（电力系统及其自动化专业论文）基于超级电容器储能的光伏发电系统研究.pdf

摘要 摘要 随着经济全球化进程的加速和工业经济的迅猛发展，世界范围内的能源短缺和环境污染 己成为制约人类社会可持续发展的两大重要因素。光伏发电因其发电过程中无污染、无噪音、 维护简单、无需生产原料等优点而逐步显示出其无比广阔的发展空间和应用前景。因此，大 力发展光伏发电技术和产业己成为当务之急。 本文以超级电容器储能的光伏发电系统为研究对象，分析了光伏电池工作原理，输出特 性及其电路模型，介绍了超级电容器的特性及其等效电路。研究了光伏发电系统最大功率点 跟踪控制方法，采用了一种改进的扰动观察法，解决了因光照变化而引起的光伏发电系统效 率下降问题，对带超级电容器的光伏发电系统进行了仿真研究，具体内容可以分为四部分： l 、介绍了光伏电池的结构及其工作原理，以光伏电池原理为基础建立了等效电路模型， 研究了光伏电池的输出特性；通过光伏电池的实验验证了其i v 特性曲线，且考虑阴影对光 伏电池使用的影响，介绍了超级电容器及其储能特点，根据其工作原理建立了超级电容器等 效电路，并且分析了超级电容器的串并联特性和串联均压电路。 2 、分析了d c d c 变换器四种拓扑结构的工作原理，提出采用b u c k 型d c d c 变换器 实现转换，并对降压变换电路中的参数进行分析和设计，对b u c k 电路进行器件选择，建立 b u c k 型d c d c 变换器的仿真模型。 3 、对光伏发电系统常用的最大功率点跟踪方法进行逐一介绍，指出各种方法的优缺点。 提出了一种改进的扰动观察法最大功率点跟踪策略，通过m a n ，a b 仿真结果表明此改进方 法跟踪快速，在最大功率点附近功率振荡微小，有效的弥补了经典干扰观测方法的不足，从 而解决了因为外部环境变化而引起的误判。 4 、以光伏电池的工程数学模型为基础，采用t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制器，设计了其外 围电路及其软件控制。对带超级电容器的光伏发电系统建模、仿真和分析，仿真结果可以通 过示波器即时反映各量的变化趋势，能够清楚地观察所有变量的变化趋势。 【关键词】光伏发电系统，光伏电池，超级电容器，d c d c 变换器，最大功率点追踪，扰 动观察法，d s p r e n e wa _ b l ee n e 唱yd u et o 廿1 e 刚i n g c o n c e mf 0 r 也ep o l l u t i o nc a i l s e db yf o s s i l 一m e l - b a s e de n e 唱yp o w e rg e n e r a t i o nu s i i l gs o u r c e sl i l ( e p h o t o v o l t a i c ( p v ) a m y sc a nb eu s e dt 0r e d u c em ed 印e n d e n c e0 ne n e 理丘o mt l l e 鲥da sw e l la s p r o v i d eb a c ku pp o w e rf o r 嘶t i c a ls y s t e i i l sd u m g 鲥do u 诅g e s i i lt 王l i sp a p s u p e rc 印a c i t o re n e 哟7s t o m g ef o rp h o t o v o h a i cp o w e rg e n e m t i o ns y s t e mi st 1 1 e s n l d i e do b j e c t ，鲫a l y zn l ep r i n c i p l eo fp h o t o v o l t a i cc e l l s ，d l eo u 印u tc h a r a c t e r i s t i c s 锄dc 面砌t m o d e l ，硼d u c e 也es u p e rc a p a c i t o r 。