（电力电子与电力传动专业论文）独立光伏电源智能控制器的研究与设计.pdf

r e s e a r c ha n dd e s i g no fi n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r f o rs t a n d a l o n es o l a rp o w e r a bs t r a c t m a n yo ft h ec o u n t r i e s ，c o m m u n i c a t i o nb a s e s ，m e t e o r o l o g i c a ls t a t i o n sa n d p h a r o s e si nr u r a la r e a si nw h i c ht h ep l a c e sp o w e rg r i dc a nn o tc o v e ra r ei nn e e do f m u c hm o r ep h o t o v o l t a i cp o w e re q u i p m e n t sw i t hh i g h e rq u a l i t yn o w b u ti nt h e s e s p e c i a lf i e l d s ，t h ea p p l i c a t i o no fp vs y s t e mi s s t i l li ns t a r t i n gs t a g e i tc o s t st o o m u c ht ou s ea n dm a i n t a i np vs y s t e ma n dt h ep o w e rg e n e r a t i o ne m c i e n c yi s l o w ，w h i c hh a ss e r i o u s l yr e s t r i c t e dt h ee x t e n s i o no fp vs y s t e m t h e r e f o r ei th a s b e c o m ea nu r g e n tp r o b l e mt od e v e l o pt h ep vs y s t e mw h i c hh a sl o w e rc o s t ，r e l i a b l e p e r f o r m a n c ea n di sc o n v e n i e n tt om a i n t a i n a n dt h i sp a p e rh a sc a r r i e do nt h e b e n e f i c i a ls e a r c hi nt h er e s p e c t b a s e do nt h eb a s i c p r i n c i p l ea n do 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 c p o w e rs y s t e m ，t h ec o l l e c t i v i t yd e s i g no ft h es y s t e mi sd e v e l o p e di nw h i c ht h e t e c h n ic a lf e a t u r e sa n df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fs t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i cp o w e r s y s t e ma r ea l s oc o n s i d e r e d t h es y s t e mc a nb ed i v i d e di n t o2m o d u l e s ：m a i nm o d u l e a n dm o n i t o r i n gm o d u l e t h em a i nm o d u l eu s e st h em c ua t 8 9 c 5 2a st h ec e n t r a l c o n t r o l l e ra n di ti su s e dt oc o n t r o lt h ep h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e ma n dc o l l e c tt h e r u n n i n gs t a t eo ft h es y s t e m t h em o n i t o r i n gm o d u l eu s e sat h r e e l e v e lm a n a g e m e n t m o d e i tp r o v i d e