（电气工程专业论文）独立光伏系统中超级电容储能的研究.pdf

东南大学学位论文独创性声明y l l l l 1 1 l l 1 7 i 1 1 6 l l f 。l l i 8 i 1 1 4 i h 1 3 j l 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师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，也不包含为获得东南大学或其它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 型尘1 7 东南大学学位论文使用授权声明 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：兰她导师签名 研究生签名：2 i 堑 导师签名期： 中文摘要 中文摘要 太阳能作为一种取之不尽的无污染的绿色能源，越来越受到世界各国的重视。作为 利用太阳能的种有效方式，独立光伏系统得到迅速发展。在独立光伏系统中，要稳定 高效地运行整个系统，储能环节必不可少。超级电容器是一种功率密度大、可以快速充 放电、寿命长的高效实用的新型储能元件，如今超级电容替代传统蓄电池的储能技术已 成为研究的热点。 本文以独立光伏系统为研究对象，设计基于超级电容储能的充放电电路，对拓扑结 构、最大功率跟踪( m p p t ) 、超级电容充电控制策略等方面进行了研究。使用m a t l a b 搭 建光伏系统模型，分析光伏阵列的输出特性，对最大功率跟踪理论分析，并以扰动法实 现m p p t 。对几种不同的d c d c 变换电路的工作特性进行分析，选择c u k 作为m p p t 的转 换电路，b u c k - b o o s t 双向d c - d c 电路作为超级电容充放电电路。分析储能设备的能流模 型，设计了在不同能流状态下的充放电控制策略，通过仿真验证其可行性。最后设计电 压电流的采样电路，以及充放电程序。 【关键词】独立光伏系统，最大功率跟踪，d c - d c ，超级电容，充放电控制 a b s t i n c t a bs t r a c t a san e wg r e e ne n e r g y ，s o l a rp o w e rh a sb e e np a i dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o nb ym a n y c o u n t r i e s ，w h i c hi sc l e a n ，a n di n e x h a u s t i b l e a sa l le f f e c t i v em e t h o df o ru t i l i z i n gs o l a rp o w e r ， t h et e c h n o l o g yo fi n d e p e n d e n tp h o t o v o l t a i cs y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e dq u i c k l y i no r d e rt o k e e pt h ew h o l es y s t e ms t a b l ea n de f f i c i e n t ，t h em o d u l eo fe n e r g ys t o r a g ep l a y sa ni m p o r t a n t r o l e s u p e rc a p a c i t o ri san e w - s t y l ee q u i p m e n tf o rp o w e rs t o r a g ew i t hm a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a sh i g hp o w e rd e n s i t y ，r a p i dc h a r g ea n dd i s c h a r g ep r o c e s s ，a l m o s tu n l i m i t e dc y c l el i f ea n ds o o n n o w a d a y s ，i th a sb e c o m eah o tr e s e a r c ha r e at h a tt h es u p e rc a p a c i t o ri sr e p l a c i n gt h e c o n v e n t i o n a lb a t t e r ya st h ee n e r g ys t o r a g ei nt h ei n d e p e n d e n t p h o t o v o l t a i