（系统工程专业论文）基于组态优化的光伏阵列控制技术的研究.pdf

摘要 摘要 太阳能光伏发电作为可再生能源的重要组成部分在未来将成为能源供应的重 要组成部分。加速开发利用以太阳能为主体的可再生能源已成为人们的共识。光 伏发电系统可将太阳光能直接转换为电能，但系统的低效率、高成本，仍然是制 约光伏发电普及的一个主要因素。因此国内外众多学者均致力于有关提高光伏系 统效率的研究，对太阳能方阵的组态优化控制是提高光伏系统效率的一个重要研 究内容。 本课题根据光伏电池的工作特性，设计了一个光伏阵列的组态优化控制系统 和一个基于组态优化的弱光充电器。大规模太阳能光伏阵列的输出功率除了受入 射光强和环境温度影响较大外，还受安装环境和安装位置的影响，随着太阳光入 射角度的变化，不同位置的光伏阵列其输出变化也有明显差别。为了更好地发挥 光伏阵列的工作效率，在外部环境发生变化时，对光伏阵列进行合理的重新组态 可提高光伏阵列的输出功率。本文在梯度法实现最大功率点追踪的基础上，提出 了基于组态优化的光伏阵列控制方法来进一步提高光伏阵列的输出功率。光伏阵 列的组态优化是根据检测光伏组件的入射光强和表面温度来控制光伏阵列的组 态方式，系统主要包括a d 转换模块和组态开关控制模块、测温模块、入射光强 度检测模块、组态开关模块、p c 机与a d 转换模块之间的u s b 通信模块、p c 机 与组态开关控制模块之间的u s b 通信模块、p c 机监测平台。在太阳光较弱时，光 伏组件的电流输出很小，不能直接对蓄电池进行充电，为了使光伏组件能在弱光 下对蓄电池充电，本论文提出了一种基于组态优化的弱光光伏充电法，该方法是 由单片机处理器根据光伏阵列输出开路电压和光伏阵列进行充电时电压的采样 值来输出控制m o s 管通断的信号，实现弱光下对蓄电池有效充电控制。 本文对光伏阵列的组态优化控制做了仿真研究，证明了本文所设计方案的可 行性，并对组态优化控制系统进行实验研究，实验结果证明该方法能有效提高光 伏阵列的输出效率。本文还设计了一个基于组态优化的弱光充电器，从实验结果 可知，在弱光情况下，该充电器能有效的对蓄电池充电控制。 关键词：光伏阵列；组态优化；模型预测控制；最大功率跟踪；监测平台 广东丁业大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c e l e r a t i n gt h ee x p l o i t a t i o na n du t i l i z a t i o no fr e n e w a b l er e s o u r c e st h a ts o l a r e n e r g yi sp r i n c i p l ep a r th a sb e e no u rc o m m o ni d e a s t h eu t i l i z a t i o no fs o l a ri nt h e m a n n e ro fp vh a sb e e nd e v e l o p e ds w i f t l yn e a rf u t u r e ，b u ti ti sam a i nr e s t r i c t e d f a c t o ro fp vg e n e r a t i n gp o w e r sp o p u l a r i z a t i o nt h a ti ti si n e f f i c i e n ta n dh i g h - c o s t h e n c e ，t h es c h o l a ri n l a n da n do v e r s e a sa l ld e v o t et h e m s e l v e st os t u d yt h ep r o b l e mo n i m p r o v i n g t h ep - vs y s t e m se f f i c i e n c y ，t h e c o n f i g u r a t i o no p t i m i z e c o n t r o lo f p h o t o v o l t a i ca r r a yi sv a l u a b l es t u d y ，a n dw es h o u l da t t a c hi m p o r t a n c et ot h i ss t u d y a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i co fp h o t o v o l t a i cc e l l ，t h i ss u b j e c th a s d e s i g n e dac o n f i g u r a t i o no p t i m i z ec o n t r o l l e ds y s t e mo fp h o t o v o l t a i ca r r a y ，a n dal o w s u n s h i n ec h a r g e rw h i c hb a s eo nc o n f i g u r a t i o no p t i m i z e t h eo u t p u to ft h el a r g e s c a l