sam o n i t o r i n ga n dc o n t r o l l i n gp l a t f o r mo fs t a n d a l o n ep h o t o v o l t a i c p o w e rs y s t e mf o ru s e r s i tr e a l i z e st h eu n m a n n e da n dr e m o t em o n i t o r i n gf u n c t i o n s o fs t a n d - a l o n ep h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m b a s e do nt h es y s t e mo v e r a l ld e s i g n ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e s i g no fe v e r y m o d u l eo ft h es y s t e mi nd e t a i l t h ec o n c r e t ec o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ：f i r s tt h ep a p e r i m p r o v e st h ee l e c t r o n i cs w i t c ho ft h em a i nc i r c u i t ，w h i c hh a sb e e np r o v e df e a s i b l e b ye x p e r i m e n ta n di m p r o v e st h ec o s tp e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m t h e ng i v e sa p r e s e n t a t i o no fd e s i g no ft h ef i e l dm o n i t o rm o d u l ea n dt h er e m o t em o n i t o r i n g s y s t e m t h ef i e l dm o n i t o rm o d u l ei sap r i n c i p a l - s u b o r d i n a t ed e t e c t i n ga n dc o n t r o l s y s t e m i tb a s e s o nr s 4 8 5f i e l d b u s t h ec o s to ft h es y s t e mi sl o wa n di t s i n s t a l l a t i o ni sf l e x i b l ea n dc o n v e n i e n t a n di ti se a s yt oc o n t r 0 1 t h ec o m p u t e ro ft h e m o n i t o r i n gc e n t e ra n dt h em i c r o c o n t r o l l e ro ft h ef i e l dm o n i t o rm o d u l ea r el i n k e d t h r o u g h r s 2 3 2b u s ，m o d e ma n dp u b l i c t e l e p h o n en e t w o r k f i n a l l y , t h e p e r f o r m a n c e so ft h es y s t e ma r ep r o v e db yt h ee x p e r i m e n t s a n dt h ep a p e rp r e s e n t sa s u m m a r yo ft h et a s k k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i cp o w e r ；i n t e l l i g e n tc o n t r o l l e r ；m o n i t o r i n g ；m i c r o c o n t r o l l e r i i 插图清单 图2 1 光伏发电系统构造图5 图2 2 光伏电池的等效电路图6 图2 3 太阳电池的伏安特性7 图2 4 太阳电池在同一日照条件下伏安特性随温度改变情况8 图2 5 太阳能电池单元、组件和阵列8 图2 6 太阳能电池组件( 或阵列) 的厶y 特性曲线8 图2 7 蓄电池可接受充电电流曲线1 0 图2 8 蓄电池容量恢复特性1 l 图2 9 简易旁路型充电控制器原理图1 2 图2 1 0 带微处理器的多路充电控制器1 