a n di t se q u i v a l e l l tc i r c u i t i ts 劬i i e sm a ) ( i m u mp o w e rp o h n 舰c l ( i n g ( m p p t ) c o n t r o lm e t l l o do fm ep 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 c i 玛u s e s 觚i i n p r o v e d p e m 曲a t i o na i l d0 b s e r v a t i o nm 础0 dt 0s o l v ed u et 0c l l a n g e si i ll i 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n da l l a l y z e d 廿l ec h a r a c t c r i s t i c so fs u p e h 印a c 的rs e r i e s - p 锄l l e l ，b a l a n c e d c i r c u i ti i ls 耐e s 2 、a m a l y s i so f 廿1 ed c ，d cc o n v e r t e rt o p o l o g ) ro fm ew o r k i i l gp 血l c i p l eo f 也ef o u rp r 叩o s e d b yb u c k 卸ed c e i cc o n v e n e r st 0a c h i e v ec l 瑚g e ，锄dm eb u c kc o n v e n e rp 猢n e t e r si i lm e 孤a l y s i sa i l dd e s i 伊o fn l eb u c kc h u i td e v i c es e l c c t i o 玛吐l ee s t a b l i s h m e n to fb u c k 帅ed c 仍c c o n v e r t e rs i m u l a t i o nm o d e l 3 、p h o t o v o l t a i cs y s t e mc o m m o n l yu s e d0 n 廿l em p p tm 甜l o di n 们d u c e do n eb yo n e ，p o i n t e d o u tm e a ( 1 v 锄t a g e sa n dd i s a d v a i l t a 喀e so fe a c hm e t l l o d a ni m p r o v e dp e r t u r b 觚do b s e n r a t i o n ( p & o ) m a x i m 呦p o w e rp o i n t 仃a c k i r 培s 仃：抽e g y m r o u g h 仳l em a r l a bs i i n u l a t i o nr e s u l t ss h o wm a tt l l e i m p r o v e dm e 廿l o do f 仃a c k i n gs p e e 也m a x i i l l 岫p o w e rp o i n ti nt l l es m a l lo s c i l l a t i o nn e a fm ep o w e r 觚de 任- e c t i v ew a yt 0m a l ( eu pf o rt 1 1 es h o r 乞a g eo fc l a s s i c a ld i s t u r ba i l c eo b s e e rt 0s o l v 9b e c 钒i s e c h a n g e s 访m ee x t e m a le n v m m m e n tc a 吣e db yi i l i s j u d g m e n t 4 、p vw o r k sw i mm 砒e m a t i c a lm o d e l s ，u s 迦t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 af o rm ec o n 仃0 1 l e rd e s 咖o f i t sp e r i p h e r a lc i i u i t sa n ds o m v a r e w i ms u p e rc a p a c “o ro np h o t o v o l t a i cp o w e r g e n e r a t i o ns y s t e m m o d e l i n g ， s i i l l u l a t i