e p h o t o v o l t a i c ( p v ) a r r a yi si n f l u e n c e db yi n c i d e n c el i g h td e n s i t ya n dt e m p e r a t u r e ，a n d i tisa ls oi n f l u e n c e db yi n s t a l l a t i o no fe n v i r o n m e n ta n dp o s i t i o n t h eo u t p u to f p h o t o v o l t a i c ( p v ) a r r a yi nd i f f e r e n tp o s i t i o nc h a n g eo b v i o u s l ya l o n gw i t ht h ec h a n g e o fi n c i d e n c el i g h ta n g l e f o rg a i n i n gb e t t e rw o r ke f f i c i e n c yo fp h o t o v o l t a i c ( p v ) a r r a y ，al o g i c a ln e wc o n f i g u r a t i o nw h e nt h ee n v i r o n m e n t a lh a sc h a n g e dc a ni m p r o v e t h eo u t p u to f p h o t o v o l t a i ca r r a y t h ep a p e ri n t r o d u c e sg r a d i e n tm e t h o dt ot r a c k m a x i m u mp o w e rp o i n ta n da l s oi n t r o d u c e sc o n f i g u r a t i o no p t i m i z em e t h o dt oe n h a n c e o u t p u t t i n gp o w e r t h ec o n f i g u r a t i o no p t i m i z ec o n t r o l l e ds y s t e mo fp h o t o v o l t a i c a r r a y ，a c c o r d i n g t or a d i a n t i n t e n s i t y a n d t e m p e r a t u r e ，c o n t r o l st h ea r r a yo f p h o t o v o l t a i c m o d u l e t h es y s t e mi n c l u d e sa dt r a n s i t i o nm o d u l ea n dc o n t r o l c o n f i g u r a t i o ns w i t c hm o d u l e ，m e a s u r i n gt e m p e r a t u r em o d u l e ，m e a s u r i n gi n c i d e n c e r a d i a n ti n t e n s i t ym o d u l e ，c o n f i g u r a t i o ns w i t c hm o d u l e ，u s bc o m m u n i c a t i o nb e t w e e n c o m p u t e ra n da dt r a n s i t i o nm o d u l e ，u s bc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o m p u t e ra n d c o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns w i t c hm o d u l e ，c o m p u t e rm o n i t o ri n t e r f a c e u n d e rt h ec o n d i t i o n o fw e a k l i g h t ，t h ec u r r e n ts ov e r ys m a l lt h a ti tc a n tc h a r g et ob a t t e r yd i r e c t l y f o r t h es o l a rm o d u l ec a nu s u a l l yc h a r g et ob a t t e r yu n d e rt h ew e a kl i g h t ，t h i st h e s i s a d v a n c eak i n do fi n t e r m i t t e n t l yi m p u l s ec h a r g i n gw h i c hb a s eo nt h ec o n f i g u r a t i o n o p t i m i z e t oc h a r g eb a t t e r y t