3 图2 1 1p w m 充电控制器框图1 4 图3 1 独立光伏电源智能控制器整体结构 1 7 图3 2 独立光伏电源智能控制器主控模块结构1 8 图3 3 独立光伏电源智能控制器现场监控模块结构1 9 图4 1 多路充电控制器主电路拓扑 2 3 图4 2 电力场效应晶体管的正反向输出特性曲线【2 0 1 2 4 图4 - 3 可控硅的伏安特性1 0 2 1 0 1 i g 2 5 图4 4 直接耦合式强迫关断原理图2 5 图4 5 电感耦合式强迫换流电路2 5 图4 - 6 光伏电源主电路关断电路2 7 图4 7 电容充电曲线示意图2 8 图4 8 晶闸管交替开关时的波形2 9 图4 9 晶闸管阳极电压被拉低时的波形2 9 图4 1 0 电容放电时的波形3 0 图4 1 1 主控模块单片机接口电路硬件结构3 1 图4 1 27 4 h c l3 8 译码器电路31 图4 1 3 可控硅理想触发脉冲波形3 2 图4 1 4 可控硅触发电路3 2 图4 1 5 可控硅触发脉冲实验波形3 3 图4 1 6 系统复位电路及x 2 5 0 4 5 在系统中的连接结构图一3 4 图4 1 7 u c 3 8 4 4 组成的开关电源电路图3 5 图4 1 8t l c l 5 4 3 引脚排列3 6 图4 1 9t l c l 5 4 3 与a t 8 9 c 5 2 连接结构图3 6 v i 图4 2 0a d 基准电压的产生3 7 图4 2 1 系统电压采样电路3 7 图4 2 2 直流电流采样3 8 图4 23 温度采样图38 图4 2 4 主控模块的通信接口3 9 图4 2 5 负载过流保护电路4 0 图4 2 6 蓄电池反接保护电路4 0 图5 1 单片机主程序流程4 1 图5 2 系统充电控制程序流程4 2 图5 3 充电支路切除控制流程4 3 图5 4 充电支路投入控制流程4 4 图5 5 通讯处理流程4 6 图5 - 6 数据发送流程4 7 图5 7 接收中断服务程序流程一4 7 图5 8t l c l 5 4 3 的工作时序4 8 图5 - 9t l c l 5 4 3 驱动程序流程4 9 图5 1 0a d 芯片工作初始化流程4 9 图5 1 1 外部中断0 程序5 0 图5 12 外部中断1 程序5 0 图6 1 现场监控模块r s 4 8 5 通信接口5 2 图6 2 现场监控模块r s 2 3 2 通信接口5 2 图6 3 液晶与单片机连接电路5 3 图6 4 现场监控模块按键电路5 4 图6 5 时钟电路5 4 图6 6 现场监控模块主程序流程5 5 图6 7 显示层次结构示意图5 6 图6 8 串行口0 查询发送程序( 延时部分略) 5 8 图6 9 串行口0 接收数据流程( 延时部分略) 5 8 图6 1 0 监控p c 机主控流程5 9 图6 1 1 监控软件主控界面6 3 图6 1 2 监控软件通讯设置界面( 1 ) 6 3 图6 1 3 蓄电池工作电压设置界面6 4 图6 1 4 蓄电池报警电压设置界面6 5 图6 1 5 系统实时监测界面6 5 图6 1 6 历史数据查询界面6 7 图6 1 7 蓄电池曲线查询界面6 7 v l i 图6 1 8 历史故障报警查询界面6 7 图6 19 系统连接通信界面6 8 图7 1 充电支路可控硅开通时光伏阵列电压降落波形6 9 图7 2 充电支路可控硅关断时光伏阵列电压上升波形7 0 图7 3 主电路可控硅关断时阳极电压被拉低的波形7 0 图7 4 充电支路逐级投入时充电电流阶跃波形7 0 图7 5 充电支路逐级切除时电流变化波形7 1 图7 - 6 串连别以抑制电感的系统主电路7 1 v i i i 表格清单 表3 1 控制器充电控制方式2 0 表4 1 不同时刻电容电压值2 9 i x 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及取得的研究成 果。据我所知，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，也不包含为获得 金魍王些态堂 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已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 米目弓 签字日期： 1 9 罗年月徇 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 盒旦巴王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权 金照王业太堂 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，可 以采用影印、缩印和扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 张目呈 导师虢狨固荔 签字日期： 口寥年f 月件日签字日期：7 印驴年1 月f 午日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 致谢 在论文和学业即将完成之际，感谢三年来时刻给予我关心和支持的老师、 家人、同学和朋友。 