并网式光伏发电系统的研究

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万方数据论文题目：并网式光伏发电系统的研究作者姓名：奎盍文专业名称：控剑堡途皇控剑王翟指导教师：奎世光高正主论文提交日期：论文答辩日期：授予学位日期：2Q!垒生墨且2Q!垒生墨目入学时间：研究方向：职称：咀挞垣攫9一皇塾，一一一一一必燃越虬 万方数据RESEARCHONGRID—CONNECTEDPHOTOVoI．毗～ICPoWERSYSTEMADissertationsubmittedinfulfillmentoftherequirementsofthedegreeofMASTERoFPHILOSOPHYfromShandongUniversityofScienceandTechnologybyLiZhiwenSupervisor：SeniorEngineerLiShiguangCollegeofElectricalEngineeringandAutomationMay2014 万方数据声明本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世界所公认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果．该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作鉴定。硕士生签名：日AFFIRMATIoN拳差．久州彳．f3pIdeclarethatthisdissertation，submittedinfulfillmentoftherequirementsfortheawardofMasterofEngineeringinShandongUniversityofScienceandTechnology,iswhollymyownworkexceptthereferenceanddocumentation·Thedocumenthasnotbeensubmittedforqualificationatanyotheracademicinstitute·sign批：Lj，如泐Date：洲‘}．f)汐 万方数据出丕整技太堂亟±坐位论塞擅璺摘要随着人类生产力的提高，人类社会对化石能源的需求量和开采量越来越大。由于对资源过度的开采和使用，现有的化石资源越来越少，造成的环境污染越来越严重。于是，清洁的可再生能源一太阳能越来越受到人们的亲睐，加之随着太阳能电源和电力电子技术的快速发展，使太阳能光电转换技术日益成熟，使太阳能光伏发电逐渐走进了我们的生活。目前，光伏发电主要分为四种形式：户用离网系统、非户用离网系统、分布式并网系统和集中式并网系统。本文在实地考察及详细查阅许多国内外文献的基础上，研究了并网式光伏发电系统，主要内容如下：首先，研究了目前国内外光伏发电的现状，分析了光伏发电系统的工作原理和主电路拓扑结构，并考虑安全和经济因素，选择了两级式非隔离的电路结构。根据光伏电池板的特性，设计出一套基于直流斩波Boost电路的电路结构，分析了Boost电路跟踪最大功率点的原理。分析和总结目前已有的最大功率点算法，提出了一种变步长的最大功率点算法(MPPT)。并利用PSCAD仿真软件验证了该控制策略的可靠性与可行性。详细分析了户用光伏发电系统中正弦波逆变器的工作原理，采用了基于双闭环控制空间矢量SVPWM的逆变算法。通过对电网幅值、相位和频率的检测，判断并网的条件，将逆变后的电能并入电网。分析了产生孤岛现象的原因以及孤岛的危害，详细讲述了目前主要的反孤岛效应的方法。根据本系统的结构和特点，设计了一种简单的孤岛检测电路。关键词：光伏发电，MPPT，空间矢量，逆变，孤岛检测 万方数据山苤抖技太堂亟±堂位j金空垴要AbstractWiththeimprovementoftheproductivityofhumanbeing，thedemandedandexploitationquantitiesonfossilenergysourcearegettinghigherandhigher．Duetotheexcessiveexploitationanduseofresources，thepresentfossilenergyisreducingdramatically，accompanyingtheworseningenvironmentalpollution．Therefore，thecleanandrenewableenergysourcesarebecomingpopularrecently．Additionally,withtherapiddevelopmentofsolarenergypowerandelectrictechniques，thephotovoltaicconversiontechniqueofsolarenergyisincreasingmature，whichmakesphotovoltaicpowergenerationstepintoOUrdailylife．Atpresent，thephotovoltaicpowergenerationisdividedintofoUrforms：householdoff-gridsystem，non—householdoff-gridsystem，distributedgrid—connectedsystemandcentralizedgrid—connectedsystem．Basedonthefieldvisitandseveralreferencesathomeandabroad，thegrid—connectedphotovoltaicpowergenerationsystemisstudied．