太阳能光伏发电控制系统的研究.pdf

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 太阳能光伏发电控制系统的研究 姓名：杜慧 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：林永君 20081216 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 本文主要是对光伏发电控制系统的仿真研究。首先介绍了目前国内外太阳能光 伏发电技术的应用及其发展现状。接着分析了光伏电池板的工作原理并进行了仿 真，结果验证了光伏电池的输出特性。然后分析比较了几种最大功率点跟踪的算法， 提出了改进的增量电导法，仿真数据表明新算法不仅适应光强快速变化的特点，而 且能够快速准确地跟踪最大功率点。通过研究三种常用的D C - D C 变换器的工作原 理，提出利用升压式D C D C 变换器实现转换，对参数进行分析后建立了仿真模型。 最后用M A T L A B 对逆变器和整个光伏发电控制系统进行了仿真分析，实验结果证 明系统的控制方法和策略具有实用性。 关键词：光伏电池，最大功率点跟踪，增量电导法，I ) C - D C 变换器，光伏发电控制系统 A l B S T R A C T S i m u l a t i o no nt h ec o n t r o ls y s t e mo fp h o t o v o l t a i c g e n e r a t i o ni s p r e s e n t e di nt h e t h e s i s F i r s t l y , i n t r o d u c i n gt h ep r e s e n t l ya p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no f p h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d S e c o n d l y , a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo ft h e s o l a rp a n e la n db u i l d i n gt h es i m u l a t i o n T h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r mt h eo u t p u to ft h e s o l a rc e l l T h i r d l y , t h et h e s i sa n a l y z e sa n dc o m p a r e sw i t hs e v e r a lt r a d i t i o n a lm a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c ka l g o r i t h m s ，p u t sf o r w a r di m p r o v e dI n c r e m e n t a lC o n d u c t a n c eM e t h o d T h er e s u l t ss h o wt h a ti tn o to n l ym e e t st h ec h a n g e a b l el i g h ti n t e n s i t y , b u ta l s oC a n a c c u r a t e l yt r a c e t h em a x i m u mp o w e rp o i n t R e s e a r c h i n gt h r e eD C D Cc o n v e r t e r s p r i n c i p l e ，p r e s e n t i n gt h a tu s i n gB o o s tD C D Cc o n v e r t e rt or e a l i z ec o n v e r s i o na n d b u i l d i n gt h es i m u l a t i o nm o d e la f t e ra n a l y z et h ep a r a m e t e r s F i n a l l y , s i m u l a t i n ga n d a n a l y z i n gt h eI n v e r t e ra n da l lt h ec o n t r o ls y s t e mo fp h o t o v o l t a i cb yM A T L A B ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o lm e t h o da n ds t r a t e g yi sp r a c t i c a l D uH u i ( C o n t r o lT h e o r ya n dC o n t r o lE n g i n e e r i n g ) D i r e c t e db yp r o f L i nY o n g j u n K E YW O R D S ：P h o t o v o l t a i e C e l l ，M a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k ，I n c r e m e n t a l C o n d u c t a n c eM e t h o d ，D C D Cc o n v e r t e r , t h ec o n t r o ls y s t e mo fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o n 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 本文主要是对光伏发电控制系统的仿真研究。