首先感谢我的导师张国荣三年来在生活、学习和科研方面给了我很大的帮 助和支持。张老师为人随和，谦虚谨慎，对于学生的事，事必躬亲，令我十分 敬佩。在科研上，他勤勤恳恳，一丝不苟的精神也时刻激励着我。我的整个课 题和论文的完成，倾注了张老师大量的心血和智慧。张老师不仅是我专业上的 领路人，还教会我如何做人、做事。在此，谨向尊敬的张老师表达我由衷的感 谢和真诚的祝福。 感谢苏建徽教授。苏老师精湛的专业知识，灵活的思维，务实的科学研究 态度，忘我的工作精神和宽广的胸怀，给我留下了深刻的印象。课题研究中遇 到的难题，多次在苏老师的指导下迎刃而解，苏老师的教诲我将永远铭记在心。 毕业之际，谨向尊敬的苏老师致以崇高的敬意和深深的感谢。 感谢能源研究所的茆美琴教授、汪海宁老师平时对我的耐心的答疑解惑； 感谢杜燕老师、刘宁老师和陈林老师对我的课题的指导和论文的帮助；感谢刘 翔老师、张健老师给予我的论文和实验方面的指导；感谢杜雪芳老师和潘正国 为课题进展提供了便利的实验条件，感谢石工给予的帮助，没有他们深切的关 心和支持，课题研究和论文出稿是不会这么顺利的。 感谢所有曾经给予我帮助和快乐的各位同学和好友，他们是：李桂臣、阮 景义、赖纪东、张铁良、孙艳霞、申翔、蒋永和、马炎、张军军、赵春柳、张 春风、茹心芹、焦道海、许任重、洪波、董振利、李颖、陶彦辉、彭凯、张颖 嫒、方玮、戴聿雯、陶然、李启明、宗桂林等以及0 5 级研究生1 6 班的所有同 学。 最后我要感谢辛勤养育我的父母、亲人，他们多年来的默默支持和无私奉 献是我人生路上不断前进的动力” i 作者：张昭 2 0 0 7 年1 2 月l o 日 第一章绪论 1 1 课题背景 能源是人类生产和生活所必需的重要物质基础。但是随着世界人口的增长 和人类工业化水平的不断提高，能源短缺和环境污染问题日益严重。据国际能 源协会( i e a ) 统计，1 9 7 l 1 9 9 1 年期间全世界一次能源的需求量每年平均增 加2 4 ，电力每年平均增长4 1 。预计，1 9 9 1 - 2 0 1 0 年间，全球一次能源需 求量每年将平均增长2 1 ，发展中国家由于人口快速增长，工业化发展和城 市化进程等因素，对能源需求的增长更快。然而占人类能源消费的大部分的煤 炭和石油都是有限的，不可再生的。据有关资料显示：世界石油储量的综合估 算，可支配的石油大约为1 1 8 0 1 5 1 0 亿吨，以1 9 9 5 年世界石油年开采量3 3 2 亿吨计算，石油储量大约在2 0 5 0 年左右宣告枯竭；天然气储量估计在 1 3 1 8 0 0 1 5 2 9 0 0 兆立方米，如果年开采量维持在2 3 0 0 兆立方米，将在5 7 6 5 年 内枯竭；煤的储量约为5 6 0 0 亿吨，如果开采量维持在每年3 3 亿吨，可以供应 1 6 9 年；铀的年开采量目前为6 万吨，根据1 9 9 3 年世界能源委员会的估计可维 持到2 1 世纪3 0 年代中期；有效利用核聚变产生的能量到2 0 5 0 年还没有实现的 希望【l 】。另一方面由于化石燃料利用产生的二氧化碳等温室效应气体引起的全 球变暖的趋势还在发展。近年来自然灾害大幅增加、地表平均气温升高、冰川 溶化便是证据。 面对日益严峻的能源危机，为实现人类社会与自然环境的协调发展，世界 上大多数国家都在积极探索可持续发展的能源战略。因此新能源技术和节能技 术在世界范围内得到了迅速发展。太阳能、风能、生物质能、海洋能、地热能 和燃料电池等可再生能源的研究和应用水平取得了长足的进步。其中太阳能发 电技术以其独特的优势在世界范围内蓬勃发展，近几年，世界太阳能电池组件 的年平均增长率为3 3 ，光伏产业已经成为当今发展最迅速的高新技术产业之 2 1 1 3 o 太阳能光伏发电技术是利用根据光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太 阳能转化为电能的发电技术【4 】，具有安全可靠、无噪声、无污染，适合分散供 电，不受地域限制，无需消耗燃料，故障率低，维护简便，可以无人值守，建 设周期短，扩充能量方便，无需架设输电线路，可以方便的与建筑物相结合等 优点【5 】【6 | 。因此目前世界上许多国家将光伏发电技术放在了可再生能源技术开 发的首位，纷纷制定计划，采取措施，增加投入以推动其发展。日本是目前世 界上光伏产业发展最快的国家，从1 9 9 9 年起日本国内的太阳能电池组件的产量 就超过了美国而跃居第一位，到2 0 0 3 年日本的太阳能电池产量几乎占了世界产 量的一半。