（电气工程专业论文）基于模糊pid控制的太阳能光伏发电系统的m研究.pdf

t h er e s e a r c ho nm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gi n p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e mb a s e do nf u z z yp i dc o n t r o l b y h u h a i f e n g b e ( x i a n g t a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rl i uj u e m i n a n d s e n i o re n g i n e e rl iy a n b i n m a y ，2 0 1 1 m 7川5 洲37，0川9iiiil 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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 法律后果由本人承担。 作者签名： 钥诲z 节 日期：加年尹月节e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团 作者签名： 导师签名： ( 请在以上相应方框内打“4 ) 胡蟛l l 节 到援映李黻 日期：冽年罗月2 尹e 1 日期：划降歹月2 牛日 基于模糊p i d 控制的太阳能光伏发电系统的m p p t 研究 摘要 近年来，最大功率点跟踪( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) 控制问 题已经成为了太阳能光伏发电系统中的热点研究问题。国内外学者提出了多种 m p p t 控制方法，传统实现方法有固定电压法、扰动观察法、电导增量法、模糊 控制法等。固定电压法控制方式简单、易于实现，但是，这种跟踪方式忽略了温 度对太阳光伏阵列开路电压的影响：扰动观察法和电导增量法具有控制精确、响 应速度比较快等优点，但是对硬件的要求比较高，系统成本较高；模糊控制法适 用于非线性系统。 针对现有方法的不足，本文从太阳能光伏阵列的输出特性出发，针对光伏阵 列本身具有非线性、时变性和无法建立精确的数学模型的特征，以及传统模糊控 制与p i d 控制难以满足精度高、鲁棒性好的要求，提出了一种基于模糊p i d 控制的 最大功率点跟踪控制策略，并采用升压斩波电路( b o o s t 电路) 实现m p p t 功能。 本文首先介绍了太阳能光伏发电系统的组成和分类，分析了光伏阵列的工作 特性，接着分析了b o o s t 电路在光伏发电系统中的实现，最后概述了太阳能最大功 率点跟踪的模糊控制策略中几种控制器的基本原理，利用m a t l a b s i m u l i n k 进行仿 真，分别搭建了p i d 控制器、模糊控制器以及模糊p i d 控制器的模型，将这几种控 制器应用于光伏发电系统。 仿真结果表明，模糊p i d 控制方法不仅能快速响应外界环境的变化、有效消 除传统模糊控制下最大功率点处的振荡现象，而且弥补了在p i d 控制下系统调节 过渡时间较长的缺点，使光伏系统始终工作在最大功率点，提高了光伏系统的效 率。 关键词：m p p t ；光伏发电系统；升压斩波电路；模糊p i d 控制 h 工程硕十学位论文 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，t h er e s e a r c ho fm a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n gc o n t r o lh a sb e c o m e ah o tp r o b l e mi np h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m s c h o l a r sp r o p o s ea v a r i e t yo fm p p t c o n t r o lm e t h o d ，t r a d i t i o n a lc o n t r o lm e t h o d si n c l u d ec o n s t a n tv o l t a g em e t h o d ，p e r t u r b a n do b s e r v em e t h o d ，i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c em e t h o da n df u z z yl o g i cm e t h o da n ds o o n c o n s t a n tv o l t a g em e t h o di ss i m p l e ，e a s yt oi m p l e m e n t ，b u tt h i st r a c k i n ga p p r o a c h 、，= ，。