Maincontentisasfollows：Atfirst，thecurrentsituationofphotovoltaicathomeandabroadisstudied．Theworkingprincipleandmaincircuittopologyofthephotovoltaicpowergenerationsystemisanalyzed．Consideringthesafetyandeconomicalissues，thetwo—classnon-isolatedcircuitisadopted．AccordingtothecharacteristicsofthePVcells，asetofcircuitstructurebasedonDCchoppedwaveBoostcircuitisdesigned，andtheprincipleofBoostcircuitMPPTisanalyzed．BasedonthepresentMPPTalgorithm，thevariable-stepMPPTalgorithmispresentedinthepaper．Besides，thereliabilityandfeasibilityofthiscontrolstrategyisverifiedbyPSCADsimulationsoftware．TheworkingprincipleoftheSinowaveinverterinthehouseholdphotovoltaicpowergenerationsystemisanalyzedindetail．Theinversionalgorithmbasedondoubleclosed—loopcontrolspacevectorSVPWMisused．Bythedetectionontheamplitude，phaseandfrequencyofthepower面d，thegridconnectionconditionCanbeobtained．Then，thepowerenergyafterinversionCanbeconnectedintopowergrid．ThereasonanddamageoftheIslandingareanalyzed．Themainanti—Islandingmethodsatpresentaredescribedindetail．Accordingtothestructureandcharacteristicofthissystem，asimpleIslandingdetectioncircuitisdesigned．Keywords：photovoltaicpowergeneration，MPPT,spacevector,inverter,islandingdetection 万方数据山苤型技太生亟±堂位i金盅目量目录1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1课题研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11．2国内外光伏发电的现状与前景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．21．3光伏发电系统概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一31．4本课题的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一62．1系统的整体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～72．2太阳能电池方阵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一82．3直流变换电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～92．4直流变换电路选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112．5逆变电路⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132．6本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯143太阳能电池板的特性及最大功率点追踪策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。153．1太阳能电池的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．153．2太阳能电池的热斑效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯223．3最大功率点追踪(MPPT)策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．233．4变步长干扰法控制原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯293．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．324光伏并网逆变器的控制策略⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。344．1Clark与Park变换原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．344．2空间矢量SVPWM调制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．