cs y s t e m t h ei n d e p e n d e n tp h o t o v o l t a i cs y s t e mi ss t u d i e da st h eo b j e c ti nt h i sp a p e r t h ec h a r g e a n dd i s c h a r g ec i r c u i ti sd e s i g n e d a tt h em e a n t i m e ，t h et o p o l o g ys t r u c t u r e ，m p p t ，a n dc h a r g e a n dd i s c h a r g ec o n t r o lm e t h o d sa r er e s e a r c h e d f u r t h e r m o r e ，t h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co f p h o t o v o l t a i cc e l li sa n a l y z e db a s e do ns i m u l a t i o nm o d e lw h i c hi se s t a b l i s h e dw i t hm a t l a b s o f t w a r e t h et h e o r yo fm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n gi sa n a l y z e da n da c h i e v e db yp & o m e t h o d a f t e rc o m p a r i n gs e v e r a ld c - d cc o n v e r s i o nc i r c u i t s ，c u ki sc h o s e na st h em p p t c i r c u i ta n db i d i r e c t i o n a lb u c k b o o s ti sc h o s e na st h ee n e r g ys t o r a g ec i r c u i t t h e n , t h em o d e l o fe n e r g yf l o w i n gi sd e s c r i b e da n dt h ec o n t r o ls c h e m ef o rd i f f e r e n ts t a t ei sd e s i g n e d ，w h i c hi s a p p l i e do ne n e r g ys t o r a g e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o ls c h e m ei sf e a s i b l e a tl a s t ， s a m p l i n gc i r c u i t sa n dp r o g r a m sw h i c hc a na c c o m p l i s hc h a r g ea n dd i s c h a r g ec o n t r o la r e d e s i g n e d 【k e y w o r d s 】i n d e p e n d e n tp h o t o v o l t a i cs y s t e m ，m p p t ，d c - d c ，s u p e rc a p a c i t o r , c h a r g e a n dd i s c h a r g ec o n t r o l i i 目录 中文摘要 a b s t r a c t 目录 第一章引言 目录 1 1 1 太阳能光伏系统的历史和发展1 1 1 1 太阳能发电的背景和意义1 1 1 2 国内外太阳能利用现状l 1 2 太阳能发电的特点一2 1 2 1 最大功率跟踪技术3 1 2 2 储能技术3 1 3 光伏发电系统的分类3 1 3 1 独立光伏系统3 1 3 2 并网光伏发电系统4 1 4 课题研究的内容4 第二章光伏发电系统特性及仿真6 2 1 光伏电池的原理6 2 2 光伏阵列特性7 2 1 1 光伏电池的等效模型7 2 1 2 光伏阵列输出特性曲线9 2 3 光伏电池的建模与仿真9 本章小结14 第三章最大功率点跟踪控制1 5 3 1 最大功率点跟踪原理15 3 2 太阳能最大功率跟踪的方法1 6 3 2 1 恒电压法( c v t ) 1 6 3 2 2 扰动观测法( p & o ) 17 3 2 3 增量电导法1 8 3 2 4 模糊逻辑控制2 0 t t t 3 2 5 其他m p p t 方法2 0 3 3d c d c 变换器的设计2 1 