（电力电子与电力传动专业论文）光伏发电系统控制器的研究.pdf

a b s t r a c t a san o v e lg r e e na n dr e n e w a b l ee n e r g y ，t h es o l a re n e r g yi sa b u n d a n t ，e c o n o m i c a n dn o n - p o l l u t i o n w i t ht h ee n e r g yc r i s i sa n dw o r s i n go fe n v i r o n m e n tp o l l u t i o nt a k e n i n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h ep o w e rg e n e r a t i o ns y s t e mb a s e do ns o l a re n e r g yh a sa t t r a c t e da l o to fa t t e n t i o n p h o t o v o l t a i cc o n v e r s i o ni sa ne f f e c t i v ew a yt ou s es o l a rp o w e r b e c a u s et h ep r i c eo fp h o t o v o l t a i cc e l li se x p e n s i v ea n dc o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi sl o w p r e s e n t l y ，t h em 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 ) i sa b s o l u t e l yn e c e s s a r y ，i n o r d e rt od e c r e a s es y s t e mc o s ta n di n c r e a s ee f f i c i e n c y t h i sp a p e rf o c u s e so nt h em p p tt e c h n i q u e f i r s t l y t h eb a s i cp r i n c i p i u r no fs o l a r b a t t e r yi sa n a l y z e d , a na c c u r a t ea n dp r a c t i c a lm o d e lf o r p h o t o v o l t a i ca r r a y sw a s d e v e l o p e d 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 d b yt h es o l a rr 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 r e n e r g yw i t hg 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 s e c o n d l y ，t h ep r i n c i p l eo fc o m m o n l yu s e dm p p tt e c h n i q u e si sa n a l y z e d ，a n d t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sw e r ec o m p a r e d m o r e o v e r , an e wm a x i m u m p o w e rp o 血t r a c k i n g ( m p p t ) m e t h o dw h i c hu s e st h ed c d cc o n v e r t e rd u t yc y c l ea s a c o n t r o lp a r a m e t e ri si n t r o d u c e d 乃ed e s i g no fc o n t r o l l e rg e t se a s i e r 乃ef l ci s b r o u g h ti n t ot h en 口p tt e c h n i q u e af u z z ym p p tc o n t r o ls c h e m ei sp r o p o s e db a s e do n t h ed u t yc y c l ep e r t u r bm e t h