（电力电子与电力传动专业论文）光伏并网发电系统及其控制策略的研究.pdf

a b s t r a c t a st h ee n e r g yc r i s i sa n dt h ep o l l u t i o na r es e r i o u s ，t h ee x p l o i t a t i o no fs o l a re n e r g y h a sr e c e i v e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n t h es o l a re n e r g yi st r a n s f o r m e dt oe l e c t r i c e n e r g y ，a n dt h ee l e c t r i ce n e r g yi sf e dt ot h e 鲥db yt h eg r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c s y s t e m t h i si st h em o s t l yf o r mo ft h ee x p l o i t a t i o no fs o l a re n e r g y t h ec o n t r o ls t r a t e g i e so ft h eg r i d - c o r m e c t e dp h o t o v o l t a i cs y s t e ma r e d e e p l y r e s e a r c h e d f i r s t l y , t h eb a s i cp r i n c i p i u mo fs o l a rb a t t e r yi sa n a l y z e d ，a n dt h e e q u i v a l e n tm o d e li se d u c e d ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h ei vc h a r a c t e ro ft h es o l a rb a t t e r y ， t h es o l a rb a t t e r yi san o n l i n e a rp o w e r , a n dt h eo u t p u tp o w e ri si n f l u e n c e db yt h es o l a r r a d i a t i o na n dt h ee n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r e ，f o rt r a n s f o r m i n gt h es o l a re n e r g yw i t h g r e a te f f i c i e n c y , t h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gs h o u l db ea d o p t e d t h r o u g h c o n t r a s t i n gt h em e t h o d so fm p p t ，i m p r o v e dp & qa n db o o s tc i r c u i ta r ea p p l i e d s e c o n d l y ，b yc o n t r a s t i n gt h ec o n t r o lm a n n e r so ft h ec u r r e n tf e dt ot h eg r i d ，t h e h y s t e r e s i sc o n t r o li sa d o p t e d f o rt h es t a b i l i z a t i o no ft h eg r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c s y s t e m , t h ed o u b l ec l o s el o o pc o n t r o li si n t r o d u c e di n t ot h ec o n t r o lo ft h ei n v e r t e r ，t h e c u r r e n ta n dt h ev o l t a g eo ft h eg r i da r ei ns y n c h r o n i z a t i o n , a n dt h ep o w e rf a c t o ri so n e a p p r o x i m a t e l y f i n a l l y ，i s l a n d i n ge f f e c to ft h eg r i d c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i cs y s t e mi s r e s e a r c h e d ，t h em e t h o d so ft h ei s l a n d i n gd e t e c t i