o n 锄da 1 1 a l y s i s ，s i i l l l l l a t i o nr e s u l t sc a nr e f l e c t 廿l e 锄o u n to fr e a l 缸e o s c i l l o s c o p e 廿e n dc 锄c i e a r l yo b s e r v e l e 仃e i l do f a uv a d a b l e s 【k e y w o r d s 】p h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m s ，p h o t o v o l t a i cc e l l s ，s u p e rc 印a c i t o r s ，d c d cc 伽v e t c r s ， m a 】( i m 啪p o w e rp o i i l t 仃a c k i l l g ，p e m 曲a i l do b s e a t i o n ( p & o ) ，d s p i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录m 第l 章 绪论一l 1 1 光伏发电的背景与意义l 1 2 光伏发电产业的研究与应用现状1 1 2 1 世界光伏发电概况。l 1 2 2 中国光伏发电概况2 1 3 光伏发电系统3 1 4 论文的主要工作4 第2 章 光伏电池特性及储能装置5 2 1 光伏电池的结构及工作原理5 2 2 光伏阵列输出特性7 2 3 光伏阵列基本特性测量8 2 4 超级电容器。l o 2 4 1 超级电容器1o 2 4 2 超级电容器储能的特点1 l 2 4 3 超级电容器的等效电路1 2 2 4 4 超级电容器的串并联特性。1 2 2 4 5 超级电容器串联均压。1 3 2 5 本章小结1 5 第3 章光伏发电系统的d c d c 变换器。1 6 3 1 典型d c e i c 变换电路拓扑1 6 3 1 1 降压式变换器( b u c kc o n v e r 衙) 1 6 3 1 2 升压式变换器( b 0 0 s tc o n v e r t e r ) 1 7 3 1 3 升降压式变换器( b u c k b 0 0 s tc o n v e n e r ) 1 7 3 1 4 库克式变换器( c u l ( c o n v e r 旧) 1 8 3 2b u c k 电路的工作原理1 8 3 3b u c k 变换电路设计2 1 3 3 1 储能电感2 1 3 3 2 滤波电容2 1 3 3 3 功率开关管和二极管2 2 3 4b u c k 电路的效率分析2 2 3 5b u c k 电路仿真2 3 3 6 本章小结。2 5 第4 章光伏发电的m p p t 技术2 6 4 1 最大功率点追踪策略研究2 6 4 1 1 固定电压法2 6 4 1 2 扰动观察法2 8 4 1 3 电导微增法2 9 4 1 4 模糊控制一3 0 4 1 5 短路电流法31 i i i 东南大学硕士学位论文 4 1 6 开路电压法3l 4 1 7 其他m p p t 方法3 l 4 2 改进的扰动观察法3 2 4 2 1 在两个采样时间之间进行功率的测量3 2 4 2 2 光照变化下改进的m p p t 算法。3 2 4 2 3 功率门槛值计算。3 4 4 2 4m p p t 仿真3 4 4 3 本章小结3 8 第5 章 光伏发电控制系统设计3 9 5 1 数字信号处理器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 3 9 5 2 外围电路设计。4 1 5 2 1 电源及复位电路一4 l 5 2 2j t a g 接口电路。4 2 5 2 3 串行通信接口电路4 2 5 2 4 采样电路。4 3 5 2 5 驱动电路4 5 5 2 6 液晶接口电路4 6 5 3 完整的硬件主电路4 8 5 4 系统软件设计4 8 5 5 带储能环节的光伏系统仿真5 0 5 6 本章小结。5 2 第6 章总结与展望5 3 6 1 总结5 3 6 2 展望5 3 致谢5 4 参考文献5 5 第l 章绪论 第1 章绪论 太阳能作为一种巨大的可再生能源，到达地球表面的辐射能量每天相当于数万亿桶石油 燃烧的能量。开发和使用丰富、广阔和用之不竭的太阳能，可以改善现在环境污染的境况， 太阳能既是对现在急需的能源补充，又是未来能源结构的根本。