（电力电子与电力传动专业论文）独立光伏发电系统中蓄电池能量管理的研究.pdf

东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 研究生签名：鱼童鱼 导师签名：日期：塑! ! ：查! ! ! 摘要 摘要 随着社会的飞速发展和科技的不断创新，国内外为了缓解日益凸显的能源危机，对 光伏发电系统的研究和应用非常重视。目前针对光伏发电系统的研究以并网发电为主， 但是独立光伏发电系统建站灵活且适于户用，在未来应用前景依然十分广阔。 本文从独立光伏发电系统整体出发，以满足交流负载需求为目的，对系统中蓄电池 能量管理进行了深入研究。在此基础上，提出了单相独立光伏发电系统的拓扑结构，其 中采用双向d c d c 电路对蓄电池进行充放电控制，选择z 源逆变器作为主功率电路的 逆变装置，详细论述了蓄电池能量管理的运行策略。 第一章阐述了本课题研究的背景和现实意义，给出了独立光伏发电系统的基本组 成，详细介绍了现阶段独立光伏发电系统中蓄电池能量管理的技术现状，指出了其电路 拓扑的不足之处，并提出了本论文的主要研究内容。 第二章详细分析了太阳能电池板的物理特性，介绍了日照强度和环境温度对光伏 电池板输出的影响，并通过m a t l a b s i m u l i n k 建立了光伏电池板的仿真模型。在软件 m i c r o s o f tv i s u a lc + + 编写了对太阳能仿真器a g i l e n te 4 3 5 1 b 的控制程序，使其运行在 s i m u l a t o rm o d e 很好的模拟光伏电池的伏安特性输出。 第三章采用z 源逆变器作为主功率电路逆变装置，分析了z 源阻抗网络的升压原 理，详细阐述了适用于单相全桥z 源逆变器的改进型s p w m 控制策略如何在传统的电 压源逆变器的零电压状态插入直通时间来实现z 源的升压。并且提出了z 源阻抗网络 的参数设计准则，并通过m a t l a b s i m u l i n k 对单相z 源逆变器进行仿真，仿真结果验证 了理论分析的正确性。 第四章提出了单相独立光伏发电系统的电路拓扑结构，介绍了光伏系统中所用的 铅酸蓄电池的技术参数特性和充放电控制方法，为双向d c d c 变换电路实现对蓄电池 的充放电控制提供了依据。另外，通过检测光伏电池板的输出电压和蓄电池的端电压与 相关的设定值比较来决定蓄电池的运行状态。对蓄电池采用三段式充电方式，并用荷电 状态的大小进行切换；对蓄电池采用限流放电，并要满足直流侧稳压的要求。通过仿真 分析验证了方案可行。 第五章基于工控板d s pl t 8 5 0 3 设计了整个独立光伏发电系统的数据采集电路和 控制流程图，并详细讲述了各个控制模块的编程思想。并分别用a g i l e n te 4 3 5 1 b 和整流 桥输出电压作为直流源进行了单相z 源逆变实验，验证了z 源阻抗网络的工作特性。 第六章对本文开展的工作进行总结，并对下一步的工作以及研究方向作了展望。 【关键词】独立光伏发电系统，光伏电池板，z 源，蓄电池，双向d c d c 电路，荷电状态 a b s t r a c t a bs t r a c t w 弛t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t ya n dt e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o n s ，t h ew h o l ee a r t hh a sa t t a c h e d g r e a ti m p o r t a n c et ot h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no fp 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 e mt oa l l e v i a t et h e i n c r e a s i n g l ys e r i o u se n e r g yc r i s i s a tp r e s e n t , p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e ds y s t e mh a sb e e ns e e na sam a j o r r e s e a r c hf o c u s ，h o w e v e r , t h em a r k e tp r o s p e c to fp h o t o v o l t a i cs t a n d - a