单相光伏并网系统的MATLAB仿真研究硕士学位论文.doc

分类号 470 4054 密级 天津理工大学研究生学位论文 单相光伏并网系统单相光伏并网系统的的 MAMATLABTLAB 仿真研究仿真研究 申请硕士学位 申请硕士学位 学科专业 电力系统及其自动化电力系统及其自动化 研究方向 电力电子技术在电力系统中的应用电力电子技术在电力系统中的应用 作者姓名 卞策卞策 指导教师 王云亮王云亮 教授教授 20142014 年年 1 1 月月 Thesis Submitted to Tianjin University of Technology for the Master s Degree The Study of grid connected Photovoltaic system Based on MATLAB Simulation By Bian Ce Supervisor Prof Wang Yun liang January 2014 独创性声明独创性声明 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 天津理工大学 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了谢意 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津理工大学 有关保留 使用学位论文 的规定 特授权 天津理工大学 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本和电子 文件 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 导师签名 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 摘要摘要 随着我国全年国内生产总值的不断提高 对不可再生能源的依赖明显过度 目前 能源危机问题日益明显 所以 新型能源的应用受到了越来越多的重视 其中 太阳 能的可再生性以及清洁性等特点使其备受世界各国的关注 光伏并网系统也成为新型 能源开发领域的一个重点发展方向 本文从提高光伏系统并网稳定性的角度出发 对 光伏并网发电系统中的电池特性 逆变器控制策略 孤岛检测等问题开展了深入研究 本文首先对光伏并网系统的背景及意义进行了介绍 对光伏并网系统的构成及应 用进行了分析 之后 在 MATLAB SIMULINK 环境下对模型进行了仿真 分析光强 和温度对其输出的影响 然后 对目前常用的几种光伏并网控制策略进行了介绍 在进行比较后得出 使 用电网电压前馈和锁相环技术的复合控制效果更为理想 并且在 MATLAB 环境下的总 谐波畸变率更小 另外 研究了并网系统在孤岛效应下的影响问题 对常见的孤岛效 应检测方式进行了改进 缩短了反应时间 提高了并网系统的可靠性 关键词 关键词 太阳能 光伏并网 MATLAB 仿真 逆变 孤岛效应 Abstract With the continuous improvement of the annual gross domestic product GDP China has an excessive dependence on non renewable energy obviously The energy crisis has become increasingly apparent at present So the application of new energy has been more and more attention Among them solar energy has attracted many attentions of the world by its characteristics such as renewable and clean Photovoltaic PV grid connected system has become a focus in the field of new energy development In order to improve the stability of the PV grid connected system this article has carried out in depth study on the battery characteristics of PV grid connected power generation system inverter control strategy and the island detection problem Firstly this paper introduced the background and significance of PV grid system The composition and application of PV grid connected system are Then the PV cell model was simulated in the MATLAB SIMULINK environment the effect of