i g n o r e st h ei n f l u e n c eo ft e m p e r a t u r eo no p e nc i r c u i tv o l t a g eo ft h es o l a rp va r r a y p e r t u r ba n do b s e r v em e t h o da n 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 dh a v ep r e c i s ec o n t r o l a n df a s t e rr e s p o n s es p e e d ，e t c b u tt h e yh a v er e l a t i v e l yh i g hh a r d w a r er e q u i r e m e n t s a n dh i g hs y s t e mc o s t t h ef u z z yc o n t r o lm e t h o di su s e di nn o n l i n e a rs y s t e m s a i m i n ga tt h es h o r t c o m i n g so fe x i s t i n gm e t h o d s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h eo u t p u t c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep h o t o v o l t a i ca r r a y s a st h ep h o t o v o l t a i ca r r a yh a sc h a r a c t e r i s t i c s g t r e 觅a sn o n l i n e a r ，t i m e - v a r y i n ga n dc a nn o te s t a b l i s hap r e c i s em a t h e m a t i c a lm o d e l t h et r a d i t i o n a lf u z z yc o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e rc a nn o t s a t i s f yt h er e q u e s t so f h i g h - p e r f o r m a n c ec o n t r o l ，s u c ha sa c c u r a t es p e e do rt o r q u ec o n t r o la n dr o b u s t n e s s t h i sp a p e rp r o p o s e st h ef u z z y - p i dc o n t r o lt om a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n gc o n t r o l a n da c h i e v e sm p p tf u n c t i o nb yb o o s tc i r c u i t t h ec o m p o s i t i o na n dc l a s s i f i c a t i o no fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e mh a sb e e n d e s c r i b e di nt h i sp a p e r o p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fp h o t o v o l t a i ca r r a ya n dr e a l i z a t i o n o fb o o s tc i r c u i ti np h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e ma r ea l s oa n a l y z e d f i n a l l yt h eb