l o n ep o w e rs y s t e mr e m a i n sb r o a d b e c a u s eo fi t sf l e x i b i l i t ya n dc o n v e n i e n ta p p l i c a t i o nf o rr e s i d e n t s c h a p t e rih a si n t r o d u c e dt h eb a c k g r o u n da n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo ft h i ss t u d y , i n t r o d u c e sb a s i c i n t e g r a lp a r to fp h o t o v o l t a i cs t a n d - a l o n ep o w e rs y s t e m ，a n dd e s c r i b e dc u r r e n tt e c h n i c a ll e v e lo fb a t t e r y e n e r g ym a n a g e m e n ti nt h es y s t e ma tt h ep r e s e n ts t a g e ，p o i n t so u tt h ei n a d e q u a c i e so fi t sc i r c u i tt o p o l o g y a n dp r o p o s e st h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri nt h ee n d c h a p t e ri ih a sa n a l y z e dt h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fs o l a rc e l l s s u n l i g h ti n t e n s i t ya n da m b i e n t t e m p e r a t u r ea r et h em a i nf a c t o r s ，w h i c ha f f e c tt h eo u t p u tv o l t a g e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c so ft h es o l a rc e l l i t h a se s t a b l i s h e dm a t l a b s i m u l i n km o d e lo fs o l a rc e l l i nt h em i c r o s o f tv i s u a lc + + s o f t w a r e t h ec o d e s c o n t r o ls o l a re m u l a t o r a g i l e n te 4 3 5 1 bt ow o r ki ns i m u l a t o rm o d ef o ra n a l o gv o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c s c h a p t e ri i ih a sc l a s s i f i e da n da n a l y z e dt h eo p e r a t i o nm o d e so ft h es i n g l e p h a s ezs o u r c ei n v e r t e r t h e i m p r o v e ds p w mc o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e ni n t r o d u c e dt oa n a l y s i sh o w t oi n s e r ts h o r t - t h r o u g hs t a t e si na t r a d i t i o n a lv o l t a g e - t y p ei n v e r t e rt oa c h i e v ev o l t a g er i s e t h ed e s i g nc r i t e r i o no fzs o u r c ei m p e d a n c e n e t w o r kh a sb e e np r e s e n t e d s i n g l e p h a s ez - s o u