（通信与信息系统专业论文）光伏发电系统自适应控制研究.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： l i i iiii iiiii i iii i i iiii y 18 0 7 8 7 7 ad is s e r t a ti o nf o rt h ed e g r e eo fm e n g t h er e s e a r c ho f a d a p t i v ec o n t r o lf o r p h o t o v o l t a i cp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m c a n d i d a t e ：l it i n g s u p e r v is o r ： a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ： s p e c i a l t y ： d a t eo fs u b m is s i o n ： d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ： p r o f e s s o rl iw e n x i n g m a s t e ro fe n g i n e e r i n g c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m s m a r c h ，2 0 1 0 m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y i-rl 卜l l i r 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 奉论义不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：字学 日期：劲f d 年弓月“日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学，涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 啦授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口解 密后) 由哈尔滨工程大学送交有关 作者( 签字) ：唇号 日期：2 d 妒年弓月c 占日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 光伏系统是当今及未来新能源发电的研究热点，随着微电子技术的进一 步发展，光电转换效率的进一步提高，光伏系统在未来的生活实践中会得到 越来越广泛的应用。在现有的光电转换效率下，如何提高光伏电池输出的能 量是应用领域研究的重点。光伏发电系统自适应控制即是在这种背景下提出 来的。 本文针对现有技术，提出两点思想来改善能源利用率。第一，通过跟踪 太阳的角度来使光伏电池最大限度的获取直射光照；第二，利用开关逆变器 的软负载特性，在系统中引入逆变器改变系统的阻抗，使得系统能够阻抗匹 配，从而获取光伏电池的最大功率点。 本文首先介绍了光伏发电系统的组成，并对各模块作了详细的介绍；然 后分析了光伏电池的电气特性，并基于其电气特性介绍了现有常用的最大功 率点跟踪算法，同时基于现有技术的一些缺点提出改进方案，即在对环境做 出判断的基础上，根据固定电压法和导纳增量法跟踪光伏电池的最大功率点， 此方法能够快速稳定的跟踪到最大功率点；接着介绍了主逆变电路c u k 电路， 利用s i m u l i n k 软件结合控制策略对系统进行了有效的仿真。本文设计出了 一套硬件系统，实验表明系统能完成阻抗变换的功能，可以比较顺利的完成 光伏电池的最大功率跟踪。 关键词：光伏电池；光跟踪；最大功率跟踪；c u k 哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t p vs y s t e m sa r ec u r r e n ta n df u t u r er e s e a r c hf o c u so fn e we n e r g yp o w e r g e n e r a t i o n w i t ht h ef u r t h e rd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dt h e f u r t h e ri m p r o v e dp h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , ib e l i e v ep vs y s t e m si n p r a c t i c e ，i nd a i l yl i v e s ，w i l lb em o r ea n dm