o na r ei n t r o d u c e d ，t h es c h e m eo f p a r a m e t e r so p t i m i z a t i o nb a s e do nt h em e t h o do fa c t i v ef r e q u e n c yd r i f tw i t hp o s i t i v e f e e d b a c k ( a f d p f ) i sa n a l y z e d ，t h u sc a nb et a k e na sag o o dg u i d e l i n ei nt h ea n a l y s i s o ft h en o nd e t e c t i o nz o n e ( n d z ) o fa f d p f s i m u l a t i o nm o d e ld u et ot h es o l a rb a t t e r ym o d e l ，m p p tm o d e l ，g r i d c o n n e c t e d m o d e la r eb u i l to nt h ep l a t f o r mo fm a t l a b s i m u l i n kb yu s i n gt h em o d u l e so ft h e s i m p o w e r s y s t e m s 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 es c h e m e sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e s k e yw o r d s ：s o l a re n e r g y ，g r i d - c o n n e c t e dp h o t o v o l t a i c ，m p p t , i s l a n d i n g e f r e c t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得苤鲞盘堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：夕叁往 签字日期：劲弼 年月一日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 疮组 导师签名： 右宅嘶 签字日期：硼孑年多月o 日签字同期：翮年莎月r 口日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 太阳能和光伏发电的意义 能源是人类社会发展的动力来源。从古至今，人类在不断地从自然界索取、 探求适合生存和发展所需的各种能源，能源的利用水平折射出人类文明的进步步 伐。到了现代社会，随着全球工业化进程的展开，人类对能源需求的日益增加， 煤炭、石油和天然气三大化石能源的储量正日趋枯竭。根据目前所探明的储量和 消费计算，这些能源仅可供全世界大约消费1 7 0 年。具体来说，石油将在4 0 年 内耗尽，天然气将在6 0 年内耗尽，煤炭也只能够使用2 2 0 年。我国一次能源状 况也和世界相仿，目前我国石油剩余可采储量为3 2 7 3 6 亿吨，可供开采2 0 年； 天然气剩余可采储量l1 7 0 4 亿立方米，可供开采6 0 年；煤炭剩余可开采储量为 1 1 4 5 亿吨，可供开采不足百年。能源的日益匮乏使得人们必须去寻找新的替代 能源。 全球正在面临能源危机的同时，由于大量使用化石能源，生态环境遭到严重 破坏。燃烧化石能源所排放出的二氧化碳和含氧硫化物直接导致了地球温室效应 和酸雨的产生，全球变暖不断加剧，自然灾害不断增加，冰川融化等等说明了环 境污染的严重性。能源、环境与发展成为当今世界亟待解决的问题。为了减少大 气污染、保护人类生态环境、保证能源的长期稳定供应，必须实施可持续发展战 略，逐步改变现有的能源结构，大力开发利用新能源。因此，无论是从确保长期 的能源供应，还是从保护环境角度出发，开发利用取之不尽、用之不竭、又没有 污染公害的新能源已是势在必行。因此全球都在积极开发利用可再生能源。 太阳能光伏发电具有无污染、可再生、不受地域限制、分布式发电等优点， 而且太阳能电池的主要原材料硅的储量非常丰富，随着太阳能电池研究的快 速进程和转化效率的不断提高，发电成本已经呈现快速下降趋势。在长期的能源 战略中，太阳能光伏发电在包括太阳热能发电、风力发电、海洋能发电、生物质 能发电等在内的可再生新能源中具有重要地位。 第一章绪论 1 2 光伏发电的国内外发展状况 1 2 1 国外发展状况e 1 】 从上世纪9 0 年代起，许多国家掀起了太阳能光伏发电热潮，美国、日本、 欧盟、印度等国家纷纷制定雄心勃勃的中长期发展规划推动光伏技术和光伏产业 的发展。 在太阳能电池的技术方面，各国一直在通过改进工艺、扩大规模和开拓市场 等措施来降低成本，并取得了巨大进展。以美国为代表，能源部自1 9 9 0 年起动 了p v m a t ( 光伏制造技术) 计划，旨在大幅度降低成本。