light intensity and temperature on the output was analyzed Afterwards several kinds of PV grid connected control strategies were introduced After comparison we concluded that the compound control strategy which based on the combination of phase locked loop PLL technique and feed forward control of voltage shows a better effect and the total harmonic distortion THD was reduced In addition the influence of grid connected system has been analyzed under the islanding issues The common way of islanding detection was improved The reaction time was reduced the reliability of the grid connected system was increased Key words solar power PV grid connected MATLAB simulation inverter islanding i 目目 录录 第一章第一章绪论绪论 1 1 1 本课题研究背景与意义 1 1 1 1 当今社会的能源现状 1 1 1 2 太阳能资源及特性 1 1 1 3 太阳能源的利用方式 2 1 2 光伏发电发展现状和前景 3 1 2 1 国外发展现状及前景 3 1 2 2 国内发展现状及前景 4 1 3 本文研究的主要内容 6 第二章第二章光伏发电系统和光伏电池光伏发电系统和光伏电池 7 2 1 光伏发电系统概述 7 2 1 1 光伏发电系统构成 7 2 1 2 光伏发电系统分类及应用 8 2 1 3 光伏发电系统的主要研究问题 9 2 2 光伏电池的工作原理述 10 2 3 光伏电池输出特性 11 2 3 1 光伏电池等效电路 11 2 3 2 光伏电池的输出特性 13 2 4 光伏电池的建模与仿真研究 15 2 5 本章小结 19 第三章第三章光伏并网逆变器主电路研究与设计光伏并网逆变器主电路研究与设计 20 3 1 光伏并网逆变器拓扑结构 20 3 1 1 非隔离型并网逆变器 20 3 1 2 隔离型并网逆变器 21 3 2 并网逆变器的技术指标 22 3 3 光伏并网逆变器主电路设计 23 3 4 输出滤波参数设计 25 3 4 1 调制方式的确定 25 3 4 2 LC参数设计 26 3 5 本章小结 28 第四章第四章光伏并网逆变器控制策略的研究光伏并网逆变器控制策略的研究 29 4 1 并网系统的电流控制策略 29 4 2 基于电网电压前馈和锁相环技术的复合控制策略 30 4 2 1 电网电压前馈控制 30 4 2 2 PI 控制 31 ii 4 2 3 锁相环技术 33 4 3 并网逆变器的仿真与分析 35 4 4 本章小结 39 第五章第五章 光伏并网系统的孤岛效应检测光伏并网系统的孤岛效应检测 40 5 1 孤岛效应 40 5 2 孤岛检测标准 42 5 3 孤岛检测方法 43 5 3 1 被动检测法 43 5 3 2 主动检测法 43 5 4 孤岛检测的仿真研究 45 5 4 1 AFD 算法的具体实现 45 5 4 2 AFD 的仿真研究 46 5 5 本章小结 50 第六章第六章 结论与展望结论与展望 51 6 1 工作总结 51 6 2 未来工作展望 51 参考文献参考文献 52 发表论文和科研情况说明发表论文和科研情况说明 55 致致 谢谢 56 第一章 绪论 1 第一章第一章绪论绪论 1 1 本课题研究背景与意义 现代社会 能源 作为一种必不可少的发展动力来源 一直被大量消耗着 从平 时生活中的水 电 气到人类所需求的娱乐 通信 交通都和能源保存着密切的联系 而在当今社会科技飞速发展的前提下 现有能源已不能满足社会的需求 尤其石化能 源的不可再生性与开发 利用环节中所产生的污染问题日益严峻 已经成为了制约社 会发展的主要瓶颈 为了推进人类世界的发展 改变能源结构 开发利用新型能源成 为了解决未来世界对能源需求的必经之路 而太阳能 作为一种接近无限量的新型能源 其在开发和利用的过程中具有清洁 安全等特点 成为了不可再生能源的主要替代品 1 开发利用光伏能源的形式有很多 其中光伏并网发电系统作为倍受人们关注的形式之一 应用领域十分广泛 2 所以 对光伏并网发电系统开展深入而广泛的研究 对于促进环境保护 解决能源危机以及 帮助人类社会经济的稳定发展等都具有重大而深远的意义 3 1 1 1 当今社会的能源现状 根据美国石油协会统计结果表明 整个地球上的原油可供给人类开采时间不超过 95 年 而且在 2050 年之前 全球的社会发展还是主要由煤炭支撑 以后的两三个世纪 里 这种资源也会面临消失 矿物化石燃料供应将面临枯竭 4 6 同时 随着我国近几 