o d 1 1 1 ed e t a i la b o u td e s i g n i n gaf u z z yc o n t r o lf o rt h e s y s t e mi sp r o p o s e da n das i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tw i t hm a t l a bt ot e s tt h ee f f e c to f t h ec o n t r o l l e ra n d p e r f e c ts i m u l a t e dr e s u l t sa r eo b t a i n e d t h et r a c k i n gr e s u l t sb e t w e e n d i s t u r b a n c eo b s e r v a t i o nm e t h o da n df u z z yc o n t r o la r ec o m p a r e dt h r o u g hm a t l a b s i m u l a t i o n t h ef u z z yl o g i cc o n t r o l ( f l c ) c a na c h i e v eab e t t e rp e r f o r m a n c et e s t e db y t h es i m u l a t i o nr e s u l t s f i n a l l y ，t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mi sd e s i g n e d i ne x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t h eb o o s t c o n v e r t e ri su s e da sm p p td c d cm a t c h i n gc i r c u i t t h ec o n t r o lc h i pa d a p t s t m s 3 2 0 f 2 812d s pm a d ei nt ic o m p a n y t l l i sp a p e rg i v e sad e t a i l e ds o f t w a r ea n d h a r d w a r ed e s i g np r o c e s s k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o n ，m p p t , f u z z yl o g i cc o n t r o l ，b o o s tc i r c u i 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：蛮獠 签字日期 加哆年月弓日 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。 特授权苤鲞盘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： 签字日期：z 哆年歹月；e t i ：扔唪 签字日期：砷年月弓日 第一章绪论 1 1 国内外光伏产业的发展 第一章绪论 世界光伏产业发展迅速，在1 9 9 7 , - - , 2 0 0 1 年中的平均年增长率达3 5 5 。2 0 0 2 年光伏电池及组件的产量达到5 5 9 3 m w p ，比2 0 0 1 年增长3 9 3 ，光伏发电的 累计装机容量达到2 2 0 0 m w p 。在产业化方面，光伏企业的生产规模从l 一- , 5 m w p 年发展到5 - 2 0 m w p 年，并在向5 0 m w p 年的规模扩展。2 0 0 0 年以来，世界光 伏组件的生产成本降低1 3 左右，为2 5 3 美元w p 。美国光伏发电系统的电价 成本目标是：2 0 0 5 年光伏系统安装成本为3 美元a v p ，电价成本为11 美分( k w h ) ； 预计到2 0 1 0 年安装成本将下降为1 5 美元w p ，电价成本为6 美分( k w h ) 以 下【l 】。 我国光伏发电技术的研究开发及产业化工作起步较晚，在经过近2 0 年的努 力后，已经有了一定的基础。在产业化方面，上世纪9 0 年代末我国光伏产业发 展较快，设备不断更新，各地又建立一些组件封装厂，生产能力和实际生产量有 了较快的增加。在光伏电池生产制造方面，国内光伏电池的年生产能力达到 i o o m w ，中国已成为继日本、德国和美国之后世界第四大光伏组件制造国。电 池和组件性能也在不断提高，商业化电池效率由上世纪8 0 年代的1 0 1 2 提 高到1 2 1 5 。