r c ei n v e r t e rs i m u l a t i o nh a sb e e nd o n e a n dt h er e s u l t s v e r i f yt h e o r e t i c a la n a l y s i s c h a p t e rw h a sp r o p o s e dc i r c u i tt o p o l o g yo fs i n g l e - p h a s ep h o t o v o l t a i cs t a n d - a l o n ep o w e rs y s t e m b i - d i r e c t i o n a lc o n v e r t e ri m p l e m e n t sb i - d i r e c t i o n a le n e r g yt r a n s f e ro fc h a r g eo rd i s c h a r g eo fb a t t e r yo nt h e b a s i so ft e c h n i c a lp a r a m e t e r so ft h ec e l l s t a t eo fc h a r g ed e t e r m i n e st h r e e s t a g ec h a r g i n go ft h ec e l lf r o m o n et oa n o t h e r w h e nt h ec e l ld i s c h a r g e s ，t h ec o n t r o l l e rs h o u l dl i m i tc u r r e n ta n ds t a b i l i z ed cl i n kv o l t a g e c h a p t e rv h a sd e s i g n e dd a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i ta n dc o n t r o lf l o wc h a r to fp h o t o v o l t a i cs t a n d a l o n e p o w e rs y s t e m t h ep r o g r a m m i n gi d e a sh a v eb e e np r o p o s e di nt h i sc h a p t e r a tl a s t , u s i n gr e s p e c t i v e l y a g i l e n te 4 3 51 ba n dr e c t i f i e rb r i d g eo u t p u ta sd cs o u r c et od oe x p e r i m e n t so ns i n g l e p h a s ezs o u r c e i n v e r t e r c h a p t e rv ih a ss u m m a r i z e dt h ew o r kc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r , a n dp r o s p e c t e dt h ef u r t h e rw o r ka n d r e s e a r c hd i r e c t i o n k e yw o r d s p h o t o v o l t a i cs t a n d - a l o n ep o w e rs y s t e m ，s o l a rc e l l ，zs o u r c e ，b a t t e r y ，b i - d i r e c t i o n a l d c d cc o n v e r t e r ，s t a t e - o f - c h a r g e 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论l 1 1 课题研究的背景和意义l 1 2 独立光伏发电系统2 1 2 1 独立光伏发电系统组成2 1 2 2 独立光伏系统中蓄电池能量管理现状2 1 3 论文选题的意义和工作内容4 1 3 1 论文选题的意义4 1 3 2 论文的工作内容4 第二章太阳能电池物理特性研究6 2 1 光伏电池的工作原理一6 2 2 光伏电池等效电路。7 2 3 仿真模型建立及验证。9 2 3 1 模型建立9 2 3 2 仿真验证l o 2 4 太阳能仿真器的调试1 2 2 5 最大功率跟踪策略研究1 4 2 5 1 电导增量法1 5 2 5 2 扰动观察法1 6 2 5 3 其他方法。