不论是从经济上走可持续发 展之路和保护人类赖以生存的地球生态环境的角度来审视，还是从解决现在能源危机的问题 出发，开发和利用太阳能都非常有重大的现实意义。 1 1 光伏发电的背景与意义 跨入2 1 世纪以后，人类面临着实现经济和社会可持续发展的困境，如何在能源有限和 环境保护的双重制约下持续发展经济已成为全球的热点问题n 1 。其中能源问题更为重中之 重，不仅表现在常规能源( 石油以及煤炭等) 的日益匮乏，更严重的是化石能源的开发利用 加剧了现实环境的进一步恶化。 在这种的背景下，世界各国陆续制定了各种能源政策来减缓能源危机和提倡环境保护。 在1 9 7 2 年6 月5 日，联合国在瑞典首都斯德哥尔摩召开了第一次人类环境保护会议，之后 联合国设立了环境保护规划署。环境保护从此正式提到联合国和世界各国政府的议事日程上 来，而且规定每年六月五日为世界的环境保护日，环保口号如“世界只有一个地球”，“地球 是你我共同的家”“让地球充满生机”等充分地反映了世界人民的共同心声。因此太阳能作 为一种分布最为广泛，可自由开发及利用，可长期依赖的新能源形式，受到了被人们越来越 多关注，相继应用在各个领域，如通讯、交通、航天、照明、家庭用电和导航等。据推测， 到本世纪中叶可再生能源在世界能源体系中将占到大约5 0 以上，包括太阳能在内的可再 生能源在本世纪将会以极大的速度发展，从而逐步成为人类社会的基础能源。 光电转换就是将太阳能转换成电能，这是太阳能开发和利用的重要发展方向。目前，太 阳能用于发电的途径主要有二个，一是热发电，即先用聚热器把太阳能变成热能，然后通过 汽轮机将热能转变为电能：二是光伏发电，就是充分利用光伏电池的光电效应，将太阳能转 变为电能。在这两种应用当中光伏发电无论在转化效率和设备成本，还是在发展前景上都远 远强于光热发电，是太阳能发电的主流发展方向。 实用性光伏电池问世以来，各国便开始太阳能光伏发电的研究。随着光伏电池技术的不 断发展，价格下降，光伏发电的规模日益扩大。光伏发电优点很多，其具有安全可靠、无噪 声、污染小，能量随处可得，不受地理限制，无需消耗燃料，故障率低，维护简便等，还可 以无人值守，建站周期相对比较短，规模可大可小，无需架设输电线路，可以很容易与建筑 物相融等，以上的优点都是与常规发电和其他发电方式所不能比拟的。因此，对光伏发电开 发和利用有着非常积极和重要的现实意义幢，。 1 2 光伏发电产业的研究与应用现状 1 2 1 世界光伏发电概况 光伏电池是利用材料的光生伏打效应直接将太阳能变成电能的半导体器件，也称光伏电 池。1 9 5 4 年，第一块实用的硅光伏电池( 效率t l = 6 ) 与第一座原子能发电站同时在美国 诞生，1 9 5 9 年光伏电池进入空间应用，1 9 7 3 年能源危机后逐步转到地面应用。近年来，国 际上太阳能光伏发电技术在许多方面取得突破。光伏电池性能和可靠性有了很大提高，成本 和售价不断下降，有经济效益的应用范围不断扩大，市场迅速发展，产业已达到规模化、自 东南大学硕士学位论文 动化阶段。光伏发电的竞争力越来越强。预计不久就可以成为火力发电的主要竞争者，前景 十分广阔b 1 。 光伏发电系统分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统，独立光伏发电系统是指光伏 发电离网运行的发电方式，其特征为需要储能组件来存储夜晚用电所需的能量。在民用范围 内独立光伏发电系统主要应用于边远的农村，如家庭发电系统、村级光伏发电电站；在工业 范围内主要用于电讯、导航、卫星广播电视、太阳能电机，在具备小水电和风力发电的区域 还可以组成混合发电系统，如风力发电太阳能发电互补混合系统等。并网太阳能光伏发电 系统是指光伏发电与国家电网相连接的发电方式，作为成为电网的补充，其特征为可以节省 储能组件的投资成本，目前已经实现应用的光伏发电系统并网方式有沙漠电站系统和屋顶并 网发电系统。沙漠电站是在沙漠地区建设大规模的光伏发电并网系统，其规模一般从几个 m w p 到几个g w p 的规模不等。屋顶光伏发电系统是根据建筑物的屋顶有效光照面积，安装离 网或者并网光伏发电系统，其规模一般比较小，从几个k w p 到几个唧p 不等。 近年来，世界光伏电池年产量迅速增加h 1 ，连续8 年增速在3 0 左右，2 0 0 6 年的年增长 率达到4 2 ，达到2 5 0 l m w 。