1、本科生毕业设计说明书(设计论文)题 目:光伏发电系统建模及其仿真毕业设计说明书(毕业论文)I光伏发电系统建模及其仿真摘要伴随着能源危机和环境问题的不断加剧,清洁能源的发展进程被大大的推进了。太阳能作为一种新能源以其没有污染,安全又可靠,能量随处可以得到等优点越来越受到人们的青睐。无论从近期还是远期,无论从能源环境的角度还是从边远地区和特殊应用领域需求的角度考虑,太阳能发电都极具有吸引力。那么对光伏发电系统的研究则就变得既有价值又有意义。通过对光伏发电系统的理论研究学习,建立了完整的光伏发电系统体系,本文深入的研究了光伏电池在不同光照强度、不同温度下的电压、功率输出特性。本文的研究重点是光伏发电
2、系统的控制技术,以及在 MATLAB/SIMULINK 仿真环境下的仿真结果。讨论了多种最大功率点跟踪方法;且分别讨论学习了在光伏并网和独立发电系统情况下的逆变器和 MPPT 的控制,并建立了仿真模型,提出了相应的控制策略。且在最后论述了孤岛效应的产生和反孤岛策略,用电压频率检测法完成了孤岛检测与保护。关键词:光伏电池,逆变器,最大功率点跟踪,孤岛效应, MATLAB 仿真毕业设计说明书(毕业论文)IIAbstractWith the growing energy crisis and environmental problems, clean energy is greatly promot
3、e the development process. Solar energy as a new kind of energy for its no pollution, safe and reliable, widely available energy advantages, such as more and more get the favor of people. No matter from the near future or long-dated and, no matter from the Angle of energy and environment, or from re
4、mote areas and special applications demand point of view, solar power generation is extremely attractive. So the study of photovoltaic power generation system has become both a rewarding and meaningful. Through the study of theoretical research of photovoltaic power generation system, established a
5、complete system of photovoltaic power generation system, this paper in-depth study the photovoltaic cells under different illumination intensity, temperature, voltage, power output characteristics. In this paper, the research emphasis is the control technology of photovoltaic power generation system
6、, and the simulation results in MATLAB/SIMULINK environment. Discussed a variety of maximum power point tracking methods; And, respectively, to discuss the study under the condition of independent power generation and photovoltaic (pv) grid system of the inverter with MPPT control, and established t
7、he simulation model, put forward the corresponding control strategy. And islanding is discussed at the end of the production and the reverse island strategy, using frequency voltage tests completed island detection and protection. Keywords: photovoltaic batteries, inverter, maximum power point track
8、ing, islanding, the MATLAB simulation毕业设计说明书(毕业论文)III目录摘要 IAbstract I第一章 绪 论 .11.1 新能源发电的背景和意义 11.2 光伏产业的现状和前景 11.2.1 太阳能光伏发电的发展现状 11.2.2 光伏发电产业的前景 11.3 本文设计内容 1第二章 光伏发电系统概述 .12.1 光伏发电系统的基本工作原理 12.2 光伏发电系统的组成 12.3 光伏发电系统的分类 12.3.1 太阳能独立光伏发电系统 12.3.2 并网光伏发电系统 .12.3.3 互补型光伏发电系统 1第三章 光伏发电系统建模及其仿真 .13.1
9、 光伏电池阵列的建模 13.1.1 光伏电池阵列的数学模型 .13.1.2 光强和温度对光伏电池输出结果的影响 .13.1.3 太阳光光照强度模型 13.2 光伏发电系统的主电路模型 13.2.1 光伏并网发电系统的主电路模型 13.2.2 离网型光伏发电系统的主电路的模型 1第四章 光伏发电系统的控制技术 .14.1 光伏发电 MPPT 技术 14.2 电导增量法 14.2.1 电导增量法的原理 14.2.2 电导增量法改进 1毕业设计说明书(毕业论文)IV4.3 最大功率控制技术仿真 .14.4 光伏并网发电系统的控制 14.4.1 并网逆变器控制 14.4.2 电流环的分析建模 .14.