1 6 2 6 本章小结。1 7 第三章z 源逆变器特性分析18 3 1 单相z 源逆变器电路拓扑18 3 2z 源工作原理分析1 8 3 3 单相z 源逆变器脉宽调制策略2 0 3 3 1 单相z 源逆变器开关状态顺序2 0 3 3 2 改进型s p w m 控制策略2 0 3 4z 源阻抗网络参数设计2 2 3 4 1z 源阻抗网络电容设计2 2 3 4 2z 源阻抗网络电感设计2 3 3 4 3 输入功率二极管的设计2 4 3 5 单相z 源逆变器开环仿真2 4 3 6 本章小结2 6 第四章蓄电池能量管理分析2 7 i i i 东南大学硕士学位论文 4 1 独立光伏发电系统组成及运行原理2 7 4 1 1 系统组成2 7 4 1 2 运行原理2 8 4 2 光伏系统中蓄电池特性分析2 8 4 2 1 蓄电池的选型2 9 4 2 2 蓄电池技术参数2 9 4 2 3 蓄电池充电控制方法3 0 4 2 4 蓄电池放电控制方法3 1 4 2 5 蓄电池荷电状态检测3 l 4 3 蓄电池运行状态控制策略3l 4 4 仿真验证3 4 4 5 本章小结一3 8 第五章基于d s p 的蓄电池能量管理系统设计3 9 5 1 独立光伏发电系统总体结构3 9 5 2 控制系统的硬件组成4 0 5 2 1d s pt m s 3 2 0 f 2 812 介绍4 0 5 2 2 采集电路设计4 0 5 3 控制系统的软件设计4 3 5 3 1 主程序设计4 4 5 3 2a d 采样模块4 4 5 3 3 最大功率跟踪模块一4 5 5 3 4 蓄电池s o c 检测模块4 5 5 3 5p w m 脉冲产生模块4 5 5 4 实验结果4 5 5 5 本章小结4 8 第六章总结与展望4 9 6 1 论文总结4 9 6 2 论文展望：4 9 型疋谢。5l 参考文献5 2 攻读硕士期间公开发表的学术论文5 5 i v 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论弟一早珀t 匕 长期以来，随着各个国家工业的飞速发展，传统能源的消耗日益增大，对环境造成 的危害也日益突出，地球上可供开采的化石能源日益减少，能源危机已展现在人类面前。 因此，许多国家和政府不得不把目光转向新型能源的研究和开发利用上面。 在众多的新型能源中，太阳能作为一种分布最为广泛、清洁环保、可长期依赖的可 再生能源形式，应用前景非常广洲，受到了世界各国特别是发达国家的高度重视，它 们纷纷针对太阳能发电制定长远发展规划，增加资金投入，加大政策扶持力度，使得光 伏发电技术产业在2 0 世纪9 0 年代以来取得了长足迅猛的发展。 在国外，德国、日本和美国在光伏发电产业上趋于领先地位，资金投入和政策扶持 的力度也比较大。德国政府从1 9 9 9 年1 月起实施“十万太阳能屋顶计划p j 92 0 0 0 年4 月正式生效的可再生能源法以法律条款的形式对太阳能发电的电价补偿做出了明文 规定。2 0 0 8 年9 月美国参议院通过了减税计划，其中将光伏行业的减税政策续延2 - 6 年。日本政府2 0 0 8 年1 1 月发布了“太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到 2 0 3 0 年的发展目标是要达到2 0 0 5 年的4 0 倍，并在2 0 0 9 年还专门安排3 0 亿日元的补 助金。 我国光伏发电产业起步于2 0 世纪7 0 年代，9 0 年代中期进入稳步发展时期。在“光 明工程”先导项目和“送电到乡 工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，中国 光伏发电产业发展迅速。2 0 0 9 年3 月政府相继出台了关于加快推进太阳能光电建筑 应用的实施意见和太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法，决定有条件 地对部分光伏建筑进行每瓦最多2 0 元人民币的补贴。并于7 月印发了关于实施金太 阳示范工程的通知，决定综合采取财政补助、科技支持和市场拉动方式，加快国内光 伏发电的产业化和规模化发展，并计划在2 3 年内，采取财政补助方式支持不低于5 0 0 兆瓦的光伏发电示范项目。 尽管我国太阳能电池产业高速发展，产量已成为太阳能电池第一生产国，但是光伏 累计发电量比较落后。到2 0 0 8 年底，我国光伏系统的累计装机容量达到1 4 0 m w ，全球 太阳能安装总量已累计达1 5 g w ，仅西班牙在2 0 0 8 年新增安装量达到2 5 g w ，约占全 球太阳能新增安装量的一半。