太阳电池组件成本2 0 年来不断降低，售价由8 0 年代初的6 5 元 7 0 元d w p 降到2 0 0 3 年的2 6 元 - 3 0 元w p 。我国也积极兴建了大量光伏发 电工程。例如投资达7 5 0 万美元，发电总装机容量达到1 兆瓦的深圳国际园林花 卉博览园光伏并网发电系统已投入使用；首都博物馆3 0 0 k w 太阳能光伏并网发 电系统也已经投入使用；国家体育场( 鸟巢) 工程也投资1 0 0 0 万元，在“鸟巢” 的1 2 个主通道上方，安装总装机容量为1 3 0 千瓦的太阳能光伏发电系统。一项 投资l 亿元的兆瓦级光伏发电项目也将在上海交通大学风雨操场落成，并将成为 亚洲最大的光伏发电站1 2 j 。 当前光伏产业发展的主要方向和趋势是并网发电和光伏建筑集成 ( b i p v - b u i l d i n gi n t e g r a t e dp h o t o v o l t a i c ) 。早在2 0 0 1 年，并网发电就已占总光伏 应用的5 1 ，已成为最大的光伏市场，这说明未来的供电模式将由大型集中电站 向分布式发电过渡。b i p v 由于节省发电基地使用的土地面积和费用，是目前国 际上研究及发展的前沿，也是相关领域科技界最热门的话题之。 第一章绪论 1 2 光伏并网发电系统结构 光伏并网发电系统作为分布式发电系统的一种，一般具有两种结构模式：单 级并网模式以及双级并网模式。 单级式能量变换【3 】结构图如下所示： 图1 1 单级式太阳能并网发电系统结构图 电网 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。 优点：设计简洁、高效，并且因为只有一次能量级，造价成本相对较低。 缺点：功率受到了限制，输出电源的质量也不够高。流过开关的电流是不连 续的三角形脉冲，流过电力开关的电流不能对输出电流进行直接的控制。因此在 一些需要大功率、高性能、输入电压范围大的情况下，通常采用单级型。 双级式能量变换【4 】结构图如下所示： 图1 2 双极式太阳能并网发电系统结构图 电同 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。 2 第一章绪论 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。 优点：由于d c d c 交换环节和d c a c 逆变环节具有独立的控制目标和手段， 两部分可以分开设计，系统前后级之间结合不紧密，因此系统的控制环节比较容 易设计和实现；由于单独具有一级最大功率跟踪环节，系统中相当于设置了电压 预调整单元，系统可以具有比较宽的输入范围；同时，逆变器的输入电压较高， 这样都有利于提高逆变环节的转换效率。 缺点：系统具有两个独立的能量变换环节，因此整个系统的效率低、体积大、 笨重、造价高，对并网光伏发电系统的推广有一定的限制。 目前我国光伏发电系统的设计主要采用的是双级型结构。 1 3 最大功率点跟踪控制技术( m p p t ) 最大功率点跟踪控制技术是光伏发电系统的关键性技术之一。由于目前光伏 电池的成本高、转换效率低，并且其输出功率易受光照强度、电池温度等因素的 影响，因此，为了提高光伏系统的效率，在现在的光伏系统中，通常要求光伏电 池的输出功率始终保持最大，即系统要能实时地跟踪光伏电池的最大功率点。 1 3 1m p p t 控制的基本原理 由于光伏器件的输出功率随外部环境变化而变化，因此光伏发电系统普遍采 用m p p t 电路和相应的控制方法提高对光伏器件的利用效果。假定电池的结温不 变，光伏器件的特性曲线如图所示： 电流i a 图l 一3m p p t 工作原理图 电压u v 图1 3 中曲线i 、分别对应不同日照情况下光伏器件的i - v 特性曲线，a 、 第一章绪论 b 分别为不同日照情况下光伏器件的最大输出功率点，负载1 、负载2 为两条负 载曲线。当光伏器件工作在彳点时，日照突然加强，由于负载没有改变，光伏器 件的工作点转移到彳7 点。从图1 3 中可以看出，为了使光伏器件在特性曲线i 仍 能输出最大功率，就要使光伏器件工作在特性曲线i 上的曰点，也就是说必须对 光伏器件的外部电路进行控制使其负载特性变为负载曲线2 实现与光伏器件的 功率匹配，从而使光伏器件输出最大功率。 画出光伏电池组件和负载的简单线性等效电路图如下所示，在极短的时 间内，非线性的光伏电池组件和非线性的负载可以用该线性电路等效。图中形为 光伏电池组件在出时间内输出电压，为光伏电池组件在f 时间内输出电流，足 为光伏电池组件在& 时间内的内阻，r 为负载在出时间内的输入阻抗，则光伏 电池组件在缸时间内的输出功率为： p - ( 熹 2 r - ， l r + r ” 图1 4 光伏电池组件和负载的简单线性等效电路 将式( 1 - 1 ) 对r 求导可得： 杀川一g i g o ) 3 d r ( r i ， ( 1 - 2 ) o 1 。 