o 他w i d e l yu s e di nt h ef u t u r e b yt h e e x i s t i n go ft h ep h o t o e l e c t r i cc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , h o wt oi m p r o v et h ee n e r g y o u t p u to fp h o t o v o l t a i cc e l l si st h ef o c u so ft h es t u d yi na p p l i c a t i o na r e a i nt h i s c o n t e x ta d a p t i v ec o n t r o lo fp vs y s t e m st h a ti sp u tf o r w a r d i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h e e x i s t i n gt e c h n o l o g yp u tf o r w a r dt w oi d e a st o i m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c y f i r s t l y , b yt r a c k i n gt h ea n g l eo ft h es u nt om a k e p h o t o v o l t a i cc e l l st om a x i m i z ea c c e s st od i r e c ts u n l i g h t ；s e c o n d l y , t h eu s eo ft h e s o f tl o a dc h a r a c t e r i s t i c so fi n v e r t e rs w i t c h i n g ，t h ei n t r o d u c t i o no fi n v e r t e ri nt h e s y s t e mt oc h a n g et h ei m p e d a n c eo fs y s t e m , a l l o w st h es y s t e mt om a t c h i n g i m p e d a n c ei no r d e rt og a i nm a x i m u mp o w e rp o 硫o fp v c e l l s t h i sa r t i c l ef i r s ti n t r o d u c e dt h em a i np a r to ft h ec o m p o s i t i o no fp vs y s t e m s ， a n dp r o v i d e dad e t a i l e dd e s c r i p t i o no fe a c hm o d u l e ；a n dt h e na n a l y z e dt h e e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f p h o t o v o l t a i cc e l l s ，a n db a s e do ni t s e l e c t r i c a l c h a r a c t e r i s t i c sd e s c r i b e dt h ee x i s t i n gc o n l l n o na l g o r i t h mo fm a x i m u m p o w e rp o i n t t r a c k i n g ，a tt h es a m et i m eb a s e d0 1 1an u m b e ro fs h o r t c o m i n g si ne x i s t i n g t e c h n o l o g yp mf o r w a r dai m p r o v e da l g o r i t h m , n a m e l y , b a s e do nt h ej u d g m e n t so n t h ee n v i r o n m e n t , b yt h ec o m b i n a t i o no faf i x e d - v o l t a g ea n da d m i t t a n c ei n c r e m e m m e t h o dt ot r a c kt h em a x i m u mp o w e rp o i n to fp vc e l l s ，t h i sm e t h o dc a nb er a p i d l y a n ds t a b l yt r a c kt h em a x i m u mp o