图卜l 给出世界历年光伏电池产量： 2 6 0 0 縻 圜 盹 幽尹r 2 4 0 0 2 2 0 0 2 0 0 0 1 8 0 0 6 0 0 4 0 0 1 2 0 0 _ 曩l 融 l o o o 8 0 0 6 0 0 4 0 07 学拿占“孑占参寄岱强酬 2 0 0么缝翕鑫塞篡乏蕊名冕g 磊美臣爨整鬟垒黝 o _ 。 1 9 9 2 i 9 9 4 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 92 0 0 0 。z o o l 2 0 0 2 2 0 0 3 。2 0 0 4 2 0 0 52 0 0 6 一 日其他国家 4 65 66 3 5 9 7 59 41 8 7 i2 0 5 ：2 3 42 | 3 2 65 58 3 81 3 53 0 2 7 1 4 一欧洲 1 6 42 1 7 2 0 11 8 83 0 43 3 5 14 0 ；6 0 6 6 1 8 6 3 81 3 51 9 3 。43 2 0 4 7 0 6 5 7 口日本 1 8 8 1 6 5 1 6 42 1 23 5 4 9 8 0i 1 2 8 6 ：1 7 1 22 5 l3 6 3 9 ；6 l o8 3 39 2 8 一f - 口美国 1 8 12 5 6 4 3 4 7 53 8 8 55 l5 3 7 6 0 87 4 9 2 1 0 0 31 2 01 0 3 2 1 3 51 5 4 2 0 2 合计 5 7 96 9 刳7 7 6 8 8 61 2 5 81 5 4 9 ：2 0 1 32 8 7 再3 9 0 55 6 l7 4 4 3 j1 2 0 0 1 7 5 9 2 5 0 l 图卜l 世界历年光伏电池产量 1 2 2 中国光伏发电概况 我国在1 9 5 8 年开始研究太阳能光伏电池，并在1 9 7 1 年首次成功地使用在我国发射的东 方红二号卫星上，在1 9 7 3 年开始将光伏电池应用于国内其他领域。我国光伏工业在2 0 世纪 8 0 年代以前尚处于雏形，光伏电池每年产量一直处在1 0 k w 以下，价格比较昂贵。 因为光伏电池受到价格和产量的限制，市场的发展非常缓慢，除了作为卫星电源使用， 在其他方面光伏电池仅用于小功率电源系统，如航标灯、铁路信号系统、直流照明灯、黑光 灯、高山气象站的仪器辅助用电和电围栏等，功率一般都在几瓦到几十瓦之间。我国在“六 五”( 1 9 8 1 1 9 8 5 ) 和“七五”( 1 9 8 6 1 9 9 0 ) 期间，开始对光伏工业及光伏市场的发展给以政 策上的支持，中央和地方政府投入了一定资金在光伏领域，使得我国十分弱小的光伏电池工 业得到了发展并在许多应用领域建立了示范，如水闸、部队通信系统、微波中继站和农村载 波电话系统、石油管道的阴极保护系统、村庄供电系统和小型户用系统等。同时，在“七五” 期间，我国先后从国外引进了多条光伏电池生产线，从而使得我国光伏电池的生产能力猛增 到4 5 m w p 年，其价格也由“七五”初期的8 0 元w p 下降到4 0 元w p 左右”1 。 2 第l 章绪论 在2 0 世纪9 0 年代以后，随着我国光伏产业初步形成和生产成本的降低，应用领域开始 在工业领域和农村电气化应用方面发展，光伏市场稳步扩大，并被列入国家和地方政府经济 发展计划，如西藏“阿里光伏工程”、“阳光计划”、“光明工程”、石油管道阴极保护、 光纤通讯电源、农村家用光伏发电系统以及村村通广播电视等。进入2 1 世纪后，特别是近 几年来“送电到乡”工程，国家投资2 0 亿，安装光伏发电系统容量约2 0 m w ，解决了我国8 0 0 个无电乡镇的用电问题，推动了我国光伏市场迅速增长。与此同时，并网发电发电系统示范 工程也有较快发展，从5 k w 、l o k w 发展到1 0 0 k w 以上，在2 0 0 4 年1 m w 并网发电工程在深圳 世界博览园实现了应用，成为光伏应用领域的亮点。截止2 0 0 4 年底，我国光伏发电系统的 总装机容量约达到6 5 m w ，到2 0 2 0 年光伏发展年度规划目标预测见表卜1 。 