首先介绍了目前国内外太阳能光 伏发电技术的应用及其发展现状。接着分析了光伏电池板的工作原理并进行了仿 真，结果验证了光伏电池的输出特性。然后分析比较了几种最大功率点跟踪的算法， 提出了改进的增量电导法，仿真数据表明新算法不仅适应光强快速变化的特点，而 且能够快速准确地跟踪最大功率点。通过研究三种常用的D C D C 变换器的工作原 理，提出利用升压式D C - D C 变换器实现转换，对参数进行分析后建立了仿真模型。 最后用M A T L A B 对逆变器和整个光伏发电控制系统进行了仿真分析，实验结果证 明系统的控制方法和策略具有实用性。 关键词：光伏电池，最大功率点跟踪，增量电导法，D C - D C 变换器，光伏发电控制系统 A l B S T R A C T S i m u l a t i o no nt h ec o n t r o ls y s t e mo fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ni sp r e s e n t e di nt h e t h e s i s F i r s t l y , i n t r o d u c i n gt h ep r e s e n t l ya p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n t s i t u a t i o no f p h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d S e c o n d l y , a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo ft h e s o l a rp a n e la n db u i l d i n gt h es i m u l a t i o n T h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r mt h eo u t p u to ft h e s o l a rc e l l T h i r d l y , t h et h e s i sa n a l y z e sa n dc o m p a r e sw i t hs e v e r a lt r a d i t i o n a lm a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c ka l g o r i t h m s ，p u t sf o r w a r di m p r o v e dI n c r e m e n t a lC o n d u c t a n c e M e t h o d T h er e s u l t ss h o wt h a ti tn o to n l ym e e t st h ec h a n g e a b l el i g h ti n t e n s i t y , b u ta l s oC a n a c c u r a t e l yt r a c et h em a x i m u mp o w e rp o i n t R e s e a r c h i n gt h r e eD C D Cc o n v e r t e r s p r i n c i p l e ，p r e s e n t i n gt h a tu s i n gB o o s tD C D Cc o n v e r t e r t or e a l i z ec o n v e r s i o na n d b u i l d i n gt h es i m u l a t i o nm o d e la f t e ra n a l y z et h ep a r a m e t e r s F i n a l l y , s i m u l a t i n ga n d a n a l y z i n gt h eI n v e r t e ra n da l lt h ec o n t r o ls y s t e mo fp h o t o v o l t a i cb yM A T L A B ，t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o lm e t h o da n ds t r a t e g yi sp r a c t i c a l D uH u i ( C o n t r o lT h e o r ya n dC o n t r o lE n g i n e e r i n g ) D i r e c t e db yp r o f L i nY o n