w e rp o 缸o fp v c e l l s ；t h e ni n t r o d u c e dt h em a i n i n v e r t e rc i r c u i tc u kc i r c u i t s ，a n de f f e c t i v es i m u l a t i o nb ys i m u l i n ks o f t 、：v a r e 、航n lt h ec o n t r o ls t r a t e g yi n t h i sc i r c u i t t h i sp a p e rd e s i g n sas e to fh a r d w a r e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 s y s t e m s ，e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mc a l l b ea b l et oc o m p l e t et h ei m p e d a n c e t r a n s f o r m a t i o nf u n c t i o nt h a tc a nb es m o o t h l yc o m p l e t e dp h o t o v o l t a i cm a x i i n u n l p o w e rt r a c k i n g k e yw o r d s ：p v ；s u n - t r a c k i n g ；m p p t ；c u k 卜 卜 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第l 章绪论1 1 1 全球性的能源问题及环境污染问题1 1 1 1 全球性能源危机1 l - 1 2 全球性的环境危机2 1 2 光伏系统的特点2 1 3 光伏应用的发展现状及应用前景。3 1 4 论文的研究内容及目的。5 1 5 论文结构6 第2 章光伏发电自适应控制系统的组成7 2 1 光伏系统类型7 2 1 1 独立光伏系统7 2 1 2 并网光伏系统7 2 1 3 混合光伏系统8 2 2 光伏发电自适应控制系统的组成“8 2 2 1 光伏阵列。8 2 2 2 光跟踪模块9 2 2 3 逆变器10 2 2 4 储能装置1 4 2 2 5 控制装置1 4 2 3 本章小结1 4 第3 章光伏电池的m p p t 算法研究1 5 3 1 光伏电池的电特性1 5 3 1 1 光伏电池的等效电路1 5 3 1 2 工作温度对光伏电池输出特性的影响1 7 卜 i 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 1 3 辐照强度对光伏电池输出特性的影响1 8 3 1 4 光伏电池的负载特性1 9 3 2 光伏电池最大功率点跟踪方法研究2 0 3 2 1 概述2 0 3 2 2 恒电压跟踪法( c v d 2 0 3 2 3 扰动观测法2 1 3 2 4 导纳增量法2 3 3 2 5 开路电压法2 5 3 2 6 三点重心法2 6 3 3 本文采用的算法一改进的导纳增量法2 8 3 4 本章小结3 2 第4 章m p p t 电路及控制策略仿真3 3 4 1 主逆变电路3 3 4 2c u k 电路暂态分析。3 4 4 3c u k 的阻抗匹配功能k 。3 5 4 4 光伏阵列m p p t 仿真3 6 4 4 1 光伏电池建模3 6 4 4 2m p p t p w m 控制模块。3 7 4 4 3c u k 电路模块。3 7 4 4 4 系统仿真。3 8 4 4 5 仿真结果3 9 4 5 本章小结4 0 第5 章光伏发电自适应控制系统硬件实现4 1 5 1 总j 苤4 l 5 2 光电跟踪模块4 1 5 2 1 光电跟踪设计4 1 5 2 2 步进电机驱动电路4 3 卜 l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 5 3 逆变电路。4 4 5 4 信息采集模块。4 8 5 4 1 电压、电流检测电路4 8 5 4 2 采样电路4 9 5 5 电源电路4 9 5 6 串口通信电路5 0 5 7 控制电路5l 5 8 实验结果及分析。5 2 结论。5 6 参考文献5 8 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果6 3 至f 【谢6 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 全球性的能源问题及环境污染问题 1 1 1 全球性能源危机 能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝 大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。