根据( n - - j - 再生能源中长期发展规划，到2 0 2 0 年中国力争 使太阳能发电装机容量达到1 8 g w ，2 0 3 0 年之前太阳能装机容量的复合增长率将高达 2 5 以上。目前，欧盟已成为全球太阳能光伏并网发电的主导区域，引领未来全球太阳 能光伏并网发电的发展。可以预测，欧盟太阳能光伏并网发电将于2 0 1 0 - - 2 0 2 0 年逐步 大规模进入主流能源市场，2 0 2 0 - - 2 0 3 0 年间接近电力市场高峰电价，在2 0 2 0 - - 2 0 4 0 年 间接近电力市场平均电价。 另外，国外对光伏发电技术的研究起步较早，技术也比较先进成熟，特别是在光伏 逆变并网系统的研制开发与生产方面已经取得了丰硕的成果，已有众多性能优秀、功能 完善的产品投入使用。我国经过“九五 和“十五 的国家科技攻关，在光伏逆变并网 东南大学硕士学位论文 的关键技术方面已有所突破，但在细节方面与国外相比仍有较大差距。例如并网逆变系 统的电磁噪声和电磁兼容性问题、光伏阵列的最大功率跟踪问题和孤岛效应的识别方式 和标准制定问题等。 1 2 独立光伏发电系统 目前对光伏发电系统的研究主要以并网型为主，相对而言，独立光伏发电系统属于 孤立的发电系统，它主要应用于偏远地区。这些地方远离电网，架线困难，通过常规电 网解决居民的用电问题成本比较昂贵。因此建设小型的独立光伏电站或适用于户用的光 伏发电系统的市场潜力依然十分巨大。 1 2 1 独立光伏发电系统组成 独立运行光伏发电系统主要包括太阳能电池阵列、控制器、蓄电池组和逆变器等部 分，系统框图见图1 - 1 所示 2 1 。各个组成部分的功能如下所述。 光伏阵列：输出直流电，是整个系统能量的来源； 控制器：实现光伏电池的最大功率点跟踪、蓄电池能量管理和整个系统的电压电流 控制，决定着系统的运行状态。 蓄电池：储存太阳能电池板的多余能量，并在光伏电池板供电不足时向负载供电。 逆变器：将直流电转化为交流电供给负载。 图1 1独立光伏发电系统框图 在独立光伏发电系统中蓄电池起着至关重要的作用，白天既能补充太阳能电池板供 电的不足，又能存储多余的光伏电池板输出的电能；夜晚它是负载唯一的电源。可见蓄 电池在此系统中既是负载，又是电源【3 】。由于蓄电池的成本比较昂贵，而且维护比较麻 烦，如何对蓄电池进行充放电控制，避免过充和过放对蓄电池使用寿命的影响，将是独 立光伏发电系统中研究的重点。 1 2 2 独立光伏系统中蓄电池能量管理现状 由于目前直流负载应用范围非常有限，一般的独立光伏发电系统主要负责产生 2 2 0 v 、5 0 h z ( 或1 1 0 v 、6 0 h z ) 的交流电压，因此系统中多为交流负载。图1 2 为独立 光伏发电系统中常用的电路拓扑结构。开关s l 和s 2 的关断只表示蓄电池与前端充电部 分和后端放电部分的隔离断开，并不具有实际的涵义。一般来说，太阳能电池组件与蓄 电池的容量有严格的匹配关系，如用1 7 v 的光伏电池板正好为1 2 v 的蓄电池充电 4 1 。 2 第一章绪论 单向d c d c 电路多选用b u c k 电路和b u c k b o o s t 电路。这些电路具有降压功能，且输 出电流较高，可以实现对蓄电池的充电电压和充电电流的控制目标；若选用b o o s t 电路， 虽然它输出电压较高，可以满足蓄电池充电电压的要求，但是由于它输出电流较小，不 能满足充电电流的要求。之所以在图l 一2 中前端部分写成单相d c d c 电路，是为了使 图中的电路拓扑更具有一般性。 在蓄电池充电时，开关s l 和s 3 导通，控制器及时检测蓄电池的端电压和荷电状态， 根据蓄电池的充电控制策略来改变单向d c d c 电路中开关管的占空比，按照一定的电 压或电流对蓄电池进行充电。当蓄电池充满时，可断开s 3 。 在蓄电池放电时，开关s 2 和s 3 导通，根据负载功率的需求，蓄电池以一定电流进 行放电。控制器检测蓄电池的端电压，当达到事先设定的放电终止电压时，断开s 3 。 充电部分 蓄电池 放电部分 图1 2 独立光伏发电系统电路拓扑 由于蓄电池既可看作负载( 充电时) ，又能视为电源( 放电时) ，所以要分下面三种 情况进行分析说明，而且蓄电池在放电时还要检测其放电终止电压。 ( 1 ) 光伏电池板输出功率与负载功率相等时，即b 矿= 圪 开关s 1 和s 2 导通，s 3 断开。光伏电池电池板输出电压经过两级d c d c 电路变换。 若前端d c d c 电路工作在升压状态，一旦电池板受光照条件和环境温度影响输出 功率变大时，电路又要工作在降压状态对蓄电池进行充电，对整个系统的控制造成很大 的影响。 