10、4.3 锁相环的原理分析 14.5 离网光伏发电系统的控制 14.5.1 光伏充电控制分析 .14.5.2 独立光伏发电系统的逆变器控制技术 1第五章 光伏并网系统中的孤岛效应 .15.1 孤岛效应的分析和危害 15.2 孤岛效应的检测 .15.2.1 孤岛检测标准 15.2.2 孤岛检测方法 1结论 .1展望 .1参考文献 .1致谢 .1毕业设计说明书(毕业论文)1第一章 绪 论1.1 新能源发电的背景和意义能源一直是人类社会生存和发展的动力和源泉。伴随着社会的不断发展和进步,化石能源的储量也在日趋枯竭。在国内,据官方统计,仅去年一年,中国的原油进口达 1.5 亿吨 1。按目前的消耗速度,中
11、国的现有能源储量至多可使用 50 年。可喜的是,随着科学技术的不断发展,人类发现了核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等多种新型能源。在化石能源的局限性和环境保护的压力下,世界上大部分国家加强了对这些绿色新型能源和可再生能源的发展支持。尤其是进入 21 世纪以来,世界各国对能源的需求越来越大。在德国、丹麦等国家可再生能源发电的装机已经达到较高的水平。为促进可再生能源的发展,各国不仅继续加大对可再生能源技术研发的投入,同时从立法和政策方面也都采取措施支持可再生能源的开发和利用,加快其发展步伐,使之成为实现能源多样化、应对气候变化和实现可持续发展的重要替代能源。我国高度重视可再生能源事业的发展,近年
12、来更加大了对可再生能源发展的支持力度,包括国家科技资金投入、政府性工程及优惠政策制定等。尤其是中华人民共和国可再生能源法的颁布,有力地推动了我国可再生能源发展的进程,进一步保障了我国发展循环经济概念和建设资源节约、环境友好型社会目标的实现。从能源供应等诸多因素考虑,太阳能无疑是符合可持续发展的理想的绿色能源,同时太阳能也即将成为 21 世纪最重要的能源之一。太阳能是从太阳向宇宙空间发射的电池辐射能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量,到达地球表面的太阳能为 8.2*109万 kW2,能量密度为 1kW/m2左右。太阳能发电有热发电和光发电两种方式。太阳能以其分布广泛,取之不尽,用之不竭
13、,又安全洁净等优点,正逐渐成为人类理想的新一代可再生能源。是人类最终可以依赖的能源。毕业设计说明书(毕业论文)21.2 光伏产业的现状和前景太阳能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式,是直接将太阳的光能转变为电能,多种发电方式中,光伏发电是主流。光伏发电是将照射到太阳能电池上的光直接变换成电能输出。1.2.1 太阳能光伏发电的发展现状1839 年法国物理学家贝克勒尔发现光生伏打效应(光电效应的一种)。19 世纪 70 年代赫兹根据光伏效应利用固体硒材料制成了光伏电池。1973 年全球石油危机爆发,导致能源价格大幅度上升,这引起了人们对光伏发电技术的浓厚兴趣 13。之后,光伏发电技术开始逐渐被关注
14、,各国政府和工业界的研究机构投入了大量的人力、物力加强光伏发电技术方面的研究和开发。太阳能光伏发电自 20 世纪 80 年代起发展迅速,每年以 30%到 40%的速度迅猛增长 2。为了鼓励太阳能技术的开发和利用,各国政府积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展 3。 1996 年,在美国能源部的支持下,美国政府开始了一项“光伏建筑物计划” ,投资 20 亿美元,1997 年美国政府在全世界率先宣布发起“百万太阳能屋顶计划气。2002 年,美国的光伏电池生产总量达到112.9MW,计划到 2010 年要求发电成本降到 7.7 美分/千瓦时。年可减排 COZ 351.1 万吨,总计可增加就业
15、 7.15 万人。该计划现已由加州施实。日本政府早在 1974 年就公布了“阳光计划” ,1993 年又提出“新阳光计划” ,旨在推动太阳能研究计划全面、长期地发展。日本相继颁布了一系列鼓励包括太阳能在内的可再生绿色能源研究与应用地法规,极大地推动了日本光伏工业地发展与应用。2002 年,日本的光伏电池生产总量已达到 254.SMW,并且以世界最快的增长速度一 48.6%增长,计划到 2010 年一半以上的新居屋顶将安装光伏太阳能系统。德国政府是世界上最早和最积极倡导鼓励光伏应用的国家之一。1990 年,德国政府率先推出“1000 太阳能屋顶计划” ,1993 年,德国首先开始实施由政府投资支