根据”京都议定书”关于减少温室气体排放量的指标要求，欧盟在 1 9 9 7 年发表了名为“能源的未来：可再生能源的欧盟战略与行动白皮书。该 白皮书启动了欧洲光伏产业的发展。光伏技术研究顾问委员会( p v t r a c ) 2 0 0 5 年发表的“光伏技术发展前景伊( av i s i o nf o rp h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g y ) ( e u r 2 1 2 4 2 ) 指出：欧洲在2 0 1 0 年能够实现光伏安装容量3 g w ( 大约发电 3 4 t w h ) 的目标，到2 0 3 0 年安装容量将增加到2 0 0 g w ( 发电2 0 0 t w h ) ，届 时全球安装容量将达1 0 0 0 g w ( 发电1 0 0 0 t w h ) ，大约占世界总发电量的4 ， 可解决1 亿家庭用电。美国在2 0 0 4 年9 月发表了“我们太阳电力的未来：2 0 3 0 及更久远的美国光伏工业路线图”，提出要恢复美国在光伏市场的领导地位。为 此要采取税收优惠、提高上网电价、增加政府及当地收入、在2 0 1 0 年以前每年 投入2 5 亿美元用于研发等措施，并提出以下目标：在2 0 2 5 年新增加发电的容 量的一半由太阳能发电提供l7 1 。 我国太阳能资源非常丰富，理论储量达到每年1 7 0 0 0 亿吨标准煤。我国大多 数地区年平均日辐射量在每平方米4 千瓦时以上。西藏日辐射量最高达每平方米 7 千瓦时。年日照时数大于2 0 0 0 d x 时。与同纬度的其它国家相比，与美国相近， 比欧洲、日本优越的多，因此有巨大的开发潜能【8 】。随着中华人民共和国可 再生能源法的颁布实施，我国出台了一系列政策，鼓励可再生能源特别是光 伏发电的发展。根据国家发展和改革委员会可再生能源中长期发展规划，中国 到2 0 1 0 年太阳能光伏发电的累计装机要达到3 0 0 m w ，2 0 2 0 年达到1 8 0 0 m w ，从 而可以看出，光伏发电在补充能源方面将扮演重要角色【9 】。我国光伏发电产业 的大发展在2 0 0 0 年以后，主要受国际大环境的影响、国际项目、政府项目的启 动和拉动。2 0 0 2 年以来，随着以无锡尚德为代表的具有世界级先进水平光伏企 业的崛起，我国的光伏制造能力迅速提升，最近4 年无论是电池还是组件制造年 均增长率都超过了1 0 0 至u 2 0 0 5 年全面跻身四强( 电池产量排名第4 ，组件产量 排名第3 ) ，使得我国无论是组件还是电池生产都迅速向世界光伏制造大国迈进 【l0 1 。 1 2 国内外光伏发电技术的现状和发展 世界光伏产业自2 0 世纪8 0 年代以来得到了迅速发展，近几年由于出现供不 应求的局面，其发展更加迅速，成为全球发展最快的高新技术产业之一。 目前，光伏发电技术和其它可再生能源技术一样成为全球减排温室气体的 重要技术手段。2 0 0 4 年底，世界已经安装的光伏发电系统总容量已超过了 3 5 0 0 m w ，光伏市场的结构为：3 0 用于为住宅、村庄和泵水系统供电，2 5 用于通信设备和远程设备的电源，4 0 用于并网发电，5 用于计算器、手 表和其他小型产品供电的电源【1 1 1 。近年来，世界光伏市场发生了很大变化开 始由主要为边远农村地区和通信设备、气象台站、航标灯等特殊应用领域解决 供电问题，逐步向并网发电和与建筑相结合的常规供电方向和商业化应用方向 2 发展，2 0 0 4 年并网发电技术的增速达到6 6 ；开始由作为补充能源逐步向替代 能源过渡。从发展趋势看，比较普遍的预测结果认为，至u 2 0 5 0 年左右，太阳能 光伏发电将达到世界总发电量的1 0 - 2 0 ，成为人类的基础能源之一。 2 0 世纪9 0 年代以来，我国光伏发电市场需求旺盛，光伏电池销售量年均增 长率在3 0 左右。到2 0 0 5 年底，我国光伏电池的地面应用累计用量约为1 0 0 m w ， 应用领域包括微波中继站电源、卫星通信地面站电源等通信领域；铁路、公路 信号电源系统、航标灯等工业领域；独立光伏电站、户用光伏电源等农村电气 化领域以及太阳能充电器、太阳能计算器、太阳能手表等民用商品等。9 0 年代 以前，我国边远地区的光伏发电市场丰要由国家扶贫项目支撑。十五”期间， 国家安排 光明工程 、西部新能源行动”等电力和科技扶贫项目，一些双边 或多边的技术援助项目也开展了支持我国光伙发电市场的促进项目，包括荷兰、 美国、德国、法国和日本等双边援助计划，特别是2 0 0 2 年国家发改委启动的 送电到乡 项目，安装了8 0 0 座1 7 m w 的光伏和风光互补发电系统，极大地刺激 了我国光伏市场的扩大，并推动了我国光伏产业的发展【l2 1 。我国有很多风力资 源和太阳能资源都很好，而常规能源相对缺乏的地区，风光互补发电系统提供 清洁、可靠的电力方面具有明显的优势。