而石油、天然 气和煤炭都是有限的，不可再生的。当前人们所用的能源之中，煤炭占2 7 ， 石油天然气达到4 0 多。据科学统计，人类每年要燃烧4 0 亿吨煤、2 5 亿吨 石油，且以每年3 的速度增长n 埘。按此速度下去，石油最多可以开采4 0 年， 天然气可开采量为6 1 年，煤炭可开采量为2 2 7 年【。百年之后，人类将再无 石化资源可用，若不进行技术革新，人类社会将会停滞。我们应该将有限的 石化资源留给子孙后代，不能在我们这代人手中把他们作为燃料的资源消耗 殆尽。我国的能源资源储量情况更是危机逼人。按2 0 0 0 年底的统计，探明经 济可开发能源总储量约占世界总量的1 0 1 。中国能源剩余可开采总储量的 结构为：原煤占5 8 8 ，原油占3 4 ，天然气占1 3 ，水资源占3 6 5 。 我国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为1 2 9 7 年。同时，由 于中国人口众多、人均能源资源严重不足，人均能源资源探明储量只有1 3 5 吨，仅相当于世界人均拥有量的5 l 。其中煤炭人均探明储量为1 4 7 吨，为 世界人均值的7 0 ；石油人均探明储量2 9 吨，为世界人均值的1 1 ；天然 气人均探明储量为世界人均值的4 ；人均水资源同样也低于世界人均值嗍。 随着中国经济迅速发展，我国对能源的需求越来越大，能源自己率越来越低。 从1 9 9 6 年开始，我国成为原油净进口国。2 0 0 0 年，原油进口量己达到6 9 6 0 万吨，且呈逐年递增趋势。预计到2 0 1 0 年，中国的石油进口依存度将达到 3 0 ，2 0 2 0 年将进一步上升到4 0 。预计到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年，中国的天然 气进口依存度将分别达到1 5 和2 5 。由此看来中国的能源紧张问题已到了 相当严重的地步，能源问题已上升为国家的战略问题例。 l k 乙 哈尔滨工程大学硕士学位论文 1 1 2 全球性的环境危机 而伴随着石化资源的大量的消耗，环境污染问题也变得日益突出。环境 污染是指对生态有害物质进入环境后对生态系统所造成的干扰和损害现象 唧，随人类和其他生物的生存和发展产生不利影响。据统计，目前全世界每 天会产生大约l 亿吨温室效应气体p 1 ，若不加控制，全球气候将变暖，两级 冰川将融化，海平面将上升，世界许多的沿海城市将变成沼泽。燃烧产生的 大量有害气体，会对人和生物造成严重的伤害。我国处于经济发展的快速阶 段，现阶段能源开发利用对环境造成的污染相当的严重。中国是世界上少数 几个以煤为主要能源的国家，同时也是世界上最大的煤消耗国与出口国。煤 炭燃烧所产生的温室气体的排放量比燃烧同热值的天然气高6 1 ，比燃油高 3 6 ，由于能源的开采利用及其他污染物的排放，2 0 0 0 年，有5 7 的中国城 市大气中颗粒物超过国家限制值，有4 8 个城市的s 0 2 浓度超标，8 2 的城市 出现过酸雨，面积已达到国土面积的3 0 ，2 0 0 0 年空气污染和酸雨造成的经 济损失达到中国g d p 的2 。中国的环境问题已到了刻不容缓的地步n 一。 1 2 光伏发电系统的特点 随着石化资源的日益枯竭，以及温室效应的日益显著，人们对核能以及 太阳能、风能、地热能、水力能、生物能等可持续能源资源的利用日益重视。 太阳是一个巨大的能量源，其每4 0 秒就有相当于2 1 0 亿桶石油的能量送到地 球，相当于地球一天所消耗的能源问。太阳能以其独有的优点成为现今最时 髦的研究方向。太阳能的转化方式有光热转换、光电转换和光化学转换等 三种方式。光伏电池与石化能源相比，其优点是显著的。太阳能安全、无污 染、无噪声，属于零排放的新能源；太阳能无限且可再生，由于其可直接转 化为高品质的电能，是理想的可持续发展能源；太阳能普遍存在，获取方便， 应用广泛，基本不受地域限制，可避免长距离电能输送，减少输电损耗；光 伏系统扩容方便，安装方便，建设周期短；光伏发电可以抵御自然灾害，并 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 具有重要的战略意义；光伏电池的主材料硅分布广泛，储量丰富。当然光伏 电池也有它的不足：光伏发电效率低，单晶硅电池是目前光电转化率最高的 电池，但也只能达到2 0 左右；很低的转换效率导致其需要一次性投入较高， 虽然2 0 0 9 年单晶硅价格有所下降，但其单位能量的投入仍然相当于目前的火 力和水力发电的6 2 0 倍；由于光伏发电源是太阳，所以光伏发电受到天气的 影响比较严重；另外制造光伏器件工艺复杂，也需要损耗相当大一部分能量 【1 1 1 3 光伏应用的发展现状及应用前景 目前人类对能源资源的开发和利用进入一个新的时期，即以太阳能、核 能为主体的多样化新能源时则射。国内外已经把太阳能应用到各个领域，主 要包括：太阳能热利用、太阳能热发电、太阳能光发电。