【《光伏发电原理及关键技术综述》4000字】

光伏发电原理及关键技术综述目录TOC\o"1-3"\h\u24269光伏发电原理及关键技术综述 1213881.1光伏电池原理 1259601.1.1光伏电池原理 115921.1.2光伏电池仿真搭建 5277931.2最大功率点跟踪（MPPT）技术 6151941.1.1MPPT控制技术原理 6299371.1.2MPPT技术方法对比 71.1光伏电池原理光伏发电的核心元件是太阳能电池板，其发电的原理是光生伏特效应[19]。当有充足的太阳光照射在光伏组件上时，光伏组件的表面会产生自由的电子空穴对，随着光照的增强，光伏组件表面产生的载流子也会随之增多，这些载流子在导体表面做热运动，最终在导体外部形成PN结结构。在受到太阳照射的情况下，PN结两端会产生电压，此时给PN结两端加上负载，就会有光生电流流过，这种现象被称为光生伏特效应。在实际的使用过程中，单个光伏电池可以发出的功率很小，因此需要先将大量的光伏电池进行串并联，构成光伏阵列再对外界系统输出电能。1.1.1光伏电池原理常用的光伏电池等效电路如图1.1，其输出特性方程可用式（1.1）描述。图1.1光伏电池数学模型（1.1）其中，I为光伏电池输出电流；U为光伏电池输出电压；Iph和Id分别为光生电流和光伏电池内部等效二极管的PN结的反向饱和漏电流，Iph和Id会随着环境的变化产生变化，需要根据具体的光照强度和温度确定；Rs为光伏电池等效串联电阻；Rsh为光伏电池等效并联电阻；q为电子电荷量，其值非常小，可忽略不计；n为无量纲的二极管特性因子，1≤n≤2，当光伏电池输出高电压时，n=1，当光伏电池输出低电压时，n=2[20]；k为玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J/K。式中光伏电池产生的电流Iph及PN结反向饱和漏电流的值会受到环境温度和光照强度的影响。其数学表达式如下：（1.2）（1.3）其中，Isco是在标准日照、标准温度下测量到的短路电流；T是当前光伏电池的温度；S是当前的光照强度；Sref是标准光照强度；Tref是标准电池温度；h是温度系数，h=6.4×10-4K-1；a和b是常数，a=1.336×104，b≈235。由式（1.1），（1.2）和（1.3）可以判断出光伏电源输出电流I与外界环境温度T和光照强度S具有非线性的关系。图1.2为环境温度不变，光照强度变化时光伏电池的I-U特性曲线，图1.3为环境温度不变，光照强度变化时光伏电池的P-U特性曲线。图1.2光伏电池I-U特性曲线图1.2光伏电池P-U特性曲线从图（1.2）和（1.3）中可以看出，在电池温度T=25℃时，光伏电池的输出具有如下特性：在光伏电池的输出开路电压较小即光伏电池运行在A点左侧时，光伏电池可以近似的看做一个恒流源，当光伏电池的输出开路电压超过一个临界值后即光伏电池运行在A点右侧时，输出短路电流会迅速下降，此时光伏电池可以近似看做恒压输出。光伏电池的输出短路电流可以近似认为与光照强度线性相关。随着光照强度的增大，功率曲线会出现一定程度的上移，光伏电池的最大输出功率随光照强度的增大而增大。图1.4为光照强度不变，环境温度变化时光伏电池的I-U特性曲线，图1.5为光照强度不变，环境温度变化时光伏电池的P-U特性曲线。图1.4光伏电池I-U特性曲线图1.5光伏电池P-U特性曲线从图1.4和1.5中可以看出，在光照强度S=1000W/m2时，光伏电池的输出具有如下特性：光伏电池的输出短路电流对温度的变化感应不明显，当温度上升时，输出短路电流仅有微小增加，输出开路电压减小。随着环境温度的的增加，功率曲线会出现一定程度的下移，光伏电池的输出最大功率会随电池温度的上升而下降，在实际工程应用中，光伏电源组件往往由多个光伏电池单元串并联组成。假设每个光伏电池单元特性相同，并处于相同的温度和光照强度下，那么光伏电池在工程应用中的数学模型可以等效为式（1.4）。（1.4）其中Np为并联电池单元数目，Ns为串联电池单元数目。1.1.2光伏电池仿真搭建本研究采用串并联电阻和受控电流源结合的电路模型来模拟光伏电池的等效电路。环境温度设定为室温25℃，光照强度采用随机非线性发生器来模拟光伏电池在外界工作时的光照强度变化。光伏电池的输出方程为式（1.5），其中临界电流Ic的计算方式如式（1.6）。（1.5）（1.6）其中，Ic为临界电流值，I为光伏电源输出电流，Isc为总短路电流。随着输出电压U的增大，临界电流Ic也会增大，若Ic小于总短路电流Isc时，随着输出电压U的增大，临界电流Ic也会增大，若Ic小于总短路电流Isc时，光伏电池工作在I-U特性图中A点的右侧，此时随着输出电压的增大，输出电流会迅速减小；当临界电流Ic大于总短路电流Isc时，光伏电池工作在I-U特性图中A点的左侧，此时光伏电池可以近似等效为一个恒流源。得到单个光伏电池模块的电气参数后，通过设置总短路电流和总开路电压可以计算出需要串联和并联的光伏电池数量。最后通过控制光生电流的大小可以控制光伏电池阵列的输出功率。光伏电池在PPSCAD/EMTDC中的仿真模型图如图1.6。其各项参数如图1.7。