16、持,被电力公司承认的 1000 屋顶计划,继而扩展为 2001)屋顶计划,1998 年德国政府进一步提出了 10 万光伏屋顶计划,同时研究开发与建筑相结合的专用光伏组件等。1999 年 1 月起开始实施“十万太阳能屋顶计划” 。德国毕业设计说明书(毕业论文)3政府颁布的“可再生能源法”于 2000 年 4 月 1 日正式生效。 此外,意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙都有类似的计划,并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。从世界范围来讲,光伏发电己经完成了初期开发和规模应用发展,示范阶段,现在正在向大批量生产和规模应用发展,从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并网发电,其应用范围也己
17、遍及几乎所有的用电领域。并且光伏集中发电、光伏建筑等发展迅速,已逐渐成为市场主力。我国是世界上主要的能源生产和消费大国之一,提高能源利用效率,调整能源结构,开发新能源和可再生能源是实现我国经济和社会可持续发展在能源方面的重要选择。随着我国能源需求的不断增长,以及化石能源消耗带来的环境污染的压力不断加剧,新能源和可再生能源的开发利用越来越受到国家的重视和社会的关注。经过十年的努力,我国的光伏产业技术也有很大的提高,光伏电池转换效率也提高了。单晶硅电池实验室效率达 20%,批量生产率达 14%,多晶硅实验室效率达 12%,与发达国家的效率在不断减小。截至 2007 年 10 月,全国已建和在建的并
18、网光伏发电工程共有 30 多个,总装机容量达 1 OMW 左右。2007 年 8 月,国务院发布的可再生能源中长期发展规划更对并网光伏发电建设提出了明确的发展目标,到 2010 年,全国建成 1000 个屋顶光伏发电项目,总容量为 5万 kW;到 2020 年,全国建成 2 万个屋顶光伏发电项目,总容量达到 100 万 kW。到 2010 年,全国建成多处大型并网光伏电站,总容量为 2 万 kW;到 2020 年,全国光伏电站总容量达到 20 万 kW4。得益于近年来各方面对太阳能光伏产业发展的重视,目前我国已经形成了完整的太阳能光伏产业链。据了解,随着国内太阳能光伏发电的大规模应用及快速发展
19、,其上游的多晶硅大规模产业化生产及应用技术已日趋成熟,尤其是从国内及全球现有生产工艺水平看,已可实现整个多晶硅生产产业链和系统内部的封闭运行,从而接近零排放水平。但是与发达国家相比,我国无论在生产规模上,还是在自动化水平上仍然有很大差距,面临着严峻的考验。光伏企业的发展靠市场,光伏市场的发展靠政策。光伏发电成本高,无法与常规能源竞争,所以更需要政府制定强有力的法毕业设计说明书(毕业论文)4规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。1.2.2 光伏发电产业的前景光伏发电有两种发电方式:独立发电,并网发电。由于太阳能发电成本较高,光伏发电多数被用于偏远的无电地区,而且以户用及村庄用的中小系统居多
20、,都属于独立型用户。但是近几年科技不断发展,光伏发电的不断改进, 因此,光伏发电产业及其市场发生了极大的变化,开始由边远农村地区独立发电逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进。太阳能己经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是下一代“替代能源” 3。(a)光伏并网和光伏应用装机容量对比图 (b)光伏并网装机容量所占比例图 1.1 世界光伏应用领域年安装容量统计对比图1.3 本文设计内容本论文主要通过学习光伏发电系统的发电原理以及系统结构和控制功能,对光伏发电进行全面了解。针对光伏发电系统以及光伏组件的研究,建立相应合适的数学模型,运用 Matlab simulink 软件仿真在不同环境不
