【《光伏并网基本理论基础概述》6000字】

PAGE51大学硕士学位论文光伏并网基本理论基础概述太阳能电池发展初期阶段，由于技术以及生产规模等因素的影响，因此生产的器件成本过高，生产的光伏发电装置主要用于偏远山区，在当时还无法实现并网，这样的发电方式我们称之为独立型发电装置。随着电力电子技术的突飞猛进，各种控制策略的完善，光伏发电逐渐由独立型转向为并网发电类型。太阳能不再是作为补充能源，而是作为石油煤炭的替代能源登上历史的舞台。由于光伏并网的特殊性，实现光伏并网会对电网造成诸多影响，正是在这样的背景下，为了保障电网安全稳定的运行，需要深入分析光伏并网的基本理论，下面对本文采用的MPPT控制策略及电池基本模型进行研究分析[21]。1.1光伏并网标准我国制定的光伏并网标准相当较晚，主要参考的是国际相关标准：IECJEEE以及ffiC61000电能质量系列，根据近些年的研究，光伏并网主要对电网质量有以下几个方面影响：①电压偏差，②谐波含量，③频率波动，④电压稳定性等。下面通过表1.1详细列举光伏并网的详细规定和要求[22]。1.2光伏电池简介1.1.1光伏电池基本原理光伏发电系统当中最基本的模块单元就是独立的光伏电池板，通过光生伏打效应，即可有效的完成太阳能向电能的转变。光伏电池的基本原理是将光伏电池看成一个半导体光电二极管，当太阳能传递到光电二极管后，通过一系列的转化作用，即可将太阳能转化为电能，这样就能够形成一定的电流，下面通过图1.1对光伏电池的运行机理进行研究分析，在制作光伏电池时，一个正极一个负极，形成两层半导体模型。当太阳光照射到设计的N层时，在P-N接触面就会形成电流，当在P-N结两端加上输出线路接到负载两端，即可实现供电功能。表2-1光伏并网标准中电能质量规范参数国际通用中国电压偏差频率偏差电压波动谐波和波形畸变直流注入分量电压不平衡度功率因数接入电网电压等级小型光伏电站：低压配电网0.4KV中型光伏电站：配电网10-35KV大型光伏电站：66KV以上输电网或配电网部分图1.1光伏电池原理示意框图1.1.2光伏电池的等效电路模型图1.2光伏电池等效电路模型如图1.2所示为光伏电池的电路等效模型，其中箭头方向表示的为电压电流的实际流向，此时的光伏电池输出电流数值为[23]：（1.1）其中，光伏电池内部等效的并联电阻流过的电流用表示，光伏电池内部等效的二极管电流用表示，光生电流用表示。若干个光伏电池板通过串联的方式就构成了光伏阵列，将若干个光伏阵列按照一定的规律串并联组合，最后进行封装后组成，将，的表达式带入1.1中，可以得到光伏阵列输出电流表达式：（1.2）其中，串并联光伏电池数目用表示，光伏阵列内部蹬掉的二极管P-N结的反向饱和电流数值用表示，T表示绝对温度数值，q为电子电荷数值，K为玻尔兹曼常数，A为P-N结的曲线系数，光伏阵列的等效电阻用表示，光伏阵列输出的电压电流分别为表示。通常情况下，由于要远远大于，即并联等效阻抗起主要作用，因此在进行分析时，可以对式1.2进行有效的简化[24]：（1.3）反向饱和电流的数学表达式为：（1.4）其中，半导体材料跨越能间带间隙时，需要消耗的能源用表示，光伏阵列的参考温度用表示，光伏阵列在温度时刻，反向饱和电流数值为表示。光生电流的数学表达式为：（1.5）其中，日照强度用表示，单位（），光伏阵列在参考温度数值下，1日照条件下的短路电流数值用表示，短路电流的形成的温度系数为，单位（）。因此，光伏阵列最后的输出功率表达式可以写为：（1.6）从上述表达式可以看到，当日照温度和光照强度不同，光伏阵列的输出功率、输出电压电流也会随之发生变化。1.1.3光伏电池的输出特性图1.3表示的为光伏阵列P-V特性曲线示意图，从上述曲线可以清晰的看到，当光伏阵列电压参数小于时，此时随着输出电压的上涨，输出功率也会逐渐升高，当工作电压达到某一数值，如高于时，输出功率的数值随着输出电压的升高而开始下降，从上面的分析可以看到，MPPT主要的工作原理是在不断寻找优化解的过程，对控制器的输出端出的电压参数进行控制，可以保证不同的光照和温度条件下，光伏阵列就有良好的输出效果，从而提升光伏电池的运行性能。图1.3光伏阵列P-V特性曲线根据上面的介绍和分析，不难发现，光照强度和温度等发生变化后，均会对开路电压以及短路电流产生一定的影响，当影响因素发生变化后，系统的工作状态也会发生变化，因此系统的效率会发生变化，当工作点没有处于最佳工作状态点时，系统的效率必然下降。因此，需要我们深入分析各种控制策略，从而完成最大功率点跟踪特性，从而在各种不同环境下均能够使光伏阵列获得最大功率输出。