h ew e a ks u n s h i n e c h a r g e rb a s e do nc o n f i g u r a t i o n i i a b s t r a c t o p t i m i z ec o n s i s t so fs i n g l e c h i pp r o c e s s o ra c c o r d i n gt oo p e nv o l t a g et r a n s p o r t e db y p h o t o v o l t a i ca r r a ya n dt h es a m p l i n gv o l t a g ew h e np h o t o v o l t a i ca r r a yc h a r g i n gt o c o n t r o lt h eo n o f fs i g n a lo ft h em o s t u b e ，r e a l i z i n gt h ee f f e c t i v ec h a r g i n gd e v i c et o t h eb a t t e r yi nt h el o ws u n s h i n e t h i sd e v i c ei n c l u d e sc h a r g i n gc i r c u i tw h i c hm a k e p h o t o v o l t a i ca r r a yc h a r g i n gb a t t e r y ，c o n t r o lc o n f i g u r a t i o ns w i t c h m o d u l ew h i c h c o n t r o l st h ea r r a yo fp h o t o v o l t a i cm o d u l ea n ds i n g l e c h i pp r o c e s s o r t h ep a p e rh a sm a d es i m u l a t i o no ft h ep h o t o v o l t a i ca r r a y sc o n f i g u r a t i o n o p t i m i z ec o n t r o l ，t h er e s u l ts h o w si t sf e a s i b l e a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nm e t h o d ，a c o n f i g u r a t i o no p t i m i z es y s t e mc o m e si n t ob e i n g a ne x p e r i m e n to nt h ec o n f i g u r a t i o n o p t i m i z es y s t e mi sd o n ef o rv e r i f y i n gt h ed e s i g nm e t h o dc a ne n h a n c ep h o t o v o l t a i c a r r a y so u t p u tp o w e ra v a i l a b l y t h i sp a p e ra l s od e s i g nal o ws u n s h i n ec h a r g e rb a s e d o nc o n f i g u r a t i o no p t i m i z e ，t h ea n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t si m a g e sa n dd a t as h o w s t h a tt h i sm e t h o da v a i l a b l yc h a r g et h es t o r a g eb a t t e r y k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i ca r r a y ；c o n f i g u r a t i o no p t i m i z e ；m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ； m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k ；m o n i t o ri n t e r f a c e 1 1 1 广东工业大学工学硕l 二学位论文 独创性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以 标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，不包 含本人或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 本学位论文成果是本人广东工业大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 论文作者签字：必坎劣 指导教师签字：磁辄 硼髻年岁月j 彦日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 光伏发电的发展现状以及前景 随着社会生产的日益发展，对能源的需求量在不断增长，全球范围内的能源 危机也日益突出。