[碩士論文精品]太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究1.pdf

摘要 摘要 隨著傳統(tǒng)能源消費(fèi)的增長、生態(tài)環(huán)境的日益惡化和人類可持續(xù)發(fā) 展的要求，世界各國都在積極開發(fā)無污染可再生的新能源。太陽能資 源豐富、分布廣泛、可以再生、不污染環(huán)境，使得太陽能光伏發(fā)電成 為新能源開發(fā)中的主流。太陽能作為一種可再生能源它潔凈無污染， 并可持續(xù)利用，光伏發(fā)電技術(shù)也越來越受到人們的關(guān)注，隨著光伏組 件價(jià)格的不斷降低和光伏技術(shù)的發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)將逐漸由 現(xiàn)在的補(bǔ)充能源向替代能源過渡。本論文以太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)為研 究對(duì)象，以最大限度利用太陽能為主要目標(biāo)，開展了太陽能光伏發(fā)電 系統(tǒng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制的理論和試驗(yàn)研究。 論文首先分析了太陽能電池的模型及輸出特性，針對(duì)光伏陣列提 出了一種新的最大功率點(diǎn)跟蹤法。取代傳統(tǒng)的跟蹤方法，本文采用變 步長自適應(yīng)算法來實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤技術(shù)。根據(jù)太陽能電池的特點(diǎn)， 在對(duì)太陽能獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)及其控制策略進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì) 了一套基于d s p 的系統(tǒng)控制方案。系統(tǒng)采用兩級(jí)控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太 陽能電池最大功率點(diǎn)的追蹤。同時(shí)對(duì)太陽能光伏系統(tǒng)及其控制方案進(jìn) 行了仿真。 針對(duì)上述分析與研究，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。根據(jù)光伏系統(tǒng)的整體 控制方案，給出了系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)及參數(shù)選擇的設(shè)計(jì)思想。以t i 公 司的數(shù)字信號(hào)處理器芯片d s p 5 6 f 8 0 3 2 為主控單元設(shè)計(jì)了控制電路 并給出了驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。 研究表明：該系統(tǒng)很好的實(shí)現(xiàn)了本文提出的控制方案所應(yīng)完成的 各項(xiàng)功能。采用此種太陽能最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)能夠快速、準(zhǔn)確、高 效地進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，抑制了太陽能電池板工作點(diǎn)偏移，減小了 功率波動(dòng)，最大限度的從太陽能電池板汲取能量。 最后給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明系統(tǒng)的控制方法和策略具有實(shí)用性。 關(guān)鍵詞：太陽能電池；光伏發(fā)電系統(tǒng)；最大功率點(diǎn)跟蹤 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gc o n s u m i n go fe n e r g y ，t h e w o r s e n i n go ft h e e n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o na n dt h e g r o w i n g d e m a n do fs u s t a i n a b l e d e v e l o p m e n t ，m a n yc o u n t r i e st h r o u g ho u tt h ew o r l da r ee a g e r l ys e a r c h i n g f o ran e wk i n do fr e g e n e r a t i v ea n dn o n - p o l l u t i o ne n e r g y s o l a rr e s o u r c ei s a b u n d a n t ，r e g e n e r a t i v e ，n o n - p o l l u t i o na n dw i d e l yd i s t r i b u t e d a tp r e s e n t ， t h es o l a rp h o t o v o l t a i c ( p v ) p o w e rg e n e r a t i o nb e c o m e st h em a i nf o r mo f t h en e w e n e r g ye x p l o i t a t i o n p h o t o v o l t a i cs o u r c ea sr e n e w a b l ee n e r g yi s p o l l u t i o n - f r e ea n di n e x h a u s t i b l e s op h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o nt e c h n o l o g y w a sg o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n w i t hp r i c er e d u c t i o no fp vm o d u l e s a n dd e v e l o p m e n to fp v t e c h n o l o g y ，t h er o l eo f p v g e n e r a t i o ns y s t e m s i sg r a d u a l l yc h a n g e df r o ms u p p l e m e n t a le n e r g yt os u b s t i t u t ee n e r g y i n o r d e rt o p r o m o t e t h ed e v e l o p m e n to ft h es o l a r p o w e rg e n e r a t i o n t e c h n i q u e s ，t h er e s e a r c ho nt h eb a s a lt h e o r ya n dt h ee x p e r i m e n t so ns o l a r p o w e rg e n e r a t i o ns h o u l db ec a r r i e do u t i nt h ep a p e r ，b ya n a l y z i n gp h o t o v o l t a i ca r r a ym o d e la n di t so u t p u t c h a r a c t e r i s t i c s ，an e wa p p r o a c hf o rt r a c k i n gt h em a x i m u m p o w e rp o i n to f p h o t o v o l t a i ca r r a y si sp r e s e n