g j u n K E YW O R D S ：P h o t o v o l t a i cC e l l ，M a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k ，I n c r e m e n t a l C o n d u c t a n c eM e t h o d ，D C D Cc o n v e r t e r , t h ec o n t r o ls y s t e mo fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o n 声明尸叫 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文太阳能光伏发电控制系统的研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 华北电力大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 太阳能光伏发电的意义和背景 太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分，随着全球经济的发 展，能源问题也成为发展过程中一个重要问题。现在的能源结构里主要的能源还是 化石能源如煤、石油、天然气【l 】，随着科技的发展和人口的增长，人类对能源的需 求也不断增长。与此同时，人们对保护环境的重要性也有了越来越明确的认识。当 前，由于燃烧石化燃料，每年有数十万吨硫等有害物质抛向天空，严重破坏了大气 臭氧层，加剧了温室效应，局部地区形成酸雨，使大气环境遭受了严重污染。如不 积极采取措施，保护生态环境，将会严重威胁到人类社会的生存空间。因此，无论 是从确保长期的能源供应，还是从保护环境的角度出发，开发利用取之不尽而又没 有公害的新能源己是势在必行。 这些问题最终将迫使人们改变能源结构，寻找清洁的替代能源。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。 据预测，到本世纪中叶可再生能源在世界能源结构中将占到5 0 以上，包括太阳能 在内的可再生能源在本世纪将会以前所未有的速度发展，逐步成为人类社会基础能 源的重点。太阳能具有独特的优势，其开发利用必将在2 1 世纪得到长足的发展， 并终将在世界能源结构转移中担当重任，成为2 l 世纪后期的主导能源【1 1 。太阳能资 源开发利用有如下优点： ( 1 ) 储量丰富。太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大； ( 2 ) 使用时间久并且分布范围广。太阳按目前功率辐射能量其时间约可持续1 0 0 亿 年；同时，太阳能对于绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用； ( 3 ) 太阳能是真正的无污染排放、不破坏环境的可持续发展的绿色能源； ( 4 ) 利用场合广泛和灵活，既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行； ( 5 ) 发电的效率不随发电规模的大小而变；就地可取，无需运输。 1 2 国内外太阳能光伏发电应用的现状 太阳能、风能、地热能、核能等清洁能源已经逐渐受到了人类的重视，而这其 中，太阳能无疑处于最突出的地位。从发电、取暖、供水到各种各样的太阳能动力 装置，其应用十分广泛，在某些领域，太阳能的利用己经开始进入实用阶段。太阳 能的应用领域非常广泛，但最终可归结为太阳能热利用和光利用两个方面。太阳能 可以转换成多种其它形式的能量，比如热能、氢能、机械能、生物能、电能等等【2 】， 由于电能是现代工业中最常用的直接能源，因此由太阳能直接转化成电能是太阳能 l 华北电力大学硕士学位论文 利用中最具有前景的方式。 1 2 1 世界太阳能光伏发电的发展现状 世界光伏工业从1 9 9 7 年至2 0 0 1 年，5 年的平均年增长率达3 5 5 。2 0 0 4 年世 界光伏电池组件的生产量达到1 1 9 4 M W ，比2 0 0 3 年的7 4 4 2 6 M W 增长了6 0 4 6 。 到2 0 0 4 年底，世界光伏发电的累计装机容量达到4 3 3 0 M W 。在产业化方面，光伏 企业的生产规模从1 0 “ “ 5 0 M W a ，发展到5 0 “ - - “ 1 0 0 M W a ，并正在向1 0 0 “ - “ 5 0 0 M W a 的规模扩大。商品化晶体硅光伏电池的效率，从1 0 1 3 提高到1 3 “ - - 1 7 。新 世纪伊始，众多国家纷纷制定雄心勃勃的发展规划，推动光伏技术和产业的发展。 日本通产省第二次新能源分委会提出，2 0 1 0 年光伏发电装机达到5 G W ；欧盟可再 生能源白皮书及相伴随的“起飞运动2 0 1 0 年的目标是，光伏发电装机达到3 G W ： 美国能源部国家光伏工业规划的目标是，光伏发电装机达到4 7 G W ；澳大利亚提出， 2 0 1 0 年光伏发电装机达到0 7 5 G W 。如果再加发展中国家近年一直保持占世界光伏 组件总产量1 0 左右的装机量，预计到2 0 1 0 年世界光伏系统累计安装容量将达到 1 5 G W 。这意味着未来5 年，世界光伏产业将以2 8 左右的年平均速度发展，成为 世界上发展最快的一个产业。