3 3 1b u c k 电路2 1 3 3 2b o o s t 电j 路2 2 3 3 3b u c k b o o s t 电路2 3 3 3 4c u k 电路2 3 3 4 最大功率点跟踪的仿真2 4 本章小结一3l 第四章光伏系统的储能系统3 2 4 1 超级电容器及其储能系统3 2 4 1 1 超级电容器3 2 4 1 2 超级电容与传统蓄电池储能的优缺点3 2 4 1 3 超级电容的等效模型3 4 4 2 系统的主电路3 5 4 2 1 传统光伏系统充电电路3 5 4 2 2 双向d c d c 工作原理3 7 4 2 3 双向d c d c 元件选择3 7 4 3 储能控制3 8 4 3 1 系统能流模型。3 8 4 3 2 能流控制策略设计4 0 4 3 3 超级电容的充电仿真实验一4 0 本章小结。4 9 第五章充放电控制系统的实现 5 1 控制系统的硬件实现5 0 5 1 1 控制系统的主要任务5 0 5 1 2 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的控制系统5 0 5 2 控制系统的软件5 3 5 2 1 控制系统程序设计5 3 5 2 。2 控制系统主程序5 3 5 2 3 模块初始化5 4 5 2 4 超级电容充电程序5 4 t 、 目录 5 2 5 放电管理程序：5 6 本章小结。5 6 第六章结论与展望 5 7 6 1 工作总结5 7 6 2 工作展望5 7 致谢 参考文献 。5 8 5 9 6 2攻读硕士研究生学位期间发表的论文 v 第一章引言 第一章引言弟一早 ji 石 1 1 太阳能光伏系统的历史和发展 1 1 1 太阳能发电的背景和意义 随着人类对能源的需求量不断增大，世界能源结构中占主导地位的石油、天然气、 煤炭等化石能源的消耗不断增加，能源危机和环境问题己经成为制约人类社会可持续性 发展的重要因素。与此同时，太阳能能源作为一种巨大的可再生能源，开始引起了人们 的广泛关注，显示出无比广阔的发展前景。 由于太阳能可以直接利用，循环不息，既不会产生污染物的排放，也不会污染环境， 是人类可利用的最直接的清洁能源之一，所以，在全球碳减排成为重要议题的今天，使 用太阳能逐渐减少和替代化石能源，是保护人类赖以生存的地球生态环境和实现经济社 会可持续发展的必由之路。 1 1 2 国内外太阳能利用现状 当今世界各国特别是发达国家对于光伏发电技术十分重视，针对其制定规划，增加 投入、并加以大力发展。从上7 0 年代开始，即使是在世界经济处于衰退和低谷的时期， 光伏发电技术产业也一直保持以1 0 1 5 的递增发展速度。上9 0 年代后期，其发展更 为迅速，并成为全球增长速度最快的高新技术产业之一。1 9 9 7 年世界光伏电池组件的 总产量达到2 0 0 m w ，比1 9 9 6 年增长了3 5 【1 1 。 美国是全球最早制定光伏发电发展规划的国家。截至到2 0 0 5 年，美国光伏产业己 连续3 年以高于3 0 的年增长率上升，其主要原因是光伏并网发电的应用和政府政策的 激励【2 】o 日本作为能源短缺大国，对光伏发电也极为重视。日本于1 9 7 4 年开始执行“阳光 计划 ，投资5 亿美元，一跃成为世界太阳能电池的生产大国。1 9 9 7 年宣布“7 万光伏 屋顶计划”，计划到2 0 1 0 年将安装7 6 0 0 m w 太阳能电池1 3 1 。 在德国，光伏发电的研究和利用走在了欧洲其它各国的前列。德国对可再生能源的 利用通过立法、政府大量补贴等措施，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的 国家。德国2 0 0 5 年太阳能投资为3 7 亿欧元，与风电和生物能一样同属发展最快的新能 源之一【3 】o 此外，在节能建筑应用太阳能方面，欧美一些先进国家，目前正在广泛开展的应用 “光电玻璃幕墙制品”，这是一种将太阳能转换硅片密封在双层钢化玻璃中，安全地实 现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。德国实施的“绿电计划 1 0 万家屋 顶光伏发电计划自1 9 9 9 年开始实施，2 0 0 3 年该计划顺利完成。目前，光伏发电已向德 国普通家庭推广。日本自1 9 9 2 年启动了“新阳光计划”，同时颁布了新的净电计量法， 要求电力部门以商品价格购买多余的光伏电量，并实行补贴政策1 4 巧】。 东南大学硕士学位论文 我国于1 9 5 8 年开始研究光伏电池，1 9 7 2 年首次成功地将光伏电池用于地面，1 9 7 9 年开始生产单晶硅太阳能电池。中国的光伏产业的发展有2 次跳跃，第一次是在上世纪 8 0 年代末，我国的改革开放正处于蓬勃发展时期，国内先后引进了多条太阳能电池生 产线，使我国的太阳能电池生产能力由原来的3 个小厂的几百千瓦一下子上升到6 个厂 的4 5 m w ，引进的太阳电池生产设备和生产线的投资主要来自中央政府、地方政府、 国家工业部委和国家大型企业。