21、同温度下太阳能电池的输出特性和输出功率特性。其次,针对光伏发电的控制系统,研究不同的控制方式和控制策略,建立对系统影响较大的系统控制模型。毕业设计说明书(毕业论文)5第二章 光伏发电系统概述2.1 光伏发电系统的基本工作原理光伏发电系统是利用半导体材料的光生伏特效应,将太阳辐射能直接转化为电能的一种新型发电系统。所谓光生伏特效应 1,就是指物体在吸收光能后,其内不能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化,由此产生出电流和电动势的效应。这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地
22、域限制,因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期较短的优点。光能转换设备即光伏电池,是利用光生伏特效应把光能转换为电能的器件。目前光伏发电工程上广泛实用的光电转换器件主要是硅光伏电池,包括单晶硅、多晶硅,和非晶硅电池,其中单晶硅光伏电池的生产工艺技术成熟,已进入大规模产业化生产。现以晶体硅为例描述光发电过程。如图 2.1 所示,P 型晶体硅经过掺杂磷可得 N 型硅,形成 PN 结。当光线照射光伏电池表面的时候,一部分光子被硅材料吸收;光子的能量传递给硅原子,使电子发生跃迁,成为自由电子在 PN 结两侧集聚形成电位差,当外部接
23、通电路时,在该外部电压的作用下,将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。毕业设计说明书(毕业论文)6图 2.1 光生伏特效应原理2.2 光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统通常由 2太阳电池组件、蓄电池、控制器、逆变器、等几部分构成。光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源其实无处不在。(1)太阳电池组件 太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池,有单晶硅、多晶硅、非晶硅等。由太阳能电池组件按系统要求串、并联而成,它是太阳能光伏系统的核心部件。(2)蓄电池 光伏发电系统中的储
24、能设备。当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳能电池组件所需发电量时,将储存的电能释放以满足负载的能量需求。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池。(3)控制器 整个光伏发电系统的核心控制部分。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制,并按照负载的电源需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载的电能输出。随着太阳能光伏产业的发展,传统的控制部分、逆变器以及监控系统集成的趋势。(4)逆变器 逆变器有离网逆变器和并网逆变器,是将太阳能电池组件产生的直流或者蓄电池释放的直流电转换为负载需要的交流电。通过全桥电路,一般采用空间矢量脉宽调制(SPWM)处理器经过调制、滤波、升压等,得到与负载频率、额定电压等相匹配
25、的正弦交流电供电系统终端用户使用。毕业设计说明书(毕业论文)72.3 光伏发电系统的分类光伏发电系统通常分为独立光伏发电系统、光伏并网发电系统以及互补型光伏发电系统。不同类型的光伏发电系统特点和组成各不相同,应用场合和环境也有所差异,下文着重介绍独立光伏发电和并网光伏发电系统。2.3.1 太阳能独立光伏发电系统独立的光伏发电系统是指在内部封闭电路内消耗光伏电力,不与电网连接,直接向负载供电。主要应用于部队通信系统,卫星通信,铁路公路信号系统,气象、地震台站等偏远地区。鉴于我国边远山区多,独立光伏发电系统有着广阔的发展市场。独立光伏发电系统由太阳电池组件阵列、充放电控制器、逆变器、蓄电池组等组成