a s i c p r i n c i p l eo fs e v e r a lc o n t r o l l e r sf o rf u z z yc o n t r o li nt h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g i si n t r o d u c e d s i m u l a t i o nh a sb e e nc a r r i e do u to nm a t l a b s i m u l i n k o nw h i c hap i d c o n t r o l l e r ，af u z z yc o n t r o l l e ra n df u z z yp i dc o n t r o l l e rm o d e lh a v eb e e nb u i l df o rp v s y s t e m s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ef u z z yp i dc a nn o to n l yq u i c k l yr e s p o n dt o c h a n g e si nt h ee x t e r n a le n v i r o n m e n t ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h ew o r ko ft h e m a x i m u mp o w e rp o i n to ft h eo s c i l l a t i o ni n f u z z y c o n t r o l la n da l s om a k eu p s h o r t c o m i n g so fal o n g e rt r a n s i t i o nt i m e i tg u a r a n t e e st h a ts y s t e mw o r ki nt h e m a x i m u mp o w e rp o i n ta n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：m p p t ；p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m ；b o o s tc i r c u i t ；f u z z y p i dc o n t r o l 1 1 1 目录 学位论文原创性声明和版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 本文研究背景1 1 1 1 能源危机与环境问题l 1 1 2 太阳能的开发利用以及其优点2 1 2 国内外光伏产业的进展3 1 2 1 我国光伏发电产业的发展3 1 2 2 国外光伏发电产业的发展4 1 3 光伏发电系统m p p t 的研究现状5 1 4 本文的研究内容与主要工作5 第2 章太阳能光伏发电系统的概述7 2 1 太阳能光伏发电系统的组成7 2 2 太阳能光伏发电系统的分类8 2 2 1 独立运行光伏发电系统一8 2 2 2 混合型光伏发电系统一9 2 2 3 并网光伏发电系统一9 2 3 本章小结一1 l 第3 章光伏发电系统中的b o o s t 电路和最大功率跟踪1 2 3 1 太阳能光伏阵列概述1 2 3 1 1 太阳能光伏电池的数学模型1 2 3 1 2 太阳能光伏阵列仿真模型一1 4 3 1 3 太阳能光伏阵列的输出特性l5 3 2b o o s t 电路在光伏发电系统中的实现1 6 3 2 1 升压斩波电路的工作原理1 6 3 2 2b o o s t 电路的实现过程1 7 3 3 光伏发电系统最大功率点跟踪原理及其常用方法1 9 3 3 1 固定电压法2 0 3 3 2 扰动观察法2 l 3 3 3 电导增量法2 l i v 工程硕 学位论文 3 3 4 模糊控制策略下的m p p t 方法一2 2 3 4 本章小结2 2 第4 章光伏发电系统m p p t 控制策略的研究与仿真2 3 4 1m p p t 控制策略研究2 3 4 1 1 传统模糊控制器的设计2 3 4 1 2p i d 控制器设计3 0 4 1 3 模糊p i d 控制器的设计3 2 4 2 太阳能光伏发电系统的仿真3 7 4 2 1m p p t 模块仿真3 7 4 2 2p w m 模块仿真3 8 4 2 3 光伏系统的仿真一3 8 4 2 4 仿真结果分析3 9 4 3 本章小结4 2 结论与展望4 3 参考文献4 5 致 射4 8 附录a ( 攻读硕士期间发表的论文) 4 9 v 工程硕i j 学位论文 第1 章绪论 1 1 本文研究背景 能源是人类社会生存的必需品，也是人类社会发展的动力源泉。