传统的能源，尤其是煤炭、石油、天然气三大石化燃料更是有 限，不合理地使用传统能源，造成全球严重的环境问题。大量使用石化能源使 全球变暖，燃煤会通过煤渣和烟尘放出大量有化学毒性的重金属和放射性物质。 随着石化能源的减少，其价格也会提高，这会严重制约生产的发展和人民生活水 平的提高心1 。因此可再生能源发电技术的应用受到越来越普遍的重视，洁净廉价 的太阳能正适合于作为可再生的替代能源。 太阳能光伏发电是新能源和可再生能源的重要组成部分，被认为是当前世界 上最有发展前景的新能源技术，各发达国家均投入巨额资金竞相研究开发，并积 极推进产业化进程，大力开拓市场应用凹1 。光伏发电具有如下几点优势h 1 ： 1 可靠光伏发电很少用到运动部件，工作可靠。目前已有数千套光伏系统 的运行经验，晶体硅寿命可达2 0 年以上。 2 安全、无噪声及其它公害不产生任何的固体、气体和液体有害废弃物， 噪声几乎没有，无环境污染和公害问题。安装维护简单，运行成本低，适合无人 值守等优点。尤以可靠性高而备受人们重视。 3 兼容性好光伏发电可以与其他能源配合使用，也可以根据需要而使光伏 系统很方便的增容。 4 标准化程度高可由组件的串并联满足不同的用电需要，通用性强。 5 太阳能无处不有，应用范围广但是光伏发电也有着缺点，光伏发电能量 分散，占地面积大，间歇性大，地域性强，建设初时投资大，成本较高。 建立在煤炭、石油、天然气等燃料基础上的能源体系极大地推动了世界的工 业化发展，但同时人们也逐渐发现了大规模使用石化燃料所带来的严重后果：资 源日益枯尽、环境不断恶化。所以人类必须寻找一种新的、清洁安全、可靠的可 再生能源。太阳能光伏发电正是缓解能源短缺的新路。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 1 。2 0 0 4 年世界光伏电池组件的生产量 广东工业大学工学硕上学位论文 达到1 1 9 4 m w ，比2 0 0 3 年的7 4 4 2 6 m w 增长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 。在产业方面，光伏企业的生产规模从1 0 5 0 m w a 发 展到5 0 i o o m w a ，并正向1 0 0 4 0 0 m w a 规模扩大。商品化晶体硅光伏电池的效 率，从1 0 - - ，l3 提高到13 - - - , 17 ，近年来，世界光伏电池组件的生产成品降低 1 3 左右，为2 5 3 o 美元w p ，目前，国际市场光伏电池组件售价在3 5 3 9 美元w p 。美国光伏系统电价的成品目标是：2 0 1 0 年安装成品下降为1 5 美元w p ， 成品电价6 美分k w * h 以下哺1 。 我国于1 9 5 8 年开始研制太阳能电池，l9 5 9 年第一块有实用价值的太阳能电 池诞生。并于1 9 7 1 年3 月首次应用太阳能电池作为科学实验卫星的电源，开始 了太阳能电池的空间应用，1 9 7 3 年首次在灯浮标上进行应用太阳能电池的实验， 开始了太阳能电池的地面应用。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i o m w ，光伏组件的年生产 能力在15 0 m w 以上n3 。新世纪以来，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“起飞计划 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规划的目标是，光伏发电装机 达到4 7 g w 。如果再加上其它国家的装机量，预计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，成为世界上最快的一个产业。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n 1 。 我国自2 0 世纪7 0 年代起在探索太阳能光伏发电技术方面有所突破。如利用 广阔的荒漠建立大型光伏并网发电系统，同时在建筑上向光伏暮墙屋顶进军，将 那些闲置的空间和太阳能资源利用起来推出一个中国的太阳能计划。从发达国家 的相关产业政策可见，政府为了扶持太阳能产业，通过立法确保电力部门以高出 其他能源几倍的价格购买一定比例的太阳能并网电能和政府补贴等方式来推进 光伏系统的推广阳1 。 2 第一章绪论 1 2 光伏发电系统的简单介绍 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) 。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。未与公共电网相连接的太阳 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，主要用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所。