t e d t h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k e ra r e u s e dv a r i e t ys t e p a d a p t i v ea l g o r i t h mf o rc o n t r o l ，r a t h e rt h a nt r a d i t i o n m e t h o d b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i co f i n d e p e n d e n c ep h o t o v o l t a i ca r r a y a n df u r t h e rr e s e a r c ho np h o t o v o l t a i cs y s t e ma n di t sc o n t r o ls t r a t e g y ，a c o n t r o ls c h e m eb a s e do nd s pi sd e s i g n e d t h e r ea r et w os t a g e si nt h e c o n t r o ls y s t e mt h a tc a nr e a l i z em a xp o w e rp o i n tt r a c k i n g ( m p p t ) a t t h es a m et i m e ，t h es i m u l a t i o nr e s u l tf o rt h ep h o t o v o l t a i cs y s t e ma n di t s s o l v i n gs c h e m ei sg i v e ni nt h ep a p e r b yd e e pa n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，t h es y s t e mi sd e s i g n e d b a s e do nt h e s c h e m eo ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h ed e s i g nt h o u g h to ft h es y s t e m sm a i n c i r c u i ta n di t sp a r a m e t e r sa r ei n t r o d u c e d t h i sp a p e ra l s oi n c l u d e st h e c o n t r o lc i r c u i t sw h o s ec o r e c e l li s t i s d i g i t a ls i g n a lp r o e e s s o r 武漢工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 d s p 5 6 f 8 0 3 2 t h ed e s i g no fd r i v ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i ta r ei n t r o d u c e di n d e t a i l t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sd e m o n s t r a t et h a tt h es y s t e mc a ni m p l e m e n t t h ec o n t r o ls c h e m ep r o p o s e di n t h i sp a p e rp e r f e c t l y i th a sb e e np r o v e d t h a tt h ec o n t r o ls t r a t e g yp r e s e n t e di nt h i sp a p e rc a nr a p i d l y ，a c c u r a t e l y a n de f f i c i e n t l yt r a c kt h em a x i m u m p o w e rp o i n t ，r e s t r a i nt h ed i v e r s i o n so f t h es o l a rp a n e l sw o r k i n gp o i n t ，r e d u c et h ep o w e rf l u c t u a t i o n so fc o n t r o l p r o c e s s i n ga n dg e tm a x i m u mp o w e r f r o mt h es o l a rp a n e l f i n a l l y , t h ep r o p o s e dc o n t r o lm e t h o d sa r ep r o v e dp r a c t i c a b l eb yt h e r e s u l t so fe x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：p h o t o v o l t a i ca r r a y ；p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ns y s t e m ；m a x p o w e rp o i n tt r a c k i n g i i i 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究 工作及取得的研究成果。盡我所知，除文中已經(jīng)標(biāo)明引用的內(nèi)容外， 本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。對(duì) 本文的研究做出貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本 人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：西競i 葦 2 卵擴(kuò)年占月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解我校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 即：我校有權(quán)保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子 版，允許論文被查閱。本人授權(quán)武漢工程大學(xué)研究生處可以將本學(xué)位 論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮 印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密0 ，在年解密后適用本授權(quán)書。 本論文屬于 不保密 ( 請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“v ”) 學(xué)位論文作者簽名： 弓l 引書 i l 砂口羅年莎月歹日 指導(dǎo)教師簽名：惕札 溯序月歹日 第l 章引言 1 1 課題研究的背景 第1 章引言 目前世界上的能源消耗幾乎全靠“初級(jí)能源“ 或“常規(guī)能源“ 來 供應(yīng)，它包括：煤炭、石油、天然氣和核裂變等。由于地球上的初級(jí) 能源的資源有限、礦產(chǎn)開采費(fèi)用越來越高、人類能源需求激增的趨勢 以及環(huán)境污染嚴(yán)重等原因，以常規(guī)能源為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)隨著資源的 不斷耗用將愈來愈不適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需要。