计划的实施产生了非 常明显的效果：商品化电池效率达到1 2 1 5 ；生产规模从过去的1 - 5 m w 年发 展到5 - 2 0 m w 年，并正在向5 0 m w 扩大；工艺不断简化，自动化程度不断提高； 三年来，光伏组件生产成本降低了3 2 以上，降到3 美元w p 以下( w p - 峰瓦， 在标准条件下，太阳能电池板或组件输出的最大功率被称为峰值功率，在以瓦为 计算单位时称为峰瓦。根据欧洲委员会定义的1 0 1 号标准，标准条件为：光谱辐 照度，1 0 0 0 w m 2 ；光谱，a m l 5 ；电池温度，2 5 ) ，售价降到4 美元w p 左右。 美国的目标是：2 0 0 5 年光伏系统安装成本降到3 美元w p ( 1 1 美分k w h ) ，2 0 1 0 年降到1 5 美元w p ( 6 美分k w h 以下) 。欧洲和日本也有类似的计划，竞争促 使各发达国家的产业化技术几乎以大致相同的水平和速度向前发展。 而对于p v 系统来说，降低成本可通过扩大规模、提高自动化程度和技术水 平、提高电池效率等技术途径实现。可行性研究指出，5 0 0 m w 年的规模，采用 现有不同的商业化晶硅技术，可使p v 组件成本降低到0 7 1 1 7 8 欧元w p ，如果 加上技术改进和提高电池效率等措施，组件平均成本可降低到1 美元w p 。在这 个组件成本水平上，加上系统其他部件成本也在不断改进和降低，发电成本6 美 分k w h 是可能和现实的。考虑到薄膜电池，未来降低成本的潜力更大，因此， 在下世纪前1 0 3 0 年把p v 系统安装成本降低到与核电可比或者更低是完全有可 能的。 据统计，1 9 9 8 年全世界太阳电池组件的生产量己经达到1 5 7 8 m w ，是1 9 9 2 年5 8 2 m w 的近3 倍。而p v 系统安装价格每年以9 速率降低，1 9 9 6 年平均安 装成本约7 美元w p ，预计2 0 0 5 年可降到3 美元w p ，p v 发电成本0 1 1 美元k w h ， 2 0 1 0 年降到6 美分k w h ，相当于系统安装成本1 7 美元w p 。 国际能源组织( i e a ) 于1 9 9 1 和1 9 9 7 年相继两次启动光伏计划，许多国家 也相继制定了本国的屋顶计划，使得光伏技术如旭日东升，蓬勃发展。例如，1 9 9 7 年6 月美国宣布了“克林顿总统百万屋顶光伏计划”，到2 0 1 0 年在美国国内建造 2 第一章绪论 1 0 0 万座太阳能屋顶，计划完成后每年减少排放二氧化碳相当于8 5 万辆汽车的 排放量。美国的屋顶计划旨在加速和促进美国光伏产业的快速发展，把发电成本 降到6 美分k w h 以下，起到减排c 0 2 、增加社会就业、保持和加强美国光伏产 业在世界的领先地位和支配地位的作用。欧洲于大致相同的时间宣布了百万屋顶 计划，于2 0 1 0 年完成。日本政府的计划目标是，到2 0 1 0 年安装5 0 0 0 m w 屋顶 光伏发电系统。德国联合政府在欧洲百万屋顶的框架下于1 9 9 8 年1 0 月份提出了 一个p v 工业2 0 年来最庞大的计划在6 年内安装l o 万套p v 屋顶系统，总 容量在3 0 0 5 0 0 m w ，每个屋顶约3 - 5 k w ，总费用约9 1 8 亿马克。该计划提供 1 0 年无息信贷，政府提供3 7 5 的补贴，该计划于1 9 9 9 年1 月实施。该计划在 德国引起了很大反响，对德国的p v 工业将产生不可估量的影响。据资料预测显 示，到2 0 1 0 年，全世界光伏产业将累计达到1 4 - - - 1 5 g w ，这表明世界光伏产业发 展有着远大的发展空间。有数据表明，世界光伏产业以31 2 的平均年增长率高 速发展，己成为当今世界最受关注、增长幅度最快的能源产业之一。 此外，近些年来，美国、日本和俄罗斯等国均投入大量资金进行空间太阳能 电站的研究实验，以期大规模利用太阳能为人类提供源源不断的电力，其前景十 分诱人。 1 2 2 国内发展状况【2 】【3 】 我国幅员辽阔，大部分地区太阳能资源丰富，具备发展太阳能的环境条件。 特别是广大西部地区，由于地处高原，大部分地区日照充分，风力资源好，非常 有利于建造独立的太阳能光伏电站，或者风光互补电站，也适合一家一户的小型 独立光伏系统。并且西部地区地广人稀，常规电能的使用成本昂贵，使得很多地 区至今用电尚未普及。因此结合我国的具体国情，这些无电地区和无电人口是发 展利用太阳能光伏发电的巨大潜在市场。 从1 9 5 8 年开始研制太阳能电池，我国的光伏技术已具有一定的水平和基础。 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 以上。 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 。单晶硅和多晶硅光 伏电池组件的售价为3 5 - - - 4 0 元w p 。 在光伏发电平衡设备方面，也取得不小的进步。“八五”、“九五 、“十五 期间开发出了独立光伏发电系统用的1 0 1 0 0 k w 的正弦波d c a c 逆变器，逆变 第一章绪论 效率大于9 0 ；研制出了一系列光伏专用的控制器和太阳模拟器等检测仪器；研 制出了光伏并网逆变器、智能光伏电源系统、独立光伏电站、输油输气管道阴极 保护光伏电源系统、家用光伏电源系统、风光混合发电系统、小型并网光伏发电 系统等系统技术方面，也取得了不少的研究成果和工程经验。 