26、。与并网不同的是,为保证负载供电的连续性,独立光伏发电系统必须配置储能设备(蓄电池组) 。其具体的工作原理是:白天在太阳光的照射下,光伏阵列将接收的太阳辐射能量(直流电流)通过控制器一部分传送到逆变器转换成交流电,一部分经过充放电控制器以后以化学能的形式存储在蓄电池中。当太阳光不足时,存储在蓄电池中的能量经过逆变器后变成方波或 SPWM 波,然后再经过滤波和工频变压器升压后变成交流 220V、50Hz 的正弦电源供给交流负载使用。其运行结构框图如图 2.2图 2.2 独立运行太阳能光伏发电系统结构框图独立光伏发电系统有其优点也有不足。优点是简单、经济、灵活、适用范围广泛;不足之处在于蓄电池的使
27、用寿命远远小于光伏组件寿命,因此需要经常更换,而且用电可靠性差,管理控制分散,一般用于用电量小,分散性大的太阳能电池板 DC/DC 蓄电池 直流负载控制器 逆变器 交流负载毕业设计说明书(毕业论文)8用电负荷。2.3.2 并网光伏发电系统太阳能并网光伏发电系统就是太阳电池阵列中的半导体材料在接收到太阳光辐射时产生的“光伏效应” ,将太阳光辐射能直接转换为电能。无需蓄电池储能,直接通过并网逆变器把电能送上电网运行。由电网进行管理控制,像一个发电厂连接到国家电网的发电方式,是电网的补充。其运行模式是在太阳辐射的条件下,光伏组件阵列输出地电能经过直流汇流箱集中送入直流配电柜,经过 DC/AC 并网逆
28、变器转换后并入电网。并网系统中 PV 方阵所产生的电力除了供给交流负载外,多余的电力回馈给电网。在太阳光不足的时候,光伏组件产生的电能或者产生的电能不能满足负载需求是就由电网供电。光伏并网发电系统结构如图 2.3 所示。图 2.3 光伏并网发电系统结构框图目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式,其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统,由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关,使得系统具有不间断电源的作用,这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。此外,该系统还可以充当功率调节器的作用,稳定电网电压、抵消有害的高次谐
29、波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池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,在此系统中,并网逆变器将太阳能电池板产太阳能电池板 DC/DC 逆变器电网交流负载控制器毕业设计说明书(毕业论文)9生的直流电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能,当主电网断电时,系统自动停止向电网供电。现在,世界光伏发电系统的主流应用方式是光伏并网发电方式,与离网太阳能发电相比,并网发电系统有其独特之处。首先它利用清洁干净的能源,而且是可再生能源,使用中不排放无污染物和温室气体,有利于生态环境的和谐发展,符合可持续发展战略。其次,所发的多余电能馈入电网,把电网当作储能装置,省掉了蓄电池,比离网光伏发电
30、在经济建设上减少了 35%到 45%的投资,大大降低了发电成本,更重要的是,省掉蓄电池之后,降低了系统平均故障时间,也杜绝了蓄电池的二次污染。再者,光伏电池组件可以与建筑物完美结合,既可以发电又能作为建筑材料和装饰材料,是物质资源充分利用,发挥了多种功能。分布式的建设,就地分散供电,进入和退出电网灵活自如,既增强了电力系统抵御战争和自然灾害的能力,又改善了电力系统的符合平衡。不足之处就是只有在晴朗的白天才能比较稳定提供电力,一旦没有了日照,就会导致发电量下降,干扰电网。 2.3.3 互补型光伏发电系统风/光互补光伏发电系统由光伏电池阵列、风力发电机、控制器、逆变器、蓄电池组、耗能负载箱、支架等