所以新能源和可再生能 源既是近期急需的補(bǔ)充能源，又是將來能源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。在能源領(lǐng)域 中，加速開發(fā)利用以太陽能為主體的可再生能源已成為人們的共識(shí)。 近年來，國際上太陽能光伏發(fā)電技術(shù)在許多方面取得突破。太陽能電 池性能和可靠性有了很大提高，成本和售價(jià)不斷下降，有經(jīng)濟(jì)效益的 應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，市場迅速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)已達(dá)到規(guī)?；⒆詣?dòng)化階段。 光伏發(fā)電的競爭力越來越強(qiáng)。預(yù)計(jì)不久就可以成為火力發(fā)電的主要競 爭者，前景十分廣闊。 1 1 1 能源及環(huán)境污染問題 能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生活的主要物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā) 展和人民生活水平的提高極為重要。然而，隨著人類對(duì)能源需求的日 益增加，化石能源的儲(chǔ)量正日趨枯竭。全世界對(duì)能源的消耗在1 9 7 0 年約為8 3 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而在1 9 9 5 年，這種消耗達(dá)到了1 4 0 億噸標(biāo)準(zhǔn) 煤，即2 5 年間增長了6 9 7 ，并預(yù)計(jì)，到2 0 2 0 年全世界對(duì)能源的消 耗會(huì)達(dá)到1 9 5 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。根據(jù)公認(rèn)的估算，如果人類對(duì)能源的需求 以目前的速度增長，全世界的石油將在今后4 0 年間被耗盡，而天然 氣和煤也最多分別能維持6 0 年和2 0 0 年左右。在我國，這一情況也 不容樂觀，據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，僅在2 0 0 4 年一年，我國就進(jìn)口原油約1 5 億噸。按目前的消耗速度，我國的現(xiàn)有能源儲(chǔ)量至多可以使用5 0 年。 可見，礦物燃料并不是取之不盡的【1 】。 同時(shí)，化石能源在開采、運(yùn)輸和使用過程中都會(huì)對(duì)空氣和人類生 武漢工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 存環(huán)境造成嚴(yán)重的污染。根據(jù)相關(guān)資料顯示，目前，大量使用化石燃 料己經(jīng)為人類生存環(huán)境帶來了污染，由于大量使用化石能源，全世界 每天產(chǎn)生約1 億噸溫室效應(yīng)氣體，使得地球表面氣溫逐年升高口近若 干年來全球c 0 2 排放量迅速增長，如果不加控制，溫室效應(yīng)將使南、 北兩極的冰山融化，這可能會(huì)使四分之一的人類生活空間將由此受到 極大威脅【2 1 0 因此，環(huán)境污染問題成為人們普遍關(guān)注的焦點(diǎn)。環(huán)境污染對(duì)人類 以及其他生物的生存和發(fā)展會(huì)產(chǎn)生不利影響。例如，由于化石燃料的 燃燒，大氣中的顆粒物和二氧化硫濃度增高，危及人類和其他生物的 身體健康，同時(shí)還會(huì)腐蝕材料，給人類社會(huì)造成損失；工業(yè)廢水和生 活污水的排放，危及水生生物的生存，給生態(tài)系統(tǒng)造成直接的破壞和 影響。除此之外，污染物的積累和遷移轉(zhuǎn)化還會(huì)引起多種衍生的環(huán)境 效應(yīng)，給生態(tài)系統(tǒng)和人類社會(huì)造成間接的危害，有時(shí)這種間接的環(huán)境 效應(yīng)的危害比直接危害更大，更難消除。環(huán)境污染所帶來的最直接、 最容易被人們所感受的后果就是使人類環(huán)境的質(zhì)量下降，影響人類的 生活質(zhì)量、身體健康和生產(chǎn)活動(dòng)。嚴(yán)重的環(huán)境污染還會(huì)造成社會(huì)問題。 隨著污染的加劇和人們環(huán)境意識(shí)的提高，由污染引起的人群糾紛和沖 突曰益增加。隨著經(jīng)濟(jì)和貿(mào)易的全球化，環(huán)境污染也日益呈現(xiàn)國際化 趨勢，近年來出現(xiàn)的危險(xiǎn)廢物越境轉(zhuǎn)移問題就是這方面的突出表現(xiàn)。 1 1 2 太陽能及光伏發(fā)電的特點(diǎn)與優(yōu)勢 太陽能可以不分地域地輻射到地球的每一個(gè)角落，從而成為二十 一世紀(jì)最具大規(guī)模開發(fā)潛力的新能源之一。太陽是個(gè)巨大的能源，地 球上絕大部分能源歸根究底是來自太陽的。煤炭，石油都是古時(shí)候由 動(dòng)物或植物存儲(chǔ)下來的太陽能。太陽每秒鐘發(fā)出的能量有3 8 6 5x 1 0 2 6 j ，相當(dāng)于每秒鐘燃燒1 3 2 x1 0 1 6 t 標(biāo)準(zhǔn)煤所發(fā)出的能量。全世界 人們年所用的各種能量之和也只有到達(dá)地球表面的太陽能的數(shù)萬 分之一。太陽能作為一種巨量可再生能源，利用太陽能的潛力是十分 巨大的【3 1 。 和常規(guī)能源相比較，太陽能資源具有如下5 個(gè)優(yōu)越性【4 】： 第1 章引言 ( 1 ) 取之不盡，用之不竭 太陽內(nèi)部由于氫核的聚變熱核反應(yīng)，從而釋放出巨大的光和熱， 這就是太陽能的來源。根據(jù)氫核聚變的反應(yīng)理論計(jì)算，如果太陽象目 前這樣，穩(wěn)定地每秒鐘向其周圍空間發(fā)射3 2 8 6 1 0 2 8 j 的輻射能，在 氫核聚變產(chǎn)能區(qū)中，氫核穩(wěn)定燃燒的時(shí)間，可在6 0 億年以上。也就 是說太陽能至少還可象現(xiàn)在這樣有6 0 億年可以穩(wěn)定地被利用。 ( 2 ) 就地可取，不需運(yùn)輸 礦物能源中的煤炭和石油資源在地理分布上的不均勻，以及全世 界工業(yè)布局的不均衡造成了煤炭和石油運(yùn)輸?shù)牟痪狻＿@些礦物能源 必須經(jīng)過開采后長途運(yùn)送，才能到達(dá)目的地，給交通運(yùn)輸造成壓力。 ( 3 ) 分布廣泛，分散使用 太陽能年輻射總量一般大于5 0 4 1 0 6 k j m 2 ，就有實(shí)際利用價(jià)值， 若每年輻射量大于6 3 1 0 6 k j m 2 ，則為利用較高的地區(qū)。世界上約 有二分之一的地區(qū)可以達(dá)到這個(gè)數(shù)值。雖然太陽能分布也具有一定的 局限性，但與礦物能、水能和地?zé)崮艿认啾热钥梢暈榉植驾^廣的一種 能源，稱得上具有分布較廣、到處都有的優(yōu)點(diǎn)。 ( 4 ) 不污染環(huán)境，不破壞生態(tài) 人類在利用礦物燃料的過程中，必然釋放出大量有害物質(zhì)，如 s 0 2 、c 0 2 等，使人類賴以生存的環(huán)境受到了破壞和污染。此外，其 他新能源中水電、核能、地?zé)崮艿?，在開發(fā)利用的過程中，也都存在 著一些不能忽視的環(huán)境問題。但太陽能在利用中不會(huì)給空氣帶來污 染，也不破壞生態(tài)，是一種清潔安全的能源。 ( 5 ) 周而復(fù)始，可以再生 在自然界可以不斷生成并有規(guī)律地得到補(bǔ)充的能源，稱為可再生 能源。太陽能屬于可再生能源。煤炭、石油和天然氣等礦物能源經(jīng)過 幾十億年才形成，而且短期內(nèi)無法恢復(fù)。當(dāng)今世界消耗石油、天然氣 和煤炭的速度比大自然生成它們的速度要快一百萬倍，如果按照這個(gè) 消耗速度，在幾十億年時(shí)間里所生成的礦物能源將在幾個(gè)世紀(jì)內(nèi)就被 消耗掉。 