各国可再生能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计划、 各种减免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的发展提供 了良好的基础。光伏发电的应用领域将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会 的替代能源过渡。预测到2 1 世纪中叶，太阳能光伏发电将达到占世界总发电量的 1 0 - - - 2 0 ，成为人类的基础能源之一。 1 2 2 国内太阳能光伏发电的发展现状【3 4 】 在产业及产品方面，经过4 0 多年的努力，中国的光伏发电技术已具有一定的 水平和基础。到2 0 0 4 年底，已建成1 0 多个初具规模的光伏电池专业生产厂，晶体 硅光伏电池用硅片的年生产能力约为5 4 M W ，晶体硅光伏电池的年生产能力约为 5 7 M W ，非晶体硅电池组件的年生产能力约为1 0 M W ，光伏电池组件的年生产能力 在1 5 0 M W 。中国光伏电池的主要产品是单晶硅电池、多晶硅电池和非晶硅电池。 商品单晶硅电池组件的转换效率为1 1 1 5 。商品多晶硅光伏电池组件的转换效 率为1 0 1 4 。商品非晶硅光伏电池组件的转换效率为4 6 。 在应用与市场方面，中国光伏发电的地面应用始于1 9 7 3 年。3 0 多年来，系统 技术不断提高，应用项目不断增多，市场不断扩大。1 9 8 0 年以前，应用项目有限， 功率很小，光伏电池年销售量不超过1 0 k W 。由于电池价格昂贵，1 9 8 5 年以前，主 要是作为航标灯、铁路信号灯等的电源，功率不大。这是中国光伏发电技术市场应 用的初级阶段。2 0 世纪8 0 年代后期，随着几条光伏电池生产线的引进，光伏电池 价格大幅度下降，产量大大提高，应用领域不断开辟，市场大为拓展。9 0 年代以来， 2 华北电力大学硕士学位论文 改革开放的大好形势为光伏技术的广泛应用和市场开拓创造了有利条件，光伏电池 已不再是仅仅作为小功率电源使用，而是扩展到通信、交通、石油、气象、国防、 农村电气化以及民用等国民经济的各类不同应用领域，光伏电池用量每年在以2 0 以上的速度递增。到2 0 0 3 年底，中国光伏发电的累计装机容量约达5 5 M W 。2 0 0 4 年国家发改委起草了一个中国可再生能源开发战略规划( 2 0 0 6 “ 2 0 2 0 年) ( 草案) ， 描绘了我国中长期新能源和可再生能源发展的蓝图，是一个宏伟的计划，令人鼓舞。 但是，与发达国家相比还存在相当大的差距。首先，我国生产规模较国外比较小、 产业链不完整，技术水平低。其次，平衡设备薄弱落后，特别是并网逆变器和智能 控制器的差距更大。同时，专用材料的国产化程度不高，光伏电池成本价格尚高， 标准规范也不够健全。因此，我国光伏产业在国内外市场上仍面临着非常严峻的考 验。 1 3 太阳能光伏发电系统概述 通过太阳能电池( 又称光伏电池) 将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太 阳能电池发电系统( 又称太阳能光伏发电系统) 。太阳能发电是将太阳光能直接转 换成电能的转换方式，包括光伏发电、光化学发电、光感应发电等。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。地面太阳能光伏发电系统的运行方式，主要可分为离网运行和联网运行 两大类。 1 3 1 光伏发电系统的原理 光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。光伏电池为系统的基 本单元，它是由太阳能电池单体串、并封装成的组件，根据系统的需要，太阳能电 池再串、并联连接并装在支架上构成太阳能电池阵列( P V A r r a y ) 。在光伏电池的两 侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出， 这样太阳能电池就把太阳能直接转换成了电能【5 】。 光伏发电系统，是利用光伏电池方阵将太阳能转化为电能并储存到系统的蓄电 池中或直接供负载使用的可再生能源装置。其工作原理是：白天，光伏电池组件接 收太阳光，转换为电能，一部分供给直流或交流负载工作；另一部分多余的电量可 通过防反充二极管给蓄电池组充电，在夜晚或阴雨天，光伏电池组件无法工作时， 蓄电池组供电给直流或交流负载工作。 1 3 2 光伏发电系统的基本组成 光伏发电系统般是包括光伏电池板、D C D C 变换装置、储能装置、电能输出 变换装置、控制器五大部分。 3 华北电力大学硕士学位论文 光 交 伏 控制器 D C A C 交流连流 电 ( M P P T ) r 接装置 斗 池 D C D C 上7 逆变器 电 I 一! 一一t 网 直流负荷蓄电池交流负荷 图1 - 1 光伏发电系统组成 ( 1 ) 光伏电池板：光伏电池板是系统的基本单元，当光照在电池阵列上时，电池吸收 光能并产生光伏效应，将太阳能转化为直流电能。 ( 2 ) 太阳能控制器：由于光伏电池阵列具有强烈的非线性特性，为保证光伏电池阵列 在任何日照和环境温度下始终可以输出相应的最大功率，通常引入了光伏电池最 大功率点跟踪( M P P T - M a x i m u mP o w e rP o i n tT r a c k i n g ) 控制。 ( 3 ) D C - D C 变换装置：通过控制回路中功率器件的导通与关断，将光伏电池阵列输 出的低压直流电升压成高压直流电，为D C A C 逆变器的工作提供前提条件，能 保证在直流输入电压大范围变化的情况下输出稳定的高压直流电，并同时实现最 大功率跟踪控制功能。 ( 4 ) 逆变器：逆变器的作用就是将光伏电池板和蓄电池提供的低压直流电逆变成2 2 0 伏交流电，供给交流负载使用。 ( 5 ) 储能装置：蓄电池组一般是由一定数量的铅酸蓄电池经由串、并联组合而成，其 容量的选择应与光伏电池阵列的容量相匹配。该部分的主要作用是光伏电池阵列 发出的直流电直接储存起来，供负载使用。 1 3 3 光伏发电系统的分类 根据太阳能光伏发电系统的运行方式，主要可分为离网运行和联网运行两大 类。未与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统称为离网太阳能光伏发电系统，又 称为独立太阳能光伏发电系统，主要应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊处 所。与公共电网相联接的太阳能光伏发电系统称为联网太阳能光伏发电系统，它是 太阳能光伏发电系统进入大规模商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一的重 要方向，是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。 1 4 本文所研究的内容 本文所研究的内容分为以下几个方面： ( 1 ) 分析光伏电池的输出特性，用M A T L A B S I M U L I N K 软件建立光伏电池模型，并 且对光伏电池板在不同环境温度及不同日照强度下的光伏电池输出电流、电压、 4 华北电力大学硕士学位论文 功率进行了仿真，为最大功率点跟踪控制算法的研究奠定基础。 ( 2 ) 分析现有最大功率点跟踪控制算法的工作原理及优、缺点，在此基础上并根据光 伏发电系统的一般结构，提出了一种改进的增量电导法，它能够弥补在光照强度 发生迅速变化的情况下，有效跟踪到光伏电池板的最大功率点，弥补了常用的电 压或电流扰动法的不足，同时保证跟踪的动稳态性能。 ( 3 ) 比较分析了三种常用的D C D C 变换器的工作原理，在本文中提出利用升压式 D C - D C 变换器实现转换，并对参数进行分析，用M A T L A B S I M u L I N K 中的 S i m P o w e rs y s t e m s 和电路分析法两种方式建立升压式D C - D C 变换器的仿真模 型。 ( 4 ) 用M A T L A B S I M U L I N K 中的S i m P o w e rs y s t e m s 建立了D C - A C 逆变器的仿真模 型，同时把光伏电池板模型和最大功率跟踪算法应用到D C - D C 变换器中，再加 入D C - A C 逆变器对整个光伏发电控制系统进行了仿真。 华j 艺电力大学硕士学位论文 第二章光伏电池的原理及特性仿真 2 1 光伏电池的种类 光伏电池是利用半导体材料的电子特性把太阳能直接转换成电能的一种固态 器件。它的种类很多，可按照不同的方法迸行分类，如按照结构的不同可分为同质 结光伏电池、异质结光伏电池、肖特基光挟电池、多结光伏电池和液结光伏电池。 根据材料不同又可分为硅光伏电池、化合物半导体光伏电池、有机半导体光伏电池、 薄膜光伏电池。其中常用的光伏电池是硅光伏电池，包括单晶硅光伏电港、多晶硅 光伏电池和非晶硅光伏电池。单晶硅光伏电池是当前开发最快的一种光伏电池，它 的结构和生产工艺已定型，产品已广泛用于空间和地面。但由于所使用的单晶硅材 料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，致使材料的成本比较昂贵。单晶硅 光伏电池的制造成本最高，但光电转化效率也最高，最高的达到2 5 。目前多晶硅 光伏电池使用的是多晶硅材料，多晶硅光伏电池的晶体方向的无规则性，意味着正 负电荷对并不能全部被P N 结电场所分离，因为电荷对在晶体与晶体之间的边界上 可能由于晶体的不规则而损失，所以多晶硅光伏电池的效率比一般的单晶硅要稍 低，一般的光电转换效率约为1 2 左右。由于其材料制造简便，节约电耗，总的生 产成本较低，因此得到大量发展。非晶硅光伏电池诞生于1 9 7 6 年，它与单晶硅和 多晶硅光伏电池的制作方法完全不同，硅材料消耗很少，电耗更低。非晶硅光伏电 池具有较高的转化效率、成本低和重量轻的优点，具有极大的市场潜力。非晶硅尽 管是一种很好的光茯电池材料，健它对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，而且光电 转化效率会随着光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退效应，这样限制了非晶 硅光伏电池的转换效率和稳定性，直接影响了实际应用。如果能进一步解决稳定性 闯题并提高转换率，非晶硅光伏魄池无疑是光伏电池的主要发展方向。 2 2 光伏电池的工作原理 光伏电池单体是用于光电转换的最小单元，它的尺寸一般为4 c m z 到1 0 0 c m 2 。 通常光伏电池单体的工作电压范围为0 4 5 “ - 0 5 0 V ，工作电流范围为2 0 - - - 2 5 m A c m z ， 通常不能单独作为电源使用。光伏电池是以半导体P N 结上接受太阳光照产生光生 伏特效应为基础，直接将光能转换成电能的能量转换器。