若前端d c d c 电路工作在降压状态，再经后端升压逆变，无论硬件电路和系统控 制策略都显得冗余，得不偿失。 ( 2 ) 光伏电池板输出功率大于负载功率时，即b 矿 露 开关s l 和s 2 导通，当蓄电池不缺电的时候，s 3 断开。当蓄电池缺电的时候，s 3 导 通，这种情况下蓄电池要存储多余的能量。为保证蓄电池充电电流不能太大，u w 略大 于蓄电池端电压。这种情况下很难根据蓄电池的充电策略进行控制。并且，随着蓄电池 电压的升高，在图中所示的电路拓扑结构中很难确定蓄电池处在充电状态还是放电状 态，反而对后端升压电路的输入电压起到了箝位的作用。 ( 3 ) 光伏电池板输出功率小于负载功率时，即b 矿 r 在理论上讲，这时需要光伏电池板和蓄电池同时对负载供电，即开关s l 、s 2 和s 3 东南大学硕士学位论文 都要开通。但是在实际中，由于蓄电池的电压因放电而降低，单相d c d c 电路的输出 电压很难与蓄电池端电压匹配，即很难确定u r n 与一大小关系，从而影响蓄电池的 放电。因此往往会将开关s l 断开，由蓄电池独立供电，从而造成光伏电池板发出电能 的浪费，光伏利用率较低。 从以上分析中可以看出，图1 2 所示的电路拓扑不仅对光伏电池板的利用率相对较 低，而且系统的控制结构显得非常繁琐，对蓄电池的充放电控制效果并不理想。 1 3 论文选题的意义和工作内容 1 3 1 论文选题的意义 如前所述，目前独立光伏发电系统对蓄电池能量管理的控制有诸多弊端，对太阳能 光伏阵列利用率偏低。在外界条件变化比较频繁的情况下，为了满足负载的需要，独立 光伏发电系统的整体控制策略由于蓄电池充放电状态的切换也变得非常复杂。 本课题是针对独立光伏发电系统中蓄电池能量管理进行研究，蓄电池通过双向 d c d c 电路与太阳能电池板相连。蓄电池充电时，双向d c d c 电路运行在b u c k 电路 状态，放电时运行在b o o s t 电路状态，这样就解决了蓄电池可充电可放电的问题，至于 如何实现蓄电池的能量管理将在后续章节中介绍。 课题中的逆变器选用的是z 源逆变器，它是在传统电压源逆变器和直流电源之间接 入一个由电感和电容组成的对称阻抗网络结构，通过桥臂的直通来实现升压【5 】。z 源逆 变器为电源、主电路和负载提供了很大的灵活性【6 】： ( 1 ) z 源逆变器的电源既可为电压源，也可为电流源。 ( 2 ) z 源逆变器的负载可为感性负载，也可为容性负载。 ( 3 ) 在理论上它可提供无穷大的电压增益，直通占空比只需在0 - 9 5 之间调节， 而传统的升压电路的占空比要在0 1 之间调节。 课题将z 源逆变器作为独立光伏发电系统的主功率电路的逆变器。在蓄电池放电 时，蓄电池端电压经过双向变换器的b o o s t 电路模式和z 源阻抗网络实现两级升压来逆 变输出交流电，相对于以往的电路拓扑，所需要的蓄电池输出电压较低，蓄电池串联数 更少。 1 3 2 论文的工作内容 基于以上的讨论，本论文研究了独立光伏发电系统中蓄电池的能量管理。介绍了独 立光伏发电系统的组成及特点，在此基础上提出了一种新型的蓄电池充放电控制方案， 可以实现对蓄电池分段式充电、限流放电和剩余容量检测，并且经过z 源逆变器输出交 流电满足负载要求等功能。论文的主要研究工作如下： ( 1 ) 详细分析了光伏电池的工作原理，建立了光伏电池的电力电子仿真模型，为 蓄电池能量管理的实现建立了仿真平台；通过程序控制，太阳能仿真器a g i l e n te 4 3 5 1 b 可以很好的模拟光伏电池板的输出特性，为实验的顺利进行奠定基础。 ( 2 ) 细致分析了电压型z 源逆变器的升压原理，阐述了适用于z 源逆变器的改进 型s p w m 控制策略，给出z 源阻抗网络相关器件的设计准则，并基于m a t l a b s i m u l i n k 4 第一章绪论 搭建了z 源逆变器的仿真模型。 ( 3 ) 设计了基于双向d c d c 电路的蓄电池能量管理的控制方案，采用z 源逆变 器作为系统的d c a c 变换器。通过检测光伏电池板的输出电压和蓄电池端电压与相关 的设定值进行比较，控制器将决定蓄电池进入充电、放电或不充不放的运行状态，并结 合蓄电池自身的特性，对其充放电进行控制。基于m a t l a b s i m u l i n k 搭建了此独立光伏发 电系统的仿真模型，仿真结果验证了该方案的可行性。 ( 4 ) 建立了独立光伏发电系统的主功率电路和数据采集电路，提出了独立光伏发 电系统的控制流程图，编写了数据采集模块、z 源升压模块和z 源p w m 脉冲发生模块 的控制程序，并分别用太阳能仿真器和整流桥输出直流电压作为直流源进行了单相z 源逆变实验。 