与公共电网相连接的太 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阳1 。特别是其中的光伏电池与建筑相结合的联网屋 顶太阳能光伏发电系统，是众多发达国家竞相发展的热点。 直接把光伏电池与负载相连，中间不带储能装置，这类光伏系统叫直接耦合 光伏系统，但这类系统在阴雨天和晚上的时候不能提供能量，所以通常中间要加 入蓄电池。由于光伏系统受外界因素影响比较大，所以，光伏发电系统基本包括 光伏电池板、电力电子变化装置、储能装置、控制器四大部分，如图卜l 所示。 光伏阵列 图1 - 1 光伏发电系统的一般结构图 f i g 1 1t h ef l a m eo fp h o t o v o l t a i cs y s t e m 储能装置一般采用铅酸蓄电池。电力电子变换装置根据负载的不同可分为两 类n 们： 1 直流变换器按照直流负载的要求供电。 2 逆变器通常为工频逆变器，输出恒频、恒压的交流电。在并网光伏发电 系统中还要有交流并网装置和电能计量装置。控制器是整个系统的核心，负责对 各运行参数进行检测，并根据预设和判断做出控制指令，使系统能够自动稳定运 行，并工作于最佳状态。 广东丁业大学工学硕上学位论文 目前我国户用光伏发电系统主要是直流系统，光伏电池发出的电能给蓄电池 充电，蓄电池直接提供电给各类负载。这类系统结构简单，成本低廉。由于负载 直流电压不同，很难实现系统的标准化和兼容性，特别是生活用电，其负载主要 为交流电。因此，交流光伏逆变电源正在逐渐取代直流光伏电源。图卜l 为并网 式光伏发电系统，并网式系统是通过系统装置与已有电力系统连接，然后由户用 光伏系统，通过连接装置将电力输往电力系统。并网式系统由于受电力系统的电 力支援，可以把电网作为储能装置，通常可以省去蓄电池，成为经济的系统。当 前，并网式光伏发电系统，尤其是户用并网式光伏发电系统，由于与建筑合为一 体，节约用地和成本，成为世界上光伏发电研究和开发的热点。 1 3 本课题所做的工作和意义 在太阳能光伏发电系统中，太阳电池阵列作为将太阳能转换成电能的装置， 在系统中无论从成本上还是功能上都占有重要地位。因此合理配置太阳电池阵 列，提高太阳电池的利用效率，降低发电成本一直是光伏系统设计的重中之重。 从理论上来说，太阳能阵列是由若干个太阳电池组件经过串、并联组合而成，因 此其发电量应该是单块太阳电池组件发电量的总和。但实际应用中，由于阵列电 池的安装、电池板的洁净程度、组合规则等外界因素的影响，太阳电池阵列实际 发电量一般低于理论设计值。太阳能组件表面温度和太阳辐射强度是影响太阳能 阵列i - v 特性的主要因素，因此考虑到太阳能电池组件表面温度和太阳辐射强度 对光伏发电的影响，对于控制整个由不同输出特性的太阳能电池组件构成的方阵 最大功率输出提出了更高的要求。目前大多数研究都是在环境温度和太阳辐射强 度相同条件下对太阳电池阵列的最大功率进行跟踪研究的。在应用中，光伏阵列 是由多个太阳电池组件串并联组成的，而阵列中每条支路的电池组件方位和倾角 等问题都会引起太阳能组件表面温度和太阳辐射强度的差异。例如建筑屋顶东、 南、西三个方向的小型方阵，在同一时刻很难保证它们的入射光强和光伏板表面 温度的一致。如果把三个方向的方阵强行并起来输出，如图1 - 2 ( a ) 所示，必将使 其中的两列光伏阵列偏移实际的最大功率点。如果把三个小方阵分别经过d c d c 变换后再输出，如图卜2 ( b ) 所示，又必将增加控制电路的成本( 增加了两个d c d c 电路) 和控制的复杂性。 为了充分发挥光伏组件的工作效率，尽量使光伏组件工作在最大功率点处， 4 第一章绪论 本文提出了一种光伏阵列组态优化的控制方法，并设计了一个能根据不同环境温 度和太阳辐射强度使太阳能光伏组件以不同的排列组合输出的控制系统，提高系 统工作效率。如上面三列方阵可先通过组态优化的方法，使其交叉组合后再进行 输出，这样既可以使光伏组件输出在最大功率点处，又可以减少d c d c 控制电 路，同时还可以控制电压输出范围。在此基础上，本课题还提出了一种弱光下基 于组态优化的光伏充电方法，延长光伏电池的工作时间。 a )b ) 图1 - 2 光伏阵列输出结构图 f i g 1 - 2t h ef r a m eo fp h o t o v o l t a i co u t p u t 本文创新之处主要在以下几方面工作： ( 1 ) 根据对大规模光伏阵列的电池组件不同输出特性的分析，提出了一种组 态优化的光伏阵列输出控制方法，并进行了仿真和实验研究。 ( 2 ) 根据上面所提出的方法做出了实际硬件电路，电路包括光强检测，温度 检测，组态开关电路，a d 转换与驱动组态开关信号电路。 ( 3 ) 用v b 编写了控制监测平台，该平台监控的信号通过p c 机的u s b 接口和 a d 转换电路之间通讯获取。 ( 4 ) 根据弱光下光伏组件的输出特性，用单片机a t m e g a l6 设计了基于组 态优化的光伏充电电路。 广东工业大学工学硕十学位论文 1 4 本文的结构 本文所研究的课题“基于组态优化光伏阵列最大功率输出研究”，为国家自 然科学资金资助项目“分散式风力一太阳能发电系统的混合控制研究 ( 6 0 5 3 4 0 4 0 ) ”研究内容的一部分。本文由以下几部分组成： 第一章论述了本文所研究的背景及其意义，介绍了本课题所做的主要工 作，及系统的主要特点。 