太阳能热利用包括 太阳能热水器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能干燥、太阳能海水淡 化、太阳能厨房、太阳能制冷、太阳能空调等；太阳能热发电是用吸收到的 太阳能量加热水，产生具有一定温度和压力的蒸汽，推动汽轮发电机组发电； 太阳能光发电是应用太阳能电池，将太阳辐射能直接转换为电能。太阳能技 术是发展潜力最大的可再生能源技术，代表着世界能源工业的发展方向。在 过去的2 5 年间，太阳能发电成本下降了9 5 。为了鼓励新能源技术，世界 大国都制定了雄心勃勃的光伏发电近期规划：到2 0 1 0 年日本累计装机容量达 5 g w ，德国为2 7 g w ，欧盟为3 g w ，美国为4 7 g w ，澳大利亚为0 7 5 g w ， 印度、中国等发展中国家也制定了相应的计划，预计能达到1 5 2 g 胪。 日本是世界上太阳能开发利用第一大国，也是太阳能应用技术强国。日 本太阳热能的利用，从1 9 7 9 年第二次石油危机后开始，1 9 9 0 年进入普及高 峰。太阳能技术日益创新，能量转换率不断提高，成本也是新能源中最低的。 日本将太阳能的利用分为太阳光能和热能两种。从2 0 0 0 年起，日本太阳能发 电量一直居世界首位，2 0 0 3 年太阳能发电装机容量约为8 6 万千瓦，占世界 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 太阳能发电装机容量的4 9 1 ，并计划到2 0 1 0 年达到4 8 2 万千瓦，增加约6 倍。 德国对太阳能资源的利用可追溯到2 0 世纪7 0 年代，现在德国已经在太 阳能系统的开发、生产、规划和安装等方面积累了大量经验，发明了一系列 高效的太阳能系统。1 9 9 0 年德国政府推出了“一千屋顶计划”，至1 9 9 7 年已 完成近万套屋顶系统，每套容量1 5 千瓦，累计安装量已达3 3 万千瓦。根 据德国联邦太阳能经济协会的数字，在过去的几年中，德国太阳能相关产品 的产量增加了5 倍，增速比其他国家平均水平高出一倍。另据德新社报道， 全球最大的太阳能发电厂已在德国南部巴伐利亚州正式投入运营。这家太阳 能发电厂投资7 0 0 0 万欧元，占地7 7 万平方米，发电总容量达1 2 兆瓦，能为 3 5 0 0 多个家庭供电。截至2 0 0 5 年年底，德国共有6 7 0 万平方米的屋顶铺设 了太阳能集热器，每年可生产4 7 0 0 兆瓦的热量。已有4 的德国家庭利用了 清洁环保、用之不竭的太阳能，估计每年可节约2 7 亿升取暖用、油【堋。 目前，美国太阳能光伏发电已经形成了从多晶硅材料提纯、光伏电池生 产到发电系统制造比较完备的生产体系。2 0 0 5 年，美国光伏发电总容量达到 1 0 0 万千瓦，排在日本和德国之后，居世界第3 位。为了降低太阳能光伏发 电系统的生产成本，美国政府最近制定了阳光计划，大幅度增加了光伏发电 的财政投入，加快多晶硅和薄膜半导体材料的研发，提高太阳能光伏电池的 光电转化效率。目前，美国正在新建几座新的太阳能电站。预计到2 0 1 5 年， 美国光伏发电成本将从现在的2 1 - 4 0 美分千瓦时降到6 美分千瓦时，届时， 太阳能光伏发电技术的竞争力将会大大增强。太阳能在能源发展中占有相当 的优势，据美国c m a r c h e t i n 博士对世界一次能源替代趋势的研究结果表明， 到2 0 5 0 年后，核能将占第一位，太阳能占第二位，2 1 世纪末，太阳能将取 代核能占第一位，很多国家对太阳能的利用加强了重视口1 。 我国太阳能资源非常丰富，大部分地区位于北纬4 5 以南，全国2 3 的国 土面积年日照时间在2 3 0 0 小时以上，每平方米太阳能年辐射总量为3 3 4 0 - 8 4 0 0 兆焦耳，陆地表面每年接收的太阳辐射能相当于1 7 0 0 0 亿吨标准煤，而 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 且分布极为广泛，具有普遍存在、永续利用的优点，可为国民经济发展提供 有效的能源供应。特别是我国有1 0 8 万平方米的荒漠，大部分分布在西部， 太阳能资源极为丰富【9 】。如果利用1 1 0 的荒漠安装光伏并网发电系统，每年 可以发电1 0 万亿千瓦以上，相当于目前全国用电量的5 倍岁那 2 0 0 9 年9 月，国家主席胡锦涛在联合国气候变化峰会上表示，争取到2 0 2 0 年使中国“非化石能源”占一次能源消费比重达1 5 左右。这一目标数字已被 写进新能源产业振兴发展规划( 草案) ，“到2 0 2 0 年，新能源发电占电力总 装机容量的比重达1 5 ”。其中，太阳能发电装机规模在2 0 1 1 年、2 0 2 0 年将 分别达到2 0 0 万千瓦和2 0 0 0 万千瓦。相信随着国家政策的进一步推进，光伏 产业一定会得到更加突飞猛进的发展。 1 4 论文的研究内容及目的 因为光伏电池的输出特性受外界环境因素影响较大，另外，光伏电池价 格昂贵效率低下，初期投入较大，为了有效的利用光伏电池输出的能源，需 要对现有的光伏系统进行合适的自适应控制。 