第二次光伏产业的大发展在2 0 0 0 年以后，主要是受到 国际大环境的影响、国际项目和政府项目的启动和市场的拉动；例如：2 0 0 2 年由国家 法改委负责实施的“光明工程”送电到乡和随后实施的送电到村工程均采用了太阳能光 伏发电技术。由于我国西部人口密度小，居住分散，同时又拥有丰富的太阳能资源，因 此，太阳能光伏发电是即廉价又清洁的能源选择1 7 j 。 青海省于2 0 0 3 年实施送电到乡工程，计划在玉树、果洛、黄南等地建设光伏电站 1 1 2 座，装机总容量3 9 4 3 k w ，各电站容量在1 0 5 0 k w 之间，电站建成后每天供电5 h 以上，可基本解决照明、看电视等日常生活用电问题【8 】。北京申办2 0 0 8 年奥运提出了 “绿色奥运、人文奥运、科技奥运”的指导思想。而在这届奥运会上，光伏发电担当了 重要的角色，在奥运村和场馆的建设，太阳能的利用以及光伏发电的建设占据主要地位， 太阳能发电对奥运的成功举办做出巨大贡献。 1 2 太阳能发电的特点 太阳能发电又分为光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电，其中光伏发 电是太阳能发电的主流。光伏发电是利用光伏电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能， 使之转化成电能的直接发电形式。与常规发电和其它绿色发电技术相比，光伏发电有以 下的优势1 9 以3 j ： ( 1 ) 太阳能取之不尽，用之不竭，照射到地球上的太阳能比人类消耗的能量大6 0 0 0 倍而且发电安全可靠，不会遭受能源危机或燃料市场不稳定的冲击； ( 2 ) 太阳能随处可得，不用燃料，避免了输电线路等电能损失，运行成本很小； ( 3 ) 光伏发电不产生任何废弃物，没有污染，噪声等公害，对环境无不良影响， 是理想的清洁能源； ( 4 ) 光伏发电系统在设计和应用方面有很大的适应性，系统大小、复杂性、对自 然环境的依赖方面都可以有广泛的变化； 同时，光伏发电也存在着不可忽视的缺点3 】： ( 1 ) 转换效率低，工业成品最高约为2 0 。价格较贵，初始投资高； ( 2 ) 地面应用时有间歇性，发电量与温度，辐射有关，通常需要储能装置来满足 负荷要求。 光伏发电成本高，发电效率低，输出能量不稳定的缺点，也制约了光伏系统的发展， 光伏发电的这些缺点已经成为当今太阳能系统研究的热点，研究大多围绕两方面：太阳 能电池最大功率跟踪技术，储能技术。 2 第一章引言 1 2 1 最大功率跟踪技术 提高光伏系统的发电效率，可以从源头抓起，开发新型太阳能电池或者改进太阳能 电池制作材料和工艺。 另一个解决方法就是提高太阳能的利用率，这就对转换电路和控制系统提出了要 求。m p p t ( 最大功率跟踪) 技术就是针对这方面进行的研究。 光伏电池发电受气候条件影响，输出功率随电池温度，太阳光强变化而变化，具有 非线性特点。当温度较高，光强较强时，输出功率较大。反之，输出功率较小。为了保 证在一定的气候条件下，光伏电池运行在极值功率点附近，使其输出的功率最大，最大 功率跟踪技术是必不可少的 9 , 1 4 - 1 7 】。 1 2 2 储能技术 太阳能供应的能量，随时间、季节呈周期性或非周期性变化，不具备定量持续供应 的特性，给进一步利用带来了困难。因此，在开发可再生能源时，我们常会遇到一只“拦 路虎”，多数可再生能源不易存储，难以作为大规模工业动力使用。这种能量供给和需 求的不稳定性或可变性使人们开始研究如何将这些可再生能源储存起来集中使用。 目前大多光伏系统的储能设备采用蓄电池，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，大中型的系统一般用都铅酸蓄电池。而随着材料和制作工 艺的进步，超级电容的性能不断改善，超级电容有着更多的优点，使得超级电容有着替 代蓄电池储能的发展潜力。 充电技术对于储能设备的寿命工作性能有很大影响，基本的充电方法有两种，恒流 充电和恒压充电，可以根据系统的工作情况通过控制器选择适当的充电方式。 1 3 光伏发电系统的分类 光伏系统根据它的运行方式主要可分为独立光伏系统和并网光伏发电系统。 1 3 1 独立光伏系统 独立光伏发电系统是指未与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统，其输出功率提 供给本地负载( 交流负载或直流负载) 的发电系统。主要应用于偏远无电地区，其供电 可靠性受气象环境、负荷等因素影响很大，供电稳定性相对较差，很多时候需要加装能 量储存和能量管理环节。 图l 一1 是一种常用独立光伏系统的框图，该系统由太阳能电池阵列、系统控制器、 d c d c 变换器、储能环节，充电控制器以及负载组成。