它的物理基础是两种不同 半导体材料构成的大面积P - N 结，以及非平衡少数载流予在P N 结内建电场作用 下形成的漂移电流。用适当波长的光照射到半导体P - N 结时，半导体吸收光能后， 半导体内的原子获得光能后产生电子空穴对，并在势垒区内建电场的作用下，发生 漂移运动丽分离，电子被送入N 型区，空穴被送入P 型区，使N 型区有过剩的电子， 6 华北电力大学硕士学位论文 P 型区有过剩的空穴。这样，就在P N 结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生 电场。光生电场的一部分与内建电场相抵消，其余的使P 型区带正电，N 型区带负 电，这种现象被称为光生伏特效应。P 型区和N 型区产生的光生载流子，在内建电 场的作用下，反方向穿过势垒，形成光电流1 6 】，在P N 结短路情况下构成短路电流 。在P - N 结开路情况下，P N 结两端建立起光生电势吃，这就是开路电压。如 将P N 结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，P N 结起 了电源的作用，这就是光伏电池的基本工作原理。显然，光伏电池之所以能在光照 下形成短路电流。，开路电压吃，都是由于材料内部存在内建静电场的缘故。若 在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”流过，从而获 得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可以付诸实用的电能。 2 3 光伏电池的特性 2 3 1 光伏电池的数学模型 当光照恒定时，由于光生电流吐不随光伏电池的工作状态而变化，因此在等效 电路中可以看作是一个恒流源【7 1 。光伏电池的两端接入负载R 后，光生电流流过负 载，从而在负载的两端建立起端电压V 。负载端电压反作用于光伏电池的P N 结上， 产生一股与光生电流方向相反的电流J J 。此外，由于光伏电池板前后表面的电极以 及材料本身所带有的电阻率，当工作电流流过板子时必然会引起电池板内部的串联 损耗，故引入串联电阻尺。它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电 极与硅表面间接触电阻和金属导体电阻等组成。串联电阻越大，线路损失越大，光 伏电池输出效率越低。在实际的太阳能光伏电池中，一般串联电阻都比较小，大都 在1 0 - 3 欧至几欧之间【8 1 。另外，由于制造工艺的因素，光伏电池的边缘和金属电极 在制作时可能会产生微小的裂痕、划痕，从而会形成漏电而导致本来要流过负载的 光生电流短路，因此引入一个并联电阻R 。来等效。相对于串联电阻来说，并联电阻 比较大，一般在1 如以上。足和R 岿均为光伏电池本身固有电阻，相当于光伏电池 的内阻。一个理想的光伏电池，因串联的R s 很小、并联的尺。很大，所以进行理想 电路计算时，它们都可忽略不计。光伏电池的等效电路如图2 - 1 所示。 由太阳能光伏电池等效电路可得出： I = I 荫一I d I 曲 ( 2 1 ) 其中卜流过负载的电流： ，。一与日照强度成正比例的光生电流； J d 一流过二极管的电流： ，一太阳能光伏电池的漏电流。 7 华北电力大学硕士学位论文 R s 图2 - 1光伏电池等效电路 R 而= 毛 e x 掣H 上式中，气一光伏电池暗饱和F g 流( - - 般而言，其数量级为1 0 。A ) ； q _ 电子电荷( 1 6 x l O 1 9 C ) ； K 一玻耳兹曼常数( 1 3 8 x 1 0 粥J K ) ； T 一绝对温度( = t + 2 7 3 K ) ； A P N 结理想因子，一般余于I 和2 之闻； 如一光伏电池并联电阻； 磁一光伏电池串联电阻。 热气= 啊e X p 鲁阱) 霉一参考温度( 3 0 1 1 8 。芷) ； 一霉下的暗饱和电流( A ) ； E a o 一半导体材料的禁带宽度( J ) ； B P N 结理想因子，一般介于1 和2 之间； 此妣屯= 1 v + 一x R s 所以，综合公式( 2 - I ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 可得 肺一乞H 掣卜卜警 I 曲。 S C R + K t 姆一2 9 8 ) 志 其中 k 一标准测试条件下光伏电池的短路电流( A ) ： 一一天一光照强度W r t l 2 ) ； K 一短路电流的温度系数( 纠o K ) ； ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ( 2 - 4 ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 华北电力大学硕士学位论文 在不同的温度、日照强度下有不同的短路电流并且与日照强度成正比，与 温度成一定的线性关系。同样，开路电压吃也与二者有密切的关系，关系如下【9 】： 吃= + 坼仃一2 9 8 ) ( 2 7 ) 其中，为标准测试条件下的开路电压，K r 为开路电压的温度系数。 注：光伏电池温度为2 5o c 日照强度为1 0 0 0 t V m 2 ，称之为标准测试条件S T C 。 一般讨论实际等效电路时，可忽略尺。或R 对于光伏电池等效电路进行分析 可以发现，串联电阻R 。越大，则短路电流会越小，但不会对开路电压造成大影响； 并联电阻R 。越大，则开路电压会变小，但不会影响到短路电流。