当r = r 时，p = 里4 r 有最大值。对于线性电路来说，即电源内阻等于负载i 输入阻抗时，电源有最大功率输出。因此最大功率点跟踪控制的基本原理即控制 变换器负载的输入阻抗与光伏电池组件的瞬时内阻相等，l i p 可使光伏电池工作在 最佳工作点，即最大功率点。 根据b o o s t 电路对阻抗的变换原则，b o o s t 电路的等效输入阻抗可用公式表 示： 4 第一章绪论 r = 0 一d ) 2 r l + 尺l ( 1 - 3 ) 其中，风一b o o s t 电路负载的等效输入阻抗，d 一开关占空比，尺，一负载阻 抗，置为电感阻值。由于r 很小，可以忽略不计，而且不考虑等效电阻的极性。 所以，由以上公式可知，通过改变占空比的值，来改变b o o s t 电路的等效输入阻 抗，进而使太阳能电池阵列工作在最大功率剧2 1 。 1 3 2m p p t 技术的现状与发展 鉴于m p p t 技术在光伏发电系统中的重要性，短短十多年间，m p p t 方法被 不断地提出并实践，如常用的c v t 法、扰动观测法( p o ) 、导纳增量法( i n c ) 、 模糊控制、神经网络( n e u t r a ln e t w o r k ) 、滑模控制( s l i d em o d ec o n t r 0 1 ) 、最优 梯度法、r c c ( r i p p l ec o r r e l a t i o nc o n t r 0 1 ) 【5 】【6 】【7 】 8 1 ，基于状态的m p p t ( s t a t e - - b a s e dm p p t ) 9 1 ，线性电流控制法【1 们，负载电压或电流最大化方法【l l 】等，文 献【l3 】中统计大约有二十种之多。这些方法在复杂性，是否需要传感器、收敛速度、 成本、效率、硬件实现、广泛性等方面都有所不同，难以分出孰优孰劣。应根据 系统结构、应用场合等选择适合的m p p t 技术。 光伏系统的成本是我们进行设计时必须考虑的问题。进行电流采样的电流传 感器通常较昂贵和笨重，那么在包含多个p v 阵列和独立m p p 跟踪控制器的系 统中，这是较不方便和经济的。在该情况中，较好的办法是采用这样的m p p t 方法，只需一个传感器或者能从电压估计出电流，如文献【1 4 】。 不同的m p p t 方法适合于不同场合。例如，在航空火箭和空间站这些需要大 量资金的应用情况，m p p t 控制器的成本和复杂性不如它的性能和可靠性重要。 因为控制器需要在尽可能短的时间和不需周期调节的前提下，不断跟踪到真正的 最大功率点( m p p ) ，则p & o ，i n c 和r c c 较适合。太阳能汽车最需快速收敛 到m p p ，那么模糊控制，神经网络，r c c 是较好选择。又因为太阳能汽车的负 载主要包含电池，所以也可以考虑负载电流或电压最大化方法。 根据不同的外界环境条件，m p p t 控制器需要不断的跟踪到最大功率点。若 是双级型系统拓扑，这意味着d c d c 变换器给后端逆变器的输入电压会一直在 变化，这显然不是我们所期望的，所以在m p p t 控制和输出为恒定直流电压之间 会存在矛盾，如何协调它也是将来需研究的问题之一。 1 4 模糊控制技术 1 9 6 5 年美国加州大学的l a z a d e h 教授在其发表的论文中，首次提出了用 “隶属度函数”的概念来定量描述食物模糊性的模糊集合理论，奠定了模糊数学的 第章绪论 基础。1 9 7 4 年，英国学者e h m a m d a n i 首次把模糊集合理论成功的应用在锅炉 和蒸气机的控制中，首开模糊控制在实际工程应用的先河【l5 1 。3 0 年来，模糊逻 辑控$ i j ( f l c - - f u z z yl o g i cc o 曲l l e r ) 得到了迅速的发展。f l c 在各种领域出人意 料地解决了传统控制方法无法或难以解决的问题，并取得了令人瞩目的成效。 现在，人们己经明确地知道：模糊控制是目前在控制领域中所采用的三种智 能控制方法中最具实际意义的方法。如文献 1 6 1 7 】 1 8 所介绍，国外研究者很早 就将模糊控制应用到了光伏发电系统的最大功率跟踪控制中。但是国内的研究却 相对滞后，然而随着光伏发电技术的蓬勃发展，目前国内许多学者也逐步开始了 这方面的研究，文献 1 9 2 0 中就介绍了用于最大功率跟踪的模糊p i d 控制。可 以说基于模糊控制的最大功率跟踪技术具有巨大的发展潜力。 1 5 本文主要研究内容 本文在广泛查阅、参考了国内外研究资料的基础上，制定了基于模糊控制进 行最大功率点跟踪的控制策略。