1.1.4光伏电池最大功率点跟踪原理随着外部光照强度及温度的变化，光伏电池输出功率也相应的产生一定的不同，当温度及日照强度处于恒定状态下，此时输出电压参数决定整个输出功率，因此改变电压参数即可有效改变输出功率，当电压达到理想数值时，此时获得最大的输出功率，我们将该点称之为最大功率点（MaximumPowerPoint,MPP）；如图1.4所示为光伏阵列等效工作电路示意图，实现最大功率跟踪（MaximumPowerPointTracking,MPPT）主要指的是根据的当前外部环境的变化，有效调整相对应的光照和温度等参数，完成整个工作点的调整后，保持该点恒定状态下，从而长期维持最大功率点运行特性[25]。图1.4光伏阵列工作等效电路当前调节最大功率点跟着特性大多是采用DC/DC变换器的方式完成，维持稳定的输出电压参数。此外根据图1.4所示的光伏阵列工作等效电路可以清晰的看到，其中电源部分表示的为光伏阵列，电源内阻设定为R并与外界环境保持密切联系。当外部条件发生变化后，为了简化分析。因此可以将DC/DC变换电路模块视为负载，根据等效电路可以清晰看到。进行MPPT控制的实质是对光伏阵列电路模型的阻抗匹配分析，通过不断调整电阻R参数从而获得最佳的输出功率，当变换电路等效负载阻抗与光伏阵列内阻R保持一致时，输出的功率保持最大，从而完成MPPT跟踪特性。下面以Boost电路为例，简单对MPPT的跟踪实现过程分析，当将负载看成纯电阻电流后，此时系统处于理想状态，无任何阻抗运行，根据上面的分析可以通过式1.7表示Boost电路的等效输入阻抗：（1.7）在式1.7中的计算等效阻抗的表达式中，D的变化对的数值产生决定性影响，因此需要不断调节占空比D的取值，完成阻抗匹配，从而实现最大功率点跟踪特性。图1.5Boost电路示意图1.3最大功率点跟踪控制策略下面对常用的几种MPPT控制策略方法简单介绍分析，主要包含：恒定电压控制法、三点重心比较法、开路电压法、最优梯度法、扰动观察法等。1.3.1恒定电压控制法恒定电压法控制原理：在实验时保持光照强度恒定，此时输出功率也保持在恒定状态，此时对开路电压进行检测，可知其影响因素仅与电池参数设置相关，跟图图1.6所示示意图，在忽略温度对系统运行产生的影响前提下，可以获得太阳能电池的P-V特性曲线。当保持电压为恒定状态下，即为恒定电压控制法，然后开展相关实验依次获取各个参数，根据上面讲到的实现稳压控制的各个步骤，从而获得光伏阵列最大稳定运行点。图1.6忽略温度效应时光伏电池的P-V特性曲线采用恒定电压法特点：改方法实现起来十分简便，输出稳定具有良好的可操作性，但该方法最大的难点在于无法精准的把握输出，因此无法实现高精度的动态跟踪特性，因此对系统高精度的输出造成一定影响。此外为了简化分析，忽略温度等影响参数造成的影响，但在实际应用状态下，温度也是十分重要的参考指标之一，为了获得与实现运行情况下更真实的数据，弥补理想环节下方案运行的不足和缺陷，特别是秋冬天气变化等对温度产生的差异，因此采用的恒定电压分析法需要一定的优化和改进：（1）根据季节天气变化调整温度，从而获得最佳的最大功率点运行数据，该方法要求相对较高，需要及时采集外界温度并作出调整，因此步骤十分繁琐，因此实际应用相对较少。（2）当太阳能光伏阵列的温度采集数据差异较大的情况下，对输出功率也会产生重要影响，此外对采集得到的温度和电压等参数需要保存在可长期存储的设备中，通过逻辑控制器进行分析计算，当找到最佳运行点后保持光伏阵列长期温度的功率输出。1.3.2三点重心比较法三点重心比较法主要运行机理是首先采集两个数据点的参数，然后对获得的两个点参数比较分析，此外结合当前运行的工作点以及前一个扰动点分布进行研究分析，从而快速的判断出功率的变化方向和影响因素，根据变化规律进而调整工作电压。采用三点重心比较法能够有效调节功率但该方法也存在一定的缺陷，如计算不准确易引发误判，造成大量损失，此外当温度和光照强度变化缓慢的前提下，也会影响数据的研判，因此为了提升判断的精确性，结合图1.10所示的三点重心法对其运行工作原理进行分析说明[26]：图1.10在最大功率点附近可能发生的状况示意图当在最大功率点附近处发生突变情况后，此时分别用参数，，；，，；，，表示A、B、C三点处的电压、电流、扰动数据量，在获取上述所有的参数数据后，带入到计算公式中，并采用参数M表示三点的功率数值，当M=0时，此时扰动量维持在恒定状态，当M=2时，扰动量有所增加；当M=-2时，此时扰动量有所下降。尽管采集上述各个参数数据后，带入到计算公式中可以获得详细的扰动量参数，由于计算繁琐，需要较大的内存保持空间，因此，一定程度上限制了三点重心比较法的应用。