此外，随着技术的进步和成熟，并网 光伏发电系统将会快速发展，在我国的电力结构中发挥重要替代能源的作用。 光伏市场领域的发展取决于技术进步和光伏产品经济的改善。光伏电池的 制造成本高，发电效率低是影响太阳能光伏发电大量应用的主要障碍。对于光 伏电池制造技术，从市场份额看，晶体硅电池占9 0 以上，非晶硅电池占9 ， 其它类型电池约占1 。晶体硅光伏电池目前仍然是国际光伏光伏市场上的主流 产品，占世界光伏电池产量的8 0 以上，预计在相当一段时间内晶体硅光伏电 池仍是主角，并将向高效率、低成本和薄片化方向发展。多晶硅光伏电池比单 晶硅光伏电池的材料成本低，是世界各国开发的重点。非晶硅电池目前也处在 发展中，每年新增产量1 0 m w 以上。其中薄膜电池具有大幅度降低成本的潜力， 因而也是当今国际研究开发的主要方向。在产业化方面世界各国一直都在通过 改进工艺、扩大规模、开拓市场等手段来降低光伏电池的制造成本提高它的发 电效率，并取得了巨大进展。1 0 年来，世界晶体硅的光伏组件的生产成本降低 了3 2 以上，达到3 3 5 美元w p 左右【l3 1 。据专家估计国际市场上太阳能电池组 件售价2 0 1 0 年可降n 2 美元w p ，2 0 2 0 年有望降到1 美元w p ，其时，发电成本约 为每度电6 8 美分，稍高于我国目前核能发电成本。太阳能电池的效率也在不 断提高，目前正以每1 0 年2 3 的速度提高，2 0 2 0 年的转换效率估计可达到 18 2 0 【1 4 】 15 1 。 1 3 本文所做的工作 本文以中小功率独立运行光伏发电系统为研究对象，在研究系统各部分功 能的基础上，对提高独立运行光伏发电系统性能的方法进行了探索。针对边远 地区独立光伏电源价格偏高、效率低下和维护不便的问题，对系统进行了改进， 设计了采用新型开关元件的独立光伏电源主控模块和便于系统扩充与维护的近 远程监控系统。具体如下： 1 ) 通过查阅大量资料，分析和归纳了目前市场上应用较多的三种太阳能一 铅酸蓄电池充电控制器的优点和缺点及其应用范围，阐述了边远地区独立光伏 电源采用逐级投入式充电方式的优势。 2 ) 根据太阳能电池的光伏特性和铅酸蓄电池的充电特性，研究分析了多 路充电控制器的基本原理及其控制策略。 3 ) 由多路充电控制策略设计了系统主电路和以单片机a t 8 9 c 5 2 为核心的 控制电路。其中系统主电路电子开关采用了可控硅，因此本文还设计了相应的 可控硅关断电路，提高了系统的性价比。 4 ) 根据实际应用要求设计了基于r s 4 8 5 总线的独立光伏电源现场监控系 统。该系统以单片机w 7 7 e 5 8 为控制核心，能够方便的实现系统扩充，扩大了 系统的应用范围，而且该系统采用模块化设计稍做改变就能够应用于其它分布 式监控场合。 5 ) 按照实际应用要求设计了基于公用电话网的独立光伏电源远程监控系 统。该远程监控系统提供了友好人机交互界面，以较低的成本和较高的可靠性 实现了光伏电源的无人职守与远程监控。 6 ) 对系统主控部分及监控部分进行了相应的程序设计和调试。其中在数 据采集部分结合逐级投入式充电器的特点设计了相应的数字滤波程序，有效提 高了系统的抗干扰能力。 7 ) 最后对系统基本性能进行了实验分析，并提出了改进方向。 4 第二章光伏发电系统的基本组成和基本原理 2 1 概述 目前光伏发电应用系统分为3 大类：独立光伏发电系统、并网光伏发电系 统和混合互动型光伏发电系统【l6 1 。独立光伏发电系统由光伏电池阵列、蓄电池、 充放电控制器、逆变器、配电线和一些接口器件组成。独立光伏发电系统，不 与市电并联，主要为无电地区和特殊地区解决供电问题。并网发电系统的组成 与独立发电系统类似，其中逆变器用来将光伏电池产生的直流电变换为可以与 电网并联的交流电。混合互动型光伏发电系统，除了可以发电为用户提供一般 用电外，还可以将多余的电卖给电力公司。一个光伏发电系统的主要构成如图 2 1 所示。 图2 1 光伏发电系统构造图 2 2 光伏阵列 光伏阵列由众多的光伏电池构成。光伏电池( s o l a rc e l l ) 有时也常被称作 太阳能电池，通常由半导体材料制成，其作用是直接把太阳能转换为直流形式 的电能。光伏阵列的工作原理和特性由光伏电池决定。 。 ( 1 ) 光伏电池的工作原理 光伏电池是以半导体p n 结上接受太阳光照产生光生伏特效应为基础，直接将光 能转化为电能的能量转化器。【1 1 7 】它的工作原理是：当太阳光照射到半导体表面，半导 体内部n 区和p 区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐射获取到超过禁 带宽度e g 的能量，脱离共价键的束缚从价带激发到导带，由此在半导体材料内部产 生超出很多处于非平衡状态的电子空穴对。这些被光激发的电子和空穴，或自由碰 撞，或在半导体中复合恢复到平衡状态，其中复合过程对外不呈现导电作用，属于光 伏电池能量自动损耗部分。