d c d c 变换器将太阳能电池阵 列转化的电能传送给蓄电池组存储起来供日照不足时使用。蓄电池组的能量直接给直流 负载供电或经d c a c 变换器给交流负载供电。 东南大学硕士学位论文 图1 - 1 常用独立光伏系统 1 3 2 并网光伏发电系统 与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。并网光伏发电系 统将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、同频、同相的交流电，并实 现与电网连接，向电网输送电能。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。 图1 2 是一种典型并网光伏发电系统，它由太阳能电池阵列、d c d c 变换器、逆 变器、交流负载组成。当日照较强时，太阳能产生的电能首先为交流负载供电，多余电 能将送入电网；当夜晚或者日照较弱时，系统从电网索取电能为负载供电。可根据需要 在d c d c 变换器输出端并联储能设备，以用于提高系统供电的可靠性，但系统成本将 增加。不带有储能环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统。 1 4 课题研究的内容 图1 - 2 典型并网光伏发电系统 光伏发电系统的效率以及能源的管理是目前光伏发电的两个关键问题，解决两个问 4 星二量! ! 妻 题的方法就是最大功率跟踪( m p p t ) 和储能设备的管理。本文对m p p t 技术和充电技 术进行了理论分析和研究，确定了m p p t 变换器拓扑和充放电主电路，并利用m a t l a b 软件对控制方案进行建模和仿真，最后在以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器为控制核心 的基础上进行了部分硬件设计。主要工作如下： ( 1 ) 建立光伏电池模型，并进行仿真，分析不同环境对于光伏电池阵列输出的影 响； ( 2 ) 对最大功率跟踪的原理和算法进行研究，分析不同d c d c 变换器的特点，确 定光伏阵列输出主电路，利用扰动算法进行m p p t 仿真； ( 3 ) 分析光伏系统能流模式，设计充放电主电路，制定不同能流模式下的充电策 略并进行仿真； ( 4 ) 介绍了控制系统软硬件的设计，给出了控制程序流程图。 东南大学硕上学位论文 第二章光伏发电系统特性及仿真 2 1 光伏电池的原理 在太阳能光伏发电系统中，实现光电转换的最小单元是太阳能电池单体，其作用是 把太阳能直接转换为直流形式的电能。目前用于光伏发电系统的太阳电池多为硅材料太 阳电池，其中包括单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池，当前使用最为普遍的是单晶硅及 多晶硅太阳电池。 太阳能电池单体实际上是一个p n 结，p n 结在光照下会产生电动势，这种效应称 为光生伏特效应。当p n 结处于平衡状态时，p n 结处有一个耗尽层，耗尽层中存在着 势垒电场，电场方向由n 区指向p 区，如图2 1 所示。当p n 结受到光照时，硅原子受 光激发而产生电子空穴对，在势垒电场的作用下，空穴向p 区移动，电子向n 区移动， 从而p 区就有过剩的空穴，n 区就有过剩的电子，这样便在p n 结附近形成与势垒电场 方向相反的光生电动势。光生电动势的一部分抵消势垒电场，另一部分使p 区带正电， n 区带负电，从而在p 区与n 区之间产生光生伏特效应，如图2 2 所示。若在太阳能电 池单体两侧引出电极并接上负载，则负载就有“光生电流 流过，从而获得功率输出。 由上可知，太阳能电池单体将光能转换成电能的工作原理可概括为以下四个过程【1 8 圳】： ( 1 ) 太阳能电池单体吸收光子，在p n 结两侧产生称为“光生载流子 的电子一空 穴对，两者的电性相反，电子带负电，空穴带正电； ( 2 ) 在太阳能电池单体p n 结光生载流子，通过扩散作用到达空间电荷区； ( 3 ) 到达空间电荷区的光生载流子被势垒电场分离，电子被分离到n 区，空穴被 分离到p 区； ( 4 ) 被势垒电场分离的电子和空穴分别被太阳能电池单体的正、负极收集，若在 太阳能电池单体正负极之间接入负载，则有光生电流流过，从而获得电能。 耗尽层 l l l i i l 蓦害詈i 暑i 害l 詈兽兽 i i i - - 一 p 区势垒电场n 区 6 p 区光生电动势n 区 图2 - 2p n 结受光照时 第二章光伏发电系统特性及仿真 2 2 光伏阵列特性 2 1 1 光伏电池的等效模型 在使用光伏电池供电时，单体电池片的容量较小，般不能满足负载的用电需求。 将几片、几十片或几百片单体电池经过串、并联连接起来构成组合体，形成光伏电池板。 工程上应用的光伏电池板是光伏电池使用的基本单元，其输出电压一般为十几至几十伏 左右。