太陽能的利用主要有光熱利用、光伏利用、光化學(xué)利用等三種 武漢工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 形式。光熱利用是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能儲(chǔ)存起來，其中太陽能熱水器 是光熱利用最成功的領(lǐng)域，此外還有太陽房、太陽灶、太陽能溫室、 太陽能干燥系統(tǒng)、太陽能土壤消毒殺菌技術(shù)等，這些技術(shù)尤其在我國 的北方和西部應(yīng)用較廣，成效顯著。太陽能的光化學(xué)利用主要是指太 陽能光合作用、太陽能化學(xué)儲(chǔ)存、太陽能催化光解水制氫、太陽能光 電化學(xué)轉(zhuǎn)換等方面的新技術(shù)，其中令人看好的太陽能制氫技術(shù)將可能 是促進(jìn)人類大規(guī)模利用太陽能的關(guān)鍵技術(shù)之一。以太陽能電池技術(shù)為 核心的太陽能光伏利用成為太陽能開發(fā)利用中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，利 用太陽能發(fā)電，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)【5 】： ( 1 ) 結(jié)構(gòu)簡單，體積小且輕。獨(dú)立供電的太陽能電池組件結(jié)構(gòu) 都比較簡單。 ( 2 ) 容易安裝運(yùn)輸，建設(shè)周期短。只要將太陽能電池支撐并面 向太陽即可發(fā)電，宜于制成小功率移動(dòng)電源。 ( 3 ) 維護(hù)簡單，使用方便。如遇風(fēng)雨天，只需檢查太陽能電池 表面是否被沾污、接線是否可靠、蓄電池電壓是否正常即可。 ( 4 ) 清潔、安全、無噪聲。光伏發(fā)電本身不向外界排放廢物， 沒有機(jī)械噪聲，是一種理想的能源。 ( 5 ) 可靠性高，壽命長，并且應(yīng)用范圍廣。 太陽能光伏發(fā)電雖受晝夜、晴雨、季節(jié)的影響，但可以分散地進(jìn) 行，所以它適用于各家各戶分別進(jìn)行發(fā)電，而且可以連接到供電網(wǎng)絡(luò) 上，使得各個(gè)家庭在電力富裕時(shí)可將其賣給電力公司，不足時(shí)又可以 從電力公司買入。 光伏發(fā)電有更加激動(dòng)人心的計(jì)劃。一是利用地面上的沙漠和海洋 面積進(jìn)行發(fā)電，并通過超導(dǎo)電纜將全球太陽能發(fā)電站連成統(tǒng)一電網(wǎng)以 便全球供電。據(jù)測算，到2 0 5 0 年，即使全部太陽能發(fā)電供給全球用 電，占地也不過全部海洋面積的2 3 或全部沙漠的5 1 4 。另一方 案是天上發(fā)電，早在1 9 8 0 年美國宇航局和能源部就提出在空間建設(shè) 太陽能發(fā)電站的設(shè)想，準(zhǔn)備在同步軌道上放一個(gè)長1 0 公里、寬5 公 里的大平板，上面布滿光伏電池，這樣便可以提供5 1 0 6 k w 電力【6 】。 第1 章引言 1 2 光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景 二十一世紀(jì)是世界能源結(jié)構(gòu)發(fā)生巨大變革的世紀(jì)。由于傳統(tǒng)能源 ( 如煤、石油、天然氣等) 的供給已出現(xiàn)短缺局面，人類開始將目光 轉(zhuǎn)向可再生能源。大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源，以資源無限、 清潔干凈的可再生能源為主的多樣性的能源結(jié)構(gòu)代替以資源有限、污 染嚴(yán)重的化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)己成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。作為無污 染的清潔能源之一太陽能越來越受到大家的關(guān)注，尤其在解決偏遠(yuǎn)地 區(qū)的用電問題，發(fā)揮著重要的作用。 1 2 1 國外光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景 光伏發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用在當(dāng)今世界，特別是在非洲、南美、澳洲及 亞洲等各國，普遍受到重視。太陽能的利用上，歐共體、美國、日本 等處于世界先進(jìn)水平。國外在9 0 年代前后對(duì)獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)研究比較 多，也基本上形成了比較成熟的思路。 ( 1 ) 德國政府是世界上最早和最積極倡導(dǎo)鼓勵(lì)光伏應(yīng)用的國家 之一。1 9 9 0 年，德國政府率先推出“1 0 0 0 太陽能屋頂計(jì)劃”，1 9 9 3 年，德國首先開始實(shí)施由政府投資支持，被電力公司承認(rèn)的1 0 0 0 屋 頂計(jì)劃，繼而擴(kuò)展為2 0 0 0 屋頂計(jì)劃，1 9 9 8 年德國政府進(jìn)一步提出了 1 0 萬光伏屋頂計(jì)劃，同時(shí)研究開發(fā)與建筑相結(jié)合的專用光伏組件等。 1 9 9 9 年1 月起開始實(shí)施“十萬太陽能屋頂計(jì)劃”。德國政府頒布的“可 再生能源法”于2 0 0 0 年4 月1 日正式生效。 ( 2 ) 1 9 9 6 年，在美國能源部的支持下，美國政府開始了一項(xiàng)“光 伏建筑物計(jì)劃”，投資2 0 億美元，1 9 9 7 年美國政府在全世界率先宣 布發(fā)起“百萬太陽能屋頂計(jì)劃”，2 0 0 2 年，美國的光伏電池生產(chǎn)總量 達(dá)到1 1 2 9 m w ，計(jì)劃到2 0 1 0 年要求發(fā)電成本降到7 7 美分千瓦時(shí)。 ( 3 ) 日本政府早在1 9 7 4 年就公布了“陽光計(jì)劃”，1 9 9 3 年又提 出“新陽光計(jì)劃”，旨在推動(dòng)太陽能研究計(jì)劃全面、長期地發(fā)展。日 本相繼頒布了一系列鼓勵(lì)包括太陽能在內(nèi)的可再生綠色能源研究與 應(yīng)用的法規(guī)，極大地推動(dòng)了日本光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與應(yīng)用。2 0 0 2 年， 日本的光伏電池生產(chǎn)總量已達(dá)到2 5 4 5 m w ，并且以世界最快的增長 武漢工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 速度4 8 6 增長，計(jì)劃到2 0 1 0 年一半以上的新居屋頂將安裝光 伏太陽能系統(tǒng)n 此外，意大利、印度、瑞士、法國、荷蘭、西班牙都有類似的計(jì) 劃，并投巨資進(jìn)行技術(shù)開發(fā)和加速產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。從世界范圍來講，光 伏發(fā)電己經(jīng)完成了初期開發(fā)和規(guī)模應(yīng)用發(fā)展，其應(yīng)用范圍幾乎遍及所 有的用電領(lǐng)域。 1 2 2 我國光伏發(fā)電的現(xiàn)狀及前景 我國的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)起步較晚，但是發(fā)展速度很快。我國 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)開始于2 0 世紀(jì)7 0 年代，開始時(shí)主要用于空間。 7 0 年代中期后，光伏發(fā)電應(yīng)用逐漸擴(kuò)大到地面并形成了我國的光伏 產(chǎn)業(yè)。光伏發(fā)電在改善人民生活條件方面已發(fā)揮著重要作用，并將在 2 1 世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮更大作用。