37 万方数据4．3双闭环逆变控制⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯394．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．425孤岛效应及其检测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯435．1孤岛效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．435．2孤岛检测方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．455．3系统孤岛检测⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯485．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯486总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯506．1本文总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯506．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．51致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．52参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．53攻读学位期间主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯57 万方数据出丕抖技去堂亟±堂位论塞目丞ContentslIntroduction⋯⋯⋯⋯QOO⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯Q·a⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1Researchbackground⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．2Currentsituationandprospectofphotovoltaicpowerathomeandabroad··························’21．3Thistopictheintegraldesignofthephotovoltaicpowergenerationsystems。⋯。⋯⋯--⋯。⋯’31．4Themainresearchcontentofthisproject’·-··_·-··-··-·····-·····-····-····-·-·-·-·······--··-··········-。62Systemdesignandresearch⋯⋯⋯⋯’⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯‘’72．1Thistopictheintegraldesignofthephotovoltaicpowergenerationsystems⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯72．2Thesolarcellphalanx⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯82．3DCconversioncircuit⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯92．4Dcconversioncircuitselection⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112．5Invertercircuit⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯132．6Thesummaryofthischapter⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯143Thecharacteristicsofsolarpanels⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯153．1Theworkingprincipleofsolarcells⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯153．2Hotspoteffectofsolarcells⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯223．3Tracking(MPPTlprincipleofmaximumpowerpoint⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯233．4Variablestepperturbationmethodcontrolprinciple⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯293．