十年工业化进度加快 将会使得能源消耗量持续增加 可以预见的是 我国将在不远 的未来面临传统能源濒临枯竭的现实 7 8 因此 我们应加快寻求新型替代能源的脚步 尽快改善并扭转我国能源日益匮乏的状况 在人类社会来到缺乏能源的时代 由于以往进行经济发展的时候使用了很多污染 性燃料 其生成的污染性气体等引起了许多不好的结果 例如一直加剧的世界气候变 暖 极低融化 酸雨的产生等一系列自然灾害 使得人类赖以生存的地球遭到严重的 破坏 9 由此可见 在全世界传统能源日益减少的同时 生态环境的破坏后果却日益 突出 所以 在环境不断恶化和能源濒临枯竭的背景下 寻找没有污染的新型能源已 是迫在眉睫 1 1 2 太阳能资源及特性 太阳能源是由太阳光的辐射传送到地球的 其中大概只有二十二亿分之一的能量 可以到达地球范围 大概有 1 73 106 亿千瓦 这中间再经过大气的吸收 反射 大约 会有百分之五十一到达地表 大概为 8 8 105 亿千瓦 其中 可以到达陆地表面的能 第一章 绪论 2 量 仅剩百分之十 大约为 1 7 105 亿千瓦 尽管所剩能量比如此之少 但是如果能 够把这些太阳能利用起来 仍然等同于全球目前消耗总能量的 3 5 万倍 可以说是取之 不尽 用之不竭 和煤炭 石油 天然气等燃料相比 太阳能源不仅总量丰富 而且在整个开发利 用的过程中也不会破坏现有的生态环境 它拥有以下几项主要优势 10 1 存在广泛 不一样的地理位置 不同的气候会对太阳能的辐射造成不同程度的 影响 但是 太阳能源对于我们地球上的大多数地区都具有着普遍性 可以进行就地 取用 光伏能源利用前景相对较好的地区约占我国领土总面积的三分之二 2 储量无限 太阳是一颗年轻的恒星 相比于人类存在的时间来讲 它可以供给 我们能量的时间基本上是无穷的 这样 就从根本上解决了传统能源的匮乏问题 3 利用清洁 煤炭 石油等化石燃料的使用过程中 会放出很多有害物质 污染 环境 而在开发利用太阳能源时不会生成污染大气的物质 是比较理想的绿色能源 4 利用经济 太阳能源的经济型需要从两个方面来看待 一是太阳能源就地可取 无需 缴税 更可以接近负载 减少输配电网络的传输损耗 另一方面 虽然在目前 的科技基础下 需要投入很大资金 但是随着科技的发展 相信在不久的将来 人类 能实现太阳能源的技术突破 1 1 3 太阳能源的利用方式 太阳能源具有多种利用方式 主要类型有以下几种方式 见表 1 1 所示 11 第一章 绪论 3 表 1 1 太阳能源利用方式一览表 太阳能利用方式内容 发电 直接光发电光伏发电 光偶极子发电 间接光发电 光热动力发电 光热离子发电 热光伏发电 光热温 差发电 光化学发电 光生物电池 叶绿素电池 等 热利用 高温利用 800 高温太阳炉 熔炼金属等 中温利用 200 800 太阳灶 太阳炉热发电等 低温利用 200 太阳能热水器 太阳能干燥 海水淡化 太阳能空调 制冷 太阳房 太阳能暖棚等 动力利用 热气机 斯特林发动机 用于抽水和发电 光压转轮 等 光化利用光聚合 光分解 光解制氢等 生物利用速生植物 如薪柴林 油料植物 巨型海藻等 光 光利用太空反光镜 太阳能激光器 光导照明等 1 2 光伏发电发展现状和前景 1 2 1 国外发展现状及前景 自从埃德蒙贝克勒尔研究出 光伏效应 到现在 太阳能发电历经了迅猛的发展 从实验室探索到后来在实际中的大量应用 光伏发电在以不可思议的速度拓展着自己 的应用领域 如表 1 2 所示 12 13 第一章 绪论 4 表 1 2 光伏技术的发展历史简表 时间事件 1839 年法国物理学家埃德蒙贝克勒尔发现了光生伏打效应 1880 年Charles Frits 开发出以硒为基础的光伏电池 1954 年光伏发电的新纪元 贝尔实验室研制出转换效率为 6 的单晶 硅光伏电池 韦克尔首次发现砷化镓有光伏效应 第一块薄膜太阳能电池问世 1958 年太阳能电池首次在空间应用 装备美国先锋 1 号卫星电源 1959 年第一块多晶硅太阳能电池问世 效率达 5 1960 年硅太阳电池首次实现并网运行 1972 年罗非斯基研制出紫光电池 效率达 16 美国制定新能源计划 1974 年日本制定太阳能发电 阳光计划 1975 年非晶硅太阳能电池问世 效率达 6 10 1985 年日本建成 1MW 光伏发电站 1986 年美国建成 7MW 光伏发电站 1990 年德国提出 2000 个光伏屋顶计划 每个家庭的屋顶装 3 5kWP 光伏电池 1991 年德国制定 再生新能源发电与公共电力网并网法规 1994 年日本制定住宅用太阳光发电系统技术规程 1997 年美国提出 克林顿总统百万太阳能屋顶计划 欧洲联盟制定了到 2010 年生产 37 亿 Wp 太阳能电池的计划 1998 年荷兰制定了 百万个太阳光伏屋顶计划 2003 年日本制定新能源法案 RPS法 2008 年美国参议院通过了一系列减税计划 光伏发电行业的减税政策 ITC 延续 2 6 年 2030 年 预测光伏发电将占世界电力供应总量的 10 以上 2040 年预测光伏发电将占世界电力供应总量的 20 以上 21世纪末预测光伏发电将占世界电力供应总量的 60 以上 目前 世界上的各个国家对该领域的研究都抱着极其重视的态度 并且不断的扩 大着光伏发电的市场占有量 在未来 有国内外专家们预测 到二十一世纪的二十年 