东南大学硕士学位论文 第二章太阳能电池物理特性研究 太阳能电池板是利用半导体的光伏效应，将太阳辐射转换为直流电能的一种装置。 作为光伏发电系统最基本的组成部分，太阳能电池板的输出特性受环境温度和日照强度 变化的影响，通过最大功率跟踪( 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 ) 技术使光伏 电池板在最大功率点输出。本章在s i m u l i n k 平台上建立了光伏电池的仿真模型，并深 入探讨了最大功率跟踪技术。 2 1 光伏电池的工作原理 太阳能电池利用“光电效应 的量子力学过程产生电能，“光电效应”又称“光生 伏特效应，是指光能转换成电能的物理效应。其工作原理是：当太阳光照射到半导体 表面，半导体内部的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 取超过禁带宽度e 2 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 内部产生很多自由电荷载体，通常是以处于非平衡状态的电子一空穴对存在；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。一般希望有更多的光激发载流子 中的少数载流子能运动到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，即可有电 能输出。当把众多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，甚 至光伏阵列，便可以在太阳能的作用下输出功率满足特定场合需求的电能。 图2 1 说明了光伏电池形成电流的过程【7 】【引。由于靠近p n 结的光生少数载流子， 在p - n 结的漂移下，n 区的电子留在n 区，空穴流向p 区；p 区的空穴留在p 区，电 子流向n 区，从而构成了光生电场。如果从外电路看，可以看出，p 区为正，n 区为负， 一旦接通负载，n 区的电子通过外电路负载流向p 区形成电子流；电子进入p 区后与空 穴复合，变回成中性，直到另一个光子再次分离出电子一空穴对为止。按约定电流的方 向与正电荷的流向相同，与负电荷的流向相反，所以，电流是从p 区流出，通过负载而 从n 区流回电池。 光 状态i 图2 1 光伏电池的基本工作原理示意图 6 第二章太阳能电池物理特性研究 2 2 光伏电池等效电路 根据以上对光伏电池工作原理的研究，可以得出光伏电池在电气特性方面的等效电 路图，如图2 2 所示。 图2 - 2 光伏电池的等效电路图 其中，厶代表光生电流，它正比于光伏电池的面积和入射光的辐射强度。一般情况 下光生电流可以由下式来计算i p h = q n a 。，其中为光子个数，以为硅电池的表面面积。 所以可以大致计算出硅电池的电流密度为如= 厶蒯。= 1 6 x 1 0 。1 9 x 4 4 x 1 0 1 7 = 7 0 m a c m 2 ；当然， 实际面硅电池最多能转换的效率为4 4 m a c m 2 ，平均为1 6 - 3 0 m a ，当环境温度升高时， 光生电流也会略有上升，一般来讲温度每升高l ，光生电流上升7 8 _ u 彳。 易代表暗电流。无光照下的硅光伏电池的基本行为特性类似于一个普通二极管。所 以暗电流实际上指的是光伏电池在无光照时，在外电压作用下p - n 结内流过的单向电 流，它的大小反映出在当前环境温度下，光伏电池p - n 结自身所能产生的总扩散电流的 变化情况。 厶代表光伏电池输出的负载电流。 代表电池的开路电压，它是把光伏电池置于一定强度的光源照射下，且光伏电 池输出两端开路时，所测得的输出电压值。硅电池所能产生的输出电压可以粗略计算出 一个最大值，根据静电场理论，可以知道一个电子经过内部电场做功产生的能量q v 不 能超过半导体的平衡能量，该能量为禁带能量最，所以最大输出电压可以用下列表达 式来说明：= e 舸。单晶硅光伏电池的开路电压一般为5 0 0 m v 左右，最高可达9 0 0 m v 。 开路电压不仅与入射光辐照度的对数成正比，而且还与环境温度成反比，但是与电池面 积的大小无关。通常情况下温度每上升1 ，开路电压下降约1 - - - 3 m v 。该值可以通过 高内阻的直流毫伏表测量得到。 毗为电池外接的负载电阻。b 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组成。r 妫为并 联电阻，它一般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 阻和电池边缘的漏电阻组成。咫和如都是光伏电池本身固有的电阻，相当于光伏电池 的内阻。 