首先，从介绍m p p t 控制的工作原理入手，详细 分析了各种常用m p p t 算法，并比较了各种方法的优缺点。其次，在扰动观察法 的基础上，采用了占空比扰动法，减少了控制参数，简化了控制器的设计。最后 进行了基于模糊控制的改进算法的研究。通过对比分析，这种算法克服了扰动观 察法的缺点，实现了良好的控制性能。 本论文共分为四个章节详细介绍具体的研究工作。 第一章为绪论：主要介绍此论文的研究背景、研究内容及意义，并给出论文 的结构安排。 第二章对太阳能电池特性进行研究：介绍太阳能电池的工作原理及伏安特 性；对太阳能电池的数学模型及仿真进行分析，得出光照强度及温度变化时光伏 特性曲线。 第三章对如何将模糊控制应用于最大功率点跟踪进行研究：首先，阐述了 m p p t 的工作原理；介绍了最常用的最大功率跟踪算法，并对各种方法的优劣进 行了比较分析。其次，介绍了自适应占空比扰动法的思想，并进行了占空比扰动 法仿真研究。在此基础上，根据模糊控制的基本原理及模糊化、模糊推理、解模 糊的方法，详细描述了最大功率点跟踪的模糊控制算法的基本思想，并结合 s i m u l i n k 仿真给出模糊控制器的详细设计过程，进行了仿真研究，最后对扰 动观察法和模糊控制方法的仿真结果进行了对比分析。 第四章给出光伏电池最大功率跟踪实验电路的设计过程：介绍实验电路的整 体结构以及升压式变换器的设计，包括其中关键元件的选取；进行了电压电流检 测电路、信号调理电路以及驱动电路的设计；最后进行了软件框架的设计。 6 第二章太阳能电池特性及仿真研究 第二章太阳能电池特性及仿真研究 光伏器件是光伏发电系统电能的来源，能否充分发挥光伏器件的效用对整个 光伏发电系统有重要的作用。光伏器件的输出功率是光伏器件所受日照强度、器 件结温影响的的非线性函数。即使在外部环境稳定的情况下，光伏器件的输出功 率也会随着外部负载的变化而变化，只有当外部负载与光伏器件达到阻抗匹配 时，光伏器件才会输出最大功率，此时我们称光伏器件工作在最大功率点，为了 充分发挥光伏器件的效能，需根据外部环境和负载情况不断调节光伏器件的工作 点使其输出最大功率，我们将此功率调节过程称为最大功率点跟踪( m p p t 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， 搭建了太阳能电池的仿真模型，为最大功率点跟踪控制算法的研究奠定了基础。 2 1 太阳能电池的电路特性 2 1 1 太阳能电池的基本工作原理 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。这种把 光能转换成电能的能量转换器，就是光伏电池。 光伏电池工作原理的基础是半导体p n 结的光生伏打效应。通常，用于光伏 电池的半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子 一样，半导体的原子也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) 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 7 第二章太阳能电池特性及仿真研究 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 2 h 。 制造光伏电池的半导体材料己知的有十几种，因此光伏电池的种类也很多。 目前，技术最成熟，并具有商业价值的光伏电池要算硅太阳电池。 2 1 2 太阳能电池的伏安特性 太阳能电池受光的照射便产生电流。这个电流随着光强的增加而增大，当接 受的光强度一定时，可以将太阳能电池看作恒流电源。目前使用的太阳能电池为 p n 结型二极管，太阳能电池的等效电路2 2 1 如图所示： f 一s c i ， 一 r ， i jk r lu 图2 - 1 光照时太阳能电池的等效电路 ，。，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。，。值与太阳能电池的面积大小有关系，面积 越大，值越大。己值还和光照强度、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以，与太阳光辐射强度有关系，而与 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。厶为通过 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。r 。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： 其中 川跖一i o e 冲c 等笋h 卜半 仫， 第二章太阳能电池特性及仿真研究 m 阡x 悟c 挣 沼2 ， ，虻2 ，s c r + k l ( 丁一2 9 8 ) 1 0 0 0 ( 2 - 3 ) 上述三个公式的参数解析详见表2 1 。