5Thesummaryofthischapter⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯324Photovoltaic(pV)gridinvertercontrolstrategy⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯344．1ClarkandParktransformationprinciple⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯344．2SpaceVectorModulationSVPWM⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯374．3Spacevectoralgorithmflowchart⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯394．4Thesummaryofthischapter⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯425Islandeffectanddetectionmethod·⋯··IOaOOl⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯OOOOli⋯⋯⋯⋯435．1Islandeffects⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯435．2Anislanddetectionmethod⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯45 万方数据出塞型技太坐亟±堂位j金塞目丞5．3Systemislanddetection⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯485．4Thesummaryofthischapter⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯486SummaryandOutlook⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯··506．1Summary⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6O．．．．·t0⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯506．20utlook⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯·⋯⋯·⋯⋯⋯⋯⋯·⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51Acknowledgments⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯···52MainWorkAchievementoftheAuthorduringWorkingonMasterPaper⋯·⋯·······。53MainReferenceDocuments···-···········⋯--·⋯---······⋯···⋯⋯······⋯·····--⋯······-··⋯··57 万方数据出丕型拉太堂亟±生位论塞绪论1绪论1．1课题研究背景能源是人类经济和生活的动力之源。从远古社会，人们就学会了利用木材取暖和加热食物。随着社会生产力的发展，我们对天然气、石油和煤炭等无法再生资源的索求日益增加，对化石能源的依赖越来越严重。然而由于过度的开采，化石能源已经近乎枯竭【I]。由于当今世界正快速地从工业化社会向环保节约型社会转变，发展环保可再生能源已经成为当代的重大课题。由于太阳能具有广泛性，无污染性和取之不竭、取之不尽等优越性，使它成为目前广泛公认的绿色能源组成中的重要部分。与目前广泛使用的常规能源相比，太阳能具有以下优点：广泛性：太阳光能照射到世界的各个地方，无地域限制。不论是海洋还是陆地，不论是高山还是盆地，处处都有，能够直接开发，无须开采和运输；无污染性：由于太阳能具有无污染性，因此对它开发和利用不会污染环境，不会对本已脆弱的地球生态造成影响，这一点是化石能源无法比拟的【2】；丰富性：每一年照射到地球表面的太阳辐射能量相当于130万亿吨煤所发出的能量，其总能量是当今世界上存在的最大能源【3】；长久性：科学家根据目前太阳产生的核能速率估算，太阳上氢的存储量足够维持上百亿年。这对于只有几十亿年寿命的地球而言，可以说是取之不尽、用之不竭的能源。当然太阳能相对于化石能源也有其不利的方面，主要表现在以下几个方面：分散性：尽管到达地球表面的太阳能资源总量很大，但分布太分散，能流的密度太低。据专家计算垂直太阳光方向，每平方米只能接收到约1000W左右的太阳能；不稳定性：由于受到昼夜、季节、天气、海拔高度和地球经纬度的影响，到达某一地面的太阳能资源非常有限，又是极不稳定的，这增加了太阳能大规模使用的困难；效率低和成本高：目前太阳能的利用水平，技术上是成熟的，理论上是可行性的。但 万方数据出丕型技太生亟±堂僮j金塞绪j金由于太阳能装置的昂贵费用，偏低的工作效率，使其经济性还不能与常规能源相竞争。在今后相当一段时间内，太阳能的进一步开发仍然受到经济和效率的制约睁引。1．2国内外光伏发电的现状与前景由于化石能源的不可再生性和有限性，以及世界环保压力的与日俱增，使世界上很多国家将目光转移到绿色能源上。正是在这样的大背景下，太阳能资源得到了迅速的发展。太阳能光伏发电技术是太阳能资源的主要开发方式之一，是利用太阳能电池板光伏阵列将光能转化为电能，再将电能进行处理的技术思路【9]。