表卜12 0 1 0 一2 0 2 0 期间规划累计安装容量( g w p ) 年度2 0 1 02 0 l l2 0 1 22 0 1 32 0 1 42 0 1 52 0 1 62 0 1 72 0 1 82 0 1 92 0 2 0 年新增o 2 00 3 20 4 80 7 51 1 71 8 22 8 44 4 26 8 71 0 6 5 累计安装 o 5o 6 81 0 01 4 82 2 33 4 05 2 28 0 61 2 4 81 9 3 53 0 0 0 1 3 光伏发电系统 如上所述，光伏发电系统作为太阳能发电的主要应用途径，受到世界各国的普遍重视， 为了进一步提高光伏发电系统转换效率，需要对光伏发电系统进一步的研究，下面就对光伏 发电系统进行详细介绍。 光伏发电系统可分为对直流负载供电的光伏发电系统和对交流负载供电的光伏发电系 统，对直流负载供电光伏发电系统由光伏电池，储能组件和电源控制单元组成，对交流负载 供电光伏发电系统还要增加逆变器单元。光伏发电系统在光照充足时，通过光伏效应将太阳 光能转换为电能，给负载供电同时将多余的能量给储能组件充电。在光照不足时，储能组件 为负载提供电能。针对太阳能电池在不同日照强度下输出能量的变化以及负载的变化，电源 控制单元要适时对光伏电池与储能组件进行功率调节，使系统达到最优效率1 。 光伏发电系统由光伏电池阵列、控制器与储能组件构成，若输出为交流，则还需配置逆 变器。各部分的作用为： 1 光伏电池阵列是光伏发电系统中的核心部分，也是成本最高的部分。它的作用是将 太阳的辐射能量转换成电能，或送往储能组件中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池阵 列的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。 2 控制器的作用是控制光伏发电系统的工作状态，实现最大功率跟踪功能，从而实现 光伏电池的最高效率使用。同时，它对储能组件起来过充电保护与过放电保护的作用。控制 器是光伏发电系统中可设计的电路部分。 3 储能组件，储能设备目前主要有三大类电池储能、电容储能和电感储能。其作用是 在有光照时将光伏电池组件所提供的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。 4 逆变器，由于光伏电池的输出为直流电，为了能够向交流负载提供电能，应对其进 行直流交流转换，因此需要使用逆变器。 目前光伏发电系统主要存在四大问题： 1 光伏电池阵列效率低：光伏电池阵列效率指的是太阳能转化为电能比值。一般来说， 非晶体光伏电池效率为5 8 左右，晶体硅光伏电池效率为1 0 1 5 左右，薄膜光伏电池 目前效率还更低。由于光电转换效率太低，光伏电池的功率密度低，很难以形成高功率密度 发电系统口3 。目前，世界各国专家正在进一步研究，希望能在现有的效率基础上提高光伏电 池的转换效率，使得光伏电池接近理论上的转换效率。 2 光伏发电系统成本比较高：因为光伏电池光电转化效率低，要发出所需的电量则需 3 东南大学硕士学位论文 要多个光伏电池板进行串并联连接，从而导致光伏发电系统的成本居高不下，目前光伏发电 系统每度电量的成本约是火力发电的6 2 0 倍，成本高成为制约光伏市场迅速发展的瓶颈。 3 光伏发电系统运行受气候环境因素影响大，需要建在太阳能辐射比较充足的区域， 当环境不稳定时候，会影响光伏发电系统的转换效率，也可能会导致系统运行不稳定。 4 单晶硅和多晶硅光伏电池制造过程中需要消耗相当多的能源：从硅元素的存在形式 沙子变成多晶硅和单晶硅的过程要经过多道物理和化学工序，间接地也带来环境污染，这个 过程要消耗相当多的能量，从而造成光伏电池成本居高不下的原因之一。 如上文所述，光伏发电系统成本是制约其发展的主要原因，此外光伏发电系统还存在随 着环境变化使得系统工作不稳定的问题。要解决上述问题除了研究转换效率更高的光伏电池 以外，还应该对光伏发电系统的控制器进行研究，一方面控制器使得光伏电池输出的电能效 率更高，另一方面还可以解决当外界环境发生变化时，光伏发电系统也能够稳定高效的工作。 从这两方面的作用引出了光伏发电系统的最大功率点追踪控制技术，也就是m p p t 技术。 本文选择超级电容器作为光伏发电系统的储能组件，超级电容器和其他储能器件相比， 它具有非常明显的储能特点及其优点，超级电容器具备普通电容器功率密度大和蓄电池能量 密度大的优点，它充放电效率高，充电速度快，高低温性能好，循环寿命长。除此以外超级 电容器在使用中无需维护，材料几乎没有毒性，而且环境友好。 但是作为新兴的储能器件，与其他储能器件相比其价格较贵，大容量能量储能的成本较 高，这其中主要原因不是因为工艺和材料的问题，而是超级电容器产业化程度问题，其产业 化才刚刚起步。