目前世界上 各个国家地区的能源消耗几乎全靠“常规能源”或“初级能源”来供应，其中包 括：煤炭、天然气、石油和核裂变等等。地球上的常规能源存在很多弊端，如资 源非常有限，矿产开采费用越来越高，人类对能源需求的激增以及环境污染严重 等。由于这些弊端的存在，以常规能源为基础的能源结构随着资源的不断消耗将 会越来越不适应可持续发展的需要。因此，新能源和可再生能源不仅仅是近期急 需的补充能源，也是未来构造新能源结构的基础。 1 1 1 能源危机与环境问题 随着人类进入2 1 世纪机器大生产的工业时代，社会生产力正在飞速的提高， 同时，由于世界人口不断地增长，人类对能源需求激增，常规能源的储量正日趋 枯竭。在l9 7 0 年，全世界对能源的消耗约为8 3 亿吨标准煤，而这种消耗在l9 9 5 年 达到了1 4 0 亿吨标准煤，换言之，在这短短的2 5 年间标准煤的消耗增长了6 9 7 。 有关专家预计，n 2 0 2 0 年全世界对标准煤的消耗将会达到1 9 5 亿吨。根据公认的估 算，如果人类以目前对能源的消耗速度，在今后4 0 年间，石油将被耗尽，而天然 气和煤也最多分别能维持在6 0 年和2 0 0 年左右。在我国，这一情况也不容乐观，我 国人口众多，人均资源远远低于世界平均水平，据官方统计，仅在2 0 0 4 年，我国 就进口原油约1 5 亿吨，对能源消耗巨大。按目前这样的消耗速度，我国的现有能 源储量至多可以使用5 0 年。可见，矿物燃料并不是取之不尽，用之不竭的1 2 j 。 同时，常规能源在开采、运输和使用过程中会对人类生存环境造成严重的污 染，环境问题成为了目前全世界关注的热门话题。根据相关资料显示，人类使用 的矿物燃料、化石能源己经为人类生存环境带来了严重的后果，由于大量使用矿 物燃料、化石能源，全世界每年至少产生约1 亿吨温室效应气体，造成了极为严重 的大气污染，导致地球表面气温逐年升高。近二千年来，地质灾害、自然灾害发 生的频率越来越高，如酸雨、沙尘暴、泥石流等等，同时全球二氧化碳的排放量 正在迅速增长，根据有关专家的预测，如果不加以控制，温室效应将致使南、北 两极的冰山融化，从而导致海平面上升几米，四分之一的人类生活陆地将由此而 受到极大威胁。此外，由于使用化石能源造成的环境恶化而出现的“黑洞”现象， 己经使人类面临太阳紫外线的直接照射的危险【3 1 。 基于模糊p 的行业之一【5 】。太阳能的开发利用主要包括四种形式：光热利用、光化学利用、 光生物利用和光伏利用。光热利用是指将太阳能转换成热能储存起来，光热利用 已经在人们日常生活中广泛应用起来，其中太阳能热水器已经成为了家用必备品， 此外还有太阳能温室、太阳能土壤消毒杀茵技术、太阳能干燥系统等正在不断的 完善发展中。由于我国地理位置的影响，这些技术在我国的北方和西部应用特别 较广，成效也比较显著。所谓光化学利用是指一种利用太阳辐射能直接分解水制 氢的光化转换方式，光化学冷火效应技术正是利用了这一原理。光生物利用是利 用植物的光合作用原理来实现将太阳能转换成为生物质的过程，目前主要的成果 有油料作物、速生植物、巨型海藻等。光伏利用是指将太阳能转换成电能的过程， 太阳能光伏技术是现如今全世界研究的热点问题之一，其中以太阳能电池技术为 核心的太阳能光伏利用成为太阳能开发利用中最重要的应用领域，而太阳能光伏 发电被人们视为最洁净的和未来最有希望的发电方式之一1 3j 。利用太阳能发电， 具有明显的优点，如下图所示。 图1 i 太阳能发电优点框图 t 程硕i j 学位论文 1 2 国内外光伏产业的进展 1 2 1 我国光伏发电产业的发展 中国国土面积排名世界第三，太阳能资源非常丰富，理论储量达到每年1 7 万亿吨标准煤，可见，太阳能资源开发利用的潜力非常巨大。中国光伏发电产业 起步比较晚，于2 0 世纪7 0 年代才起步，经过3 0 多年的发展开始进入稳步发展时期。 其中太阳电池及其组件的产量正逐年稳步增加，经过最近几十年的努力，已迎来 了快速发展的新阶段。在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家重点 项目以及世界光伏市场的有力推动与拉动下，中国光伏发电产业发展迅速1 7 j ，已 基本形成了涵盖多晶硅材料、铸锭、平衡部件、电池片、系统集成、系统封装、 光伏应用产品和专用设备制造的产业链。一些专用设备和专用材料的国产化得到 飞速发展，甚至许多设备完全实现了国产化并有部分产品进行出口。据统计，截 止塑 2 0 0 7 年底，全国太阳能电池和组件的生产能力分别达到2 9 g w p 和3 8 g w p ， 当年实际产量达到了1 1g w p 和1 7 g w p ，分别比2 0 0 6 年增长14 8 和l3 8 。