代和三十年代 光伏发电的全世界装机总容量将会成倍增长 达到大约 125GW 和 920GW 由此可以预见到 光伏能源会在不远的未来 由候补能源转向替代能源 14 1 2 2 国内发展现状及前景 在上个世纪后期 我国逐渐实施各个地区和各个工程的光伏系统建设 2002 年 在西部启动的 无电乡通电计划 中 进行架设了总共 16 5MW 的光伏发电系统 这 些光伏发电设施为大约八百个乡解决了供电问题 是一个了不起的成就 新世纪以来 我国的光伏发电产业快速增长 在当前阶段 随着光伏电池的造价持续降低 并且全 第一章 绪论 5 国政府颁布的许多支持其发展的条令 使我国的太阳能产业正在迅速的成长 预计大 约在 2020 年之前 太阳能发电将由独立型发电系统转向并网型 并且到 2020 年左右 我国的光伏发电技术有望与世界先进水平看齐 15 表 1 3 列出了我国太阳能发电技术 的研发情况 14 表 1 3 我国太阳能发电技术的发展历史简表 时间事件 1958 年开始研究太阳能电池 1971 年首次将光伏发电成功应用于太空领域 1973 年开始将光伏发电应用于地面 80 年代之后 国家加大光伏产业发展力度 建立多项应用领域光伏发 电示范工程 90 年代末期 建立示范工程和偏远用电地区光伏发电系统 光伏组件年产量达 10KW 左右 2002 年 西部省区无电乡通电计划 启动 光伏发电系统的安装量达 16 5MW 2004 年深圳首座兆瓦级太阳能发电系统验收 2007 年光伏组件年产量达 1GW 2008 年光伏组件年产量超过 2GW 居世界第一 2010 年光伏组件年产量突破 5GW 对于光伏发电产业的发展速度起决定性作用就是光伏电池的发展 光伏电池自从 在实验室被研究 发现到如今被大量应用 无论是其光电转换的效率 还是其在材料 制备方面的类型 均正处于不断发展进步中 在当前阶段 有一部分光伏电池开始进 行了商品化的生产 它们主要分为 非晶硅电池 单晶硅电池和多晶硅电池 其中 单晶硅电池的转化效率最高 可达到约百分之二十左右 但是其制作成本较高 而多 晶硅电池的转化效率达到约百分之十四左右 最后 非晶硅电池转化效率最低 仅有 百分之六左右 但是其制作成本相应的也最低 而研制光伏电池的最首要目的 就是 为了让其尽快融入到我们的社会里来 早日形成应用产品 所以 首先要想办法解决 的 就是它的制作成本 为此 越来越多类型的光伏电池正逐渐被研制出来 例如薄 膜型 聚光型 碲化镉 铜铟硒 砷化镓 染料敏化光伏电池等 同样的在我们国内 也逐渐开始出现很多制作光伏电池的厂家 这些厂家的生产规模正在迅速扩大 其中 有几个厂家已经在市场中占有了一席之地 基于太阳能的几大优势与发展前景 我国 也在该领域中投入了大量的资金 而在另一方面 许多大型的企业也在太阳能光伏发 电领域投入大量的资金 总之未来十几年里 光伏发电技术及产品将在我国开始步入 高速发展的阶段 16 第一章 绪论 6 1 3 本文研究的主要内容 光伏并网系统的两个核心设备就是光伏阵列和并网逆变器 它们一个是太阳能与 电能的转换装置 一个是电能与电网的接口装置 它们都决定着太阳能的利用率 本 文以光伏并网系统 单相 为例 对光伏组件 逆变器以及孤岛效应等进行了仿真分 析 各章主要内容如下 1 第一章绪论 主要对论文的背景及意义作了介绍 包括目前世界能源的现状 和太阳能源的不同特性 并对其世界范围内的研究情况与发展进行介绍 2 第二章光伏发电系统和光伏电池 介绍了光伏并网发电系统的各个组成部分 并叙述了各个组成部分的功能 接着 介绍了光伏电池最基本的电路原理 对于它的 等效模型进行了研究 并且在本文中使用普通函数法在 MATLAB SIMULINK 环境中 搭建了仿真模型 并对仿真结果进行了分析 3 第三章对光伏并网逆变器主电路的进行了构建 介绍了其不同类型的拓扑结 构 并对主电路中各个部分的器件参数进行了计算 得出了相应的理论值 4 第四章对逆变器的几种控制方法进行了描述 将有关的控制策略进行了结合 提出了基于锁相环技术和电网电压前馈控制的复合控制策略 之后在 MATLAB SIMULINK 环境中建立了并网系统的仿真模型进行仿真分析 5 第五章介绍了光伏并网发电系统中的另一个重要组成部分 孤岛检测 对 孤岛检测的各种检测方法做了分类和对比 选用了其中的 AFD 算法加入正反馈 并且 和本文系统中的锁相环技术相配合 在 MATLAB SIMULINK 环境中建立了孤岛检测 的仿真模型进行仿真分析 6 第六章为本文的总结与展望 对本文的研究内容与获得成果进行了总结 之 后提出了待改进的部分和未来的发展 第二章 光伏发电系统和光伏电池 7 第二章第二章光伏光伏发电系统和光伏电池发电系统和光伏电池 2 1 光伏发电系统概述 光伏发电系统是指利用光生伏打效应制作而成的光伏阵列将太阳能源转化为电能 并对该能源进行分配处理的系统 2 1 1 光伏发电系统构成 在通常情况下 光伏电池 主控装置 蓄电池再加上附近的用电设施等等组成了一整 套太阳能发电系统 17 18 它们的具体结构如图 2 1 所示 光伏 阵列 DC DC 变换器 蓄电池 交流 负载 DC AC 逆变器 双向DC DC 变换器 直流 负载 图 2 1 光伏发电系统的构成图 1 光伏阵列 所谓的 光生伏打效应 其实是指当发电模块吸收太阳能源之后 