本课题主要做了太阳光跟踪方案设计以及光伏电池最大功率点跟踪方案 设计。主要包括软件、硬件两大部分。 硬件部分：分为三部分 ( 1 ) 光电跟踪方案 利用光敏电阻及运放组成比较电路搭建光检测装置，从而给出光伏电池 的旋转方向，同时给出电机的驱动脉冲。 ( 2 ) 光伏电池最大功率点跟踪电路设计 利用开关电源的软负载特性，改变光伏电池的输出电压，以达到改变光 伏电池的输出阻抗，完成光伏电池的阻抗匹配，实现光伏电池的最大功率点 跟踪。 ( 3 ) 控制电路( m c u ) 及外围电路设计 哈尔滨1 = 程大学硕士学位论文 单片机实现的功能包括采样电压、电流信息；接受光电跟踪输出信息； 辅助控制电机驱动电路；计算最大功率点跟踪方案下开关管输出脉冲。 软件编程：在硬件电路的基础上实现单片机的控制编程以及对光伏电池 改进的最大功率点跟踪算法编程，最后进行软硬件联合调试。 1 5 论文结构 各章节的内容安排如下： 第一章论述课题研究的背景内容及意义，提出本课题的重点及难点，分析 本课题的应用前景。 第二章详细介绍光伏自适应控制的基本组成及原理，分析各个分支的特点。 第三章提出光伏电池最大功率点跟踪的若干方案，并进行分析比较，最后 提出改进的跟踪方案。 第四章利用m a t l a b 及s i m u li n k 对咿p t 电路进行仿真，从仿真效果上给出 分析。 第五章对各个功能部分给出合理的硬件实现方案，结合软件利用仪器对硬 件进行调试，最后做出分析，并针对一些问题提出改进方案。 第六章结论 6 哈尔溟工程大学硕士学位论文 第2 章光伏发电自适应控制系统的组成 2 1 光伏发电系统类型 光伏发电系统按与电网的关系可分为独立光伏发电系统、并网光伏发电 系统以及混合光伏发电系统三类p 1 。 2 1 1 独立光伏发电系统 独立光伏发电系统是指与常规的电力系统不便或者无法发生连接的，独 立运行的发电系统，通常建设在远离电网的偏远山区或者作为野外移动式便 携电源。由光伏电池、控制器、蓄电池以及负载组成p 1 。光伏阵列接收太阳 能并转化为电能，发出的电能经变换器变换成用电负载所需要的合格电力， 经配电设备向负载供电，并将发电与负载用电之剩余的电能供给充电器向蓄 电池充电。一般控制系统需要采用光伏电池的最大功率点跟踪、能量管理和 变换器输出控制。 2 1 2 并网光伏发电系统 并网光伏发电系统是与电力系统连接在一起的光伏发电系统，像其它发 电系统一样，能为电网提供有功和无功电制卯。光伏并网系统分集中式和分 散式两种，集中式并网电站的容量较大，通常在几百千瓦到兆瓦级，而分散 式并网系统一般容量较小，在几千瓦到几十千瓦，目前并网光伏发电系统大 多为分散式的并网系统。并网光伏发电系统有光伏阵列、变换器和控制器组 成，光伏电池发出的直流电能经变换器变换成与电网相同频率的交流电能， 以电压源或者电流源方式送入电力系统，其中控制器是非常重要的部件，它 控制着并网电流的频率、相位、波形、光伏电池的最大功率点等。并网系统 一般不需要蓄电池等储能设备，减少了储能设备的投入，提高了系统运行和 供电的稳定性。并网发电是光伏发电系统的必然发展方向旧。 7 哈尔溟工程大学硕士学位论文 2 1 3 混合光伏发电系统 混合式光伏发电系统是在其它系统的基础上添加备用的发电系统，以补 充光伏发电的不足。适用于对电源要求较高的场合。 2 2 光伏发电自适应控制系统的组成 典型的光伏发电系统主要有光伏阵列、逆变器、储能装置、负载组成， 本文中还包含有光跟踪电路，其结构如图2 1 例所示。 图2 1 光伏发电系统组成 2 2 1 光伏阵列 光伏电池即太阳能电池板，其利用光生伏打效应，将太阳能转化为电能。 光伏电池是太阳能光伏发电系统中的核心部件。光伏电池单体是用于光电转 换的最小单元，一个单体产生的电压大约为0 4 5 v ，工作电流约为2 0 - - - 2 5 m a c m 2 p 1 ，而实际中通常将若干个光伏电池单体经行串并联并封装后形成光伏组 件。为了满足实际应用中电压及电流需要，通常又需要将若干个光伏组件进 行串并联，这样就形成了光伏阵列。具有相同的电流容量光伏电池组件串联， 串联后的阵列输出电压为各光伏组件输出电压之和，相同电流容量光伏电池 串联后其阵列输出电流不变；具有相同的输出电压等级光伏电池组件并联， 并联后的阵列输出的电流为各个光伏电池输出电流之和，而电压保持不变【1 1 。 通常串联于支路中被遮蔽的光伏电池组件会被当作负载，从而消耗其他 有光照的光伏电池组件所产生的能量。被遮蔽的光伏电池组件会产生热斑效 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 应脚，此时这些光伏组件仅仅产生热量，属于耗能装置，为了避免浪费，有 效利用能源，所以我们有必要避免光伏组件产生热斑效应，现实生产中我们 会在光伏电池组件的正、负极两端并联一个旁路二极管，实现电流的旁路， 保护光伏阵列。同时为了避免在阴雨天和夜晚不发电时或者出现短路故障时， 蓄电池组通过光伏电池方阵放电，我们在方阵中加入防反充二极管，又称为 阻塞二极管。