电的累计装机容量达到4330MW。从世界范围来讲，光伏发电已经成为完成初期开发和示范阶段，现在正向大批量生产和规模应用发展，从最早最为小功率电源发展到现在作为公共电力的并网发电，太阳能光伏发电间达到占世界总量发电量的10%~20%，成为人类基础新能源之一。
我国太阳能资源丰富，与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多，因而有巨大的开发潜能。
我国的太阳能电池的设计始于1958年，1959年研制成功第一个有实用价值的太阳能电池。1971年3月首次成功将太阳能电池应用于我国第二颗人造卫星上。1973年开始在地面应用太阳能电池，1979年开始生产单晶硅太阳能电池。20世纪80年代中、后期，引进国外太阳能电池生产线和关键设备，初步形成生产力达到4.5MW的太阳能光伏产业。其中，单晶硅电池2.5MW，非单晶硅电池2MW，工业组件的转换效率单晶硅电池为11%~13%。非单晶硅电池为5%~6%。20 世纪90年代中、后期，光伏发电产业进入稳步发展时期，太阳能电池组件产量逐渐增加。
经过30多年的努力，21世纪初我国光伏发电产业迎来了快速发展的新阶段。到2004年，我国光伏电池组件的产量约100MW。到2003年底，光伏发电的累计装机容量约达55MW，其中并网发电2MW，占其4%。在这发展期
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间，我国在全国各地斥资建造多座光伏发电基地，级别已经达到兆瓦级。
虽然我国的光伏产业已经形成了较好的发展基础，但在总体上与世界水平相差很大，这些差距主要表现在：生产规模小；技术水平低；高纯度硅材料严重短缺，95%依赖进口；成本价格高，无法实现迅速普及化；缺乏市场培育和开拓的支持政策、法规和措施等因数。达目前为止，我国的光伏并网发电的关键技术与设备仍主要来自于进口，面对如此巨大的技术需求，迅速发展我国的光伏产业也成为我们这一代刻不容缓的任务。
1.2 光伏并网发电系统
光伏系统按照与电网的关系，一般可分为离网光伏系统和并网光伏系统。离网光伏系统不与电网相连，作为一种移动式电源，主要用于给边远无电地区供电。光伏并网系统与电网相连，作为电力系统的一部分，可为电力系统提供有功和无功电能。目前，世界光伏发电系统的主流应用方式是光伏并网发电，即光伏系统通过并网逆变器与当地电网连接，通过电网将光伏系统所发的电能进行分配。
1.2.1 光伏并网系统的组成
光伏发电系统主要由三部分构成：光伏阵列、并网逆变器、电网，其构成如图1-1所示。
其中光伏阵列是光伏并网系统的主要部件，光伏阵列利用光生伏打效应将太阳能直接转换为电能，在通过逆变器将直流电能转换为交流电能并入电网。逆变器主要可以分为电压型逆变器和电流型逆变器，电压型逆变器主要是通过电力电子开关器件连接电感构成，以脉宽调制的形式向电网送电，通过控制器实现最大功率点跟踪，由继电保护装置确保光伏系统与电网的安全。
PV逆变器图1-1 太阳能光伏并网发电系统
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电网
控制器一般采用单片机或DSP作为主控芯片，在本设计中采用的是ATMEGA16为控制器，跟踪最大功率点，实现MPPT控制，提供一个工频交流电源，而对并网同步问题并未涉及。
1.2.2 光伏并网系统的优缺点及对逆变器的要求
与离网运行太阳能光伏发电站比较，并入大电网有很多好处：不必考虑负载供电的稳定性和供电质量问题。光伏电池可以始终工作在最大功率点处，有大电网来接纳太阳能所发出的全部电能，提高了太阳能发电效率。因为直接将电能输入，可以充分利用光伏阵列所发的电力。省略了中间储能环节，降低了蓄电池充放电的能量损耗，免除了对蓄电池环节的维护，以及有蓄电池带来的污染，降低系统成本。并网系统还可以对电网起到调峰作用。但目前还存在主要的三大问题：光伏阵列发电效率低，紫铜成本价高，发电受外界环境影响较大，同时还存在对电网的谐波污染以及孤岛效应。
光伏并网发电系统是将太阳能转换为我们所通用的电能，所以对逆变器有以下要求：
1.额定输出功率为1KW 2.额定输出电压220V 3.额定频率50Hz
4.前级控制电路频率为50KHz 5.输入电压范围150V~310V
6.要求无变压器隔离，尽量减小成本，实现动态响应好
7.直接并入电网，只设计工频交流输出，不考虑并网的后续工作 8.实现高质量的电能输出，要求电流和电压畸变率都小
9.实现系统安全保护要求，如输出过压过流保护，以保证系统的安全性 10.最大功率点跟踪，使光伏阵列输出最大的功率，以提高逆变器效率
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