通常情况下，一个理想的太阳能电池， 串联电阻足很小，而并联电阻如很大。由于足和如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，得到简化的光伏电池输出特 性方程如公式( 2 4 ) ： ，i e x p 甓笋】- 1 ) ( 2 4 ) 由公式( 2 - 4 ) 可以得到光伏电池输出功率的数学公式为： 尸酊。u 由x p 掣】- 1 ) ( 2 - 5 ) 表2 1 光伏电池等效模型参数解析 符号描述单位 数值 i 光伏电池输出电流 a u 光伏电池输出电压 v 。一一 t 光伏电池的表面温度o k k 玻尔兹曼常数3l o k1 3 8 1 0 2 3 q ： 单位电荷 c1 6 1 0 1 9 k 短路电流的温度系数a k a日照强度朋： i 汇r 标准测试条件m 下光伏电池的 a 短路电流 l *光电流 a e 半导体材料的禁带宽度3 7 ， 参考温度o k 3 0 1 1 8 l 。 7 下的暗饱和电流a r 呐光伏电池的并联等效电阻 q r 。光伏电池的串联等效电阻 q 注a ：光伏电池温度为2 5 0 c ，日照强度为1 0 0 0w m 2 ，称之为标准测试条件 9 第二章太阳能电池特性及仿真研究 在特定的太阳光照强度和环境温度下，由公式2 4 可知，当外接电阻r ，从0 变化到无穷大时，可以得出太阳能电池负载特性曲线，如图2 ，2 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 节负载电阻尺，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只，该点所对应的电压 称为最大功率点电压“，该点所对应的电流称为最大功率点电流，。： 己= l ( 2 6 ) 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。 电流1 j - j - 功率p t p i o l l 。 电压。v 图2 - 2 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： 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 开路电压给定温度和日照强度下电池板所能输出的最大电压 最大功率点电流l给定温度和日照强度下电池板最大功率点上的电流 最大功率点电压玑 给定温度和日照强度下电池板最大功率点上的电压 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 为了更好的理解光伏电池的特性，根据公式2 。4 、2 5 光伏电池的非线性函 数关系绘制出其在光照强度不同、温度相同和光照强度相同、温度不同情况下的 光伏电池i v 、p v 特性曲线，如图2 3 、2 - 4 所示： ( 1 ) 电池温度不变，光照强度变化 图2 3 为光伏电池温度不变、日照强度变化情况下的一组i v 和p v 特性曲 线，从图中可以得出以下结论： 光伏电池的短路电流随光照强度增强而变大，两者近似为比例关系；光伏 1 0 第二章太阳能电池特性及仿真研究 电池的开路电压在各种日照条件下变化不大； 光伏电池的最大输出功率随光照强度增强而变大，且在同一日照环境下有 唯一的最大输出功率点。在最大功率点左侧，输出功率随电池端电压上升呈近似 线性上升趋势；到达最大功率点后，输出功率开始快速下降，且下降速度远大于 上升速度； o ( a ) i - v 特性曲线 电压u 1 ， o ( b ) p - v 特性曲线电压u v 图2 3 光照强度不同情况下i v 、p v 特性曲线 如图2 - 3 ( a ) 所示：在虚线a 的左侧，光伏电池的特性近似为电流源，右侧 近似为电压源。虚线a 对应最大功率点时光伏电池的工作电流，约为电池短路 电流的9 0 ； 如图2 - 3 ( b ) 所示：温度一定的情况下，光伏电池最大功率点对应的输出电 压值基本不变，该值约为开路电压的7 6 。 ( 2 ) 电池温度变化，光照强度不变 电流i 0 电压o v ( a ) i - v 特性曲线 图2 - 4 温度不同情况下i - v 、p - v 特性曲线 图2 - 4 为光伏电池光照强度不变、温度变化情况下的一组i v 和p v 特性曲 线，从图中可以得出以下结论： 如图2 - 4 ( a ) 所示：光伏电池的温度对光伏电池的短路电流影响不大，随着 第二章太阳能电池特性及仿真研究 温度的上升输出短路电流只是略有增加；光伏电池的开路电压随电池温度的上升 而下降，且变化范围较大； 如图2 - 4 ( b ) 所示：光伏电池输出功率总的变化趋势与不同日照条件下的功 率变化相似。