当然和发达国家相比，我国的光伏产业还处于起步阶段，和美、日、德等发 达国家还有着很大差距。但是相信随着人们环保意识的提高，政府对新能源利用 的重视，新能源的推广和利用将会日渐受到注目和推崇，成为保障社会、经济可 持续发展的关键。 目前，中国社会、经济的快速发展为光伏发电市场提供了更好的发展空间和 机遇，可以预测在市场和生态环境的共同要求下，我国的光伏产业将会有更大的 发展。 。 1 3 太阳能光伏发电系统的简单介绍 太阳能光伏发电系统可区分为两大类：一是独立系统，二是并网系统。 独立系统是由太阳能电池直接给负载提供功率，太阳能发电系统的最基本的 形式，这种系统多用于远离市区( 无人操作) 的海上灯塔、浮标、山顶的无线中 继电台等，作为供电电源。如果负荷是交流的，则还须通过逆变器将直流电转变 为交流电，此外，输出的能量还同时供蓄电池充电。该蓄电池在夜间和阴雨天可 通过放电向负载提供必需的能量【4 】。独立系统结构图如图1 1 所示： 太 阳 光 图1 - 1 独立系统的基本结构 并网发电系统是太阳能利用的主要形式，并网发电系统的特点是通过控制逆 变器，直接将太阳能电池阵列发出的直流电转换为交流电，输向电网。并网发电 系统有两种形式。一种是集中的大型联网光伏电站，这需要复杂的控制及输配电 设备，并要占用大片土地，发电成本目前要比市电贵很多，所以这类大型光伏电 站发展不快。另一种是分散的小型光伏联网系统，特别是户用联网光伏系统，近 年来发展迅速。 4 第一章绪论 太 阳 光 i 太阳能电 直流电 交流电 池板 逆变器 电网 1 图1 2 并网发电系统的基本结构 并网发电系统中的太阳能电池阵列可以始终工作在最大功率点上，由大电网 接纳来自太阳能电池板所发出的全部能量，提高了太阳能发电的效率，另一大优 点就是可以取消蓄电池，降低了蓄电池充放电的能量的损耗，免除了对蓄电池的 维护，以及由其带来的间接污染；使系统成本降低，而且加强了供电的稳定性和 可靠性。 本文的主要研究的是太阳能光伏并网发电系统。 、 从能量变换的结构来看，目前并网发电系统依照级数主要可以划分为单级式 能量变换和双级式能量变换【5 】【6 1 。 单级式能量变换结构图如下所示： 电网 图1 - 3 单级式太阳能并网发电系统结构图 单级式太阳能并网发电系统中，太阳能电池通过储能电容与并网逆变器相 连，通过检测太阳能电池板的输出电压和输出电流，以及逆变器输出的并网电流， 将这些检测信号输入到控制器中，通过调节并网电流的幅值能够控制太阳能电池 的输出功率，来实现最大功率跟踪和并网发电。由于单级式太阳能并网发电系统 升压程度有限，升压是靠电感储能实现的，所以传输功率有限。 双级式能量变换结构图如下所示： 第一章绪论 电网 图1 _ 4 双极式太阳能并网发电系统结构图 双极式太阳能并网发电系统结构中，前后分为d c d c 和d c a c 两个环节。 在d c d c 环节中，将检测到的太阳能电池输出电压和输出电流信号输送到控制 器中，通过d c d c 变换器来调整太阳能电池阵列的输出电压，达到最大功率点 跟踪的目的。d c a c 并网逆变器将太阳能电池输出的直流电变换成交流电，且 与电网电压同频同相，功率因数近似为l ，向电网输送有功功率。 在双极式太阳能并网发电系统中，前后两个环节具有独立的控制手段和目 标，两部分可以分开设计，控制环节比较容易设计和实现。本文采用双极式并网 发电系统。 1 4 未来光伏发电系统的展望 太阳能发电有着广阔的应用前景，随着技术的不断进步和生产规模的不断扩 大，人们对太阳能电池板的研究会更加深入，将来的太阳能电池板光电转换效率 会更高，成本也会越来越低，使用寿命也会更长。 光伏并网发电系统虽然已经大规模使用，但仍然有许多技术问题有待解决。 特别是在变流器( 包括逆变器和充电器) 拓朴结构、控制策略方面的研究。 1 采用更为可靠和高效的最大功率电跟踪控制策略，使电池板更加高效地 将太阳能转换为电能； 2 并网控制策略会越来越先进，并网逆变器的效率也会越来越高，在电网 中大规模使用光伏并网系统可能出现的各种现象以及控制策略研究，由于目前光 伏并网系统的大规模使用还没有开始，所以这个问题还不突出。但很有可能在将 来的l o 年内，光伏并网系统会得到大范围的应用。当多台并网系统一起工作时， 可能会出现许多问题； 6 第一章绪论 3 孤岛效应的防止，使用简单的指令电流扰动的方案可能难以奏效，需要 有更可靠、稳定的检测方法； 世界各发达国家的共同经验证明，政府的大力提倡和出台一系列激励政策和 法律、法规加以扶持，是太阳能发电迅速发展的强大动力和保证。我国对新能源 和可再生能源的发展十分重视，尤其是近年来采取了一系列措施大力扶持其发 展。同时当前化石能源的紧张和化石能源对环境的影响日益突出，对太阳能的发 展极为有利，形成了一个良好的发展环境。 综上所述，光伏并网发电系统在我国的发展前景令人鼓舞，虽然还有许多技 术性的难题需要攻克，但是随着可再生能源的大规模使用，我国的太阳能光伏发 电技术及其产业在不远的将来会有更大、更快的发展，在我国的能源结构中占有 一席之地，为全面建设小康社会的伟大事业做出更大贡献。 