在对上述对各个变量的定义和概述的基础上，进一步分析可得出光伏电池等效电路 中描述各变量的方程式，如下： 易= 厶( 唧籍一t 7 ( 2 1 ) +i_i仉11一 东南大学硕士学位论文 乞= 一厶一急= _ 一厶 ( 唧鲤毫掣一一) _ 惫 c 2 ，一= 【l 。+ k j ( r - 2 5 ) p 1 0 0 0 ( 2 3 ) 其中，i o 为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，反映了光伏电池对光生载流子的最大复合能力，它一般是常数，不会受到光 照强度的影响，但是它与环境温度有着如下的函数表示式： 槲树e x 悭阱) 眨4 ， 鼽e g = m1 1 6 - 7 0 2 x 1 0 - 4 南 乃= 2 9 8 1 5 k 为参考温度； 易为光伏电池标准条件下的暗饱和电流； 如为标准条件下2 5 c 、1 0 0 0 w i m 2 下的短路电流，可以用内阻小于1 q 的电流表接到光伏 电池的两端进行测量； k 是短路电流的温度系数； r 和a 分别是环境温度和日照强度，其单位在国际标准单位制中分别为，w m 2 ： 为等效二极管的端电压； g 为电子电荷= 1 6 x 1 0 一，c ； k 为玻尔兹曼常量= 1 3 8 x 1 0 1 9 p v i k ； r 为绝对温度； 彳为p - n 结的曲线常数。 而对光伏电池的内阻，我们知道任何电源都会呈现内阻，而电阻函数形式大概分为 下面四类： 常数型：r = c o n s t a n t ( 2 5 ) 线性型：足= e , o ( 1 + a r ) ( 2 6 ) 负温度系数型：r ，= e 引r ( 2 7 ) 正温度系数型：r s = e 口 ( 2 8 ) 经过理论的推导和实验的证明，光伏电池电阻形式为正温度系数型e g l j h t 9 1 ，但是具 体的温度系数的构成形式可能是一个多项式的，具有线性和非线性函数的形式。其函数 近似表示如下： t = 等h 掣h 晓9 ， 8 第二章太阳能电池物理特性研究 通过对以上的分析研究我们可以得出以下结论： l 、温度的升高改善了载流子的扩散长度，以及长波的光谱响应，使得短路电流k 呈现正的温度系数【1 0 1 。但是短路电流随温度的变化率很小，受日照强度的影响比较大， 如图2 - 3 ( a ) 所示； 2 、开路电压和温度之间近似呈现出线性关系，且具有负温度系数。随 温度升高而下降，受日照强度影响不大，如图2 - 3 ( b ) 所示。 甓 器 望 图2 - 3 ( a ) 不同日照强度、环境温度下的短路电流 图2 3 ( b ) 不同日照强度、环境温度下的开路电压 2 3 仿真模型建立及验证 2 3 1 模型建立 光伏电池的工作状态与日照强度、环境温度都有密切的关系，其输出伏安特性呈现 非线性。m a t l a b s i m u l i n k 功能非常强大，支持线性和非线性系统的建模，得到的模型可 以是基于连续时间域、离散时间域或者两者兼顾，因此m a t l a b s i m u l i n k 非常适合作为 光伏电池电力电子变换器的研究辅助工具。 光伏电池板作为光伏发电系统的能量来源，建立光伏电池的软件仿真模型对建立整 个光伏发电系统的仿真系统具有重要的意义。根据前面的分析，光伏电池的输出电流与 输出电压存在矿= 厂( f 、1 ，) 的关系，因此在s i m u l i n k 下可以用受控电流源来模拟光 伏电池，模块对日照强度和环境温度采用输入参数的形式进行封装，可以根据需要设置 相关参数。模型如图2 - 4 所示 9 ( a ) t = 2 5 下日照变化输出特性图( b ) r = 1 0 0 0 w m 2 下温度变化输出特性图 图2 5 光伏电池m a t a l a b 仿真模块的输出特性曲线图 图2 - 5 ( a ) 表示光伏电池在环境温度t = 2 5 c 下，日照强度分别取r = 1 0 0 0 w m 2 、7 5 0 w m 2 、5 0 0w m 2 时输出i v 特性曲线，以及由此计算出的p v 曲线。图2 - 5 ( b ) 表示光 伏电池在日照强度r = 1 0 0 0 w m 2 下，环境温度分别取t - - 0 c 、2 5 c 、5 0 c 时输出i v 特 性曲线，以及由此计算出的p v 曲线。 从图2 5 中可以得出结论：1 、光伏电池的输出受日照强度和环境温度的影响比较 大，输出特性为非线性；2 、在外界环境固定不变的情况下，p v 曲线上存在一个最大 功率输出点；3 、当环境温度不变时，日照强度的变化对短路电流的影响较大；而当日 照强度恒定时，环境温度的变化对开路电压的影响较大。 2 3 2