光激发的载流子中的少数载流子可能运动到p n 结区，通 过p n 结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与p - n 结势垒电场 方向相反的光生电场。一旦接通外电路即有可能输出。当把众多这样小的太阳能光伏 电池单元通过串并联的方式组合在一起，构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下 输出功率足够大的电能。 ( 2 ) 光伏电池的工作模型 5 光伏电池的等效电路的理想形式和实际形式分别如图2 - 2 ( a ) ( b ) 所示。 ， 一 i d u 。90 5z ( a ) r li v h ( b ) 图2 2 光伏电池的等效电路图 图2 2 中锄为光生电流。易为暗电流。无光照下的硅型光伏电池的基本行 为特性就类似于一个普通二极管。所谓暗电流指的是光伏电池在无光照时，由 外加电压作用下p n 结内流过的单向电流。它的大小反应出当前环境温度下， 光伏电池p n 结自身所能产生的总扩散电流的变化情况。屯为光伏电池输出的 负载电流。玩。为电池的开路电压。光伏电池的开路电压与入射光辐照度的对 数成正比，与环境温度成反比，与电池面积的大小无关。温度每上升1 ，玩。 的值约下降2 - 3 m v 。单晶硅光伏电池的开路电压一般为5 0 0 m v 左右。r l 为电 池的外负载电阻。凡为串联电阻。一般小于1q ，它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电阻组成。 r 。h 为旁路电阻。一般为几千欧姆。它主要是由电池表面污浊和半导体晶体缺陷 引起的漏电流所对应的p n 结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等组成。一个理 想的光伏电池，因串联的电阻r s 很小，并联的凡 很大，所以进行理想计算时， 它们都可以忽略不计。此外光伏电池还包含由p n 结形成的结电容和其它分布 电容。由于光伏电池是直流设备，通常没有高频分量，因此这些电容也可以忽 略不计 1 8 】 19 1 。 由上述定义，可列出光伏电池等效电路中各变量的方程式如下： i o - i o ( e x p 等一1 ) ( 2 1 ) i t = 厶一i o 一百u o = 厶一i o e x p 掣) 1 】一百u o ( 2 - 2 ) l = i o e x p 等一1 】 ( 2 3 ) = 等呼+ 1 ) ( 2 - 4 ) 上述式子中，厶光伏电池内部等效二极管的p n 结反向饱和电流。它与该 电池材料自身性能有关，反应了光伏电池对光生载流子最大的复合能力。一般 它是常数不会受光照强度的影响。k 为电池的短路电流。为等效二极管的端 电压。q 为电子电荷。k 为波尔兹曼常量，o 8 6 1 0 4 c v k 。t 为绝对温度。a 为 6 p ，n 结的曲线常数。弱光条件下，因i p h i o ，又使得 吒= 等qh 等 仁6 ， f n 、一。 由此可见，在太阳光较弱时，硅型光伏电池的开路电压随光的强度呈近似 线性的变化，而当光较强时，碥c 则随光的强度呈对数关系变化。硅型光伏电 池的开路电压一般在0 5 0 5 8 v 之间。 ( 3 ) 光伏电池的工作特性 根据式2 1 到2 4 ，可得光伏电池的电压电流关系曲线，简称伏安特性曲线 如图2 3 【2 们。 由图2 3 可知，该伏安特性曲线具有强烈的非线性。太阳电池既非恒压源， 也非恒流源，是一种非线性直流电源，其输出电流在大部分工作电压范围内近 似恒定，但在接近开路电压时，电流下降率会很大。 太阳电池额定功率的单位为峰瓦，记以。当日射s d , 于1 0 0 0 w m 2 时，其 输出特性如图中其他相应曲线所示。太阳能电池不能为负载提供任意大功率， 曲线上的黑圆点表示在其它相应日射强度下太阳电池输出最大功率的位置，成 为最大功率点。在最大功率点( m a x i mp o w e rp o i n t ，简称m p p t ) 电压左侧， 太阳能电池的输出功率随着工作点电压的增加而增大。在最大功率点电压右 侧，太阳能电池的输出功率随着工作点电压的增加而减小。 日照强度和电池结温是影响太阳能电池功率输出的两个重要参数。太阳电 池在同一日照条件下伏安特性随温度改变概略情况如图2 4 所示。 在太阳电池作为电源的具体系统中，单个太阳电池的输出功率往往太小， 因此作为太阳电池的最终产品，总是取若干个太阳电池串联( 或并联) 后封装 在一起，构成组件( m o d u l e ) 。按照系统所需功率及电压的大小，可以用许多 个( 例如几个、几十个、几百个甚至成千上万个) 组件按串、并联规则组合在 一起，构成光伏阵列( s o l a ra r r a y ) 赖以把太阳能直接转换为电能后向负载供电。 如图2 5 所示。 