此外，还可以根据负载容量需求，将若干个光伏电池板经过串、并联组成功率较 大的实际供电装置，称为光伏电池。 根据电子学理论吲，光伏电池的等效电路如图2 3 所示。 图2 - 3 光伏电池的等效电路 由图2 - 3 可得出： i = i 嘲一i d i 嘲 其中， 厶叫唧甓笋- l 】 l 2 半 则， ，= 叫e 冲吗笋卅一半 式中 i p h 光电流( a ) ； i 。二极管反向饱和电流( a ) ； q 一电子电荷( 1 6 x 10 棚c ) ； a 二极管因子； k 波耳兹曼常数( 1 3 8 x 10 2 3 j k ) ； ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 东南大学硕士学位论文 卜太阳能表面绝对温度( k ) ； r 。串联电阻( q ) ； 凡h 并联电阻( q ) ； i 太阳能电池输出电流( a ) ； i 卜- 太阳能电池输出电压( v ) 。 其中， 如2 畋+ k ( 丁一2 9 8 ) 志 式中 i 。c 标准测试条件下光伏电池的短路电流( a ) ； 卜光照强度( w m 2 ) ； k 广短路电流的温度系数( 4 m a k ) ； 从式( 2 5 ) 可见，太阳能短路电流受到温度和光照强度的影响， 也与二者有密切的关系，如下式： 吃= 圪。+ 砗( 丁一2 9 8 ) 式中 ( 2 5 ) 同样开路电压v o e ( 2 6 ) v 。标准测试条件下的开路电压( v ) ； k 广开路电压的温度系数( - 6 0 m v k ) 。 对光伏电池等效电路进行分析可以发现，串联电阻风越大，则短路电流会越小， 但不会对开路电压造成大的影响，在太阳能电池的实际应用中，少不了组件之间的连线， 可认为增大了串联电阻，因此r s 的影响不可低估；并联电阻i b 是由p n 结生产制造过 程中产生的，与外部参数无关，r s h 越大，则开路电压会变小，但不会影响到短路电流。 在发电效率上，输出电流对输出功率的影响程度会较大，加上影响开路电压的因素除了 凡h 外还包括二极管的电流值，对光伏电池的发电效率的影响就显得较为明显【2 2 】。因 此，在下面的讨论中将忽略r s h 。得到简化后的光伏电池输出特性方程如下： ，：，砷一o e x p 皇掣一l 】 ( 2 7 ) 以a 图2 - 4 为简化后光伏电池的等效电路。 图2 4 光伏电池简化等效电路 8 第二章光伏发电系统特性及仿真 2 1 2 光伏阵列输出特性曲线 太阳能电池的输出特性是指太阳能电池在一定的温度和日照强度下所表现出来的 伏安特性，即输出电压和输出电流之间的对应关系，常简称为i v 特性。我国应用的标 准测试条件定义为日照强度为1 0 0 0 w m 2 ，太阳能电池温度为2 5 。c ，太阳辐射光谱为 a m l 5 。图2 5 所示为一太阳能电池组件在标准测试条件下的电流电压( i v ) 和功率 电压( p v ) 输出特性。由于光伏阵列的输出特性强烈地受到光照及阵列结温的影响， 下面来分别分析在这两种条件变化下光伏阵列的i v 特性。首先让我们来了解光伏阵列 的几个重要参数1 2 3 】： 短路电流( i 鲇) 给定温度和日照强度下所能输出的最大电流； 开路电压( v ) 给定温度和日照强度下所能输出的最大电压； 最大功率点电压( v m ) 给定温度和日照强度下最大功率点的电压； 最大功率点电流( i m ) 给定温度和日照强度下最大功率点的电流； 最大功率点功率( p m ) 给定温度和日照强度下最大功率点的输出功率，即 己= 匕l ( 2 8 ) 图2 - 5 太阳能电池组件标准条件下的输出特性曲线 2 3 光伏电池的建模与仿真 根据太阳能的数学模型，本文利用m a t l a b 软件建立了太阳能电池阵列的仿真模 型，模型均采用s i m u l i n k 模块搭建，该模型可模拟变化的温度和光照强度下的太阳 能电池输出特性。表2 1 中列出了上海林洋s f l 9 0 p 标准测试条件下的各项参数。 表2 1 上海林洋s f l 9 0 p 的各项参数 东南大学硕士学位论文 根据公式2 5 建立i p h 子模块如图2 1 0 所示 图2 1 0 i p h 子模块 根据公式2 6 建立v 子模块如图2 1 1 所示。 图2 11 v o h c 子模块 当外接负载断路时，o = 厶一“e x p 警一1 】，因此可得 厶= 厶【e x p 喘) - 1 】 ( 2 9 ) 其中令k ：a k t ，建立v t 和i o 子模块，如图2 1 2 所示。 g 1 0 图2 - 1 2 v t 和i o 子模块 当太阳能电池工作在最大功率处时，有 l = 厶叫e x p 掣- 1 】 ( 2 1 0 ) 若取理想因子a = 1 ，则在标准测试条件下，易求得串联等效电阻r s = 0 4 7 7 8 f 2 。