阻塞二极管串联在方阵的电路中，起单向导通的作用，一般选 用合适的整流二极管作为阻塞二极管。除了电方面的保护，还要考虑机械方 面的保护，如防风、防雨、防雹能力等等。 2 2 2 光跟踪模块 提高太阳能的利用率可以从两方面入手，一是提高光伏电池的能量转换 率，二是尽可能增加直射光的接收面积，光跟踪即属于后者范畴。研究发现， 太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差3 7 7 n 田，精确跟踪太阳可使接受 器的热效率大大提高，进而提高了太阳能发电系统的太阳利用率，拓宽了太 阳能的应用领域。按传感器类型可分为视日轨迹跟踪、光电跟踪、压差跟踪 等。按方位来分可分为单轴跟踪和双轴跟鼎埘。单轴跟踪一般只跟踪方位角 ( 东西方向) ，俯仰角则利用手动调节。双轴跟踪是一种全方位的太阳光跟踪 技术，同时跟踪方位角和俯仰角。对于较大规模的光伏发电系统通常才会采 用全方位跟踪。 1 视日轨迹跟踪 太阳的轨迹坐标可以通过数学方法进行预测。在赤道坐标系中，赤纬角 和时角在日地运动中是严格已知的，通过天文三角形之间的关系可以得到太 阳和观测者之间位置关系。换算公式如下1 1 闽： ( 1 ) 太阳高度角觑俯仰角) ： s i n = s i n 8 s i n o + c o s 8 c o s o c o s 0 3( 2 1 ) ( 2 ) 太阳方位角彳： s i n a = c o s 8 s i n o j c o s h ( 2 2 ) 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 3 ) 赤纬角万： 万= 2 3 4 5 s i n 3 6 0 ( 2 8 4 + n ) 3 6 5 】( 2 - 3 ) ( 4 ) 时角0 3 ： = ( 1 2 - 1 ) 1 5 0( 2 _ 4 ) 式中，为观测点的地理纬度，刀为一年中的第几天，丁为当地时间。有了此 公式我们便可以依据此公式得出太阳相对于观测者的准确位置，从而准确的 跟踪到太阳。 2 光电跟踪 光电跟踪模块一般有三部分组成，位置检测器、控制组件、驱动装置。 位置检测器一般利用光敏部件检测方位的差异信号，控制组件则是将差异信 号进行放大、分析，驱动装置则用来执行控制组件分析后的结果，从而完成 对太阳光的跟踪。光电跟踪可以分为开环跟踪和闭环跟踪两种类型。开环跟 踪的精度完全取决于传感器的精度，系统结构简单。闭环跟踪对器件精度要 求降低，引入的反馈量可以使系统更加稳定，但系统的软硬件都会变得比较 复杂，成本会有一定的提升。有的跟踪系统为了提高跟踪的精度，采用二级 跟踪的策略【1 0 1 ，即第一级为粗跟踪，让目标在一定的范围内变化，第二级为 细跟踪，利用精度更高的器件对目标在一定范围内跟踪，以达到几乎完全跟 踪目标的目的。 2 2 3 逆变器 逆变器是光伏自适应控制系统中最较关键的部分，是实现阻抗变化的主 电路。逆变器可以分为直流和交流两种类型。逆变电路的基本拓扑图有b u c k 电路、b o o s t 电路、b u c k b o o s t 电路掣n 1 叼。本文中将重点介绍以上几种拓扑 的逆变电路。 1 b u c k 降压电路 b u c k 电路即所谓的降压型电路，包括有一个开关，一个二极管，一个电 感和一个电容，其电路拓扑图如图2 2 习所示： 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 一 7。 s s c 丰斗v i n d 图2 2 b u c k 电路拓扑图 当开关s 闭合，如图2 3 ( a ) 所示，电感、电容、负载从电源中获取能量， 二极管由于反向偏置截止，输出电压记为圪；当s 断开，如图2 3 ( b ) 所示， 电感中电流要减少，由于电感中电流不能突变，所以电感中产生感应电动势， 感应电动势为左负、右正，当感应电动势大于c 电压时，二极管由于正向偏 置而导通，电感中的能量经二极管续流给负载及电容充电，故此二极管也称 为续流二极管。通过电感中电流是否连续，取决于开关频率、滤波电感三和 滤波电容c 的值。电路稳定时，输出电压为n 习： 圪= 争吃= d 圪 ( 2 5 ) 其中d 为开关脉冲的占空比，位于0 到l2 _ n 。有上式可知，输出电压小于 输入电压，适合降压的场合。 一入 7 _ j j 1 l i n ( a ) ( b ) 图2 3b u c k 电路工作流程示意图 2 b o o s t 升压电路 b o o s t 电路即为升压电路，与b u c k 电路拥有同样的器件，只是排列不同， 其电路拓扑拓扑图如图2 4 1 册所示： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图2 4b o o s t 电路拓扑图 当开关s 闭合，如图2 6 ( a ) 所示，电源向电感传输能量，电感电流增加。 