1 5 本文的主要内容 主要内容如下： 1 介绍太阳能电池的种类和发电的基本原理，建立了太阳能电池的数学模 型和等效电路，分析了太阳能电池的i v 特性，对比各种太阳能电池最大功率点 跟踪方法的优缺点，采用了改进扰动观察法结合b o o s t 升压电路来进行最大功 率点跟踪的方案。 2 采用电压型全桥逆变器的拓扑结构，分析对比了各种电流控制方式的优 缺点，介绍了滞环控制方式的原理，采用了对并网逆变器进行双闭环控制的并网 控制策略，使逆变器输出电流和电网电压同频同相，以单位功率因数向电网送电。 3 介绍了光伏发电系统的孤岛效应和检测方法，并分析了基于正反馈的主 动移频式孤岛检测方法的参数优化方案，为孤岛检测盲区的分析提供理论依据。 4 结合太阳能电池的数学模型、最大功率点跟踪的控制策略和双闭环控制 的并网控制策略，本文在m a t l 墟s m m l k 仿真环境下，建立仿真模型，并 进行仿真。 第二章太阳能电池模型及其最大功率点跟踪方法 第二章太阳能电池特性及其最大功率点跟踪方法 太阳能电池阵列是将太阳能转换成电能的装置，是光伏系统的重要组成部 分，它决定了光伏系统的发电量。太阳能电池板输出的功率受温度、光照强度的 影响比较大。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的工作 电压下，但是只有在某一特定工作电压下，光伏电池输出功率才会是最大值。为 了让太阳能电池在任何温度和太阳光辐照强度下始终工作在最大功率点，能够输 出尽可能多的电能，所以必须对太阳能电池进行最大功率跟踪点跟踪( m p p t - 一 m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) 。本文在研究太阳能电池原理及特性的基础上， 分析和比较了多种最大功率点跟踪方法的优缺点，并提出了最大功率点跟踪的方 案。 2 1 太阳能电池的特性 2 1 1 太阳能电池的分类 太阳能电池多为半导体材料制造，发展至今，已经种类繁多，形式多样。 可用各种方法对太阳能电池进行分类，如按照结构的不同分类，按照材料的 不同分类，按照用途的不同分类，按照工作方式的不同分类，等等。下面对按照 结构和材料进行的分类加以介绍【7 】。 ( 一) 按照结构的不同可分为如下各类 1 同质结太阳能电池 由同一种半导体材料所形成的p - n 结或梯度结称为同质结。用同质结构成的 电池称为同质结太阳能电池，如硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池等。 2 异质结太阳能电池 由两种禁带宽度不同的半导体材料形成的结称为异质结。用异质结构成的电 池称为异质结太阳能电池，如氧化锡硅太阳能电池、硫化亚铜硫化镉太阳能电 。 池、砷化镓硅阳能电池等。如果两种异质材料晶格结构相近，界面处的晶格匹 配较好，则称为异质太阳能电池，如砷化铝镓砷化镓异质面太阳能电池。 3 肖特基太阳能电池 利用金属半导体界面的肖特基势垒而构成的太阳能电池，也称为m s 太阳 能电池，如铂硅肖特基太阳能电池、铝硅肖特基太阳能电池等。其原理是基于 第二章太阳能电池模型及其最大功率点跟踪方法 金属一半导体接触时，在一定条件下可产生整流接触的肖特基效应。目前已发展 成为金属一氧化物一半导体( m o s ) 结构制成的太阳电池和金属一绝缘体一半 导体( m i s ) 结构制成的太阳能电池。这些又总称为导体一绝缘体一半导体( c i s ) 太阳能电池。 4 多结太阳能电池 由多个p - n 结形成的太阳能电池，又称为复合结太阳能电池，有垂直多结太 阳能电池、水平多结太阳能电池等。 5 液结太阳能电池 用浸入电解质中的半导体构成的太阳能电池，也称为光电化学电池。 ( - - ) 按材料的不同可分为如下各类 1 硅太阳能电池 指以硅为基体材料的太阳能电池，有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、 非晶硅太阳能电池等。其中，单晶硅太阳电池效率高、寿命长、性能优良，但成 本高，而且限于单晶的尺寸，单片太阳电池面积难以做得很大。多晶硅电池成本 比单晶硅低，单片电池也可以做得比较大，效率比单晶硅电池低。单晶硅电池的 效率为1 3 1 5 ，而多晶硅为1 1 1 3 。非晶硅太阳电池对太阳光的吸收系数 大，因而非晶硅太阳电池可以做得很薄，通常是单晶硅或多晶硅电池的五百分之 一，所以制作非晶硅太阳电池资源消耗少。非晶硅太阳电池存在的问题是光电转 换率偏低，目前效率一般在6 左右。 2 化合物半导体太阳能电池 指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导体材料制成 的太阳能电池，如硫化镉太阳能电池、砷化镓太阳能电池等。 3 有机半导体太阳能电池 指用含有一定数量的碳一碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体 材料制成的太阳能电池。 4 薄膜太阳能电池 指用单质元素、无机化合物或有机材料制成的薄膜为基体材料的太阳能电 池。通常把膜层无基片而能独立成形的厚度作为薄膜厚度的大致标准，规定其厚 度约为1 2 微米左右。这些薄膜通常用辉光放电、化学气相沉积、溅射、真空蒸 镀等方法制得。