技術(shù)方面，經(jīng)過十多年的努力， 我國光伏發(fā)電技術(shù)有了很大的發(fā)展，光伏電池技術(shù)不斷進(jìn)步，與發(fā)達(dá) 國家相比有差距，但差距在不斷縮小。 在我國，隨著國民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展、綜合國力的不斷提高和科技 的進(jìn)步，特別是“西部開發(fā)”戰(zhàn)略的實(shí)施，利用西部地區(qū)豐富的太陽能、 風(fēng)能資源解決幾千萬人口的用電問題這一偉大構(gòu)想己經(jīng)逐步成為現(xiàn) 實(shí)。我國西部幅員遼闊、地廣人稀、負(fù)荷密度小，不利于常規(guī)電網(wǎng)的 延伸。但是日照時(shí)間長，日射強(qiáng)度大，為光伏發(fā)電提供了得天獨(dú)厚的 優(yōu)勢。通過在人口相對(duì)集中的地區(qū)建立設(shè)備容量1 0 0 k v a 以下的獨(dú)立 光伏電站，解決鄉(xiāng)村一級(jí)基本生產(chǎn)、辦公生活用電需要是提高用電 普及率的有效途徑；同時(shí)獨(dú)立光伏電站還可為小型農(nóng)場、畜牧養(yǎng)殖中 心提供電源，有利于提高當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)牧業(yè)機(jī)械化、自動(dòng)化水平【8 】。 近期我國光伏發(fā)電市場仍將是為無電地區(qū)供電為主，有一定的市 場潛力，但也有局限性。目前，國內(nèi)光電池硅片的生產(chǎn)能力己達(dá) 4 5 m w ，在西藏7 個(gè)無水無電縣中已全部建成了光伏發(fā)電，其中功 率最大的1 0 0 k w 。2 0 0 2 年光伏系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量僅4 0 m w ，而2 0 0 4 年深圳市已建成8 7 0 k w 光伏發(fā)電系統(tǒng)，是目前我國最大的城市光伏 景觀工程。2 0 0 3 年國內(nèi)光伏電池的生產(chǎn)能力約2 0 m w ，但實(shí)際生產(chǎn) 量僅僅為4 m w 左右，占世界光伏電池實(shí)際生產(chǎn)量的1 左右。在 第1 章引言 2 0 0 2 “ “ 2 0 0 3 年國家實(shí)施的總裝機(jī)容量2 0 m w 的“光明工程“ 項(xiàng)目中， 國內(nèi)生產(chǎn)的光伏電池的應(yīng)用量不足1 0 。北京申辦2 0 0 8 年奧運(yùn)會(huì)， 提出了“綠色奧運(yùn)、人文奧運(yùn)、科技奧運(yùn)”的指導(dǎo)思想。要把2 0 0 8 年 奧運(yùn)會(huì)辦成最成功的一屆奧運(yùn)會(huì)，光伏發(fā)電應(yīng)用必然要擔(dān)當(dāng)一個(gè)重要 的角色，在奧運(yùn)村和運(yùn)動(dòng)場館規(guī)劃中，太陽能利用及光伏發(fā)電站的建 設(shè)均占主要的地位。2 0 0 8 年北京奧運(yùn)會(huì)將建成多個(gè)5 0 k w 1 5 0 k w 的 光伏發(fā)電系統(tǒng)，場館周圍8 0 的路燈以及部分場館的照明與空調(diào)將 利用太陽能電池供電。上海2 0 1 0 年世界博覽會(huì)已在規(guī)劃總量達(dá) 1 m w 1 0 m w 的城市光伏發(fā)電系統(tǒng)，還有旨在解決8 0 0 0 萬邊遠(yuǎn)地區(qū) 居民無電缺電問題的國家光明工程、家用太陽能光伏電源系統(tǒng)、鄉(xiāng)村 太陽能光伏電站、青藏鐵路工程光伏電源系統(tǒng)、通信用光伏電源系統(tǒng) 等。 綜上所述，我國的光伏市場和光伏企業(yè)面臨嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，世界光 伏產(chǎn)業(yè)每年以3 1 的速度發(fā)展，而我國每年只有1 5 的增長率，光 伏企業(yè)的發(fā)展靠市場，光伏市場的發(fā)展靠政策。光伏發(fā)電成本高，無 法與常規(guī)能源競爭，所以更需要政府制定強(qiáng)有力的法規(guī)和政策支持以 驅(qū)動(dòng)我國光伏產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化發(fā)展。我國的光伏企業(yè)雖然弱小，但經(jīng)過 努力已經(jīng)有了一定的基礎(chǔ)，當(dāng)前，對(duì)光伏企業(yè)的發(fā)展來說機(jī)遇和挑戰(zhàn) 并存【9 】【1 0 1 。 1 3 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類及組成 1 3 1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類 光伏發(fā)電系統(tǒng)可以分為下面三大類： ( 1 ) 獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng) 圖1 - 1 獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 武漢工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)中，電能唯一來源于太陽能電池陣列。為保證穩(wěn)定 性和運(yùn)行效率，系統(tǒng)必須配備貯能蓄電池來儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能，當(dāng)在夜 晚或日光不強(qiáng)等外在條件影響下，太陽能電池不能為負(fù)載提供足夠的 能量時(shí)，蓄電池向負(fù)載提供能量以保證電能穩(wěn)定。另一方面，當(dāng)日光 充足使得系統(tǒng)能提供多于負(fù)載所需要的能量時(shí)，蓄電池將貯存多余的 電能。獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)如圖1 - 1 所示，一般由光伏陣列、 控制器、變換器、蓄電池和逆變器等組成【1 1 】。 ( 2 ) 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) i 崮 “”i 蓄電池i 圖1 - 2 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)如圖1 2 所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)直接與電網(wǎng)連 接，其中逆變器起很重要的作用，要求具有與電網(wǎng)連接的功能。目前 常用的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有兩種結(jié)構(gòu)形式，其不同處在于是否帶有 蓄電池作為儲(chǔ)能環(huán)節(jié)。帶有蓄電池儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為 可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)中逆變器配有主開關(guān)和重要 負(fù)載開關(guān)，使得系統(tǒng)具有不間斷電源的作用。這對(duì)于一些重要負(fù)荷甚 至某些家庭用戶來說具有重要意義。此外，該系統(tǒng)還可以充當(dāng)功率調(diào) 節(jié)器的作用，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、抵消有害的高次諧波分量從而提高電能 質(zhì)量。 不帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為不可調(diào)度式并網(wǎng)光 伏發(fā)電系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將太陽能電池陣列產(chǎn)生的直流 電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能，當(dāng)主電網(wǎng)斷電時(shí)，系 統(tǒng)自動(dòng)停止向電網(wǎng)供電。當(dāng)有日照，光伏系統(tǒng)所產(chǎn)生的交流電能超過 負(fù)載所需時(shí)，多余的部分將送往電網(wǎng)；夜間當(dāng)負(fù)載所需電能超過光伏 系統(tǒng)產(chǎn)生的交流電能時(shí)，電網(wǎng)自動(dòng)向負(fù)載補(bǔ)充電能【1 2 】。 ( 3 ) 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng) 第l 章引言 圖1 3 為混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)，它區(qū)別于以上兩個(gè)系統(tǒng)之處是增 加了一臺(tái)備用發(fā)電機(jī)組，當(dāng)光伏陣列發(fā)電不足或蓄電池儲(chǔ)量不足時(shí)， 可以啟動(dòng)備用發(fā)電機(jī)組，它既可以直接給交流負(fù)載供電，又可以經(jīng)整 流器后給蓄電池充電，所以稱為混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)?；旌闲桶l(fā)電一 般有風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電、光柴混合發(fā)電和風(fēng)光柴混合發(fā)電等【”】。 圖1 - 3 混合型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1 3 2 獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 本文討論的范圍是獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖如下【1 4 】【1 5 】： 圖1 - 4 獨(dú)立式光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1 太陽能電池陣列 太陽能電池陣列一般由多塊太陽能電池組件串并聯(lián)而成，每個(gè)支 路通過防反充二極管、充電控制器并聯(lián)向蓄電池充電。太陽能電池陣 列分為若干個(gè)子陣列，每個(gè)陣列由一個(gè)電子開關(guān)控制。當(dāng)蓄電池的充 電電壓達(dá)到設(shè)定的最電高壓時(shí)，自動(dòng)依次切斷一個(gè)或數(shù)個(gè)子陣列，以 限制蓄電池的充電電壓繼續(xù)增長確保蓄電池的壽命，并最大限度地利 用和儲(chǔ)存太陽能電池發(fā)出的電能。 2 蓄電池組 蓄電池組是太陽能電池方陣的儲(chǔ)能裝置，其作用是將方陣在有日 照時(shí)發(fā)出的多余電能儲(chǔ)存起來，在晚間或陰雨天時(shí)供負(fù)載使用。蓄電 池組由若干蓄電池串并聯(lián)而成。一般容量要能在無太陽輻射的日子 里，滿足用戶要求的供電時(shí)間和供電量。目前常用的是鉛酸蓄電池， 武漢工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 重要的場合也有用鎘鎳蓄電池，但價(jià)格較高，相對(duì)來說應(yīng)用沒有前一 種廣泛。 在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大， 方陣除了供給負(fù)載用電外，還要給蓄電池充電；冬天日照量小，這部 分儲(chǔ)存的電能逐步放出。在這種季節(jié)性循環(huán)的基礎(chǔ)上還要加上小得多 的日循環(huán)：白天方陣給蓄電池充電( 同時(shí)方陣還要給負(fù)載供電) ，晚 上負(fù)載用電則全部由蓄電池供給。因此要求蓄電池的自放電要小，耐 過充放，而且充放電效率要高，當(dāng)然還要考慮價(jià)格低廉，使用方便等 因素。 當(dāng)蓄電池端電壓達(dá)到設(shè)定的最高值時(shí)，由電壓檢測電路得到信號(hào) 電壓，通過控制電路進(jìn)行開關(guān)切換，使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)壓閉環(huán)控制，既保 持對(duì)蓄電池充電，又不致使蓄電池過充，造成電解液中水的大量分解 和過熱而導(dǎo)致極板損壞，從而使蓄電池得到合理的保護(hù)和利用。如果 過充保護(hù)失靈導(dǎo)致蓄電池端電壓過高時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警指令。當(dāng)蓄電 池端電壓下降至過放值時(shí)，系統(tǒng)也會(huì)發(fā)出報(bào)警指示，同時(shí)逆變器自動(dòng) 關(guān)閉，以保證蓄電池不再繼續(xù)放電。 3 控制器 在不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)中控制器各不相同，其功能的多少和復(fù)雜 程度差別很大，需要根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的要求及重要程度來確定?？刂破?一般由各種電子元器件、儀表、繼電器、開關(guān)等組成。最簡單的系統(tǒng) 也可以不用控制器，有些要求有過充放、穩(wěn)壓等功能，而一些復(fù)雜的 系統(tǒng)，如并網(wǎng)發(fā)電的光伏電站( 并網(wǎng)發(fā)電不在本文的討論范圍內(nèi)) ， 則要求有自動(dòng)檢測、控制、轉(zhuǎn)換等多種功能。 4 逆變器 。 逆變器將太陽能電池方陣輸出和蓄電池放出的直流電轉(zhuǎn)換成負(fù) 載所需的交流電。逆變器主電路由大功率晶體管構(gòu)成，采用正弦脈寬 調(diào)制工作制，抗干擾能力強(qiáng)，還有很強(qiáng)的過載及限流保護(hù)功能。 5 阻塞二極管 阻塞二極管也稱防反充二極管或隔離二極管，其作用是利用二極 管的單向?qū)ㄌ匦苑乐篃o日照時(shí)蓄電池通過太陽能電池方陣放電。對(duì) 于阻塞二極管的要求是工作電流必須大于方陣的最大輸出電流，反向 1 0 第1 章引言 耐壓要高于蓄電池組的電壓，在方陣工作時(shí)，阻塞二極管兩端有一定 的電壓降，對(duì)硅二極管通常為0 6 0 8 v ，對(duì)硝特基或鍺管為0 3 v 左 右。 1 4 本文所做的工作 本文對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中的核心問題進(jìn)行了較為深入的理論 研究。從不同的角度對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并在光伏陣列輸出特性和獨(dú) 立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)組成及各部分性能的基礎(chǔ)上建立了仿真模型；基 于該仿真模型對(duì)獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)中變步長白適應(yīng)給定控制算法進(jìn)行仿 真研究，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套獨(dú)立發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)，分別側(cè) 重于進(jìn)行控制算法的實(shí)施驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)研究。