该物体内的实 现导电功能的载流子会改变其布局情况和密度 产生电动势和电流 以此来实现光电 转换 继而输出直流电 所以 获得太阳辐射能量的入口便是光伏电池 它是光伏系 统最重要的组成部分 它的成本高低和转换能量的多少都对光伏发电的发展起着决定 性的作用 2 蓄电池 光伏电池会随着光照强度的变化而产生变化的输出功率 在太阳能电池处于阳光 照射下时 所能吸收的能量较多 进而生成电能的效率也会处于一个较高的水平 一 般在这时 除了附近的用电设施所能消耗掉的电能外 还可以产生一部分多余的能量 进行存储 而这一部分多出的能量既可以在太阳能电池无法接收到日光照射时 作为 第二章 光伏发电系统和光伏电池 8 辅助能源供给附近的用电设施 这就是其所拥有的优势 当然 光伏发电系统也有其 先天的劣势 那就是太阳能电池输出的不稳定性较强 如果直接连接负载 会导致其 使用寿命缩短 如果加上蓄电池 便能保证其输出相对稳定的直流电 当前 在光伏发电系统中 光伏阵列的成本正在持续的降低 所以 在对光伏系 统的蓄电池进行选择时 应着重考虑在成本上相对实惠的 在日常工作的维修护理方 面相对简单的 并且尽量保证能够正常使用的年限要长 这样才能够使整个系统在运 行的过程中保持稳定 高效 在当前环境下 铅酸蓄电池还是整个市场的主力军 生 产铅酸蓄电池的成本大概是光伏发电系统总投资的四分之一到二分之一 19 仍然是一 个较高的比重 而且在使用过程中如果出现管理不当的情况 将会造成蓄电池不正常 供电 缩短它的使用年限 这样 在正常运行时就会容易出现很多问题 所以 拥有 一个优秀的控制方案是太阳能发电系统中扮演着非常重要的角色 3 控制器 系统的控制装置主要是图 2 1 框中几个环节 它的主要功能是对光伏并网发电系 统的最关键部分进行控制 把该环节内部的各个电子器件进行协调 是整个系统在工 作状态时保持稳定 在新世纪里 随着智能化的不断发展 各个领域的计算机技术 电力电子以及智能控制都处于一个高速发展的状态中 作为太阳能发电系统的控制装 置 也逐渐开始使用具有多种性能特点并且具备智能技术的设备 20 其中出现了许多 新的功能 比如有能够采集和处理多路模拟信号 有对误差实现主动分析等等诸多从 前没有实现过的功能特点 通过这种方式来达到在线检验及控制的目的等 蓄电池控制主要是对输出电流与输出电压进行调节 实现对蓄电池不同状态下的 控制 直流电变换控制 主要是由于太阳能电池的工作电压与负载或者逆变器所需要的 电压不同 所以需要对其输出的电压进行控制 以达到系统使用的标准 逆变控制 由于光伏阵列所发出的电能为直流电 在进行并网运行或者是为交流 负载供电时 就需要用逆变器把直流电变成交流电 逆变器控制在并网发电系统中的 作用是尤为关键的 其一 它可以使光伏阵列产生的直流电得到优化 提高效率 其 二 它可以联系公共电网 保证光伏发电系统并网运行的可靠性 本文将在后面的章 节对逆变器的控制进行更为深入的研究 2 1 2 光伏发电系统分类及应用 光伏发电系统主要分为以下三大类 21 22 23 1 独立运行的光伏发电系统 独立光伏发电系统是独立运行的装置 实际中又可以被称为离网型系统 该系统 在一般情况下都搭设在运输不通 很少有人生存的地方 或者 应用在一些具有其特 殊要求地段 它输出的能量只提供给本地的交流负载 离网型光伏发电系统主要有光伏阵列 DC DC 变换电路 蓄电池组件 控制器 逆变电路和交直流负载几个部分构成 DC DC 变换电路是根据实际需要对光伏阵列的 输出进行相应的升降压变换 蓄电池组件将负载使用剩下的电能进行存储 在光照强 第二章 光伏发电系统和光伏电池 9 度不足时使用 逆变电路负责对光伏阵列生成的直流电能进行 DC AC 变换 生成交流 电供给后面的交流负载使用 2 并网运行的光伏发电系统 并网型光伏发电装置是与电网相连的 它需将光伏阵列输出的电能转化为符合国 家并网规定的交流电 并网型光伏发电系统的构建是当今社会的主流趋势 目前 全世界新增加的光伏发电系统中 并网型发电系统占据了绝大多数的市场 在很多发达国家如德国 日本 他们在近年来增加的光伏系统几乎都是并网型的 目 前 并网型光伏发电系统依据它们所具有的不同功能特点一般归纳成两种 第一种是 不含蓄电池组件的 不可调度并网发电系统 该系统在公共电网断电时 将自动停止 向电网供电 在系统提供的能量大于本地用电设施所要的电能时 将多余的输给电网 其他时间 公共电网则向本地负载提供电能 另外一种是拥有蓄电池组件的 可调度 并网发电系统 它的系统中配置有储能环节 在公共电网断电本地发电系统供给不足 时 能提高本地负载的用电可靠程度 并且蓄电池组件可以为逆变器提供相对平稳的 直流母线电压 减少系统在动态天气环境下所产生的波动 但是相应的 可调度并网 发电系统由于增加的储能环节 也为其带来的一些明显的缺点 一个是造成了系统体 积以及重量的增加 这会导致安装和调试的不便 另外一个就是目前所生产的蓄电池 组件寿命普遍较短 定期更换蓄电池则会导致系统运行成本的增加 而且在正常运行 时 整个系统需要进行的维护工作也会变得复杂 3 混合运行的光伏发电系统 该系统是指把光伏发电系统和其它不同种类的产能系统依据在实际情况中不同的 需要 各自的优点以及能涉及到的条件相互组合而成的系统 2 1 3 光伏发电系统的主要研究问题 1 