在发电效率上，似 乎输出电流对输出功率的影响程度会较大，加上影响开路电压的因素除了R 。外还包 括二极管的电流值，因此对尺。光伏电池的发电效率的影响就较为明显。因此，在下 面的讨论中将忽略足。，并且得到简化的光伏电池输出特性方程如公式( 2 8 ) - H 肪一L H 掣H 治8 ， 2 3 2 光伏电池的输出特性 光伏电池工作环境的多种外部因素，如光照强度、环境温度、粒子辐射等都会 对电池的性能指标带来影响，而且温度的影响和光照强度的影响还常常同时存在。 2 3 2 1 光谱响应 分析光伏电池的光谱响应，通常是讨论它的相对光谱响应，其定义是，当各种 波长以一定等量的辐射光子束入射到光伏电池上，所产生的短路电流与其中最大短 路电流相比较，按波长的分布求其比值变化曲线即为相对光谱响应。而绝对光谱响 应指的是，当各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到光伏电池上，将产生不 同的短路电流，按波长的分布求出对应的短路电流变化曲线。 对于不同波长的入射太阳光之不同波长光分量，硅型光伏电池有不同的灵敏 度，能够产生光生伏特效应的太阳辐射波长范围一般在O 4 1 2 9 m 左右的范围内， 不论是波长小于0 4 9 m 太阳光分量辐射，还是波长大于1 2 1 t m 的太阳光分量辐射， 都不能使硅型光伏电池产生光生电流：而硅型光伏电池光谱响应最大灵敏度在O 8 O 9 5 1 t m 之间。 2 3 2 2 温度特性和光照特性 光伏电池的温度特性指的是，光伏电池工作环境温度和电池吸收光子后使自身 温度升高对电池性能的影响；由于光伏电池材料内部的很多参数都是温度和光照强 度的函数，如本征载流子浓度、载流子的扩散长度、光子吸收系数等，所以反映到 光照特性指的是硅型光伏电池的电气性能与光照强度之间的关系。 q 华北电力大学硕士学位论文 如图2 2 为某一硅型光伏电池的输出电压和和输出电流之间的关系，I V 特性 曲线表明：光伏电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供任意大的功率， 是一种非线性直流电源。输出电流在大部分工作电压范围内是相对恒定，最终在一 个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。曲线上的每一点都是唯一对应着光伏电 池在该点工作电压下的输出功率，己表示对应于该日照强度和环境温度下的光伏电 池所能输出的最大功率，U 。和，。则表示光伏电池输出最大功率时所对应的工作点 电压和电流。 嫣 锄 图2 - 2 光伏电池输出特性 光伏电池阵列的几个重要的技术参数： ( 1 ) 短路电流( J 。) ：在给定的日照强度和温度下的最大输出电流： ( 2 ) 开路电压( 圪) ：在给定的日照强度和温度下的最大输出电压； ( 3 ) 最大功率点电流( ，。) ：在给定的日照强度和温度下相应于最大功率点的电流： ( 4 ) 最大功率点电压( 玑) ：在给定的日照强度和温度下相应于最大功率点的电压； ( 5 ) 最大功率点功率( 只) ：在给定的日照强度和温度下阵列可能输出的最大功率， 己= LX 。 由上图看出，在最大功率点左侧，光伏电池的输出功率随着工作点电压的增加而增 大；在最大功率点右侧，光伏电池的输出功率随着工作点电压的增加而减小。 2 4 光伏电池的建模与仿真 2 4 1 光伏电池模组与阵列 单体光伏电池又称为光伏电池片( c e l l ) ，是光伏电池的基本单元。在使用光伏 电池供电时，光伏电池片容量较小，输出电压只有零点几伏、输出峰值功率也只有 l O 华北电力大学硕士学位论文 1 W 左右。一般不能满足负载用电的需要，也不便于安装使用，所以通常不直接使 用。因此要将几片、几十片或者几百片单体光伏电池根据负载需要，经过串、并联 连接起来构成组合体，再将组合体通过一定的工艺流程封装在透明的薄板盒子内， 引出正负极引线，方可独立发电使用。封装前的组合体称之为光伏电池模块组件 ( m o d u l e ) ；而封装后的薄板盒子称之为光伏电池组合板( 简称光伏电池板) 。此外， 还可将若干个光伏电池根据负载容量大小要求，再串、并联组成较大功率的实际供 电装置，称之为光伏阵列。 在构成光伏阵列时，根据负荷用电量、电压、功率、光照情况等，确定光伏电 池的总容量和光伏电池的串、并联数量。当将光伏电池板串联使用时，总的输出电 压是单个电池组件工作电压之和，而总的输出电流受原有电池组件中工作电流最小 的一组件所限，总的输出电流只能等于该电池组件的电流。所以要选择工作电流相 等或者近似相等的电池组件方可串联使用，以免造成电流浪费。若将电池组件并联 使用时，总的输出电压是各电池组件工作电压的平均值，而总的电流为单个电池组 件工作电流之和。据此可以得到光伏电池模组的输出特性方程吲： ，= 行p ，砷一刀，L e x p i 里冬三象字f 一 ( 2 9 ) 其中n 。、玎，分别为模组中光伏电池的并联、串联个数。同样，光伏电池阵列【9 】( A r r a y ) 是由许多小单位的模组经由并联或串联组合所组成的。 