本文的工作重點(diǎn)可以總結(jié) 如下： 1 、在深入分析太陽能電池工作原理和外特性的基礎(chǔ)上，分別提 出了應(yīng)用于電路仿真的基于外特性的光伏陣列仿真模型，為實(shí)現(xiàn)仿 真、指導(dǎo)理論研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)保證。并配合p s i m 和m a t l a b 等仿真軟件搭建主電路模型和控制系統(tǒng)模型，從而組成完整的仿真平 臺(tái)，為具體的理論分析和控制方法研究提供了仿真研究的基礎(chǔ)。 2 、m p p t 方法是光伏發(fā)電系統(tǒng)中提高系統(tǒng)效率的重要手段。本 文在分析常見m p p t 方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)定步長電導(dǎo)微增法存在 的穩(wěn)定性問題進(jìn)行了討論，并提出了一種具有功率前饋控制的變步長 自適應(yīng)給定控制m p p t 方法。驗(yàn)證了其在太陽輻照度快速擾動(dòng)下的 跟蹤控制效果。 3 、基于變步長自適應(yīng)給定算法，本文采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)光伏系統(tǒng)控 制方案，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，包括主電路、控制電路、驅(qū) 動(dòng)及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)的d s p 實(shí)現(xiàn)，并 得到了該m p p t 方法給出的跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 4 、最后總結(jié)整個(gè)系統(tǒng)研制過程中遇到的問題、實(shí)現(xiàn)的程度和一 些仍需解決的問題，以便獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)及其系統(tǒng)控制方案的進(jìn)一 步完善。 武漢工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章光伏電池的原理及其特征 光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把陽光直接轉(zhuǎn)換成電能 的一種固態(tài)器件。它的種類很多，大致可分為硅光伏電池、化合物半 導(dǎo)體光伏電池。其中硅光伏電池包括單晶硅、多晶硅、非晶硅電池； 化合物半導(dǎo)體光伏電池包括砷化鎵光伏電池等。目前大規(guī)模使用的主 要是單晶硅和多晶硅電池，因?yàn)槠滟Y源豐富、轉(zhuǎn)換效率較高( 澳大利 亞新南威爾士大學(xué)的格林教授已將單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高到 2 4 ) ，所以現(xiàn)在開發(fā)得也最快。 2 1 光伏電池的原理及模型 2 1 1 光伏電池的光伏效應(yīng) 當(dāng)適當(dāng)波長的光照到到半導(dǎo)體系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)吸收光能后兩端 產(chǎn)生電動(dòng)勢，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。例如，當(dāng)光照射到由p 型和n 型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的p n 結(jié)上時(shí)，在一定 條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價(jià)帶中產(chǎn)生非平衡載流子一 一電子和空穴。由于p n 結(jié)勢壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場，因而 產(chǎn)生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn) 勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場的作用下，各向相反方向 運(yùn)動(dòng)，離開勢壘區(qū)，結(jié)果使p 區(qū)電勢升高，n 區(qū)電勢降低，p n 結(jié)兩 端形成光生電動(dòng)勢，這就是p n 結(jié)的光伏效應(yīng)。由于光照產(chǎn)生的非 平衡載流子各向相反方向漂移，從而在內(nèi)部構(gòu)成白n 區(qū)流向p 區(qū)的 光生電流，在p n 結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流i 艫在p n 結(jié)開路情 況下，p n 結(jié)兩端建立起光生電勢v 0 c ，這就是開路電壓。如將p n 結(jié)與外電路接通，只要光照不停止，就會(huì)不斷地有電流流過電路，p n 結(jié)起了電源的作用，這就是光伏電池的基本工作原理。顯然，光伏電 池之所以能在光照下形成短路電流i 渺開路電壓v o c ，都是由于材料 內(nèi)部存在內(nèi)建靜電場的緣故。若在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負(fù) 載，則負(fù)載中就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出。這樣，太 1 2 第2 章光伏電池的原理及其特征 陽的光能就直接變成了可以付諸實(shí)用的電能【1 6 】。 圖2 1 為光伏電池的單元模型。電池單元是光電轉(zhuǎn)換的最小單 元，一般不單獨(dú)作為電源使用。將每個(gè)單元進(jìn)行串、并聯(lián)并封裝后就 成為光伏電池組件，功率一般為幾瓦、幾十瓦甚至數(shù)百瓦，眾多光伏 電池組件需要再進(jìn)行串、并聯(lián)后形成光伏電池陣列，就構(gòu)成了“太陽 能發(fā)電機(jī)( s o l a rg e n e r a t o r ) 州”】。這與傳統(tǒng)的發(fā)電方式是完全不同的： 既沒有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)部分，也不排出氣體，是清潔的、無噪聲的發(fā)電機(jī)。 圖2 - 1 單個(gè)太陽能電池的模型 2 1 2 光伏電池的物理模型 光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。這個(gè)電流隨著光強(qiáng)的增加而增 大，當(dāng)接受的光強(qiáng)度一定時(shí)，可以將光伏電池看作恒流電源。目前使 用的光伏電池可看作p n 結(jié)型二極管，因?yàn)樵诠獾恼丈湎庐a(chǎn)生正向 偏壓，所以在p n 結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖2 2 表示的理想 狀態(tài)的太陽能電池等效電路圖來考慮。 _ i 太繃光 鼉 i 圖2 - 2 理想狀態(tài)的太陽能電池等效電路圖 在這種等效電路中，加給負(fù)荷的電壓v 和流過負(fù)荷的電流i 之間 的關(guān)系式，可由下式給出： ，_ 丘 0 則表明需要使d 增大以提高太陽能電 池輸出功率，否則減小d 以減小太陽能電池輸出功率。而當(dāng)程序判 別分母0 v 不為零后，便進(jìn)入判斷o i o v 是否等于i 階段，這是電 導(dǎo)微增法的重點(diǎn)，如果判別了a i a v i 時(shí)表明太陽能電池p v 曲 線的斜率大于零，需要減小d 以提高太陽能電池輸出功率，反之則 相反【3 1 1 。 