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化 合物半导体薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池、微晶硅薄膜太阳能电池等。 非晶硅薄膜太阳能电池是指用非晶硅材料及其合金制造的太阳能电池，也称为无 定形硅薄膜太阳能电池，简称a s i 太阳能电池。目前主要有p i n ( n p ) 非晶 硅薄膜太阳能电池、集成型非晶硅薄膜太阳能电池、叠层( 级联) 非晶硅薄膜太 9 第二章太阳能电池模型及其最大功率点跟踪方法 阳能电池等。 此外，按照应用还可将太阳能电池分为空间太阳能电池和地面太阳能电池两 大类。地面太阳能电池又可分为电源太阳能电池和消费品用太阳能电池两种。空 间太阳能电池的主要要求是耐辐射性好、可靠性高、光电转换效率高、功率面积 比和功率质量比优等。 2 1 2 太阳能电池的基本工作原理 太阳能电池是利用半导体材料的电子特性把太阳光直接转换成电能的一种 固态器件。 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。在气体、液体和固体中均可产生这种效应，但在 固体尤其是半导体中，光能转换为电能的效率特别高，因此半导体中的光电效应 应引起人们的格外关注，研究得最多，并发明制造出了半导体太阳能电池。 可将半导体太阳能电池的发电过程概括成如下4 点：首先是收集太阳光和 其他光使之照射到太阳能电池表面上。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) 电子空穴对。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。这些电性符号相反的光生载流子 在太阳能电池p n 结内建电场的作用下，电子空穴对被分离，电子集中在一边， 空穴集中到一边，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。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 即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能( 或其他光 能) 直接转换成了电能。 众所周知，物质的原子是由原子核和电子组成的。原子核带正电，电子带负 电。电子就像行星围绕太阳转动一样，按照一定的轨道绕着原子核旋转。硅原子 的外层电子壳层中有4 个电子。每个原子的外壳电子都有固定的位置，并受原子 核的约束。它们在外来能量的激发下，如在太阳光辐射时，就会摆脱原子核的束 缚而成为自由电子，并同时在原来的地方留出一个空位，即空穴。由于电子带负 电，空穴就表现为带正电。自由电子和空穴的数目是相等的。如果在硅晶体中掺 入能够俘获电子的硼、铝、镓或铟等杂质元素，它就成了空穴型半导体，简称p 型半导体。如果在硅晶体中掺入能够释放电子的磷、砷或锑等杂质元素，它就成 了电子型的半导体，简称n 型半导体。若把这两种半导体结合在一起，由于电 子和空穴的扩散，在交界面处便会形成p - n 结，并在结的两边形成内建电场，又 称势垒电场。由于此处的电阻特别高，所以也称为阻挡层。当太阳光( 或其他光) l o 第二章太阳能电池模型及其最大功率点跟踪方法 照射到p - n 结时，半导体内的原子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了 电子空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向n 型区，空穴被驱向p 型区， 从而使n 区有过剩的电子，p 区有过剩的空穴，于是就在p - n 结的附近形成了 与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使 p 型区带正电、n 型区带负电，于是就使得p 区与n 区之间的薄层产生了电动势， 即光生伏打电动势。当接外电路时，便有电能输出。这就是p - n 结太阳能电池发 电的基本原理。如图2 - 1 所示： n 犁区内建电坦p 犁区 图2 1 光生伏打效应原理图 太阳能单体是太阳能电池最小的单元，输出功率往往比较小，一般不能单独 当作电源使用。将几十个、几百个太阳能电池单体串联、并联起来封装成太阳能 电池组件，在太阳光的照射下，便可获得具有一定功率输出的电能。而按照系统 所需功率以及电压的大小，可以将多个组件串并联规则组合在一起，安装在支架 上，就构成了太阳能电池阵列，太阳能电池阵列可以提供负载所需求的输出功率。 2 1 3 太阳能电池的等效电路 太阳能电池的等效电路如图2 2 所示： 。 图2 2 光照时太阳能电池的等效电路 乞是短路电流，就是将太阳能电池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。t 。值与太阳能电池的面积大小有关系，面积 越大，值越大。l 值还和光照强度、环境温度成正比。当太阳能电池两端开路 时，太阳能电池输出的电压值为开路电压吒，与太阳光辐射强度有关系，而与 第二章太阳能电池模型及其最大功率点跟踪方法 电池板面积的大小没有关系。开路电压值随着光照强度的升高而升高。i o 为通过 p n 结的总扩散电流，其方向与，。相反。