表2 1天威英利7 5 W 光伏电池板在标准测试条件下的参数 电气特性规格 额定最大功率7 5 ( W ) 额定电流，哪 4 4 ( A ) 额定电压 1 7 ( V ) 短路电流，硝 4 8 ( A ) 短路r g 玉, k 2 1 7 ( V ) 短路电流温度系数K ，2 0 6 ( m A o C ) 短路电压温度系数K r 一0 7 7 ( m V o C ) N O C T ( N o r m a lO p e r a t i o nC e l lT e m p e r a t u r e )4 5 2 ( o C ) 华北电力大学硕士学位论文 表2 1 列出了天威英利公司生产的7 5 W 的光伏电池模组的各项参数。它由3 6 个单结晶矽光伏电池串联而成，根据公式( 2 - 9 ) ，得到该光伏电池模组的输出特性 方程： 川脚一L H 掣 1 ) ( 2 - 1 0 ) 2 4 2 光伏电池的仿真实现 在公式( 2 6 ) 中的未知量有，L 以及足，下面对这三个未知量进行讨论， 分别建立模型。 ( 1 ) 求解未知量，砷 根据公式( 2 6 ) 建立。子模块如图2 - 4 所示： t w t u 2 ) 图2 4 j 一子模块 ( 2 ) 求解未知量L 当外部负载短路时，可肚此时k L H 呜判斗。 因此可得L = e x 彳p L q I , 卯 - 1 根据公式( 2 7 ) 可先建立吃子模块如图2 - 5 所示。 图2 - 5 子模块 1 2 华北电力大学硕士学位论文 令l ：型竖则建立l 子模块如图2 6 所示，并且得到公式( 2 一I I ) g L 2 哥I p h K 图2 - 6K 子模块 根据公式( 2 1 1 ) 可建立L 子模块如图2 - 7 所示。 ( 2 1 1 ) 图2 7L 子模块 ( 3 ) 求解未知量R s 在最大功率点处，有 卟L H 骘斟一) ( 2 一1 2 ) 若取理想因子A - 1 ，则在温度T = 2 5 。C 、K 2 5 6 8 m V 下，则在标准测试条件下 的串联等效电阻 B = = 0 5 4 5 6 Q 若得知在不同T 、入下的最大功率点( ，l m p p ) ，就可求得不同气候条件下 的咫。但由于数据有限，并且R s 值较小，可采用R s 恒定的方法来近似模拟。 1 3 一 兰 盟 一 矽 ，一 L 唧争 肪 一 ，一 一 P h 一 形一 型 华北电力大学硕士学位论文 完成上述三个未知量的求解，根据公式( 2 一1 2 ) 即可实现光伏电池模组的建模， 如图2 8 。采用V 、T 、x 作为输入，I 、P ( 输出功率P = i U ) 作为输出。输入变量V 在0 - - 一2 5 V 之间，模拟温度T = 2 5 。C 、日照强度在2 0 0 “ - 1 0 0 0 W m 2 ，得到光伏电池 模组的I V ，P V ，P I 关系如图2 8 ( a ) ( b ) ( c ) ：模拟温度T 在0 1 0 0 。C 、日照 强度入= 1 0 0 0 W m 2 时，光伏电池模组的I V ，P V ，P I 关系如图2 9 ( a ) ( b ) ( c ) 。 趟 耻 煺 御 遥 # 碍 督 f t ； 牮 # 糌 器 正 U ( 电压单位：V ) ( a ) u ( 电压单位：V ) ( b ) I ( 电流单位：A ) ( c ) 图2 - 8 在大气温度相同( 2 5 0 C ) ，不同的光照强度下，光伏电池模组对光照量变化的特性 曲线图；( a ) 光伏电池模组的输出电流I 与输出电压U 的关系图；( b ) 光伏电池模组的输 出功率P 与输出电压U 的关系图；( c ) 光伏电池模组的输出功率P 与输出电流I 的关系图。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 在温度为o 1 0 0 。C ，光照为1 0 0 0 W m 2 的强度下，仿真结果如下： 趟 岳 嫣 铆 1 2 0 1 0 0 事8 0 逍 ：卧 褂 督4 0 正 2 0 0 u ( 电压单位：V ) ( a ) 05 1 2 0 1 0 0 吝8 0 趔 碍6 0 褂 唇4 0 正 2 0 1 0 1 52 02 5 3 0 u ( 电压单位：V ) ( b ) 1 5 华北电力大学硕士学位论文 由以上两图可知，温度相同时，随着日照强度的增加，光伏电池的开路电压几 乎不变，短路电流有所增加，最大输出功率增加；日照强度相同时，随着温度的升 高，光伏电池的开路电压下降，短路电流有所增加，最大输出功率减小。 2 5 本章小结 太阳能作为绿色能源，是今后几年重点发展对象之一。光伏电池利用太阳光发 电，将太阳能转换为电能输出功率。本章首先介绍了光伏电池的分类和工作原理， 接着介绍了光伏电池的特性，最后对光伏电池模组进行了仿真分析和研究，仿真结 果验证了光伏电池的输出特性。光伏电池的输出受到电池表面温度、日照强度等外 界环境因素的影响，并且具有明显的非线性。因此，当外界因素发生变化时，光伏 电池很难保证最大功率的输出，从而造成能源上的浪费。光伏电池转换效率低成为 光伏系统的一个主要问题。因此，如何进一步提高光伏电池的转换效率，一直是整 个光伏系统研究过程中的重要方向。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 第三章最大功率跟踪算法的研究 3 1 最大功率点跟踪的概念及研究进展 3 1 1 概念 常规恒压供电系统的运行特性可以用比较简单的数据来描述。由于太阳光强度 是自然环境的函数，受天气的影响，因此光伏电池系统是一个随机的并且不稳定的 供电系统，对系统的控制要比常规电网供电系统复杂得多。在常规的电气设备中， 为使负载获得最大功率，通常要进行恰当的负载匹配，使负载电阻等于供电系统( 或 电气设备) 的内阻，此时负载上就可以获得最大功率。对于一些内