从近几年来价格变化趋势来看，可以预见到不需要太久，随着其应用范围扩 大以及产业化进程的推进，超级电容器的价格会大幅下降，达到兼具经济性和实用性的效果。 1 4 论文的主要工作 本文在分析光伏发电系统的基础上，对光伏发电系统m p p t 控制方法做了定量研究， 系统分析了光伏发电系统m p p t 控制方法，通过m a t l a b 建模与仿真，完成了以改进扰 动观察法来实现光伏发电系统m p p t 控制，同时，以超级电容器作为储能环节来研究光伏 发电系统。本文的主要工作如下： l 、研究了光伏电池的结构及其工作原理，建立了光伏电池的等效电路模型，分析了光 伏电池的输出特性，通过实验研究了光伏电池的输出特性以及阴影遮挡对光伏电池的影响。 2 、介绍了超级电容器及其储能特点，根据其工作原理建立了超级电容器等效模型。 3 、介绍d c d c 变换器四种拓扑结构的工作原理，选取b u c k 型d c d c 变换器作为主 电路拓扑，根据光伏发电系统具体情况对b u c k 电路进行原器件的选择，且通过m a t l a b 对b u c k 型d c d c 变换器进行仿真。 4 、对光伏发电系统常用的最大功率点跟踪方法进行逐一介绍，通过分析指出各种方法 的优缺点。在此基础上，提出了一种改进的扰动观察法最大功率点跟踪策略，从而解决了因 为外部环境变化而引起的误判。 5 、采用先进的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制器，设计了其外围电路。对带超级电容器的光 伏发电系统进行建模、仿真和分析。 4 第2 章光伏电池特性及储能装置 第2 章光伏电池特性及储能装置 太阳光发电是指无需通过热过程直接将太阳的光能转换为电能的发电方式，它包括光 伏发电、光化学发电、光感应发电、和光生物发电。其中光伏发电是利用光伏电池这种半 导体电子器件有效地吸收太阳光辐射能量，使之转变成电能的发电方式，是当今太阳发电 的主流。 由于光伏发电系统是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转换成 电能的，因此也叫做太阳能电池发电系统。通常光伏发电系统由光伏电池、d c d c 变换器、 d c - a c 变换器、储能装置、控制器等部分组成，其组成如图2 1 所示。其中光伏电池是整 个光伏发电系统的电源部分，为了更好了解光伏发电发电系统，下面就介绍光伏电池的原 理及其特性。 图2 1 太阳能光伏发电系统 2 1 光伏电池的结构及工作原理 光伏电池是将太阳辐射转换成电能的一种器件，是光伏发电系统的电源部分i 但由于 单一光伏电池的功率很小，一般不作为电源使用，在实际应用中把单一光伏电池经过串并 联组合后以光伏电池阵列来使用。光伏电池除单晶硅电池和多晶硅电池外，还有非晶硅光 伏电池和化合物( c d s 、c d t e 等) 光伏电池等很多种类，光伏发电系统主要使用单晶硅太 阳能电池和多晶硅太阳能电池。但其转换的效率有很大的不同，如表2 1 所示为常用光伏 电池的材料及其在一定条件下测试的光电转换效率。 表2 1 光伏电池材料与光电转换效率 光伏电池材料单体效率( )模组效率( ) 单晶硅 2 4 81 3 一1 7 5 多晶硅 1 8l o 1 6 5 薄膜非晶硅 1 31 0 薄膜铜钢 1 91 2 薄膜镉镝化合物 1 69 三五族元素化合物3 0 1 7 在众多的光伏电池生产材料中，晶体硅是最常用的，因此要想了解光伏电池阵列，应 5 东南大学硕士学位论文 该先从晶体硅光伏电池开始。单个晶体硅光伏电池的单元模型如图2 2 所示。 太阳光 n p p n 结 面电极 减反射膜 图2 2 光伏电池的单元模型 以p 型硅光伏电池为例来说明，这种光伏电池的基体材料为p 型单晶硅，厚度在 o 4 玎栅以下，n 型层在光电池上表面，也即受光层，它和基体在交界处形成一个p n 结。 在上表面加有栅状金属电极，可以提高光电转换效率。另外，在受光面上面覆有一层减反 射膜，它是一层很薄的天蓝色氧化硅膜，可以减少太阳光入射时的反射，从而使光伏电池 对太阳入射光的吸收率能够达到9 0 以上。 对于晶体硅而言，当其中的p n 结处在平衡状态的时候，会在p n 结处形成一个耗尽 层，存在着由n 区指向p 区的势垒电场。当每一个入射光子的能量大于禁带宽度( b ) ， 即整个太阳光辐射的能量大于晶体硅e 。