31、组成 6。太阳能和风能在时间和地域上有很强的互补性。白天太阳光强的时候,风小,晚上太阳落山后,光照弱,但由于地表温差大而风加强。在季节上,风光也有同样的互补效果。而且,风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的。风/ 光互补型发电系统结构如图 2.4 所示。 其具体工作原理:风力发电机经整流后与太阳电池组件产生的直流电流通过控制器一部分传送到逆变器转化成交流电,一部分对蓄电池充电;当风力小阳光不足或夜间的时候,蓄电池通过直流控制系统向逆变器送电,经逆变器转化为交流电供交流负载使用 4。毕业设计说明书(毕业论文)10第三章 光伏发电系统建模及其仿真3.1 光伏电池阵列的建模3.1.1
32、 光伏电池阵列的数学模型太阳能电池的基本特性可以用其电流和电压的关系曲线来表示,电流、电压之间的关系又是通过其他一系列参变量来表示的。特别是与太阳能电池表面的日照强度和电池温度等有关。理想的光伏电池等效电路如图 3.1.图 3.1 光伏电池等效电路由串并联电阻、二极管、光生电流源组成。 是光生电流,当光照恒定时,h毕业设计说明书(毕业论文)11由于光生电流不随光伏电池的工作状态而变化,因此可以等效为恒流源。在光伏电池的两端接上负载后,负载端电压反作用于 P-N 结上,产生与光生电流方向相反的电流 I.串联等效电阻 RS 表示电池中电流受到的阻碍作用,其数值取决于 P-N 结深度、半导体材料的纯
33、度和接触电阻。串联电阻越大,线路损失越大,光伏电池输出效率越低;旁路电阻 与电池对地的泄漏电流成反比 5。光伏阵h列的输出电压、电流关系式如下:(3-1)=(+)1)+式中:A 为二极管的理想因子, 玻尔兹曼常数1.38*10 -23J/K ,q=1.6*10-19C,为电子的电荷量; 为温度,R sh 和 RS 为并联和串联电阻。由于光生电流 与光伏电h池的瞬间光照强度 ETP 成正比增加,并且当取 298K(25)为温度零点时, 随温h度的增高将产生+0.1%的变化 3。由此可得:(3-2)=5.461031+0.001(298)假定 =100Mw/cm2,整个装置的温度比气温高出 30。
34、得出装置温度表达式:(3-3)=+0.31000由以上式建立方程组,可得出光伏阵列的理想输出特性。根据光伏组件的等效电路建立 simulink 仿真模型,如图 3.2(1)为光伏组件的封装模型图,毕业设计说明书(毕业论文)12图 3.2(1)光伏电池封装模型图上图中 T 为电池温度,R 为光照强度,V PV, Iout 分别为光伏阵列的输出电压和输出电流。这是光伏组件的通用封装模型,在模块内部输入不同的参数即可模拟出不同条件下的 I-V 和 P-V 特性。如图 3.2(2)为光伏组件输出特性仿真模型图。 图 3.2(2)太阳能光伏组件仿真模型毕业设计说明书(毕业论文)13利用 MATLAB 环
35、境对光伏电池的模型进行仿真,此时光强为 100Mw/cm2,大气温度为 25。如图 3.3,曲线 1 为光伏阵列输出电压-电流特性的仿真结果,曲线 2 是光伏阵列的输出功率-电压特性仿真结果。(1) (2)图 3.3 光伏阵列的输出特性曲线3.1.2 光强和温度对光伏电池输出结果的影响(1)光照强度为 1000W/m2时,温度为 25时,仿真得到的光伏电池单元的输出特性如图 3.4图 3.4 光伏电池未被遮挡时的输出特性当光伏电池被遮挡时,理论上,与光照强度直接相关联的光生电流将明显毕业设计说明书(毕业论文)14下降,从而光伏电池的短路电流也相应下降。但其开路电压基本不变。输出功率会下降。仿真
36、验证:光强为 500W/m2,温度为 25图 3.4 光伏电池单元未被遮挡和遮挡后的比较由图可以看出,光照强度下降了一半,短路电流也相应下降了一半,而开路电压基本不变。由此可得出, 当 1 个电池组件中的某个电池单元被遮挡,最直接的影响是该电池的输出能力下降,表现为短路电流下降。(2)从数学模型中可以看出光伏电池的输出特性也受到温度的影响,为了验证推理的正确性,在上图的仿真环境下,设定在相同光照条件下,改变电池温度,观察输出特性的变化,仿真结果如图 3.5 所示。图 3.5 相同光照下,不同温度光伏电池的输出特性毕业设计说明书(毕业论文)153.1.3 太阳光光照强度模型光伏发电系统常年位于一