第二章详细介绍了光伏电池的基本原理和电气特性，并通过仿真得出了 光伏组件的电气特性。 第三章给出了组态优化控制系统的总体设计方案，提出了本课题的控制 方法。 第四章论述了组态优化控制系统的硬件设计，说明了各主要部分的功能 和特点。 第五章介绍了组态优化控制系统的软件设计。 第六章给出了组态优化的光伏阵列最大功率输出系统的测试结果与分 析。 1 5 小结 本章首先分析了光伏发电的发展现状以及前景，介绍了光伏发电系统基本结 构，最后介绍了本课题所做的工作和研究的意义以及本文各章节的研究内容。 6 第二章光伏屯池的基本原理和电路特性 第二章光伏电池的基本原理和电路特性 太阳能发电是提供新能源和减少环境污染的有效手段之一，大规模的光伏发 电，不但起到绿色环保的目的，而且对克服我国能源紧张问题具有重大意义。太 阳能光伏电池因为能实现直接将太阳能转化为电能而受到世界各国的重视。它具 有重量轻，寿命长，使用方便等优点。因此，光伏电池的研究与开发越来越受到 世界各国的广泛重视。 2 1 光伏电池的原理 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能变换成为电能。这个把 太阳能变换成电能的能量转换器就叫做太阳能电池。 太阳能电池工作原理的基础，是半导体p n 结的光生伏打效应。所谓光生伏 打效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而 产生电动势和电流的一种效应。可将半导体太阳能电池发电的过程概述成如下4 占 1 1 j 、 1 首先是收集太阳光和其它光使之照射到太阳能电池表面上。 2 太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子( 光生载流子) 一电子一空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合 消失。 3 这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池p n 结内电场的作用下，电 子一空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中在另一边，在p n 结两边产生异性 电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。 4 在太阳能电池p n 结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光 生电流流过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能( 或其它光能) 直 接变换成了电能。 制造光伏电池的半导体材料已知的有十多种，因此光伏电池的种类也很多。 目前，技术最成熟，并具有商业价值的光伏电池是硅太阳能电池2 1 。 广东工业大学工学硕士学位论文 2 2 光伏电池的电气特性 2 2 1 光伏电池的输出特性方程 太阳能电池的等效电路如图2 1 所示。其中，r 三为电池的外负载电阻。当 r = 0 时，所测的电流为电池的短路电流。所谓饱和电流k ，就是将太阳能电池 王 h r 弓 勺 l 。一 廊 sz 】 【 ； 图2 1 光照时太阳能电池的等效电路 f i g 2 - 1e q u i v a l e n tc i r c u i to fp vu n d e rs u n s h i n e 置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。厶。值与 太阳能电池的面积大小有关，面积越大，k 值越大。一般来说，l c m 2 硅太阳能电 池的k 约为16 3 0 m a 。同一块太阳能电池，其厶。与入射光的辐照度成正比；当 环境温度升高时，厶。值略有上升，一般温度每升高1 ，厶。值约上升7 8 u a t t 3 1 1 1 4 。 当尺l 无限大时，所测得的电压为电池的开路电压。所谓开路电压乩。，就是太阳 能电池置于光源照射下，在两端开路时，太阳能电池的输出电压值。太阳能电池 的开路电压，与光谱辐照度有关，与电池面积的大小无关。当入射光谱辐照度变 化时，太阳能电池的开路电压与入射光谱辐照度的对数成正比，当环境温度升高 时，太阳能电池的开路电压值将下降，一般温度每上升1 ，乩。值下降约2 3 m v n3 川。如( 二极管电流) 为通过p n 结的总抗散电流，其方向与k 相反。r s 为串联电阻，它主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面 间接触电阻所组成。尺幽为旁漏电阻，它是由硅片的边缘不清洁或体内的缺陷引起 的。一个理想的太阳能电池，串联电阻r s 很小，而并联电阻r 妫很大。由于r s 和r 妫是分别串联和并联在电路中的，所以在进行理想的电路计算时，他们可以 忽略不计，此时流过负载的电流厶为n5 1 6 1 n ： 仁彘儿一等也】 ( 2 1 ) 第二章光伏电池的基本原理和电路特性 其中 q u f i d = i o ( e a t r 一1 ) ( 2 2 ) ，。