下圖所示的電導(dǎo)微增法控制精確，響應(yīng)速度比較快，在穩(wěn)態(tài)時(shí)可 以較好的跟蹤到光伏陣列輸出的最大功率點(diǎn)。適宜用于外界環(huán)境變化 較快的場合，但系統(tǒng)對(duì)硬件特別是傳感器的精度要求較高，同時(shí)對(duì)單 片機(jī)a d 轉(zhuǎn)換的速度要求也較高，且仍然沒有解決采樣時(shí)間和a 選 取的問題。 第3 章最大功率點(diǎn)跟蹤的控制策略研究 0 甲y 僉y y 讀取v ( k - 1 ) ，i ( k - 1 )太夕叁y 上多l(xiāng)yy 測量v ( k ) ，i ( k ) ，7 7 m m kr ，t ，、 ：d ( k ) = d ( k - 1 ) ad ( k ) = d ( k 1 ) + a n tv a v = v ( k ) 一v ( k 1 ) d ( k ) = d ( k - 1 ) + ad ( k ) = d ( k - 1 ) - a a l = l ( k ) - i ( k - 1 ) i i j v ( k - 1 ) = v ( k ) i ( k - 1 ) = i ( k ) 上 廠、 l 返回l 3 3 5 微擾觀察法 圖3 - 6 控制流程圖 微擾觀察法( p e r t u r b a t i o na n do b s e r v a t i o nm e t h o d ，簡稱p & o 法) 由于其結(jié)構(gòu)簡單，且需測量的參數(shù)較少，所以它被普遍應(yīng)用在光伏電 池陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)中。微擾觀察法要引入一個(gè)小的變化， 然后進(jìn)行觀察，并與前一個(gè)狀態(tài)進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果調(diào)節(jié)光伏 電池的工作點(diǎn)。通過改變光伏電池的輸出電壓，并實(shí)時(shí)地采樣光伏電 池的輸出電壓和電流，計(jì)算出功率，然后于上一次計(jì)算的功率進(jìn)行比 較，如果小于上一次的值，則說明本次控制使功率輸出降低了，則應(yīng) 控制使光伏電池輸出電壓按原來相反的方向變化，如果大于則維持原 來增大或減小的方向，這樣就保證了光伏電池輸出向增大的方向變 化。如此反復(fù)的擾動(dòng)、觀察與比較，使光伏電池達(dá)到其最大功率點(diǎn)， 實(shí)現(xiàn)最大功率的輸出。但是在達(dá)到最大功率點(diǎn)附近后，其擾動(dòng)并不停 止，而會(huì)在最大功率點(diǎn)左右振蕩，而造成能量損失并降低光伏電池的 使用效率。在此引入一個(gè)參考電壓v r e f ，在得出比較的結(jié)果后，調(diào) 節(jié)參考電壓，使它逐漸接近最大功率點(diǎn)電壓，在調(diào)節(jié)光伏電池工作點(diǎn) 時(shí)，應(yīng)根據(jù)這個(gè)參考電壓來進(jìn)行調(diào)節(jié)【3 2 1 。 武漢工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 微擾觀察法方塊圖如圖3 7 所示： 圖3 7 微擾觀察法方塊圖 微擾觀察法流程圖如圖3 8 所示： 圖3 - 8 微擾觀察法流程圖 圖中v k ，i k ，p k 是上一次測量和計(jì)算出的值。 從圖中可以看出：在功率比較之后，經(jīng)過判斷電壓的變化，對(duì)參 考電壓v r e f 減一個(gè)調(diào)整電壓v ，然后再進(jìn)行測量、比較，進(jìn)入下一 個(gè)循環(huán)。這就是微擾觀察法。這種方法簡單易懂，實(shí)現(xiàn)起來比較容易， 只要進(jìn)行簡單的運(yùn)算和比較即可，因此是一種較為常用的方法。 m p p t 調(diào)節(jié)過程如圖3 - 9 所示。前文已提到光伏電池的輸出與日 照、溫度有關(guān)。日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度不變時(shí)的調(diào)節(jié)過程如圖3 - 9 ( a ) 第3 章最大功率點(diǎn)跟蹤的控制策略研究 所示。假設(shè)系統(tǒng)開始時(shí)運(yùn)行于a 點(diǎn)，有小擾動(dòng)使得在下一個(gè)固定時(shí) 間間隔中檢測到負(fù)載功率比這一次有變化，系統(tǒng)判斷后將占空比a 向功率增加的方向移動(dòng)，系統(tǒng)的運(yùn)行點(diǎn)移動(dòng)到了b 點(diǎn)。這樣，電路 的占空比一直增加，直到運(yùn)行于e f g 區(qū)間。如果系統(tǒng)開始時(shí)運(yùn)行于 m 點(diǎn)，跟蹤控制過程與上面類似【3 3 11 3 4 1 。 負(fù)敦 功事p 朔暇 嫩 幫 ( b ) ( a ) 環(huán)境不變時(shí)m p p t 調(diào)節(jié)過程示意圖；( b ) 環(huán)境變化時(shí)m p p t 調(diào)節(jié)過程示意圖 圖3 - 9 調(diào)節(jié)過程示意圖 圖3 - 9 ( b ) 所示為系統(tǒng)到達(dá)最大功率點(diǎn)后日照強(qiáng)度或環(huán)境溫度變 化后的調(diào)節(jié)過程。環(huán)境變化時(shí)光伏電池的功率輸出如圖3 - 9 ( b ) i - _ 從曲 線a 變?yōu)榍€c ，此時(shí)系統(tǒng)從運(yùn)行于點(diǎn)a 變?yōu)檫\(yùn)行于其占空比與曲線 c 的交點(diǎn)w 與上面相似的調(diào)節(jié)過程，使得光伏電池運(yùn)行于e b f 區(qū) 間。 電壓的變化量u 的選擇影響到跟蹤的速度與準(zhǔn)確度，以及能否 準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)m p p t 功能。u 設(shè)置偏大，跟蹤速度快，會(huì)導(dǎo)致跟蹤 的精度不夠，在最大功率點(diǎn)附近功率輸出擺動(dòng)大；u 設(shè)置偏小則跟 蹤速度慢，浪費(fèi)電能，但輸出能更好地靠近最大功率點(diǎn)。這種方法簡 武漢工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 單易懂，實(shí)現(xiàn)起來也比較容易。但是此種方法較盲目，如果u r e f 的 初始值設(shè)置離最大功率點(diǎn)電壓相差較大，加上u 設(shè)置的不合理，可 能會(huì)花費(fèi)很長的時(shí)間才到達(dá)最大功率點(diǎn)，甚至?xí)?dǎo)致遠(yuǎn)離最大功率 點(diǎn)。本文u 的確定是采用變化的u ，根據(jù)每次測量和計(jì)算的結(jié)果 不斷調(diào)整它。當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，增大u ，使工作點(diǎn)電 壓變化的快一些；當(dāng)工作點(diǎn)離最大功率點(diǎn)較近時(shí)，減小u ，使工作 點(diǎn)不會(huì)跨過最大功率點(diǎn)而遠(yuǎn)離它【3 引。 3 3 6 定步長電導(dǎo)微增法所存在的問題 擾動(dòng)觀察法結(jié)構(gòu)簡單、被測參數(shù)少，而電導(dǎo)微增法在外界環(huán)境發(fā) 生迅速變化時(shí)，其動(dòng)態(tài)性能和跟蹤特性方面比擾動(dòng)觀察法好。但是這 兩種方法都存在著二個(gè)共同的缺點(diǎn)，即步長固定。如果步長過小，就 會(huì)導(dǎo)致光伏陣列長時(shí)間地滯留在低功率輸出區(qū)；如果步長過大，就會(huì) 導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩加劇。針對(duì)這一缺點(diǎn)本文給出了一種自適應(yīng)變步