37、个地方,光伏电池阵列所接收到的光照强度受各种外界因素的影响,如地理条件,天气变化地球纬度等。下文主要研究和模拟固定地方一天内的光照强度的变化。一般来说,固定地方一天内的光照强度可视为满足一定分布规律的随机变量。根据实际测验结果分析,一天内的光照强度变化曲线近似为正态分布曲线。举例来说,例如内蒙地区的光照强度在早上 6:00 达到光伏发电系统工作的最低要求,而在下午 13:00-14:00 达到一天光照强度最强,在傍晚 5:30 又降到光伏发电系统工作的最低要求。对于一天内的光照强度可以模拟为:早上六点以分段的线性增长,此时系统开始运转,到下午 13 点到 14 点达到最大值,之后以分段的线性递
38、减至 5 点半到最小值,此时整个系统停止运转。为了方便研究,对各段加以一定的函数,考虑干扰因素(阴影,云等) ,取方差 0.001(标幺值) 。根据经验,最适合的分布类型应为 Beta 分布,这是一种在(0,1)之间的连续分布函数,其概率密度分布为 3(3-4),=1(,)1(1)1其中 m,n 为正数,规则化因子 B(m,n)是 Euler 的 B 函数,取值满足下式(3-5)(,)101(1)1=()()(,)其中 (.)为 gamma 的函数,m,n 的取值因地制宜,考虑到仿真的时候 m,n难确定,并且 Beta 分布序列生成较难,可采用加以改进的正态分布代替 Beta分布。确定了光照强
39、度随机变量的分布,均值和方差,即可仿真,得到光照强度模型如图:毕业设计说明书(毕业论文)16图 3.6 内蒙古地区一天内光照强度变化曲线 3.2 光伏发电系统的主电路模型主电路中,除电力电子器件外,还包括电阻,电感,电容,变压器等线性器件,这些器件的模型较简单,主电路的数学模型一半不需要用户建立,用户更多的是建立自己可视性的主电路图即可。3.2.1 光伏并网发电系统的主电路模型图 3.7 为光伏并网发电系统的结构示意图 19,整体结构由前级升压变换器,后级全桥变换器,负载 RLC,前后级控制器组成。光伏电池阵列输出的电能,经升压变换器升压并汲取最大功率后,利用全桥逆变器将直流电能转换为交流电能
40、馈入电网;另外,加上 RLC 负载,模拟电力系统上的用户端等效负载,作为检测孤岛效应。毕业设计说明书(毕业论文)17图 3.7 光伏并网发电系统结构图了解并掌握了主电路元器件模型后,即可搭建光伏发电系统的主电路模型,以并网单相光伏发电系统为例。如图 3.8 是单相光伏发电系统中逆变器的主电路模型图。图 3.8 单相光伏发电系统中逆变器主电路模型在 simulink 中完成原理图搭建,并对所有的器件的参数进行合理设定,则完成了该光伏发电系统的主电路模型的建立。3.2.2 离网型光伏发电系统的主电路的模型离网型光伏发电系统主电路图如下 3.9:图 3.9 离网型光伏发电系统主电路图毕业设计说明书(
41、毕业论文)18离网型光伏发电系统采用恒压跟踪 CVT 方式实现对太阳能电池的最大功率跟踪,可有效提高光伏电池的工作效率,同时也改善了整个系统的工作性能。由图可知,主电路拓扑结构为 BUCK 型变换器,利用脉冲宽度调节来控制主电路IGBT 的占空比,以改变对蓄电池的充电电流,由此实现对太阳能电池的恒压跟踪,使太阳能电池的输出功率接近最大功率。CVT 跟踪方式的具体内容在下文中会详细介绍。第四章 光伏发电系统的控制技术4.1 光伏发电 MPPT 技术在光伏发电系统中,光伏电池的利用率除了与光伏电池的内部特性有关外,还受环境和温度等因素的影响。在不同的外界条件下,光伏电池可运行在不同且唯一的最大功率
42、点上。因此,对于光伏发电系统来说,应寻求光伏电池的最优状态,以最大限度地将光能转换为电能。利用控制方法实现光伏电池的最大功率输出运行的技术被称为最大功率点跟踪技术。一般正常情况下,随温度和辐照度变化的光伏电池 U-I 和 P-I 特性曲线分别如图 4.1、4.2 所示 13。毕业设计说明书(毕业论文)19图 4.1 相同辐照度而温度不同条件下的光伏电池特性图 4.2 相同温度而不同辐照度条件下光伏电池特性显然,光伏电池运行受外界环境温度、辐照度等因素的影响,呈非线性特征,因此数学模型很难精确的表示光伏电池特性。理论上,当光伏电池的输出阻抗和负载阻抗相等时,光伏电池输出功率最大。也就是说,如能通