一一是太阳能电池在无光照时的饱和电流， g 一一为电子电荷， j 卜一为波尔兹曼常数， 彳一一为二极管曲线因素，称p - n 结因子。 卜一一温度( k ) 。 u 。一一电池输出电压 结合公式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 可得 仁k i o l a g r 廿1 半 ( 2 3 ) j l = ，靶一 pr 一】一上# ( 2 3 ) 考虑理想情况，当尺。一o ，r 曲一0 0 ，a = 1 时 q u a , , 屯= k l o ee k r 一1 】 ( 2 4 ) 当i l = o 时，可以得到太阳能板的开路电压 ：坚l n ( 争+ 1 ) ( 2 5 ) g o ( 2 3 ) 式为太阳能电池输出电流i p ，和输出电压之间的关系的数学模型。 在一定温度下和不同的光照强度下，太阳能电池的输出电流i 。，与电池端电压 甜。的关系曲线如图2 2 所示： i i o 图2 - 2 太阳能电池i v 特性曲线 f i g 2 - 2t h ei vc h r v eo fp v 9 广东丁业大学_ t 学硕上学位论文 2 2 2 光伏组件与光伏阵列 单体太阳能电池的输出电压、电流和功率都很小，一般来说，输出电压只有 0 5 y 左右，输出功率约0 5 形，不能满足作为电源应用要求n 引。为提高输出功率， 需把多个单体电池合理地连接起来，并封装成组件。将单体电池连接起来主要有 串联和并联两种方式，也可以同时采用这种方式而形成串、并联混合连接方式。 如果每个单体电池的性能是一致的，多个单体电池的串联连接，可在不改变输出 电流的情况下，使输出电压成比例的增加；并联连接方式，则可在不改变输出电 压的情况下，使输出电流成比例的增加；而串、并联混合连接方式，既可增加组 件的输出电压，又可增加组件的输出电流引乜引。在需要更大功率的场合，则需要 将多个组件连接成为阵列，以向负载提供数值更大的电流、电压输出。 本文用于m a t l a b 建模的光伏组件数学模型如下：设参考条件下，厶。为短路 电流，。为开路电压，厶、为最大功率点电流和电压，则当光伏阵列电压为y ， 其对应点电流为户： 其中 竺互 i = l 。( 1 一c ，( e c 2 一1 ) ) + 盔 ( 2 6 ) 删一分丧 ( 2 7 ) c 2 = ( 羔一1 ) l n ( 1 一鲁) ( 2 8 ) 巩= - - m r - - r 。西 ( 2 9 ) 细砉州寺叫儿 ( 2 1 0 ) 西= l 一巩， ( 2 1 1 ) 其中r ，e y = l k w m 2 ，t ，e y = 2 9 8 k ，疋为实际温度，厅为实际入射光强度，a 为 电流变化系数，为电压变化系数，k 为饱和电流，圪。为开路电压，厶、分别 为最大功率点电流和电压，r 。为光伏组件的串联电阻，它受光伏组件的串联数和 并联数影响。下面将运用m a t l a b 对该光伏组件进行仿真，并对仿真结果进行分析。 1 0 第二章光伏电池的基本原理和电路特性 2 3 光伏组件的仿真实现 本文所设计系统的光伏组件为德国s i e m e n s 公司生产的s p 7 5 型号，其特性 如下：在r 可= 1 k w m 2 ，t ，e y = 2 9 8 k 时，p m , , x = 7 5 w ，圪。= 2 1 7v ，厶。= 4 8 ，v m = 1 7 v , 厶= 4 4 a ，r ，= 1 0 6 8 q( 其中，厶为光伏组件最大功率输出时电压和电流的取 值，尺腭，和，是标准情况下的光强度和电池板表面温度) 乜钉心3 1 。 由公式( 2 4 ) 可知，光伏板的输出电流、输出电压受光伏板表面温度、入 射光强影响，下面可以根据在不同的温度和光强下对光伏板的输出进行仿真。 仿真p v 模块程序如下： f u n c t i o ni = i ( u r t ) ： d t = t 一2 9 8 ； d i = ( o 0 2 2 。卑r 1 0 0 缈毒d t + ( r 1 0 0 0 - 1 ) 聿4 8 ： d v = 0 j * d t j 0 6 8 木d i ； i = 4 8 卑( 1 0 0 0 0 0 1 奄( e x p ( ( u d v ) 1 9 8 1 2 ) - 1 ) ) j r d i ： 图2 3 给出了i v 关系曲线： 图2 - 3 光伏组件工一v 关系曲线 f i g 2 3t h ep h o t o v o l t a i cm o d u l ei vc u r v e 广东丁业大学1 二学硕上学位论文 电压v 图2 - 4 光伏组件i - v 关系曲线 f i g 2 4t h ep h o t o v o l t a i cm o d u l el - vc u r v e 图2 3 给出了入射光强保持在下l k w m 2 下，随温度变化的i v 特性曲线图。 图2 - 4 则为光伏板表面温度保持在2 5 下，随入射光强变化的i v 特性曲线图。 ； 雠 薄 电压，v 图2 - 5 光伏组件p - v 关系曲线 f i g 2 5t h ep h o t o v o l t a i cm o d u l ep - vc u r v e 1 2 第二章光伏电池的基本原理和电路特性 ； 京 嚣 图2 - 6 光伏组件p v 关系曲线 f i g 2 3t h ep h o t o v o l t a i cm o d u l ep vc u r v e 图2 - 5 是光伏板表面温度保持在2 5 下，随入射光强变化的p v 特性曲线图。 