我国作 为全世界第一大太阳能电池和组件生产国，太阳能电池和组件的产量均占世界总 产量的2 7 以上。2 0 0 7 年是属于光伏产业迅猛发展的一年，在这一年中我国光伏 产业仅销售收入就达到10 0 0 亿元，从业人员达到8 万人以上【8 】。根据“可再生能源 中长期发展规划”，我国太阳能发电设备累计装机容量在2 0 lo 年达到5 0 0 m w ，根 据专家预测，2 0 2 0 年将达到2 0 0 0 m w ，从这一方面体现了我国太阳能发电产业巨 大的市场机遇。 材料是决定技术产业发展的大问题。近几年来严重制约我国光伏发电产业发 展的高纯多晶硅制造技术，已经取得了重大技术突破。在科技部和国家发展改革 委等有关部门大力支持与推动下，新光硅业、洛阳中硅、江苏中能3 个企业在2 0 0 7 年分别建成了千吨级高纯硅生产线，使得全年我国高纯硅的产量增加到1 13 0 吨。 2 0 0 8 年，江苏中能二期和重庆大全的l5 0 0 吨多晶硅工程的建成投产成功，预计国 内高纯多晶硅的全年产量将超过4 0 0 0 吨。同时，江苏中能公司和重庆大全也在这 几年间实现了多晶硅还原炉制造技术和还原尾气回收利用技术的重大突破；据相 关资料统计介绍，其综合能耗已降到15 0 18 0 k w h k g ，明显要低于其他国内同类 企业的2 5 0 3 0 0 k w h k g ，主要物料的综合回收率也超过9 8 ，这些技术的成功促进 了光伏发电产业的发展。最近，一些国内企业正在积极准备开发引进流化床法、 硅烷法等新型高纯硅生产技术，有望使高纯多晶硅生产的综合电耗降至2 0 5 0 k w h k g ，使高纯多晶硅生产的成本降至1 5 2 5 美元k g 。目前全国至少有3 3 家高纯 硅生产企业，它们的一期工程产量总计约为4 4 万吨，如果这些项目能够顺利建成 并且投产成功，预计我国再经过几年的发展多晶硅产量将超过3 万吨，将从根本上 缓解高纯硅材料的供需紧张的矛盾1 9 】。 基于模糊p i d 控制的太阳能光伏发电系统的m p p t 研究 为了落实科学发展观，建设节约型社会，到“十一五 计划末，要实现 源利用效率显著提高，单位国内生产总值能源消耗降低2 0 左右，为此，“可 生能源法”己于2 0 0 6 年1 月1 日正式实施，其中包括太阳能发电在内的新的可再 能源的利用，将成为实现这一目标的关键。预计至w j 2 0 2 0 年，我国将大力扶持包 太阳能发电技术产业在内的可再生能源产业，在国家政府部门的大力推动与支 下，我国的太阳能发电技术产业将迎来一个大发展时期。 1 2 2 国外光伏发电产业的发展 截止目前为止，全世界总共有1 3 6 多个国家地区正在普及推广应用太阳能发 技术，其中9 5 个国家地区正在大规模研究开发和生产各种太阳能发电设备。全世 界太阳电池总产量在2 0 0 5 年已经达到2 0 0 0 m w 。在这些国家中日本发展较快，太 阳电池产量约占世界总产量的5 0 ，太阳电池的每w 成本在l0 年内下降到9 0 ， 为全世界提供了一个发展实例。在2 0 0 1 年，日本太阳能发电设备累计总装机容量 达到4 5 0 m w ，2 0 0 3 年比前年增长了4 0 0 多m w ，达到8 8 7 m w ，2 0 0 4 年达到19 0 0 m w ， 2 0 1 0 年达到5 0 0 0 m w ，2 0 1 0 年全世界太阳能发电设备累计总装机容量达到1 8 万 m w 。由于太阳能电池从生产量1 0 m w 开始，每增加一倍，成本将降低2 0 ，这一 巨大优势促进了世界各主要国家都在努力提高太阳能发电设备的生产应用规模。 而且建立m w 级的大型太阳能发电站具有很多的优点，其一可以降低成本，其二 可以缓解荒漠和海岛地区的供电和环境问题，其三可以为荒漠地区打井抽水和海 岛淡化海水提供动力，改善生态环境。现在世界拥有超过1 0 座的m w 级太阳能发 电站，其中最大的一个容量达到6 4 5 m w t 6 。 据统计，全球光伏市场在2 0 0 8 年增至5 5 g w ，其中，按地区排名西班牙、德 国名列前两位。2 0 0 8 年，全世界太阳能安装总量已累计达到l5 g w ，其中，西班 牙新装量为2 5 g w ，约占2 0 0 8 年一年中新增加安装量的一半。其他国家也开始了 很多促进光伏产业应用规模的计划与项目。2 0 0 8 年9 月1 6 日，美国参议院通过了一 些减税计划，其中将光伏行业的减税政策( i t c ) 续延2 6 年。在2 0 0 8 年1 1 月，日本 政府发布了“太阳能发电普及行动计划 ，确定了一个明确目标：太阳能发电量 至u 2 0 3 0 年要达n 2 0 0 5 年的4 0 倍，并预计在3 5 年后将太阳电池系统的价格降至目前 的一半左右。