二极管反向偏置截止，电容c 给负载供电，稳定后v l = 。当开关s 断开， 如图2 6 ( b ) 所示，电感中电流减少，由于电感电流不能突变，从而产生感应 电动势，感应电动势左负、右正，当感应电动势大于c 端电压时，二极管正 向偏置而导通，这样电感与电源就一起经二极管向负载供电，同时给电容充 电，而圪= 圪。输出电压公式为嗍： 1 圪= i j 圪 ( 2 6 ) 式中，d 为开关脉冲的占空比。有上式可知，输出电压大于输入电压，适合 升压的场合。 ( a ) ( b ) 图2 6b o o s t 电路工作流程示意图 3 b u c k b o o s t 降压升压电路 b u c k b o o s t 电路由名称就可以看出其是由b u c k 电路和b o o s t 电路串联而 成，因此b u c k b o o s t 电路具有升压和降压的功能。其电路拓扑图如图2 5 所 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 示【1 5 】。 图2 5b u c k - b o o s t 电路拓扑图 当开关s 闭合时，电源向电感转移能量，稳定后= 圪，二极管由于方 向偏置而截至，电容c 中储存的能量提供给负载；当开关s 断开时，由于电 感中的电流不能发生突变，所以会产生上负、下正的感应电动势，当感应电 动势大于c 端电压时，二夜管正向偏置而导通，此时电感中储存的能量提供 给负载和电容，稳定后v c - - v o 。输出电压公式为 n 圪= 二1 - d 圪( 2 - 7 ) 同时还需注意此电路转化后的电压为负电压。应用设计时需要留心电源的极 性。 此外还有一些变换器如z e t a 、s e p i e 、f o r w a r d 、f l y b a c k 等，它们都是在 以上电路的基础上变化而来，在此不再赘述。 4 光伏发电系统中的逆变器功能 光伏自适应控制系统中的逆变器一般有以下几种功能：最大功率点跟踪、 蓄电池的充电，直流电的升压或者降压、直流转交流电等。 最大功率点跟踪控制器：通过改变斩波电路中开关的占空比来改变电路 的输出电压，从而改变光伏电池的输出阻抗，以完成光伏电池的最大功率跟 踪。 逆变器根据控制器提出的不同的控制策略输出符合要求的电压对蓄电池 充电。 逆变器将直流转换为交流，以满足不同交流负载的要求。 1 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 4 储能装置 光伏发电系统受光照条件影响比较明显，对于独立光伏系统，为了提高 光伏发电系统的稳定性，有必要加入储能装置，在光照条件欠缺时，将储存 的能量释放出来满足负载要求，在光照条件较佳时，将多余的能量存贮起来 以备后需。通常能量的存储可体现为多种形式，例如动能、化学能、机械能 等。蓄电池是一种将电能转化为化学能的装置。从容量、经济、维护等方面 考虑，现阶段的光伏发电系统多采用免维护的阀控铅酸蓄电池n q 。 蓄电池的使用寿命短暂决定了其是光伏发电系统中的薄弱环节，若对蓄 电池使用不当，则会大大降低蓄电池的使用寿命，所以为了提高系统的使用 寿命，减少维护次数，也非常有必要对蓄电池进行科学的充放电管理。 2 2 5 控制装置 控制装置是系统的核心部分，是实现各种算法和微控的基础。控制装置 一般有微处理芯片组成，包括有单片机、d s p 、f p g a 等。单片机专注于控 制领域，d s p 、f p g a 等由于其具有高速的时钟脉冲，指令周期较短，处理 速度较快，适合于存在大量数据计算的应用领域，但是它们的控制能力显得 稍弱些。负载的系统中，通常将单片机与d s p 组合使用，从而能同时完成比 较负载的控制和计算。本文中采用s t c 系列单片机作为控制装置核心组成部 分。 2 3 本章小结 本章主要从光伏自适应控制系统的结构出发，介绍了光伏自适应控制系 统的结构。光伏自适应控制系统包括光伏阵列模块，光跟踪模块，逆变模块， 储能模块以及控制模块等模块。其中重点介绍了光伏阵列组成，太阳光的跟 踪方法，以及逆变器的基本组成。 1 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章光伏电池的m p p t 算法研究 3 1 光伏电池的电特性 3 1 1 光伏电池的等效电路 光伏电池的等效电路的实际形式为图3 1 m 所示。 - - - v 图3 1 光伏电池等效电路图 图中，锄为光生电流，历为暗电流，为旁路电阻，飓为串联电阻， 为光伏电池输出的负载电流。矿为电池的开路电压。其中，值正比于光伏 电池的面积和入射光的辐照度，l c m 2 光伏电池的锄值约为1 6 3 0 m a ，锄也 会受到环境温度的影响，一般温度每升高1 ，锄上升7 8 u a 3 1 。如为当无光 照时，硅电池在外电压作用下p - n 结所能产生的总扩散电流。串联电阻冠 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。旁路电阻如主要是由电池表