图2 3 太阳电池的伏安特性【2 1 1 7 图2 4 太阳电池在同一日照条件下伏安特性随温度改变情况 斗一 一一 一一 单元 组件 阵列 图2 5 太阳能电池单元、组件和阵列 太阳能电池阵列的伏安特性具有和单体太阳能电池同样的形状，若忽略单 体电池、组件相互之间的连接电阻并假设具有理想的一致性，则太阳能电池阵 列伏安特性可以看作仅是单体太阳能电池伏安特性按串并联方式放大其坐标 的比例尺【2 2 1 。由电池组件合成电池阵列特性的方法可简单用图2 - 6 表示。 图2 6 太阳能电池组件( 或阵列) 的厶矿特性曲线 2 3 系统储能装置 由于太阳能电池的输出功率随太阳光照强度在变化，当夜间或阴雨天时， 太阳能电池的输入功率为0 或很小，不能满足负载的要求。因此储能是光伏发电 系统的重要组成部分，尤其是当光伏系统作为独立电力系统运行时，储能环节 更是不可缺少的组成部分，在光照强的时候，把多余的电能储存下来，供光照 弱的时候使用。储能系统的好坏直接影响到光伏发电系统的好坏。在实际的光 伏发电系统中，储能部分又是最易受损、最易消耗的部分。获得最佳的储能系 统成为光伏发电系统的重要组成部分。目前常用的储能方法有电容器储能、飞 轮储能、超导储能、提升重物、分解水为氢氧等，但从方便、可靠、价格等综 合的角度来看蓄电池是独立光伏系统储能装置的最佳选择。小型的独立光伏系 统有用铅酸蓄电池的，也有用铬镍蓄电池的等，但大中型的系统一般用铅酸蓄 电池。因为铅酸蓄电池有如下的优点：( 1 ) 除锂离子二次电池外，在常用蓄电池 中，铅酸蓄电池的单格电压最高，为2 伏；( 2 ) 较廉价；( 3 ) 可制成小至一安时大 至几千安时的各种尺寸和结构的蓄电池；( 4 ) 高低温性能良好，可在4 0 一6 0 摄 氏度条件下工作；( 5 ) 没有记忆效应。1 2 副 应用于光伏系统的铅酸蓄电池主要分为富液式和贫液式两种。早期的太阳 能光伏发电系统一般使用富液式铅酸蓄电池，它在使用过程中伴随有酸雾产生， 污染环境。而阀控式密封铅酸( v a l v er e g u l a t e dl e a da c i db a t t e r y ，v r l a b ) 蓄电池是最近十几年才在我国发展起来的贫液式铅酸蓄电池，由于它具有不需 补加酸水、无酸雾析出、可任意放置使用、搬运方便、使用清洁等优点，近几 年在光伏发电系统中得到广泛的应用【2 4 1 。在本课题中，我们也选用最常用的阀 控式密封铅酸蓄电池作为储能装置。 2 3 1 铅酸蓄电池的工作原理 铅酸蓄电池由两组极板插入稀硫酸溶液中构成。电极在完成充电后，正极 板为二氧化铅，负极板为海绵状铅。放电后，在两极板上都产生细小而松软的 硫酸铅，充电后又恢复为原来物质。铅酸蓄电池在充电和放电过程中的可逆反 应理论比较复杂，目前公认的是哥来德斯东和特利浦两人提出的”双硫酸化理 论”【2 5 1 。按照这个理论，铅酸蓄电池在其正、负极板上分别进行着如下的化学 反应过程： 正极板 塾皇、 p b 0 2 + 4 h + + s 0 4 卜+ 2 e - 三p b s 0 4 + 2 h 2 0( 2 7 ) 、充电 负极板 墼皇、 p b + s 0 4 卜= 三p b s 0 4 + 2 e 一 ( 2 8 ) 、充电 结合两个极板的反应方程为一个，则在充、放电时可用如下的化学反应方 程式： ( 正极) ( 电解液) ( 负极)( 正极) ( 电解液) ( 负极) 墼皇、 p b 0 2 + 2 h 2 s 0 4 + p b 三p b s 0 4 + 2 h 2 0 + p b s 0 4( 2 9 ) 、充电 反应方程式从左到右表示放电过程，而从右到左表示充电过程。放电过程 和充电过程互为可逆反应。 9 2 3 2 铅酸蓄电池的充电特性 蓄电池的两个重要参数是容量和寿命，蓄电池的额定容量( c ) 通常作为电池 充放电速率的单位，例如10 0 a h 的蓄电池，采用1 0 a 电流充电时，充电速率为c 10 。 不正确的充电方式不仅会降低电池的储能容量，还会缩短电池的使用寿命。2 0 世纪6 0 年代美国科学家马斯( m a s ) 以大量实验为基础，提出了以最低析气率 为前提的电池充电可接受定律，其充电曲线如图2 7 所示。从图2 7 中可以看出， 当充电电流大于对应时刻蓄电池可接受电流时，会出现”过充析气”现象。充电 可接受电流定律是蓄电池科学充电的理论基础【2 6 1 。 传统的充电方式主要包括恒压充电、恒流充电和三段式充电。恒压充电和 横流充电都不能提高电池的充电效率，而依据充电可接受定律提出的三段式充 电方式则可以大大提高蓄电池的充电效率，缩短充电时间，并有效延长电池寿 命。 铅酸蓄电池的过充电反应开始时间与充电速率有关。当充电速率大于c 5 时，电池容量恢复到放出容量的8 0 以前即开始过充电反应。当充电速率小于 c 1 0 0 时，才能使电池容量恢复到1 0 0 之后才开始过充电反应。铅酸蓄电池的 容量恢复百分数如图2 8 所示。【2 7