2 0 0 9 年日本政府还专门安排3 0 亿日元的补助金，专项鼓励太阳电池 的技术开发。德国实行了一项为期2 0 年固定光伏发电电价的措施，2 0 0 8 年平均电 价为4 5 7 欧分k w h 。在光伏产业发展趋势的影响条件下，2 0 0 2 年以来，全球光伏 发电装机年均增长率超过4 0 。2 0 0 7 年全球新增装机量年均增长率达到6 2 ，安 装量为2 8 3 g w p ，总装机容量大约为1 2 g w p 。根据有关专家的预测，全球光伏市 场将以大约6 0 的速度增长，2 0 2 0 年累计装机将达到2 0 0 g w p ，绝大部分应用于并 网光伏发电【i0 1 。2 0 1o 年7 月下旬，美国通过了千万太阳能屋顶计划，这一计划将 工程硕上学位论文 引发全球光伏市场激增。随着美国的发电成本下降以及当局颁布的补贴政策，美 国光伏发电安装量正在不断攀升，正逐步追赶传统的欧洲光伏市场，预计北美市 场将在未来几年成为全世界光伏发电应用的主要新兴市场。而随着成本的持续降 低，光伏发电应用最终将向中国和世界其他地区转移。 1 3 光伏发电系统m p p t 的研究现状 目前，光伏发电系统主要存在两个难题分别是初期投资比较大和太阳能光伏 阵列的光电转换效率太低。最高的光电转换效率在实验室条件下也不超过3 0 。 针对这些问题，主要有两种改进方法，其一是研制价格低廉的并且能量转换效率 高的光电材料，其二是在控制上进行改进，从而实现太阳能光伏阵列的最大功率 输出。 目前，光伏系统的最大功率跟踪问题己成为各国研究的热点，对于m p p t 方 法的研究逐渐成为光伏发电系统中的研究主流。文献【1 1 】提出了一种基于固定电 压法m p p t 控制方法，其基本思想是利用光伏阵列的开路电压与最大功率点之间 的关系，对开路电压值进行周期性的采样，对其工作电压进行调节控制，以控制 阵列始终工作在最大功率点上；文献【12 ，13 】提出了一种扰动观察法，由于该方法 实现简单，测量的参数少，是目前光伏系统中最为常用的m p p t 方法；文献【1 4 】 介绍了电导增量法在光伏系统的应用，该方法控制精确，响应速度比较快，适用 于大气条件变化较快的场合；针对太阳能光伏阵列输出特性的非线性特征，文献 【15 】提出了一种模糊控制方法，该方法属于典型的智能控制，常常应用于自然科 学和社会科学的许多领域，其基本特点是将专家的知识经验表示为语言规则，不 需要建立精确的数学模型，所以可以应用于非线性系统。模糊控制根据功率的变 化自动调节占空比，从而确定最大功率点。文献【16 】综合了太阳能光伏发电系统 中常用的m p p t 方法，并且对分析了这些方法的基本原理及其优缺点。 根据近年来国内外对光伏发电系统m p p t 的研究可知，太阳能光伏发电系统 是光伏发电的必然发展走向，太阳能转换为电能的光伏发电已经被人们作为了洁 净的和未来最有希望的发电方式之一，因此，光伏系统的最大功率跟踪研究必将 成为今后光伏发电的主流方向。 1 4 本文的研究内容与主要工作 太阳能光伏发电具有广阔的发展意义与发展前景，本文在分析光伏发电这一 思想的基础上着重对太阳能光伏发电系统、太阳能光伏阵列的特性以及最大功率 点跟踪( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) 控制方法等几个方面做了详细 的分析。 基于模糊p i d 控制的太阳能光伏发电系统的m p p t 研究 本文的主要研究内容包括： 首先，概述了太阳能开发利用的意义和广阔前景，以及国内外光伏发电产业 的发展趋势，同时概述了光伏发电系统m p p t 的研究现状，给出了本课题的主要 工作。 接着，阐述了太阳能光伏发电系统的组成与分类，并对其组成部分进行了简 要的分析介绍；然后根据不同场合的需要，对太阳能光伏发电系统进行了分类。 然后，分析了太阳能光伏阵列的数学模型，研究了其输出特性。在本文中提 出利用b o o s t 型d c d c 变换器在光伏发电系统中的实现，同时分析了光伏发电系统 最大功率点跟踪原理，简要介绍了几种常用的最大功率跟踪方法。 控制的优缺 制作用下的 境稳定与变 有较好的控 太阳能作为世界上最清洁的能源，有着广泛的作用与用途。在我们的日常生 活中，人们所说的太阳能发电就是指太阳能光伏发电。太阳能光伏发电系统 ( p h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m ) 简称光伏( p vo rp h o t o v o l t a i c ) ，其基本原理是利用 太阳能电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型 发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。