随着电力电子技术及其相关技术的发展，太阳能光伏发电技术越来越成熟，有望成为未来最具发展潜力的发电技术之一。从上世纪70年代中后期开始，各个国家开始高度重视光伏发电技术。美国早在20世纪90年代就提出了“百万屋顶”计划，是最早制定光伏发电发展规划的国家。目前，欧、美、日等发达国家和地区已构成光伏发电装机的主力市场，中、韩、印、非等新兴市场也开始启动并迅速崛起(2012年全球光伏市场分布情况见图1．1所示)。2000年到2009年，全球光伏安装量年复增长率达44％，预计2014年的增长率将达到87％，从而使全球累计安装量达到40GW。由此可见，光伏发电占全球发电总量的比重逐年上升，预计发展到2020年将达到1．2％，到2050年将达到10．8％。图1．12013年全球光伏市场分布Fig．1．1The2013globalpvmarketdistribution2 万方数据!些苤抖技太堂亟±堂位论奎绪论20世纪90年代初，我国的光伏发电技术主要应用在工业控制和通信等领域，后来逐步向大型的并网光伏电站发展。截止到目前，我国已经建造了许多兆瓦级的光伏并网发电站，如：徐州谢欣光伏电力有限公司的20MW光伏发电站、黄河公司的龙羊峡水光互补320兆瓦发电站、内蒙古神州光伏电力5MW光伏电站、深圳国际园艺博览会1MW的光伏并网电站等[10-11】。2010年上海世博会期间，上海交通大学太阳能研究所提出的“上海10万太阳能屋顶计划”，据估算每年至少发3．3亿度电。截止到2013年，我国的光伏发电总量已经超过8．98GW。光伏产业作为新能源产业的重要组成部分，已发展成为我国为数不多的，可在全球范围内参与竞争的新兴产业。近年来，为促进光伏产业的健康发展，国务院印发了《关于促进光伏产业健康发展的若干意见》[12】。为贯彻落实《若干意见》的有关要求，国家发展改革委、工业和信息化部、财政部、国家能源局等有关部门，从光伏发电补贴、标杆电价、企业增值税，以及分布式发电管理等方面制定了一系列政策措施。为我国光伏企业的发展提供了巨大的发展平台【13．15]。光伏发电系统通常是指将太阳辐射能变换成电能给用电设备使用或者直接将电能并网的一些列设备。通常分为离网式光伏发电系统、并网式光伏发电系统和风光互补式发电系统三种形式。下面分别对离网式光伏发电系统、并网式光伏发电系统和风光互补式发电系统进行介绍。1．3．1离网式光伏发电系统离网式光伏发电系统是与主电网不连接，其输出电能只为本地负载使用的系统。当本地设备不使用电能时，系统将产生的电能储存在蓄电池中。其系统示意图如图1．2所示。离网式光伏发电系统主要为离大电网较远的用户、基础设施及其他一些设备在照明、冷藏等方面提供电源。根据人们的实践经验，在年光照大于2500h的一些地区，当距离电网的距离大约25km时，使用电网供电的成本大于光伏发电的成本。因此，该系统在电网不能 万方数据出苤型控太堂亟±兰垃论塞绪论覆盖的地区有较大的市场[16】。图1．2离网光伏发电结构图Fig．1．2Off-gridphotovoltaicpowerstmcture1．3．2并网式光伏发电系统并网光伏发电系统是将系统与主电网连接，系统在满足本地负载电能使用的前提下将多余的电能并入电网，在获取经济效益的同时，增强了光伏发电的可调度性117】。其系统结构图如图1．3所示。该系统主要应用在大型光伏并网电站、城市屋顶并网系统和光伏建筑一体化等方面。电刚图1．3并网光伏发电结构图Fig．1．3Gridphotovoltaicpowerstructure1．3．3互补型光伏发电系统互补型光伏发电系统主要有风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、蓄电池、逆变器、交直流负载等部分组成，系统结构如图1．4所示。该系统是集风能、太阳能两种新能源发电技术及系统智能控制技术为一体的，利用可再生能源发电的系统。该系统造价成本高，设备维护较困难，同时需要比较大的安装空间，不适合普通家庭的使用I体】。4 万方数据图1．4风光互补发电结构图Fig．1．4Wind-lightcomplementarystructure通过以上对三种发电系统的介绍，我们主要对离网式光伏发电系统和并网式光伏发电系统进行对比：1在离网式光伏发电系统中，系统需要采用蓄电池和太阳能充放电控制器，从而增加了成本。一般光伏离网系统的报价是太阳能并网系统报价的1．5倍以上；蓄电池使用寿命一般在5年左右(随充放电的深度不同，蓄电池的寿命不同。在每日充放电的使用条件下，蓄电池的寿命一般不超过3．5年)，更换电池也会消耗大量资金，而且还需要定期维护，增加了工作量；2离网式光伏发电系统的蓄电池在电量充满并且在没有设备运行的情况下，电池板所发电量会被浪费，不但没有起到节能环保的目的，还使系统的实际运行效率降低[19-22]。而并网式光伏发电系统将电池板发出的多余能量通过电网输给其他用户使用，减少了对电能的浪费，提高了系统的实际运行效率：3并网式光伏发电系统，可以就近就地的分散向电网发电，进入和退出电网灵活，既有利于增强电力系统抵御战争和自然灾害的能力，又有利于改善电力系统的负荷平衡，降低线路损耗。由此可见，并网式光伏发电系统比离网式光伏发电系统成本低，效率高，发展潜力大。值得说明的是，并网式光伏发电系统很大一部分用于政府电网和发达国家节能的案件中刚划I娜 万方数据出苤抖技太堂亟±堂位论塞绪j盒，，是世界各发达国家在光伏应用领域竞相发展的热点和重点，是世界太阳能光伏发电的主流发展方向，是2l世纪极具潜力的能源利用技术[23]。1．4本课题的主要研究内容本文就一种非隔离型并网(NITLG)光伏发电系统进行了研究及应用设计，对太阳能电池的输出特性进行了分析，针对太阳能光伏阵列的最大功率点跟踪、DC／DC变换及逆变输出控制策略、孤岛检测等进行了分析与研究。