最大功率跟踪控制方式 在外部环境以及内部器件的影响下 光伏发电系统的输出功率曲线呈现出非线性 函数的特点 而当外部环境稳定时 光伏发电系统有且只有一个最大功率输出电点 最大功率跟踪控制方式有许多种 另外 在当前还经常在最大功率跟踪控制器中 加入许多新的控制算法 比如滑膜控制 模糊控制 神经网络控制等等 也取得了一 定的效果 上述各类方法均存在着相应的优缺点 因此 如何使光伏系统更便捷 更稳定的 工作在最大功率点 在目前仍然是一个研究热点 2 逆变器并网控制方式 随着太阳能发电技术的广泛应用 并网型光伏发电系统已经成为主要的发展方向 如何成功实现光伏发电的并网 逆变环节是最为关键的 在 IEEE 提出的标准中 对逆 变技术有着严格的要求 所以 在不对公共电网造成污染的同时 提高并网电流质量 的控制策略研究也是目前全世界的研究重点之一 24 本文将在第四章对该问题进行深 入的研究 3 孤岛效应 第二章 光伏发电系统和光伏电池 10 孤岛效应 Islanding Effect 是指公共电网突然失压时 并网型光伏发电系统仍保 持着对电网中临近的部分线路供电状态的一种效应 25 在该种状态时 光伏发电系统 和系统附近的交直流负载会产生一公共电网无法对其进行有效掌控的自供电孤岛 如 果此时正在进行公共电网的检修 那么则会对检修人员和用电设备造成严重的后果 因此 系统必须要迅速检测到孤岛效应并及时断开 本文将在第五章对该问题进行详 细的研究 2 2 光伏电池的工作原理述 光伏阵列就是将太阳能源进行转化得到电能的器件 它的材料是由两种物质组成 的半导体融合成为一体的 P N 结 26 其基本原理为半导体器件的光伏原理 所谓的光 伏原理 是指当光伏阵列吸收到太阳光照之后 其内部的电荷分布将会发生改变 由 此来产生电能 27 在各种不同状态的物质之中都能够发生光伏原理 相比而言 在半 导体器件中 这种现象的发生效率是最高的 28 如图 2 2 所示 图中 代表的大气中 辐射到光伏阵列的表层而反射回去的太阳射线 表示刚来到物体表层便被吸收并生 成电子 空穴对的太阳射线 它们的强度并不足以生成电能 代表的是能够接近 P N 结而被接受并产生电子 空穴对的太阳射线 该类射线是可以让光伏阵列产生实际电能 的 代表深入到光伏电池片底部的太阳射线 其中 只有极少可以形成电能 代 表被光伏阵列吸收的太阳射线 它们并不足以形成电能 反而会导致光伏阵列的升温 代表直接穿透光伏电池并且没有被吸收的太阳射线 总体来讲 只有被反射回去的 那部分太阳射线对光伏电池的发电构不成有效影响 所以 绝大多数光伏阵列的表面 都铺着防反射层 并且在 P N 结周围区域的太阳射线都是对电池的发电有效果的 所 以 在上面分析的基础上得出 努力提高有用的太阳射线的数量 就可以使光伏阵列 的实际工作效率得到明显的改善 图 2 2 光伏阵列工作示意图 在进行实验时 把 P 型半导体与 N 型半导体进行合并 就会使它的周边出现一个 内建电场 此时 那些处于 P N 结周围的太阳射线被光伏阵列接收并且进行转化之后 其会让电子跃迁到一个能量更丰富状态 这样就会使电子摆脱束缚 出现电子 空穴对 第二章 光伏发电系统和光伏电池 11 除此之外 在势垒电场的影响下 光伏阵列中的电子将会涌向 N 型区 空穴将会涌向 P 型区 这样 便形成了所谓的光生电场 由于带电的正负极相反 光生电场会被势 垒电场所消耗一部分 在光伏阵列的两个区域内会有电动势 我们称这种情况下产生 的为光生伏打电动势 如图 2 3 所示 这即是光伏发电的基本原理 29 图 2 3 光伏发电原理示意图 2 3 光伏电池输出特性 2 3 1 光伏电池等效电路 由于光伏电池的输出的非线性 在对其进行分析时需要将其转化成相应的等效电 路 图 2 4 给出了光伏阵列的等效电路 这其中把各种电阻都加入从而进行考虑 相 对更实际 可以说光伏阵列较为普遍的三类等效模型中的最接近模型就是它 当我们 忽略掉元件中的内阻时 它便是一种不合符实际的模型 整体简单 虽然能够为理论 研究提供很多便利 但是这种模型不能对阵列的影子效应进行合理的呈现 30 所以 在我们日常的使用时 为了更真实的剖析其所隐藏的难点 最先考虑的是这种更繁杂 的等效电路模型 dI shR sR I L R ph I 图 2 4 光伏阵列的等效电路图 对上图进行分析如下 1 光生电流 Iph 等同于短路电流 Isc 它的值等于标准环境 电池温度 T 25 照度 R 1000W m2 下将负载端进行短接后 流过的电流 总共有三个因素可以影响到 它的大小 包括工作温度 T 光照强度 R 和面积 2 串联电阻 Rs 主要由光伏电池的体电阻等电阻构成 在理想情况下 其值很 小 第二章 光伏发电系统和光伏电池 12 3 并联电阻 Rsh 又被称作旁漏电阻 它形成重要原因是由于光伏阵列材料的 周围在生产过程中出现的污秽 由此而造成了漏电 电池内部的不足或者耗尽区内的 多种电流共同导致的 31 在没有其它干扰时 他会生成一个较高的数据 4 暗电流 Id 在光生电流中会有分流经过负载 此时 负载两侧的电压 U 将会 正向偏置 PN 结的二极管 产生和光生电流方向相对的 Id 据图 2 4 得出 输出电流 I 和输出端负载 RL的端电压 U 关系式为 2 1 shdph IIII 整理后得到 2 2 1 S od