所谓独立运行的光伏发电系统是指 不能与电网联系起来，只能自己独立运行的一种发电系统，主要用于电网覆盖不 到的边远山区和人口分散地区i l7 1 。它最大的特点就是需要有蓄电池作为储能装 置。在存在公共电网的地区，光伏发电系统与电网连接并网运行，这种运行模式 的优点在于当电能多余时，可以把多余的电能输送到电网中；电能不足时，从电 网中获得电能补偿，提高了光伏发电的稳定性。相比于独立运行模式下的光伏发 电系统，它不需要储能环节。 2 1 太阳能光伏发电系统的组成 一套基本的太阳能光伏发电系统是太阳能电池方阵、控制器和蓄电池组组成。 如果输出电源为交流2 2 0 v 或者l l o v ，还需要配置逆变器。如图2 1 所示。 图2 1 基本的太阳能光伏发电系统的框图 各部分的作用为： 1 ) 太阳能电池方阵：也称为太阳能电池板，它是太阳能光伏发电系统中的核 心部分，也是该系统中价值最高的部分。其作用是将太阳能的辐射能直接转换成 电能，或送往蓄电池中存储起来备用，或者供负载工作。如何提高太阳能电池方 阵的光电转换率( 太阳能转换成电能的比率) 一直是学术界研究的主要热点。 2 ) 太阳能控制器：在不同类型的太阳能光伏发电系统中控制器各不相同，其 功能多少及复杂程度差别很大，需根据发电系统的要求与重要程度来确定p 。在 简单的光伏发电系统中，控制器的主要作用是保护蓄电池，避免过充电和过放电 基于模糊p i d 控制的太阳能光伏发电系统的m p p t 研究 现象的发生。若在光伏电站并网系统中供电，控制器其作用有自动监测、控制、 调节、转换等等。因为太阳能电池的输出是直流，如果负载用的是交流电，则在 负载和蓄电池间还应配备逆变器。 3 ) 蓄电池组：蓄电池组是太阳能电池方阵的储能装置，其作用是将方阵在日 照时输出的多余电能存储起来；在日照不足( 晚间或阴雨天) 时，将储存起来的 电能输出，供负载工作。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 t 程硕f ：学位论文 独立系统的应用领域分为三类：离网住宅供电、离网工业应用和消费产品。 离网住宅供电形式主要有独立光伏电站和户用光伏电源系统等。前者是以小型电 站为主，通常是为乡镇、学校、医院等提供电力【l9 1 。我国在“九五 期间建成各 种规模的县、乡、村级光伏电站4 0 余座、装机总容量达至u 6 0 0 多k w 。后者主要满 足农村家庭照明和收看电视的需要，功率一般为l0 一lo o w 。近年来，累计已推广 约5 5 8 万台套，总容量1 1 3 2 m w 。截止2 0 0 5 年底，我国的光伏系统累计安装容量 已达到了7 0 m w ；离网工业应用的应用范围非常广泛，如微波中继站、光纤通讯 系统、无线寻呼台站、卫星通讯和卫星电视接收系统、农村程控电话系统、部队 通讯系统、铁路和公路信号系统、灯塔和航标灯电源、石油和天然气输送管道阴 极保护、气象和地震台站、水文观察、森林防火、污染检测等灾害测报仪器电源 等甚至还可以应用到飞机、车辆、船舶等交通工具上；对于应用于消费产品领 。域中，最广泛的是太阳能照明电源，类型包括大型照明系统、小型照明灯具、小 型照明灯具以及交通信号灯i l 。 2 2 2 混合型光伏发电系统 混合型光伏发电系统如图2 3 所示。所谓混合系统是将一种或者几种不同发 电方式同时引入到光伏系统中，共同向负载供电的系统。例如在系统输入端增加 了一台备用的发电机组，在日照不强时，太阳能光伏阵列发电不足，或者蓄电池 储量不足时，启动备用的发电机组，从而不但可以给交流负载供电，还可以经过 整流器整流后给蓄电池充电，这样就相应可以节省投资；当光伏阵列能够提供足 够的电量时，通过主开关可以关闭发电机组1 2 。 图2 3 混合型光伏发电系统的结构框图 2 2 3 并网光伏发电系统 所谓并网光伏发电系统是指光伏阵列输出的直流电通过逆变器转换为交流电 后直接并入输电网中的发电系统【25 1 ，如图2 4 所示。 基于模糊p i d 控制的太阳能光伏发电系统的m p p t 研究 图2 4 并网光伏发电系统的结构框图 从上图中可知，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变器起关键的作用 要求其具有与电网直接连接的功能。根据是否带有储能组件蓄电池，可以将光 系统划分为两种结构形式，分别为可调度式并网光伏发电系统和不可调度式并 光伏发电系统32 1 。前者是带有蓄电池环节的，在此系统中装有逆变器主开关和 载开关，以保证电源的不间断性，这对于某些重负荷以及家庭用户具有关键的作 用，同时该系统还能调节功率，稳定电网电压、消除有害的告辞谐波分量，能够 提高电能质量1 2 引。