本论文分为六章：第一章为绪论，讲述课题的研究背景、光伏发电的国内外研究和发展现状和目前主要的光伏发电形式：第二章和第三章分别介绍了系统总体设计、太阳能电池板的特性及最大功率点追踪算法和逆变算法；第四章对系统的逆变策略进行了分析；第五章对现有的孤岛检测方法进行了讨论：第六章为总结与展望。6 万方数据2系统总体设计本系统结构由太阳能电池板、Boost电路、逆变电路、滤波电路、检测电路和控制器组成。太阳能光伏阵列采用52块光伏电池串并联组成，输出直流电压和电流。利用电流检测电路和电压检测电路检测电池板输出的直流电流和电压。Boost电路为直流升压电路，能够将直流电压升压。逆变电路将升压后的直流电压和直流电流进行逆变。在逆变过程中，选用电压型逆变器，采用三相SVPWM逆变技术。该技术能够减小因逆变产生谐波对电网的影响。在逆变后采用LC滤波，进一步减小交流电中的谐波含量，使输出的电流波形更加平滑。最后通过检测电路检测系统输出交流电的频率、相位和幅值，当输出交流电的频率、相位和幅值满足并网条件时，进行并网送电。图2．1光伏并网发电系统结构图Fig．2．1Photovoltaic鲥dpowergenerationsystemstructure本课题设计了额定功率为lOkW的家庭并网光伏发电系统，采用两级式非隔离结构设计，其系统结构图如图2．1所示。家庭光伏发电系统的特点通常是白天光伏发电系统发电量大，晚上光伏发电量小。将家庭光伏发电系统与电网相联，就可将光伏系统白天所产生的多余电力“贮存”到电网中，夜晚光伏系统不产生电能，用户从电网中获取电能，这样就能够将光伏系统产生的电能充分利用。其工作原理为：太阳能光伏电池板将接收的太阳能经光生伏打效应转化为直流电能，利用直流电压电流检测电路来获取其大小，当直流电压较低时通过Boost电路对直流电压变压来追踪电池板的最大功率点，然后采用三相电压' 万方数据出筮科拉太堂亟±堂僮j金窑丕统总佳篮让型逆变器将直流电转化为交流电，利用交流检测电路检测电网电压，待系统满足并网条件时，将滤波后的电流并入电网。2．2太阳能电池方阵太阳能电池单体是光电转换的最小单元，尺寸一般为2cm×2cm到15cm×15cm不等。太阳能单体工作电压为0．45--4)．5V，工作电流为20～25mA／cm2。由于太阳能单体的电压和电流比较小，所以一般不能单独作为电源使用。将太阳能电池单体进行串并联，进行封装之后，就成为太阳能电池组件，其功率从几瓦、几十瓦甚至可以高达．上百瓦。所以太阳能电池组件是可以单独作为电源使用的最小单元。将太阳能电池组件经过串联和并联后，安装在支架上，就构成了太阳能电池方阵，这样就可以满足负载所需要的功率。本课题采用52块峰值功率电压为37V，峰值功率电流为5A，峰值功率为190W的太阳能电池阵列。将52块太阳能电池组件分为4个单元，每个单元由13个太阳能电池组件串联，再将4个单元的电池组件两两一组分为两组。两组电池方阵分别经过直流升压电路调压，最后经过同一个逆变电路并入电网。为其结构组成如图2．2所示。矗，电电网第二组图2．2太阳能电池方阵结构示意图Fig．2．2Thesolarcellphalanxstructurediagram系统的总功率P为：P=胛}U}I=52×37×5=9．62kW(2．1)这种电池组设计的优点在于系统运行可靠性高、易维护，即使一组太阳能电池板发生故障，另一组仍可继续发电。而且这样设计可以降低直流调压电路中对元器件耐压值和耐8 万方数据出丕型拉太堂亟±堂拉j金塞丕统总佳退让流的值要求，在降低系统的成本下，增强了系统的安全性。2．3直流变换电路由于太阳能电池光伏阵列受光照强度、温度等环境因素的影响，其发出的电能是不稳定的，通常解决的办法是利用直流变换电路对其输出的的电能时刻进行调节。根据光伏阵列的特点，利用直流变换电路的调节，在稳定光伏阵列输出电能的前提下，追踪光伏阵列的最大功率点。实现直流变换电路的具体结构有多种形式，按照输入与输出是否存在隔离，可以将直流变换电路分为隔离型和非隔离型。本课题所研究的是10kW的小型民用光伏发电系统，基于成本和空间的考虑，采用非隔离型的直流变换电路。典型的非隔离型直流变换电路包括降压变换电路(Buck电路)、升压变换电路(Boost电路)、降一升压变换电路(Buck—Boost电路)和库克变换电路(Cuk电路)等。下面分别对这几种电路进行讨论。2．3．1降压变换电路(Buck电路)降压变换电路的电路拓扑结构图如图2．3所示，由于输出的电压不会高于输入电压，故将其称为降压变换电路。其原理为：通过PWM控制技术使功率管Q以较高频率导通和关断，使电路时断时续。只有在功率管导通时间内，负载R上才会有电压U。在功率管Q关断时间t。ff内，负载R上的电压为0。由此，可得电阻R上的平均电压V赢为：Vave2历to百nu寺u=棚(2．2)上式中，d为功率管Q的占空比。l巧HpL川丰cRIL习一。FuI—l图2．3降压变换电路结构图Fig．2．3TheBuckcircuitstructure9 万方数据出丕±主越态芏熊土望位盈童丕绣盛馇熊蓝图中电容c和电抗器L除了具有储存能量的功能以外，还能使输出的电流和电压更加的平滑，使输出电压和电流纹波的系数较小。二极管D的作用是当功率管Q关断时将电抗器上储存的能量释放出来，使电抗器L、负载R和二极管D形成回路。2．3．2升压变换电路(Boost变换电路)升压变换电路也称Boost变换电路，其拓扑电路结构图如图2．4所示，其原理为：用PWM技术控制功率管Q的通断，当功率管Q闭合时，二极管反向偏置，将输出与输入隔离开，输入端向电抗器L提供能量，输出端依靠电容c提供电能。当功率管Q断开时，输出端吸收电抗器L和电源E提供的能量。图2．4升压变换电路结构图Fig．2．4TheBoostcircuitstructure2．3．3升降压变换电路(Buck-Boost电路)升降压变换电路也称为Buck—Boost变换电路，是将升压和降压变换电路前后组合。