图1.6光伏电池仿真模型图1.7光伏电池模型参数1.2最大功率点跟踪（MPPT）技术1.1.1MPPT控制技术原理由于光伏电池的输出电压和输出电流具有强烈的非线性，随着外界温度和光照强度的变化，光伏电池的输出特性也随之产生变化，降低光伏电池的发电效率。因此，为了提高光伏系统输出效率，必须采用合理的控制策略。光伏电池组件的P-U特性是具有单峰的非线性曲线，如图1.8。图1.8光伏电池P-U特性曲线可以看出，光伏电池在工作时，随着电压的变化，有功功率存在唯一一个最大功率输出点。当光伏电池工作在Umpp左侧时，随着输出电压的提高，有功功率会随之增加；当光伏电池工作在Umpp右侧时，随着输出电压的提高，有功功率会随之减少。在实际的工程应用中,环境的温度和光照强度均处于不断地变化中,采用相应的控制算法，通过不断调节光伏电池的输出电压，寻找输出有功功率最大的工作点，最终使得输出功率在最大功率点附近微小波动，近似可以看做工作在最大功率点。为了达到这种控制效果的控制技术被称为最大功率点跟踪技术。MPPT控制技术需要不断对光伏电池输出的电压和电流进行采样，通过不同的算法让光伏电池始终处于最大输出的状态。1.1.2MPPT技术方法对比MPPT的实现方法是一个动态自寻优的过程，通过检测光伏电池阵列当前的输出电压和输出电流，可以得到当前的输出功率，再通过和前一个测得功率进行比较判断来得到当前光伏电池的输出状态，进而给出控制指令。本文讨论了几种现在常用的MPPT控制控制方法。扰动观察法通过检测光伏电池阵列的输出电压脉动量（±ΔU）和当前的输出功率Pd,将当前的输出功率Pd和前一时刻记录的输出功率Pi进行对比，若Pd>Pi,则U=U+ΔU,若Pd＜Pi，则U=U-ΔU，扰动观察法实现最大功率点跟踪控制的过程如图1.9所示。图1.9扰动观察法过程图这种方法通过在采样和检测的过程中不断的更新参考电压，使输出电压不断逼近光伏电池阵列输出最大功率时的那个电压值，因此，扰动观察法实际上是一种寻优搜索过程。这种方法的优点是可以实现模块化控制，并且跟踪方法简单，容易实现。但是这种方法只能使得光伏阵列工作在最大功率点附近，在实际应用中会损失部分功率。而且跟踪步长的选择也会对稳定状态下的控制精度和系统的动态响应速度有较大影响。ΔU较大时，系统的动态响应速度会变快，但是在最大功率点处的振荡会较大；ΔU较小时，在最大功率点处的振荡变小，但是系统对外界环境变化的响应能力变差[21]。图1.10是采用扰动观察法的控制流程图。图1.10扰动观察法控制流程图增量电导法也是最大功率点跟踪控制中常用到的算法之一。从光伏电池阵列的P-U曲线中可知，当输出功率P最大的时候，Pmax处的斜率是零，如此可知:（1.7）该式经整理，可得：（1.8）上式是光伏电池阵列工作在最大功率点的条件，即当输出电压的变化率等于输出瞬态电导的负值时，光伏电池阵列输出的功率最大。增量电导法的原理就是通过对光伏电池阵列的瞬时输出电压和输出电流进行采样，比较光伏电池阵列的电导增量和瞬时输出电压和输出电流进行采样，比较光伏电池阵列的电导增量和瞬间电导来得到控制信号使得光伏系统工作在最大功率点。该方法对稳态的控制精度高，动态响应速度快，因而适合环境变化频繁的场合。图1.11是增量电导法的控制流程图。图1.11增量电导法控制流程图流程图中的U、I是实时检测到的光伏电池阵列的输出电压值和电流值，Ub和Ib是前一周期对光伏电池阵列采样得到的电压值和电流值。增量电导法是通过设置一些很小的变化值来判断光伏电池阵列实时的工作区间。这种控制算法的优点是即使环境温度或者光照强度变化很快，该系统也可以稳定工作在最大功率点的领域内[22]，暂态振荡小于扰动观察法。但是该方法对硬件设备的精度要求很高，因此造价也很高。模糊逻辑控制法是一种不需要建立控制对象精确数学模型的相对比较简单的智能控制方法，它的动态响应速度非常快，可以对快速变化的环境进行跟踪，并且可以获得比较理想的效果。下图为采用逻辑模糊控制方法进行MPPT控制算法的流程图。图1.12增量电导法控制流程图采用模糊逻辑控制的方法需要确定几个因素，即使模糊控制的输入变量和输出变量、适合控制系统的控制规则、确定模糊化和逆模糊化的方法和适合的论域并确定有关参数。最优梯度法是以梯度法为基础的数值计算法，常常用来解决多维无约束最优化问题。这种方法运算简单，鲁棒性好。它的基本思想是选取目标函数的负梯度方向作为每步迭代的搜索方向，逐步逼近函数的最小值或最大值。对于光伏系统，一般选择正梯度方向，逐步逼近函数的最大值。1.1.3MPPT控制策略仿真搭建本论文采用增量电导法在PSCAD中通过编程实现MPPT控制。首先需要先测量当前的输出电压和输出电流值，与前一时刻采样得到的输出电压和输出电流值相减并作比，得到电流对电压的微分值，若微分值与瞬时电导值之差大于0.001，则增加直流侧电压参考值UDCref的单位步长；若微分值与与瞬时电导值之差小于0.001，则减小直流侧电压参考值UDCref的单位步长。为了评估在增量电导法下的MPPT控制效果，在室温下，光照强度分别为600W/m2、800W/m2、1000W/m2时，分别对输出有功功率进行了观察，波形图如图1.8。图1.13增量电导