但相同日照情况下其最大输出功率随电池温度的上升而下降，且最 大功率点对应的工作电压随温度上升而下降。 综上所述，光伏电池的输出功率与它所受的光照强度、环境温度有密切的关 系。在不同外部环境情况下，光伏电池的输出功率会有较大的变化。因此光伏发 电系统必须采用相关电路和控制方法对输出功率加以控制使其输出最大功率。 2 2 太阳能电池的仿真研究 太阳能电池是光伏发电系统中的重要组成部分，要实现对光伏发电系统的动 态仿真，首先就是要对太阳能光伏电池进行仿真，该模型一旦建立，可用于模拟 光伏发电系统的输入电源，因此对太阳能电池仿真成为研究太阳能光伏发电系统 的重要环节。 通过前面对太阳能电池的i v 特性的分析可知，太阳能电池是一个受太阳光 照强度和环境温度影响的非线性电源。下面将式( 2 - 4 ) 进行相应的变形，得出 更适于建立仿真模型的公式口3 1 。 定义太阳光辐射强度为r ( w i m 2 ) 和环境温度疋( 。c ) 条件下，太阳能电池温 度t ( o c ) 为： = 丁。s ( 2 - 7 ) 其中，s 为光伏阵列上的总太阳辐射；乙( d e g w l m 2 ) 为太阳能电池模块的 温度系数。 定义k 为短路电流，为开路电压，厶、为电池板最大功率点电流和 电压，则当光伏阵列电压为u 时，其对应点电流为i ： u - d u i = l 1 一c ；( p c 2 u w 一1 ) + 所 ( 2 8 ) 其中 一旦 c i = q l m | is ) ec 4 “ c ：= 哪m | u 一吣| 、x 曝一i m | 1 0 d i = o r s s 呵d t + ( s s 啊- 1 ) is c d u = 一卢d t r - d i 1 2 第二章太阳能电池特性及仿真研究 d t = 疋一乙 倪：在参考日照下，电流变化温度系数( a c ) ； p ：在参考日照下，电压变化温度系数( v c ) ； s 。，：太阳辐射强度参考值，一般为l k w m 2 ： 乙：温度参考值，般为2 5 。c ； 足：光伏模块串联电阻( q ) 基于上述数学模型，在m a t l a b 仿真环境下，利用s i m u l i n k 仿真工具，建 立了光伏电池的通用仿真模型，图2 5 为光伏电池s i i i l u l i n k 仿真模块的内部结构 和封装模型。 光伏电池仿真梗型 图2 5 太阳能电池模型的内部结构及其s i m u l i n k 封装 太阳能电池板的输入为环境温度t 、太阳光辐射强度s 和光伏阵列的工作电 压u ，输出为光伏阵列的工作电流i 及功率p 。 在光伏阵列m a t l a b 仿真模型内部封装了参数t 、s 珂、a 、卢、k 、 u o c 、l 、m p p t 等参数。用户可通过点击图2 - 5 所示的模型图标，得图 2 - 6 所示用户交互界面，方便地设置上述参数，从而构成不同i v 特性的光伏阵 列。 第二章太阳能电池特性及仿真研究 l t r a 【e t e r s 电压锄童系数 i 0 7 l n _ - - h _ - _ _ _ 。_ _ 。_ ，_ _ 。_ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - 。_ - - h - - _ _ _ _ 。- _ _ _ _ _ - 。- - - _ - h _ _ _ - _ _ ，。- 一 电碗沮度系数 串联电阻 2l 参考蕾度 参考太阳辐射 t 大功率电歪 鼍大功率电苑 | 1 0 2 5 开踌电压 翅踌屯藏 图2 - 6 各个参数的设置界面 该模型可以模拟任何环境温度和日照强度下光伏电池的输出。利用该模型模 拟的太阳能电池板分别在光照变化和温度变化下的电压电流曲线如图所示。 ( 1 ) 当环境温度不变时，太阳光辐射强度在间7 5 s 和t = 1 5 s 时从1 0 0 0 w m 2 降到8 0 0 w m 2 和6 0 0 w m 2 ，电池板输出电流跟随辐射强度变化，从1 0 2 5 a 降到 8 6 a 和6 4 a ，太阳能电池板输出的电压也相应地从9 9 v 降到8 3 v 和6 2 v ，波形 如图2 7 所示： ”广t 1 1 f h 一一一一一一p 一一一一一一t 一一一一一一十一一一一- 一一一一一一_ i o t r r r t 1 1 ” 4 ”厅= = = = 千= = 1 i 。 。