足为串联电阻，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接触电阻所组成。足。为并联电阻， 是电池边缘漏电或者耗尽区内的复合电流引起的。 根据太阳能电池等效电路和电子学理论，太阳能电池的电流方程可以用下式 表示： ，= l i o e x p 吗笋 - 1 ) 一半 ( 2 - 1 ) 式中：i 太阳能电池输出电流，a ； q 电子电荷常数，为1 6 1 0 1 9 c ； 厶反向饱和电流，a ； a 常数因子( 正偏电压大时a 值为1 ，正偏电压小时a 值为2 ) ； k 波尔兹曼常数，1 3 8 x 1 0 2 3 j k ； 卜绝对温度，k 。 通常情况下，一个理想的太阳能电池，串联电阻足很小，而并联电阻足。很 大。由于尺，和尺妇分别串联和并联在电路中，所以在进行理想的电路计算时，它 们可以忽略不计，太阳能电池的电流方程可化为： l = l 。- l o e x p 等笋】- 1 ) ( 2 - 2 ) 当电路外接负载尺：时，设太阳能电池输出电流为，：，则输出功率为： ! ! 竺! ! 鱼! p = 丘r l = l l o e 心一1 2 r ( 2 3 ) 2 1 4 太阳能电池的i v 特性 在特定的太阳光照强度和环境温度下，由公式2 3 可知，当外接电阻尺，从0 变化到无穷大时，可以得出太阳能电池负载特性曲线，曲线如图2 3 所示。与曲 线上的任一点相对应的横坐标、纵坐标即为太阳能电池的工作电压和工作电流。 当调节负载电阻r ，到某一值时，太阳能输出功率为最大值，此工作点即为太阳 能电池最大功率点。该点所对应的功率称为最大功率点功率，该点所对应的 电压称为最大功率点电压u ，该点所对应的电流称为最大功率点电流，。： 己= l u 。 ( 2 - 4 ) 太阳能电池的i v 特性曲线对于分析太阳能电池非常重要，由图可以看出太 阳能电池是一个既非恒压源又非恒流源的非线性直流电源。 1 2 第二章太阳能电池模型及其最大功率点跟踪方法 电流i a o 功率p w p 柚 o u 。u o 。 电压u v 图2 3 太阳能电池的i _ v 特性曲线 根据太阳能电池的i v 特性曲线，可以定义出几个重要的技术参数： ( 1 ) 短路电流，。 给定温度和日照强度下电池板所能输出的最大电流 ( 2 ) 开路电压巩 给定温度和日照强度下电池板所能输出的最大电压 ( 3 ) 最大功率点电流，。 给定温度和日照强度下电池板最大功率点上的电流 ( 4 ) 最大功率点电压乩 给定温度和日照强度下电池板最大功率点上的电压 ( 5 ) 最大功率点电压己 给定温度和日照强度下电池板最大功率点上的功率 1 日照强度的影响 太阳能电池的输出电流直接受到日照强度的影响，在特定温度下，太阳能电 池在不同日照强度下的i v 特性曲线如图2 4 所示： 电流i a 电压u v 图2 - 4 不同目照强度下的太阳能电池板的i v 特性曲线 由图2 4 可以看出在一定的温度下，随着太阳光照强度的增加，太阳能电池 板输出电流增加比较大，而输出电压变化却比较小，可以看出光照强度对太阳能 电池输出电流的影响比较大。 第二章太阳能电池模型及其最大功率点跟踪方法 功率p w 电压u v 图2 5 不同光照强度下的p v 曲线 由图2 5 可以看出，在一定的温度下，随着太阳光照强度的增加，太阳能电 池板输出的功率也在增加。 2 环境温度的影响 太阳能电池板的输出电压直接受到环境温度的影响，在特定的太阳光照强度 下，太阳能电池在不同的温度下的i v 特性曲线如图2 - 6 所示： 电流i a 电压u v 图2 - 6 不同温度下太阳能电池板的i v 特性曲线 由上图可以看出在一定的光照强度下，随着温度的变化，太阳能电池板输出 电压变化比较大，输出电流变化比较小，随着温度的增加，输出电压在减小，输 出电流在增加。 功率p w 电压u v 图2 7 不同温度下太阳能电池板的p v 特性曲线 1 4 第二章太阳能电池模型及其最大功率点跟踪方法 由图2 7 可以看出太阳能电池具有负温度系数。在一定的光照强度下，随着 温度的升高，太阳能电池板输出的功率也会相应地减小。 2 2 最大功率跟踪方法 由太阳能电池的i v 特性曲线可以看出，太阳能电池是非线性电源，当太阳 能电池阵列工作电压小于最大功率点电压u m 时，阵列输出功率随着工作电压的 上升而增大，当阵列的工作电压大于u m 时，阵列输出功率随着工作电压的上升 而减小。同时，太阳能电池随着日照强度和环境温度的变化，太阳能电池输出电 压和输出电流也会跟着发生变化，其输出功率也产生很大的变化。为了使太阳能 电池阵列充分吸收太阳能，在不同的日照强度、温度条件下始终输出最大功率， 提高系统的效率，要对太阳能电池阵列进行最大功率点跟踪，让其工作在最大功 率点上。太阳能电池最大功率点跟踪控制是一个自寻优过程，即通过控制太阳能 电池阵列的端电压，使阵列能在各种不同的日照强度和温度环境下智能化地输出 最大功率 8 - 1 4 】。 本文对目前常用的最大功率跟踪的方法：恒电压法，扰动观察法，间歇扫描 法，电导增量法，改进扰动观察法等进行了分析和对比。 