在 不同温度和光照条件下串联等效电阻不同，但由于r s 比较小，可采用恒定风来近似模 拟。 根据式( 2 7 ) 简化太阳能输出特性方程，实现光伏电池建模，如图2 1 3 所示。 图2 1 3 光伏电池建模 ( 1 ) 当温度保持在2 5 。c ，光强由2 0 0 w m 2 上升到1 0 0 0w m 2 时，光伏阵列的p - v 和i v 特性的变化，如图2 1 4 和图2 1 5 所示。 东南人学硕士学位论文 不同光照下的p 游性图 图2 1 4 不同光照下的p - v 特性图 不河光照下的k 媾性 图2 1 5 不同光照下的i - v 特性图 由仿真得出的p v 特性图可见，温度不变的情况下，当光照强度的上升时，输出功 率明显上升，而开路电压变化很小，最大功率点的偏移也不明显；由i v 特性图可以看 出，光照增强的时候，电流变化很大，上升明显。因此可见，光照的强度变化对光伏阵 列输出的电流影响更大，此时功率的变化主要由电流变化引起。 ( 2 ) 当光照强度保持在1 0 0 0 w m 2 不变，工作温度由o 。c 上升到1 0 0 。c 时，p v 、i v 特性的变化如图2 1 6 和图2 1 7 所示。 1 2 第二章光伏发电系统特性及仿真 煺 趣】 羽 集 图2 1 6 不同温度下的p - v 特性图 不同温度下的j 滞性图 图2 1 7 不同温度下的i - v 特性图 由p - v 图可见，随着温度的上升，开路电压下降，最大功率点的电压也减小，光伏 阵列输出的功率在下降，但每变化2 5 c ，功率的变化并不大；由i v 图可见，温度的升 高对电流的影响非常小。可见当温度变化时，造成输出功率变化的主要原因是输出电压 发生了变化，而和电流的关系较小。 光伏电池工作时有温度的限制，而温度对输出功率造成的影响又很小，因此我们可 以认为，光伏系统输出功率的变化主要是因为光照强度的变化引起的，而输出电流对于 输出功率的影响也要强于输出电压，输出电压相对稳定。在功率输出最大化得控制上， 1 3 东南大学硕士学位论文 对输出电压的控制就显得尤为重要。 本章小结 本章介绍了光伏电池的原理和光伏发电的特性，根据光伏阵列的数学模型和电池厂 家给出的电池参数，使用m a t l a b s i m u l i n k 建立了光伏阵列模型进行仿真，根据仿 真结果，分析光照强度和温度对于光伏阵列输出的影响。 1 4 第三章最大功率点跟踪控制 第三章最大功率点跟踪控制 太阳能电池在工作时，随着太阳光照和温度的变化，其端电压将发生变化，使输出 功率产生很大变化，因此太阳能电池是一种不稳定电源。为了在使用过程中尽可能多的 利用太阳能，这就提出了最大功率跟踪问题。 3 1 最大功率点跟踪原理 常规线性系统电气设备中，为了使负载获得最大功率，通常使用适当负载匹配，使 负载电阻等于电源内阻，此时负载可得到最大输出功率。如图3 1 所示。 图3 - 1 常规线性系统电气设备简化图 图中u 为电源电压，r i 为电源内阻，凡为外接负载，则负载消耗的功率为 肚嚆) 2 雹 ( 3 1 ) 当r l = r i ，祟= o ，p 取得最大值。 对于这类内阻不变的供电系统，可以使用这种简单的方法获得最大功率，但是在太 阳能电池系统中，由于太阳能的内阻受到光照、温度、以及负载等因素影响，处在不断 变化的过程中，可见上述方式不适合太阳能系统。为解决上述问题，目前所采用的方法 是在太阳能电池阵列和负载之间增加一个d c d c 变换器，通过改变d c d c 变换器功率 开关的导通率，改变阻抗，来调整、控制太阳能阵n t 作的最大功率点，从而实现最大 功率点的跟踪，如图3 2 所示。 东南大学硕士学位论文 心 广 l jl p 。但 如果光照强度突然下降，则对应v b 的输出功率也下降，可能出现p b p 。( 实为p 。 p a ) ， 系统会误判，使得电压扰动方向错误，控制工作电压往左移回v 。点。如果光强持续下 降，则有可能出现控制系统不断误判，使工作点电压在v 。和v b 之间来回移动振荡，而 无法跟踪到阵列的最大功率点。对于这种由于日照强度影响造成的系统误判，可以通过 加大扰动频率和减小扰动的步长来尽可能的消除【2 引。 输出电监v 图3 5 扰动观察法“误判” 对干扰观测法的优缺点总结如下： 优点： 模块化控制回路；跟踪方法简单，测量参数少，实现容易；对传感器精度要求不高。 缺点： 在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失；跟踪步长的设定无法兼 顾跟踪精度和响应速度；在特定情况下会出现判断错误情况。 3 2 3 增量电导法 为了解决扰动观察法导致的功率损失问题，k h h u s s e i n 在1 9 9 5 年提出了增量电导 法。