AKTIRUq eII 而旁路电流 Ish可表示成 2 3 shssh RIRUI 将上式进行整理后得到 2 4 shsoph 1 S RIRUeIII AKTIRUq 其中 2 5 refTscph TTC 1000 R II 2 6 TTAK qE e T T II 113 ref doo ref g 式中 I 光伏电池的输出端流经负载的电流 单位为 A U 光伏电池输出端电压 单位为 V Iph 光生电流 单位为 A Io 流经二极管 PN 结的反向饱和电流 单位为 A q 电子电荷 其值约为 1 6022 10 19C A PN 结的理想因子 正偏电压大时 A 1 小时 A 2 K 玻耳兹曼常数 其值为 1 38 10 23J K T 绝对温度 其值为 t 273 单位为 K Tref 参考温度 其值为 25 273 单位为 K Eg 禁带宽度电压 1 13e V CT 短路电流的温度系数 其值为 0 0016A K 第二章 光伏发电系统和光伏电池 13 由于光伏电池输出的负载端电压 U为 2 7 L IRU 所以 光伏电池的输出功率 P 为 2 8 LshsophL 1 S RRIRUeIIRIUIP 2 AKTIRUq2 考虑到理想情况下 Rs趋近于零 Rsh趋近于无穷大 A 1 则式 2 4 变成 2 9 1 oph KTqU eIII 当 I 0 时 得到光伏电池的开路电压 Uoc为 2 10 1ln o sc oc I I q KT U 当光照较为强烈时 Ish U IRs Rsh小到可以忽略 此时 光伏电池的输出电 流 I 为 2 11 1 S oph AKTIRUq eIII 输出功率 P 为 2 12 LophL 1 S ReIIRIUIP 2 AKTIRUq2 2 3 2 光伏电池的输出特性 我们从光伏电池的等效电路图就可以看出 光伏电池 它并不是一个恒定的电压 源 同时 它也非恒定电流源 他的输出特性曲线显示着很大程度上的非线性 当负 载 RL从零点一点一点的变大时 依照式 2 11 及式 2 12 即可描绘出光伏阵列的 负载特性曲线 32 如图 2 5 其主要影响因子有两个 它们分别是太阳的光强 R 和周 围温度 T 有 I F U R T 以及 P F U R T 第二章 光伏发电系统和光伏电池 14 图 2 5 光伏电池的输出特性曲线图 在这幅图里面 所描绘出的曲线上的各个点我们都可以把它叫做工作点 这些点 所对应的坐标既是它们的工作点参数 在负载的两端的电动势 U 0 时 表示的就是负载出现短接的情况 这个时候光伏 阵列的流出电流大小就等于短路电流 Isc 在负载两端的阻值到达 Rm时 表示的在图中 曲线的一点 Um 和 Um点所对的电流 Im 它们的积 Um Im实现一个最值 就是 Pm 这 个点所标示的意义被称为光伏阵列的最佳工作点 同时也叫做最大功率点 以下是光 伏阵列的建模所需要的部分参数 33 1 短路电流 Isc 在确定环境下的最大输出电流 2 开路电压 Uoc 在确定环境下的最大输出电压 3 最大工作点电压 Um和电流 Im 当系统处在在最佳工作点处的的电压和电流 4 最大工作点功率 Pm 当系统处在确定环境下的最佳工作点相对应的最大功率 Pm Um Im 5 光伏电池效率 2 13 int scm int mm int m PA IFFU PA IU PA P 式中 At 光伏电池的总面积 包括栅线在内 Pm 单位面积内的入射光功率 其值为 2 14 d in 0 hc P FF 光伏电池的填充因子 6 光伏电池填充因子 它是光伏阵列的一个非常重要参数 它主要反映产品质 量 如若填充系数越大 它输出的特性曲线则会更加接近一个正方形 在这个时候 的转换效率较高 其大小表示为 第二章 光伏发电系统和光伏电池 15 2 15 ocsc m ocsc mm UI P UI UI FF 2 4 光伏电池的建模与仿真研究 本文采用了两种方法建立了光伏电池的模型 它们分别是基于物理原理的基本解 析表达式法以及普通函数法 1 基于物理原理的表达式法 34 35 根据式 2 4 所表达的光伏阵列输出 I F U R T 对其进行数学建模 2 16 shsoph 1 S RIRUeIII AKTIRUq 其中 2 17 refTscph TTC 1000 R II 2 18 TTAK qE e T T II 113 ref doo ref g 根据上面的 3 个公式 可以进行光伏阵列模型的构建 如图 2 6 所示 图 2 6 光伏电池仿真模型图 2 普通函数法 36 37 在上一种方法的数学表达式里 一共包含着 5 个参数 Rs Rsh A Isc和 Io 这些 参数不但要受到光强和温度的影响 而且如果想要计算出这些参数 是一个相对较大 的工作量 所以我们在实际运用时舍弃了上一种方法 在实际应用中 产品的供应商 仅仅会给出有限的几个在标准状况下的典型参数 开路电压 Uoc 短路电流 Isc 最大功 率点电流 Im及电压 Um 在实用性和精确性的前提下 建立工程用数学模型 在这之前 我们必须在光伏阵列基本解析式上做出以下两点工作 第一点由于 U I Rs Rsh项在 多数情况下远远小于光生电流 Iph 所以忽略该项 第二点因为 Rs极小 所以令 I Isc 那么 可将式 2 4 简化为 第二章 