其电路拓扑结构图如图2．5所示。图2．5升降压变化电路Fig．2．5TheBuck-Boostcircuitstructure由图可知，输出电压与输入电压的变换比是升压变换电路和降压变换电路在功率管具有相同占空比时变比的乘积。即：％=南E眩。，10 万方数据出丕抖技太堂亟±堂位论塞丕统益佳遮让当功率管Q闭合时，直流电源E向电抗器L提供能量，由于二极管D反向偏置，电源电压无法加到负载上。当功率管Q断开时，储存在电抗器L里的电能和电源电能，经过二极管D加到了负载R上。在此期间，电源E不向电路供电。通常，输出电容器C比较大，目的是尽量形成一个以恒定电压输出的电压源，减小电路输出电压的纹波。通过PWM技术调节占空比d，可以得到高于或低于输入电压E的输出电压Uo。2．3．4库克变换电路(Cuk电路)库克电路是对Buck．Boost电路应用对偶原理而得到的。与Buck—Boost电路类似，电路提供了一个相对于电源公共端为负极的可调输出电压。其电路原理图如图3．6所示。F’罩a[DI制I一[丰Ql『EJ’Q图2．6厍克变换电路Fig．2．6TheCukcircuitstructure电容C1用来储存电源的能量，将其转移到输出端。电容C2的作用是稳定输出电压，使输出电压在短时间内不变。Cuk变换电路可以实现电源电压的升压与降压的功能，保留了Buck电路、Boost电路出色的稳定性等优点。但由于多个电容的使用增大了电流的纹波。降低了电路总体的可靠性。2．4直流变换电路选型本系统采用直流升压电路(Boost电路)来完成最大功率点的追踪过程，其原理图如图2．7所示。 万方数据圈2．7亘流升压电路Fig．2．7TheBoostcircuitstructure首先假设电路中电抗器L值很大，电容c值也很大。当Q处在导通状态时，电源E向电抗器L充电，假设充电电流基本恒定为I，，同时电容C上的电压向负载R供电，因为电容c的容值很大，所以输出的电压ud。的值基本不变。设Q导通时间为t。。，此阶段电感L上积蓄的能量为Ellt。。。当Q处于关断状态时L和c共同向负载提供能量。设处于关断的时间为t。ff，则在此期间电感释放的能量为(ud。一E)Ilt。fr。当电路处于稳态时，一个周期内，电感储存的能量应和释放的能量相等，即：日lton=0出--E)Iltoff(2．4)设占空比D：k，则输出电压为：铲警E2iTE=志(2．5)‘够‘彩1一u设电池内部负载为RPv，Boost电路输入阻抗为R10ad，输出阻抗为R，根据Boost电路输入和输出功率守恒以及等效阻抗原理，可得：R，矿=R胁d=(1一D)2R(2．6)由此我们可以看出，利用Boost电路追踪最大功率点的实质是设定一个恒定的输出电压值ud。，通过控制功率管的开关频率改变Boost电路的输入电阻R1。ad，使其与太阳能光伏阵列内阻RPv相匹配，从而使光伏阵列的输出功率最大。由于太阳能光伏阵列所处的环境时刻变化，电池板的最大功率点也在不停地变化，因此系统需要不停地调整功率管的占空比来追踪最大功率点。此外Boost电路中的二极管可以起到防止输出侧电流倒灌的作用，当外界环境的剧烈变化导致太阳能光伏阵列的内阻较小时，阻止输出侧电网能量倒灌入 万方数据出丕型蕴太堂硒±堂位j盆塞丕蕴总佳强让光伏阵列造成光伏阵列元件的损坏。上式Boost电路的升压倍数除了与占空比有关外，还受电路中电抗器中电流是否连续的影响，因此在实际应用中应保证电抗器中电流的连续性。2．5逆变电路逆变器是通过半导体功率开关的导通和关断作用，把直流电能转化为交流电能的一种变换装置，是整流变换的逆过程【24．26】。逆变器可以是半桥式的，也可以是全桥式的。三相逆变电路可以用三个单相逆变器组成，也可以用三个独立桥臂组成。按输入直流电源性质的不同可分为电压型逆变器和电流型逆变器。电压型逆变器电路如图2．8所示，电流型逆变器如图2．9所示。图2．8电压型逆变器Fig．2．8Thevoltagesourceinverter图2．9电流型逆变器Fig．2．9Thecurrentsourceinverter13 万方数据些丕拦技盔堂亟土堂位逾塞鍪统盛佳越让电压型和电流型逆变器在电路结构、直流侧电源、输出波形等方面都有着对偶的关系。电压型逆变器在直流电源侧并联滤波电容，逆变桥臂上的功率管有反并联的续流二极管，逆变器的输出阻抗很小，为电压源[27-29]。在一般情况下，输出的电压波形是不等宽的的脉冲序列；而电流型逆变器在直流电源侧串联电抗器，电源阻抗较大，输出为电流源，桥臂结构功率管与二极管串联的方式，输出波形为不等宽的电流脉冲。电压型逆变器的换相在上下桥臂间进行，而电流型逆变器的换相要在不同的相问进行。由于电流型逆变器必须串联感值较大的电感来维持电流值的恒定，电感值较大时体积庞大，成本高，所以本系统采用电压型全桥逆变器结构[30-32]。2．6本章小结本章主要介绍了光伏发电系统中太阳能电池方阵组成电池板的几种方式，方式不同，电池板的性能参数就不同；介绍了光伏发电系统的组成部分，分别分析了光伏发电系统中的直流变换单元和逆变单元，并简单介绍了目前直流变化电路和逆变电路存在的主要形式14 万方数据3太阳能电池板的特性及最大功率点追踪策略3．1太阳能电池的工作原理太阳能光伏电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。用适当波长的光照射到半导体系统上时，系统吸收光能后两端产生电动势，这种现象称为光生伏特效应。例如，当光照射到由P型和N型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的P．N结上时，在一定条件下，光能被半导体吸收后，在导带和价带中产生非平衡载流子——电子和空穴。由于P-N结势垒区存在着较强的内建静电场，因而产生在势垒区中的非平衡电子和空穴，或者产生在势垒区外但扩散进势垒区的非平衡电子和空穴，在内建静电场的作用下，各向相反方向运动。