的能量时，太阳光子照射入半导体内，把电子从价 带激发到导带，在价带中留下一个空穴，产生了一个电子空穴对。因此，当能量大于k 的光子进入电池的n 区、空间电荷区和p 区中时，会激发产生光生电子空穴对。光生电 子空穴对在空间电荷区中产生后，立即被势垒电场分离，光生电子被推向n 区，光生空 穴被推向p 区。在n 区和p 区中产生的光生电子空穴对会向p n 结交界面处扩散，当达到 势垒电场边界时，立即受到势垒电场的作用，使光生电子留在n 区，光生空穴留在p 区。 而在n 区中的光生空穴由于内建电场的作用被推到p 区，p 区中的光生电子同样被推到n 区。最后就形成了n 区中积累了过剩的电子，p 区中积累了过剩的空穴，而在p n 结两侧 形成了与势垒电场方向相反的光生电动势，这就是所谓的“光生伏打效应”。当接上负载后， 电流从p 区流出，通过负载从n 区流回电池。 当太阳光照不变时，由于光生电流i 曲不随光伏电池的工作状态而变化，因此在光伏电 池等效电路中可以看作是一个恒流源哺1 。当光伏电池的两端与负载r 相连后，i 曲流过负载， 负载两端就有了电压差。当负载电压反作用于光伏电池p n 结上时，会产生与i p h 方向相反 的电流i a 。除此以外，光伏电池前后表面的电极以及生产材料都带有电阻，当电流流过光 伏电池时，就会在光伏电池内部引起串联热损失，所以这部分阻值可以用串联电阻r 。来表 示。串联电阻r 。阻值越大，光伏电池热损失越大，那么其输出效率就越小。在实际的光伏 电池中，其串联电阻r 。一般都比较小，阻值在1 0 1 q 至几欧姆之间。此外，因为光伏电池 制造工艺的原因，其边缘和金属电极在生产时可能会有微小的划痕或者裂痕，从而会形成 漏电而导致原来流过负载的电流会短路，所以用并联电阻r 。来等效。与串联电阻r 。相比， 并联电阻比较大，阻值大都在1 k q 以上呻儿1 0 1 ，如图2 3 光伏电池的等效电路所示。 从以上分析可得： i = i p l i d is h ( ) 6 第2 章光伏电池特性及储能装置 其中电流i 为流过负载r 的电流，太阳光辐射量成正比例的光生电流，厶流过二极 管的电流；如为光伏电池的漏电流。 而 l = 厶 e 冲掣一) ( 2 2 ) l ：警 ( 2 - 3 ) 在式( 2 - 2 ) 和( 2 3 ) 中厶为反向饱和电流( 其数量级为1 0 0 衅) ，t 为绝对温度( 等 于t + 2 7 3 k ) ，k 为波尔兹曼常数( 1 3 8 l o 啦j k ) ，q 为电子电荷( 1 6 1 0 。1 9 c ) ，r 。为光伏 电池串联电阻，尼n 为光伏电池并联电阻，a 为p n 结理想因子。 因此，由以上三式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 和( 2 3 ) 可得： 一厶h 掣 _ 1 ) 一警 协4 ， r 。 2 2 光伏阵列输出特性 图2 3 光伏电池等效电路 光伏电池本身不是一个稳定的电源，其输出的电压、电流是关联的，关系是非线性的， 而且输出参数随外界的光照条件、环境温度变化比较明显，输出短路电流随着光照条件的 增强而增大，而开路电压受光照条件影响较小，开路电压随着外界温度升高而减小，而短 路电流受温度影响较小，除了受到温度、光照的影响外，光伏发电系统的负载对光伏电池 的输出也会造成较为显著的影响“。 图2 4 光伏阵列i v 特性曲线 7 东南大学硕士学位论文 当光伏电池接上负载尺时，所得的负载伏一安特性曲线如图2 4 所示。 在图2 _ 4 中为光伏阵列在特定光照强度和温度下的最大输出电压，k 为光伏阵列 在特定光照强度和温度下的最大输出电流，为在特定光照强度和温度下相应于最大功率 点的电压，厶为在特定光照强度和温度下相应于最大功率点的电流，r 为在特定光照强度 和温度下相应于最大功率点的功率，其数值为和，m 的乘积。 当光照和温度都不变化时，和而也就不会改变，对式( 2 4 ) 两边对电流，求导，整 理可得： 等= r 卅急e x p 掣 + 廿r 亿5 ， 从式( 2 - 5 ) 可看出，d 舢不是一个常数，它受到输出电流、电压的影响。因此可以 看成一个内阻变化的直流电源。为此，光伏电池的模拟实验可采用直流电源加滑线电阻模 拟光伏电池。在图2 5 和图2 6 中分别给出了某个光伏电池随光照和温度变化时的伏安特 性曲线和伏瓦特性曲线n 如。 图2 5 某个光伏阵列随光照和温度变化时的伏安特