图2 - 6 是入射光强保持在1 k w m 2 下，随温度变化的p v 特性曲线图。 由光伏电池的特性曲线可以看出，环境温度和日照强度会直接影响到光伏电 池的输出功率。 2 4 小结 本章主要介绍了光伏电池的基本工作原理和电气特性，给出了光伏组件的电 气特性仿真曲线。光伏电池利用太阳能发电输出功率受电池表面温度、日照强度 等外界因素的影响，且具有明显的非线性，因此，在大规模的光伏阵列当中由于 安装环境和光强入射角度的不同，很难保证每一个方向的电池组件的输出特性都 相同，如果强行把各个方向的光伏组件串并起来传输，会使一些光伏组件达不到 充分利用，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。因此对于控制由不同输出特性的太阳能电池组件构成方阵的最大功率输 出提出了更高的要求。 广东工业大学工学硕士学位论文 第三章组态优化控制 3 1 光伏阵列的组态优化可行性分析 3 1 1 光伏阵列的组态优化依据 太阳能组件表面温度和太阳辐射强度是影响太阳能阵列p - v 特性的主要因 素。光伏组件在不同的入射光强和环境温度下，其最大功率点对应的输出电压不 同，如图2 - 5 、图2 6 所示。一些大型建筑，往往会在其墙上和房顶的不同方向 布满光伏组件。对于这些大型的光伏阵列，安装环境和安装位置对其影响较大， 随着太阳光入射角度的变化，不同方向光伏阵列的入射光强和环境温度差别较 大，从而使一些光伏组件的在最大功率点输出时对应的输出电压不同。这些大型 的光伏阵列，若采用固定的阵列输出时，必将使一些光伏组件的输出偏离最大功 率点，从而不能充分利用光伏发电。为了更好的发挥光伏阵列的工作效率，在外 部环境发生变化时，可对光伏阵列进行合理的重新组态，尽量使每个光伏组件工 作在最大功率点处，从而提高整个光伏阵列的输出功率。 3 1 2 控制方法的确定 本文所指的光伏阵列组态优化是指通过检测外部按不同方向排列的光伏组 件的入射光强和表面温度，得出相关数据，从而追踪光伏组件的最大功率点，再 对光伏阵列进行合理的重新组态，使每个光伏组件工作在最大功率点处。 由于光伏电池的输出特性受外界环境影响大，电池表面温度和日照强度的变 化都可能导致输出特性发生较大的变化，光伏电池转换效率低、价格昂贵，初期 投入较大。因此，充分利用光伏电池所产生的能量是缩短光伏发电系统的成本回 收周期的重要途径之一。因此最大功率跟踪控制是有效利用太阳能的一个重要手 段。 从图3 1 可以看出，在一定的温度和日照强度下，光伏电池的输出电压和输 出电流之问具有非线性的关系，并且具有唯一的最大功率点m p p ( m a x i m u mp o w e p o i n t ) 。在光伏系统中，通常要求光伏电池的输出功率保持在最大，即光伏电池 1 4 第= 三章组态优化控制 工作在最大功率点，从而提高光伏电池的转换效率，达到充分利用太阳能的目的。 图3 - 1 光伏电池的输出功率与输出电压关系曲线 f i g 3 1t h eo u t p u tp o w e ra n do u t p u tv o l t a g ec u r v e 由第二章介绍到的光伏组件i - v 特性关系式可知，光伏组件的功率p 和电压 u 关系式为心3 2 钉乜朝心7 2 引： v - d r p = u ，_ u ( 厶。( 1 - - c l ( ec 2 k 一1 ) ) + d f ) ( 3 1 ) 根据( 3 1 ) 式函数的特性可知光伏组件的特性曲线是一非线性函数，梯度 法是一种被广泛应用于计算数学中求函数极值问题的一个重要方法，本文在这里 是采用梯度法来实现光伏电池输出最大功率的跟踪控制幢刚叫1 儿3 2 儿3 3 3 4 1 。其控制流 程图如图3 - 3 所示5 1 6 盯1 ： 图3 3 梯度法控制流程图 f i g 3 3t h ef l o wc h a r to fg r a d i e n tm e t h o d 1 5 广东工业大学工学硕：l 学位论文 为了提高系统的控制性能，针对光伏电池的工作特点，本文采用模型预测控 制方案来实现对系统有效控制。模型预测控制的工作基础为：在每一采样时刻， 根据当前获得的测量信息，在线求解一个有限时域开环最优控制问题，并将得到 的控制序列的第一个元素作用到被控对象上直至下一个采样周期，在下一时刻重 复上述过程。虽然各类算法在模型、性能和控制上存在许多差异，但其核心思想 都是预测模型、滚动优化、反馈校正8 1 。m p c ( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 的基本 结构如图所示阳引： r ( k 图3 - 4m p c 基本结构框图 f i g 3 - 4t h eb a s i cf r a m eo fm p c ( 1 ) 预测模型 预测控制是一种基于模型的控制算法，描述对象动态行为的基础模型称为预 测模型。预测模型够根据系统的历史信息和未来输入，预测其未来输出值。 ( 2 ) 滚动优化 预测控制是一种优化控制算法，它是通过使某一性能指标达到最优来确定未 来的控制作用。