1.3.3开路电压法如图1.11所示为开路电压法硬件结构图，当采用该方法分析最大功率点状态时，此时工作电压参数与开路电压之间存在一定的关联因素，通常情况下其数值位置在0.76左右（误差在±2％）。采用该算法对输出的电压进行计算分析时，其开路电压按照0.76倍系数计算，通过该方法即可有效的保障光伏阵列处于最大运行状态，因此能够获得较为理想的跟踪性能。图1.11开路电压法硬件结构图当对开路电压各个参数进行测量和分析时，需要根据需要完成对开关管T型按钮的开通和管段，从而获得该运行状态下的电压和电路信号参数，从而计算各个参数数据。当采用开路电压进行测量和分析时，计算效率快，输出精度高，因而获得广泛青睐，此外该方法不受外界温度和光照强度变化的英雄，因此实现起来简单便捷，因此无需考虑振荡效应产生的影响。此外光伏系统输出功率保持为连续状态，数据采集保持稳定，为了获得最佳的采集和输出效果，因此要求外界具有良好的工作环境，因此该方法对外界硬件条件要求较高。1.3.4最优梯度法最优梯度法最大的优点在于讷讷个够很好的解决多维无约束等问题，以梯度为基础分析，因此计算前需要选取合适的目标函数，迭代搜索分析前需要设定必要的方向，当前大多以负梯度为主要选取方向，根据课题的研究特点及要求，设定正梯度为正向，为了获得最优效果，往往采用逐渐逼近最小值的方法。该方法应用简便使用广泛，大多用于求取函数极值，由于本文主要对光伏太阳能板的功率P-V及电压的非线性特性分析，为了获得最大功率点跟踪性能通过采用MPPT跟踪的控制方法，从采用的最优梯度法使用来看，MPPT跟踪控制主要实现的就是求取P-V特性曲线上的最值问题。下面对最优梯度法相关定于描述：若某一欧式空间n维函数，为连续且可微分一次，故∇f(x)存在且为一n维的列向量（rowvector），定义一个n维的行向量（columnvector），一般定义为[27]：（1.8）根据上面的定义要求，当采用梯度迭代后，有式1.9所示：（1.9）式1.9中，表示为正数，具体应用状态下还需要根据梯度的方向进而确定具体的搜索方向，通过分析计算，得到函数计算的极小值，为了简化分析，往往忽略电阻对设备运行产生的影响，得到此时功率、电压等计算表达式：*V（1.10）此外分析时通常将作为非线性函数研究，由于该函数具有连续且一次可微等特点，当将电压作为唯一的变量分析时，有式1.11所示计算表达式：（1.11）根据式1.11所示公式带入式1.12中，得到如下迭代计算式：（1.12）根据公式1.12所示表达式，通过电压特性曲线的方式表示，因而得到有关电压参数的边界条件，此外应用梯度相关数据算法，并通过表达式计算最大功率点跟踪特性，从而完成MPPT的搜索跟踪，具体搜索过程如图1.12所示。图1.12采用最优梯度法调节MPPT跟踪示意图1.3.5扰动观察法当前使用MPPT跟踪控制策略使用最多的是扰动观察法，该方法运行机理是通过周期性的变化方式有效改变太阳能光伏电池板的输出功率并及时根据负荷发生的变化，对电压和功率及时的调整，进而为后续实现最大功率点跟踪奠定基础。当输出功率等各个参数变化相对较大的情况下，此时方向会保持一致，当输出功率等各个参数变化相对较小的情况下，此时方向会产生微小变化。根据对扰动观察法深入研究分析可知，根据需要及时调整输出电压进而达到最大功率点等位置处，如图1.7所示为扰动观察法跟踪示意图，根据图中所示数据可知当处于最大功率点跟踪点时用参数表示，在左边的处，为了分析方便，因此假设此时输出电压用表示，输出功率用表示，当输出电压表示为时，此时输出功率用表示，根据上面两个输出功率和表示的数值分析，从而获得光伏太阳能电池板运行的工作点，进而为下一步实现调节实现MPPT跟踪提供指导。经过一定时间的调整和跟踪，当工作点处功率达到后，此时工作点处于位置处，继续提升电压的高度到，因而有，根据上面两个输出功率和表示的数值比较分析，从而获得光伏太阳能电池板运行的工作点，进而为下一步实现调节实现MPPT跟踪提供指导。当对输出电压进行调整时，此时需要减去，根据需要对对应用的变化参数分析，不断调整最大功率点实施的措施方案尽可能的逼近最大功率点运行，实现MPPT跟踪性能[28]。通过对扰动法运行的机理详细分析可知，该方法整体结构较为简单，仅需采集较少的参数即可实现MPPT的跟踪特性，此外采用扰动观察法具有良好的适应性，在多个场合获得广泛应用，且具有优良的跟踪性能。该方法也存在一定的缺点，如经过长时间调整后达到了最大功率点位置处，如果此时产生扰动影响信号，对系统运