1 恒电压跟踪法( c o n s t a n tv o l t a g et r a c k i n g ，c v t ) ： 通过分析图2 5 可以看出，在某一给定温度的情况下，随着日照强度的变化， 各条曲线的最大功率点几乎分布子一条垂直直线的两侧，这说明阵列的最大功率 输出点大致对应于某个恒定电压，这就大大简化了系统m p p t 的控制设计，即把 太阳能电池阵列输出电压嵌位于最大功率点对应的u m 处。这种跟踪方法忽视了 温度对阵列的开路电压的影响，以单晶硅为例，当环境温度每升高1 时，其中 开路电压将下降0 4 - - 0 5 。为了克服使用场所冬夏早晚、阴晴雨雾等环境温 度变化给系统带来的影响，在c v t 的基础上可以采用手动调节电位器的方式来 调节u m ，这是比较麻烦的。 c v t 控制的优点： 控制简单，可靠性高； 系统不会出现振荡，有很好的稳定性； 可以容易通过硬件实现； 缺点： 控制精度差，特别是对于早晚和四季温度变化比较明显的地区； 太阳能利用率低，需要人为调节。 对于恒电压跟踪法，由于其良好的稳定性和可靠性，目前仍然在普遍使用， 第二章太阳能电池模型及其最大功率点跟踪方法 但是随着光伏发电系统计算机控制技术的进步，恒电压跟踪法将会被别的新方法 取代。 2 间歇扫描法 间歇扫描法实现m p p t 的核心思想是定时扫描一段阵列电压，同时记录下不 同电压时对应的阵列电流值，经过比较不同点的太阳电池阵列的输出功率就可以 方便地计算出最大功率点，从而取代了不间断的搜索过程。间歇扫描方法测定最 大功率点所需要的时间随着微处理器性能的不同而有所变化，而定时扫描的时间 间隔可以放宽至秒级。通过扫描可以快速计算出在近似该日照及温度条件下的最 大功率点及其相应的电压值，并将此电压值作为c v t 内环的给定电压值，通过 闭环c v t 控制，使光伏阵列工作于该点上。这种方法稳定可靠，同时避免了其 它各种方案由于搜索振荡而引起的功率损失。在太阳电池阵列容易产生遮挡的应 用中，这种m p p t 方案具有较高的实用价值。 这种方案的最大缺点是该方法需要c p u 具有较大的存储空间和较快的运算 能力，并且不能及时同步跟踪阵列输出，在日照变化比较剧烈的情况下，此方法 很难使阵列时刻工作于最大功率点处。 3 电导增量法( i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c ea l g o r i t h m ) ： 电导增量法也是m p p t 控制常用的算法之一，通过比较太阳能电池阵列的瞬 时导抗和导抗变化量，根据比较结果来进行相应的调制来完到m p p t 的功能。通 过太阳电池阵列p v 曲线可知功率最大值点p m 觚处的斜率为零，所以有： p = v - i d p ：，+ y 堕 d vd v a l ：一二( 2 5 ) 一= 一一 、- ) ， d vv 式( 2 5 ) 即为要达到最大功率点的条件，即当输出电导的变化量等于输出 电导的负值时，太阳能电池阵列工作于最大功率点。 电导增量法的优点： 跟踪准确性高，使系统在环境变化的情况下具有良好的跟随性能； 缺点： 算法复杂，控制精度在一定程度上依赖于传感器的精度。 4 扰动观察法( p e r t u r b & o b s e r v ea l g o r i t h m s ，p & o ) ： 扰动观察法是目前实现m p p t 常用的方法之一，原理就是先扰动输出电压值 ( u p v - i - a u ) ，再测量其功率变化，与扰动之前功率值相比较，若功率值增加， 则表示扰动方向正确，可朝着同一方向( + u ) 方向扰动；若扰动后的功率值 小于扰动前，则往相反( u ) 方向扰动。此法的最大优点在于其结构简单，被 1 6 第二章太阳能电池模型及其最大功率点跟踪方法 测参数少，能被较普遍地应用于光伏系统最大功率跟踪控制。通过不断扰动使阵 列输出功率趋于最大，即使跟踪已达最大功率点附近，但是扰动还是不会停止。 其缺点是由于始终有士a u 的存在，在最大功率跟踪过程中将导致些微功率损失。 功率p w a u u 。，a u 电压u v 图2 8 扰动观察法的原理图 扰动观察法的优点有： 模块化控制回路； 跟踪法则简明，容易实现。 缺点： 只能在阵列最大功率点附近振荡运行，导致部分功率损失； 初始值及跟踪步长的给定对跟踪精度和速度有较大影响； 有时会发生程序在运行中的失序“误判 现象。 5 改进扰动观察法 针对扰动观察法容易产生“误判 现象，因此对其进行了改进，改进扰动观 察法增加了下一时刻u 3 对应的功率p 3 参与比较，如图2 - 9 所示，当a p 0 时， 如果p 2 p 3 ，说明是光照强度变化引起的功率变化，应保持原来的工作电压不变， 功率p w 图2 - 9 改进扰动观察法原理图 否则，说明电池板工作于最大功率点的左侧，需要增加工作电压；同样，当a p p 3 ，应保持原来的工作电压不变，否则需要减小工作电压。改进扰 动观察法有利于提高最大功率跟踪的效率1 5 1 。 图2 1 0 改进扰动观察法的流程图 通过分析对比以上各方法的优缺点，本文采用了改进扰动观察法。 2 3 最大功率点跟踪的控制 在常规的线性系统电气设备中，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的内阻，此时负载上就可以获得最大功率。 如图2 1 1 所示 + u o 一 图2 11 接负载时的等效电路图 1 8 第二章太阳能电池模型及