43、过控制实现对负载阻抗的实时调节,使其跟踪光伏电池的输出阻抗,就可以实现光伏电池的 MPPT 控制。传统的 MPPT 方法依据判断方法和准则的不同被分为开环和闭环两种 1。开环 MPPT 方法主要基于一些比如光伏电池的最大功率点电压 Umpp 与光伏电池的开路电压 Uoc 之间的近似线性关系等基本的规律。此方法简便易行,却对光伏电池的输出有较强的依赖性,且效率较低。闭环 MPPT 是通过对光伏电池输出电压和电流值的实时测量与闭环控制来实现,采用最广泛的自寻优算法,典型的自寻优算法有扰动观测法和电导增量法,接下来本文主要介绍一下电导增量法 11。毕业设计说明书(毕业论文)204.2 电导增量法由图
44、 4.2 可看出,正常光照条件下光伏电池的输出 P-U 特性曲线是一个以最大功率点为极值的单峰值函数,因此,在最大功率点处有(4-1) =0因此最大功率点跟踪实质上就是搜索满足 / =0 的工作点,由 / 代替 / 。 4.2.1 电导增量法的原理电导增量法是根据光伏电池输出功率随输出电压变化率而变化的规律出发的,进而推出了系统工作点位于最大功率点时的电导和电导变化率之间的关系,后提出相应的 MPPT 方法。如图 4.3 所示,是光伏电池 P-U 特性曲线及 / 变化特征,即在光强一 定的情况下仅存在一个最大功率点,且在最大功率点两边 / 符号相反,而 在最大功率点处 / =0。 0.5输出功
45、 率标幺值0端电压标幺值 0.9图 4.3 光伏电池 P-U 特性的 / 变化特征 / =0 / / 0 0 最大功率点 (4-5)= 最大功率点右边-I/U I=0? I0?毕业设计说明书(毕业论文)22Y YNN N图 4.4 电导增量法流程图电导增量法的优点是 MPPT 的控制稳定度高,当外部环境参数变化时,系统能平稳地追踪其变化,与光伏电池的特性及参数无关。缺点就在于其步长固定,追踪时间难以控制。4.2.2 电导增量法改进基于上文提到的电导增量法的缺点,为了提高电导增量法进行大功率跟踪时的快速性和准确性,我们采用变步长改进电导增量法。下面简单介绍两种变步长的电导增量法。其一是基于光伏电
46、池 P-U 特性曲线的变步长电导增量法。在离最大功率点较远的时候,步长可以适当增大,这样可以提高 MPPT 的追踪速度;而到了最大功率附近区域时,跟踪的步长可以适当的减小,这样可以提高 MPPT 的准确度 1。其二是基于光伏电池 U-I 特性曲线的变步长电导增量法的基本思路。由光伏电池 U-I 曲线可得出,类似恒流源和恒源的区域范围的比例较大,采用电导增量法时,在恒流源的区域里可加大步长,在恒压源的区域里适当的减小步长,最后利用电导增量法判据判断是否已经到达最大功率点处,若满足判据,则停止扰动。需要设 MPPT 的步长 使得步长随输出电压与最大功率点=|, 处电压距离的大小而变化。改进后的变步
47、长的程序流程图如图 4.5 所示。Uref= Uref- U*Uref= Uref+ U* Uref= Uref- U* Uref= Uref+ U*I(k-1)=I(k)U(k-1)=U(k)返回毕业设计说明书(毕业论文)23计算 stepNYNYN图 4.5 改进后的梯度变步长流程图4.3 最大功率控制技术仿真最大功率控制技术模型包括光伏阵列模型、MPPT 模型、PWM 脉宽调制模型、DC-DC 变换器模型,光伏阵列模型在上章中已经学习过,接下来我们介绍下其它几种模型。MPPT 模型中我们主要介绍电导增量法的仿真模型,如图 4.6输入值 U1, U2, I1 ,I2=|=/=0 =0 =0
48、+返回开始毕业设计说明书(毕业论文)24图 4.6 电导增量法的仿真模型PWM 脉宽调制模型是基于 MPPT 模块的输出信号作为后级 DC-DC 电路开关器件的驱动信号,“Repeating Sequence“输出的三角波作为载波,与 MPPT 模块的输出信号作比较后,作为“Switch“ 的输入信号,“Switch“ 的输出 PWM 信号驱动 DC-DC 电路。其中,三角载波的频率决定 PWM 频率。如图 4.7图 4.7 PWM 脉宽调制仿真模块DC-DC 变换器模型是通过调整 DC-DC 中功率开关管控制信号的占空比,来获取光伏系统工作输出的最大功率点,进而实现 MPPT 控制。Boost 电路是升压变换器,使得光伏阵列的配置比较灵活,再通过适当的控制策略可以使 毕业设计说明书(毕业论文)25Boost 电路的输入电压波动较小,提高系统最大功率点跟踪的精度;还有就是Boost 电路在结构上与网侧逆变器下桥臂的功率管共同接地,驱