n ? i j j j 1 、_ _ r r 一一1 1 1 m ； j l l 1 j 二= = _ = _ = _ = ：c = j l 一一一一一一l 一一一一一一j 一一一- 一一j 一一- 一一一一一一一一一一一 i - - 一一一一一一一一一一+ 一一一一一- 一一一一一一一一一 f 却r r 1 1 _ 1 a ；j 一 w l - - l 一一一j j j 一 图2 7 光照强度变化时电池板输出电流和电压波形 ( 2 ) 当太阳光照强度不变时，环境温度在t = 0 7 5 s 和t = 1 5 s 时从3 0 ( 2 变为 2 5 ( 2 和2 0 c ，因为太阳能电池板具有负温度系数，所以输出电流和电压也跟着 相应地升高，如图2 - 8 所示： 1 4 t_-111 j 一 一 一 一 一。：，r一一 一 一 一 z 一 一 。y。1：， 一 一 一 一 一 - 一 - 一 - 一 一 _ 一 一 一 二_r。r。一。 一 一 - - 一 一 一 一 一 一 一 一 - 一 一 - 一 - 一 一 - - 一 - 一 - - 一 _ _ - 一 一 一 - 一 - _ 一 一 一 叩_砉牛衅 第二章太阳能电池特性及仿真研究 住广r r t - r ，。， 一一一一一一一一；一一一一一一一一二一一一一 ”- - - _ - - - - - - i。一一- - 一 一一二j 一一j ：一二一- 一i 一一一一一 ! ； 一 i 1 “5 i 一一- 一一一? 。一一一- 一。j 一_ 一一i 一一一一i 一。一j 粤 一列一一一# 二二j 一1 ”3 件? 一一。t = = 2 2 2 叫j i ”? 弦= # j ? j j 住1 占_ 1 占 布芎1 6 对一l j ”广- t 丁广1 1 0 6p - 一一一一一一- 一一一一一一- 一一一一一一+ 一一一+ 一一一一一1 m r r 一二= i 二= = 二丁一1 1 ：p 寸一： ： i i m ”一一f j ”l i 一? ：j j ：l * ；一j 哦弋 十唷广 1 0 图2 8 环境温度变化时电池板输出电流和电压波形 从以上的仿真波形可以看出，此仿真模型可以动态地跟踪环境温度、太阳光 辐照强度的变化，输出波形和理论分析很相符，可以很好地模拟太阳能电池板的 各特性，可以充当光伏发电系统的电源。 第三章基于模糊控制的最大功率点跟踪算法研究 第三章基于模糊控制的最大功率点跟踪算法研究 3 1 几种常见的最大功率点跟踪算法研究 ( 1 ) 固定电压跟踪法( 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 3 ( b ) 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于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l 时，其中开路电压将下降0 4 - - 一0 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，采用以下方法解决： l 、手工调节方式：通过电位器手动按季节给定不同的u 。，这种方法使用 较少，需要人工维护。 2 、根据温度查表调节：事先将特定光伏阵列在不同温度下测得的最大功率点 e g 压, u 。一值存储在控制器的e p r o m 中，实际运行时，控制器根据温度传感器 检测光伏阵列的温度，通过查表确定当前的u 。一值。 采用固定电压控制方法实现m p p t 的优点是： l 、控制简单，可靠性高； 2 、系统不会出现振荡，有很好的稳定性； 3 、可以容易通过硬件实现； 缺点： l 、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； 2 、太阳能利用率低，需要人为调节。 采用固定电压方式实现m p p t 的控制，由于其良好的可靠性和稳定性。目前 在太阳能发电系统中仍有使用。但随着电力电子及自动化控制技术的发展，这种 方法的简单性与其造成的能量损失相比已显得很不经济，因此一些新的控制方法 应运而生。 ( 2 ) 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 ) ： 由于扰动观察法的结构简单，且需要测量的参数较少，所以它被普遍地应用 在光伏电池的最大功率点跟踪上。其工作原理为测量当前阵列输出功率，然后在 原输出电压上增加一个小电压分量( 或称之为扰动) 其输出功率会发生改变，测量 出改变后的功率，比较改变前的即可知道功率变化的方向。如果功率增大就继续 1 6 第三章基于模糊控制的最大功率点跟踪算法研究 使用原扰动。如果减小则改变原扰动方向。 p w u ，u u u u v 图3 - 1 扰动观察法的原理图 图3 1 说明了这个动态过程，假设工作点在【，处，光伏电池输出功率为只， 如果使工作点移到u ，= u ，+ a u ，光伏电池输出功率为只，然后比较现时功率最 与记忆功率只。因为只 只，说明输入信号