电导增量法是通过调整工作点的电压，使之逐渐接近最大功率点电压来实现最大功 1 r 第三苹最大功军点跟踪控制 率点的跟踪，而电导增量法避免了爬山法的盲目性，它能够判断出工作点电压与最大功 率点电压之间的关系，是通过比较太阳能电池阵列的瞬时导抗与导抗的变化量的方法来 完成最大功率点跟踪的功能。增量电导法也是最大功率点跟踪控制常用的算法之一，由 光伏电池的输出特性可以看到，光伏阵列的电压功率曲线在某一光照和温度下都是一 个单峰的曲线，在输出功率最大点，功率对电压的导数为零，要寻找最大功率点，只要 在功率对电压的导数大于零的区域增加电压，在功率对电压的导数小于零的区域减小电 压，在导数等于零或非常接近于零的时候，电压保持不变即可；当电压不变电流增加时， 增加工作电压，在电压不变电流减小时，减小工作电压。 对于功率有： p = u i( 3 2 ) 因此最大功率点处有： d e ：，+ u 兰! ：o( 3 3 ) d u d u 即堕：一三 。d uu 在最大功率点左边，驰吧时，争0 ，也就是争一号；c i ud uu 在最大功率点右边，驰儿时，氅 0 c l u，也就是嘉 一三u 。口u 这样可以根据与d i d u 和f u 之间的关系来调整工作点电压而实现最大功率点跟踪， 通过引入一个参考电压u 佗f 。 e 自 图3 - 6 增量电导法控制流程图 1 9 甲由 东雨大学硕上学位论文 增量电导法控制流程图如图3 - 6 所示，图中，、i k 为检测到光伏阵列当前电压、 电流值。理论上该方法最终可以在最大功率点处稳定运行，因为它在下时刻的变化方 向完全取决于在该时刻的电导的变化率和瞬时电导值的大小关系，与前一时刻的工作点 电压以及功率的大小无关，因而在日照强度发生变化时，太阳能电池阵列输出电压能以 平稳的方式追随其变化，而且稳态的电压振荡也较扰动观察法小。但是由于其中d i 和 d v 的量值很小，因此这一跟踪法的实现需要硬件要求精度高，需要很精确的传感器， 实现起来相对比较困难。如果不采用高速处理器，它的优势并不能体现出来，所以实际 应用的较少。 增量电导法有如下优点：能够适应瞬息万变的气候和光强的变化，控制精度较高； 可减少最大功率点的振荡；当从一个稳态过度到另一个稳态，只要采样精度够高，不会 出现误判。 该方法有如下缺点：与p & o 法相比，不难看出由于导纳增量法在进行控制判断时 需要进行较多的运算判断，控制算法相对较复杂，并且由于其中d i 和d v 的值很小，这 样就对传感器的精度要求很高，否则可能会导致跟踪失败【2 9 1 。 3 2 4 模糊逻辑控制 由于日照强度的不确定性、光伏阵列温度的变化、负载情况的不同以及光伏阵列输 出非线性特征，要实现光伏阵列最大功率点的准确跟踪需要考虑的因素是很多的，因此 使用模糊逻辑控制( f u z z yl o g i cc o n t r 0 1 ) 方法进行控制，可以获得比较理想的效果。在 光伏发电系统中使用模糊逻辑方法实现m p p t 控制，可以通过d s p 比较方便地执行， 其中控制器的设计主要包括以下几方面内容泣5 】： ( 1 ) 确定模糊控制器的输入变量和输出变量； ( 2 ) 归纳和总结模糊控制器的控制规则； ( 3 ) 确定模糊化和反模糊化的方法； ( 4 ) 选择论域并确定有关参数。 使用模糊逻辑方法进行光伏系统的m p p t 控制，具有较好的动态特性和精度，具有 十分广阔的应用前景。但是由于基于模糊逻辑控制的m p p t 控制器需要d s p 芯片，使 得成本增加，并不适合小型的独立光伏系统。 3 2 5 其他m p p t 方法 除了上述几种常用的m p p t 方法，还有其他多种方法可实现光伏阵列的最大功率点 跟踪，包括滞环比较法、神经元网络控制法、最优梯度法等，它们实现m p p t 控制的基 本原理都是类似的，但具体实现方法各有差别。例如，采用滞环比较法，可以在光照强 度快速变化时并不跟随快速移动工作点，而是在光照强度达到比较稳定后再跟踪到最大 功率点，从而减小振动损失。最优梯度法是一种以梯度法( g r a d i e n tm e t h o d ) 为基础的 多维无约束最优化问题的数值计算方法。它的基本思想是选取目标函数的负梯度方向 ( 对于光伏系统，可能需要选择正梯度方向) 作为每步迭代的跟踪方向，逐步逼近函数 的最小值( 或最大值) 。梯度法是一种传统且广泛运用于求取函数极值的方法，该方法 2 0 第三章最大功率点跟踪控制 运算简单，有着令人满意的分析结果【3 0 1 。 3 3d c d c 变换器的设计 常采用的d c d c 变换电路拓扑结构有不同类型d c d c 变化器，亦称直流斩波器。 典型的d c d c 变化电路有降压式( b u c k ) 、升压式( b o o s t ) 、升降压式( b u c k b o o s t ) 、 库克式( c u k ) 等，其工作原理是通过调节控制开关，改变开关的导通比，将一种幅值 的直流电压变换成另一幅值固定或大小可调的直流电压，这一过程