光伏发电系统和光伏电池 16 2 19 11 OC2 1SC UC U eCII 将最大功率点 Um Im 代入上式可得 2 20 1 OC2 m 1SCm UC U eC1II 在常温下可忽略 1 项 所以 解得 C1为 2 21 OC2 m SC m 1 1 UC U e I I C 将开路状态点 Uoc 0 和 C1代入式 2 14 可解得 C2为 2 22 1 SC m OC m 2 11 I I ln U U C 由于光伏阵列温度和光强的不断变换 依据官方给出的几个参数可以通过计算得 出在不同的光伏阵列温度和太阳光强之中的数据 开路电压 U oc 短路电流 I sc 最大 功率点电流 I m 和电压 Um 2 23 RbTcUU Ta R R II RbTcUU Ta R R II R R R TTT RKTT ref 11 1 11 1 1 mm m m OCOC ref SC SC ref ref air 其中 Tair是环境温度 K Tref是参考电池温度 25 Rref是参考光照强度 1000W K 是温度系数 其典型值约为 0 03 W T 是实际电池温度和参 考温度的差值 R 是实际光照强度与参考值的差值 I sc 是光伏电池在光照强度 R 与 电池温度 T 时的短路电流 A U oc 是光伏电池在光照强度 R 时的开路电压 U a b c 为常数 它们的典型值分别为 0 0025 0 5 0 00288 本文基于以上公 式建立了光伏电池的 MATLAB SIMULINK 仿真模型 如图 2 7 所示 之后将对本课 题中所选用的光伏电池模型进行仿真分析 在标准条件 T 25 R 1000W 下的基本 参数为 Uoc 22 5V Isc 1 6A Um 17 5V Im 1 43A 第二章 光伏发电系统和光伏电池 17 图 2 7 光伏电池的仿真模型图 依据上文中建立的系统实施实验分析 把仿真的快慢及准确度大小加入考虑范围 所以在这里使用变步长求解器 并选择 ode23tb 算法 实验给出光伏阵列的曲线如图 2 8 这里 图 a 为 P U 特性曲线 图 b 为 I U 特性曲线 a P U 特性曲线图 b I U 特性曲线图 2 8 光伏电池输出特性曲线图 当光伏阵列的温度不变时 光照强度从 1000W 慢慢降低致 400W 其输出特 性曲线如图 2 9 所示 当光伏电池的光强一定时 运行温度从 20 摄氏度慢慢提高至 35 摄氏度 它的特性曲线如图 2 10 第二章 光伏发电系统和光伏电池 18 a T 一定 P U 特性曲线图 b R 一定 P U 特性曲线图 图 2 9 光伏电池 P U 输出特性曲线图 上图给出了不同的光照强度和光伏阵列的温度对光伏阵列的输出功率的影响 从 中能够明显得出 无论这两个因素进行什么改变 相对应的每个确定条件下的 P U 曲 线都有唯一最大值 这个值即是最大功率点 在这个工作点两端 我们能够得到的输 出功率都不是理想中的答案 所以要控制光伏阵列尽量时刻保持在最大功率点处 a T 一定 I U 特性曲线图 第二章 光伏发电系统和光伏电池 19 b R 一定 I U 特性曲线图 图 2 10 光伏电池 I U 特性曲线图 上图给出了不同的光照强度和光伏阵列的温度对光伏阵列的 I U 输出特性曲线的 影响 从中能够明显得出该曲线的强烈非线性 所以光伏阵列既不是一个恒流源 也 不是一个恒压源 在它不同条件下的每一条曲线上 都会有相应的一点 该点与横 纵坐标轴的连线所构成的面积最大 这个点即为最大功率 该点的横纵坐标值分别称 作最大功率点电压与电流 当电池温度不变 光照强度变大时 光伏阵列的短路电流 也会逐渐的变大 当光照强度一定时 电池温度变大 则短路电流会有些微量增加 由以上分析可以得出 光伏阵列的工作条件的改变对它的各个输出特性有着非常直接 的影响 所以 对绝大多数以光伏阵列的工作原理作为基础而建立的仿真模型和实验得出 的仿真结果进行研究就能够得出 该仿真的还原度还是相对较强的 无论是依照光伏 阵列的等效电路或者是根据普通函数法进行建立的仿真模型 它们的建模过程都较为 简单 并且较为可行性强 特别是在方法二中 用已有的几个特殊参数和现实中参数 相互之间进行对照 基本上能够模仿当外在条件一直改变时 光伏阵列的输出特性曲 线 2 5 本章小结 该章节先对光伏系统的组成 分组 应用以及主要研究问题作了简单的叙述 描 述了光伏阵列的基本运行理论 深入的剖析了光伏阵列的等值电路与特性曲线 接着 对光伏阵列的两个建模方式进行了描述 最后在 MATLAB SIMULINK 中运用数学模 型建模对给定的光伏阵列做了仿真 并且依照实验的结论 概括了光强与温度两个外 部条件出现改变时不同的特性曲线 为后面章节将要开展的光伏发电系统并网研究提 供了一定的基础 第三章 光伏并网逆变器主电路研究与设计 20 第三章第三章光伏并网逆变器主电路研究与设计光伏并网逆变器主电路研究与设计 3 1 光伏并网逆变器拓扑结构 逆变器 在所有的太阳能并网发电系统中 都起着关键性的作用 它负责把系统 与电网平稳的连接到一起运行 所以 逆变器的性能特点对于一个太阳能发电系统来 说是非常重要的 而其中主要由两点起到决定性的作用 它们就是主电路结构与控制 技术 并网逆变器依照它的组成结构中有无隔离式变压器 通常被我