后者不带有蓄电池环节，该系统直接跟电网相连接，通过逆变 器将太阳能阵列输出的直流电转变成与电网同相同频的交流电。 根据应用领域的不同，可以将并网系统分为光伏电站和户用并网光伏系统。 在日照丰富的地区，建造大型光伏电站，所发出的电量全部输入到电网中，如图 2 5 所示【3 引。近年来各国积极发展大型光伏电站，到2 0 0 7 年5 月为止，全球己建成 了l0 座容量超过5 m w 的光伏电站，5 0 座容量在2 m w 以上的光伏电站我国在2 0 0 4 年8 月在深圳建成了lm w 的光伏电站。户用并网光伏系统专门供给家庭用电需要， 其方框图如图2 6 。l9 9 7 年美国和欧盟先后宣布开展了“百万太阳能屋顶”计划， 德国在l9 9 9 年实施了“十万太阳能屋顶”计划，随后就安装了l2 0 m w 的户用光伏 系统，户用光伏系统得到了迅速的发展。 图2 5 光伏发电站方框图 图2 6 户用并网光伏系统方框图 综上所述，光伏并网发电系统主要由光伏阵列、直流斩波器( 本文用b o o s t 变换器) 、控制器和逆变器等组成，其结构如图2 7 所示。直流斩波器进行d c d c 1 = 程硕l 二学位论文 变换，控制器分为两个控制部分：一部分控制光伏阵列最大功率点的跟踪，使系 统输出最大功率；一部分控制逆变器进行逆变，逆变器的作用是将直流斩波器输 出的直流电逆变成交流电并入到电网中【2 9 1 。 2 3 本章小结 图2 7 光伏并网发电系统结构图 随着能源危机和环境污染等问题越来越受到人们的关心，人类对光伏发电技 术的研究利用也愈加重视。本章首先阐述了太阳能光伏发电系统的组成，并对其 组成部分进行了简要的分析介绍；然后根据不同场合的需要，对太阳能光伏发电 系统进行了分类，将其分为独立运行光伏发电系统、混合型光伏发电系统和并网 光伏发电系统三种，并对这三种系统的结构以及应用范围进行了简要介绍。 基于模糊p i d 控制的太阳能光伏发电系统的m p p t 研究 第3 章光伏发电系统中的b o o s t 电路和最大功率跟 3 1 太阳能光伏阵列概述 一个光伏阵列是由许多存在内在联系的太阳能电池组成的，封装起来形成一 个单一的整体。为了预测光伏电池的功率以及它的伏安( i v ) 特性曲线，因此建 立太阳能光伏电池的模型是很重要的【2 1 1 。一旦确定了某一个太阳能电池的i v 特 性曲线，就可以扩展到整个光伏阵列，获得光伏阵列的特性曲线。 1 1 太阳能光伏电池的数学模型 在实际应用中，光伏阵列由许多串联并联的太阳能光伏电池组合而成。太阳 光伏电池的等效电路如图3 1 所示。 图3 1 太阳能光伏电池的等效电路 由太阳能光伏电池等效电路可得出： j = i 力- i o = 厶一lh 南c 呲矿t ) 其中，：光伏电池输出电流； 矿：光伏电池输出电压； r 。：光伏电池串联电阻； l o ：二极管电流； 厶口f 反向饱和电流； g ：电子电荷； k b ：波尔兹曼常数； m ：二极管理想因子； i p h - 光生电流； 丁：外界环境绝对温度( t = t + 2 7 3 k ) 。 设在参考条件下，圪c 为开路电压，k 为短路电流，则当太阳能光伏电池输 1 = 程硕 ：学位论文 出电压为，其对应点的电流为锄，即： h 唧一， 2 ， 在公式( 3 2 ) 中，c 卜g 分别为 g = ( t 一铷p ( 甍 3 ， 堡一l g = l n 上l l l - 一生 ( 3 4 其中d ：最大功率点电压； 厶口：最大功率点电流。 为了确定太阳能光伏电池的i v 特性曲线需要三个参数，分别是开路电压， 短路电流以及最大功率点。 设 a t = 丁一 ( 3 5 ) 仉( 若一，卜 6 ) l l ” a v = 一, a a t r ，a ( 3 7 ) = + a v ( 3 8 ) i 一= i 耐+ a ( 3 9 、) 其中r ：温度变化； a v ：电压变化； a i ：电流变化； a ：在参考日照下，电流变化温度系数( a 。c ) ； ：在参考r 照下，电压变化温度系数( v o c ) ； g 膳一太阳辐射参考值( 一般为1 k w m 2 ) ； g ：太阳辐射； 一在参考条件下，太阳能光伏电池的输出电压； k f 在参考条件下，太阳能光伏电池的输出电流。 结合( 3 2 ) ( 3 9 ) 式可得太阳能光伏电池在太阳辐射g 、绝对温度为t 的 外界条件下的输出电流为： m h 唧( 错+ 基于模糊p i d 控制的太阳能光伏发电系统的m p p t 研究 即，改变参考条件下i v 特性曲线的参考电压电流点( 厂，岛厂) 可以得到一 个新的电压电流点( 圪。w ，厶。w ) ，也就是一个新的i v 特性曲线。 根据前面所述，一个光