离开势垒区，结果使P区电势升高，N区电势降低，P-N结两端形成光生电动势，这就是P-N结的光生伏特效应。由于光照产生的非平衡载流子各向相反方向漂移，从而在内部构成自N区流向P区的光生电流，在P．N结短路情况下构成短路电流密度。在P．N结开路情况下，P-N结两端建立起的光生电势差就是开路电压。如将P-N结与外电路接通，只要光照不停止，就会不断地有电流流过电路，P-N结起了电源的作用，这就是光电池的基本工作原理。显然，光伏电池之所以能在光照下形成电流密度、短路电流密度、开路电压都是材料内部存在内建静电场的缘故。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载中就有“光生电流”流过，从而获得功率输出。这样，太阳的光能就直接变成了可付诸实用的电能。光伏电池的结构如图3．1所示。图3．1光伏电池的工作过程Fig．3．1Theworkingprocessofthephotovoltaiccells3．1．1光伏电池的等效数学模型当受光照射的太阳能光伏电池接上负载时，光生电流流经负载，并在负载两端建立起 万方数据出丕整技太堂亟±望位j金塞态田能电池扳的挂性厘量太功壅直追跬筮略端电压，这时太阳能光伏电池的工作情况可用图3．2所示等效电路来描述。图中把太阳能光伏电池看成能稳定地产生光电流Iph的电流源(只要光源稳定)，与之并联的有一个处于正偏压下的二极管及一个并联电阻R。h(也称跨接电阻)。显然，二极管的正向电流Id和旁路电流I。h都要靠Iph提供，剩余的光电流经过一个串联电阻R。流出太阳能电池而进入负载RL。对于实际的太阳能电池，应当把它看成由很多个具有这种等效电路结构的电池单元(也称干电池)串并联而成，因而应当把如图3．2所示的等效电路中的各个参量视为集中参量(即各子电池参量的总和)。l历上之夕5l图3．2单体太阳能电池等效电路Fig．3．2Monomersolarbatteryequivalentcircuit由图中各物理量的关系，可以得到光伏电池的输出特性方程如式3．1所示：I=Iph—Id—Isht3·1]川扩小p[去阶如)卜}一半@．2)一般讨论实际等效电路时，可忽略R。或R。h。对光伏电池等效电路进行分析可以发现：串联电阻R。越大，则短路电流会越小，但不会对开路电压造成大影响；并联电阻R。h越大，则开路电压会越大，但不会影响到短路电流R。h。由于为数干欧姆，因此，在下面的讨论中将忽略R。h，得到光伏电池的简化等效电路图3．3，并且得到简化的光伏电池输出特性方程如公式3．3。16 万方数据其中I√乱一l厶+厶夕5图3．3简化的光伏电池的等效电路Fig．3．3SimplifytheequivalentcircuitofphotovoltaiccellsH扩十p岛阶皿和I$cr"---K，p一298)】而S驴‰(专)3eXp[篆(专一堋(3．3)(3．4)(3．5)故式3．1可化为：』：[1scr+K1仃功8)】志一如H去‰+如)卜)@6，由式3．3—3．5可以得出光伏电池的输出功率表达式：P=％，=‰阢盯+K，p一298)】志一％乇{e冲[_刍‰+皿)]一·)c3m光伏电池的开路电压为：上述公式的参数解析详见表3．1。：，——光伏电池的输出电流；Uo——光伏电池的输出电压；Iph——光生电流：U∞UOC$+Kz．仃一298)(3．8)』。——光伏电池内部等效二极管的P-N结反向饱和电流，近似为常数，不受光照强度17 万方数据出丕控技太茔醵±宝位i金塞态田能出垫褪盟犍性盈量太功至直追躔董监的影响，只与该光伏电池材料自身性能有关；g——电子电荷，g=1．6x10—19C；A——光伏电池内部P-N结的曲线常数；k——玻尔兹曼常数，后=1．38x10。23+／g；丁——光伏电池的表面温度，换算为绝对温度；B——光伏电池内部的等效串联电阻，一般小于lQ，主要由光伏电池的体电阻、P-N结扩散层横向电阻、电极导体电阻与硅表面问接触电阻以及线路导体电阻等组成；R幽——光伏电池内部的等效旁路电阻，一般为几千欧姆，主要由光伏电池表面污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流对应的P-N结的漏泄电阻和光伏电池边缘的漏泄电阻等组成[391；J，。——标准测试条件下(25℃和1000w／m2)的短路电流；K，——标准测试条件下(25℃和1000w／m2)的短路电流温度系数：u船——标准测试条件下(25℃和1000w／m2)的开路电压；K丁——标准测试条件下(25oc和1000w／m2)的开路电压温度系数s——辐照强度；』dD——标准测试条件下二极管的饱和漏电流；％r——标准条件温度(绝对温度值)；Eg——晶体硅的能带宽度；由式3．7可以看出，光伏电池的输出电流和电压受到外界因素，如温度、日照强度等的影响。在不同的温度、日照强度下有不同的短路电流I。。，并且与日照强度成正比，与温度成一定的线性关系。同时，开路电压也与二者有密切的关系。3．1．2光伏电池的建模及模型参数对输出特性的影响光伏阵列是由许多小单位的光伏电池并联或串联组合所组成的。光伏电池串联组合可18 万方数据以提高太阳能发电系统的最高输出直流电压；光伏电池并联组合可以提高太阳能发电系统的最高输出直流电流。因此，通过对光伏电池串、并联交替组合可以得到期望的直流电压或电流。据此可以得到光伏电池模组的输出特性方程：向山几oxp[％剀@9，其中np、ns分别为光伏电池组中光伏电池的并联、串联个数。光伏阵列是光伏发电系统的关键部件，其I／v特性是日照强度、环境温度和光伏模块参数的非线性函数。要实现光伏发电系统及其MPPT的仿真，首先一步是解决如何对光伏阵列输出特性进行仿真模拟。该模型一旦建立，可用于模拟所研究系统的输入电源。简化的做法是把光伏阵列直接等效为直流电压源。但是该模型不能实时跟踪日照强度、环境温度变化，因而这样的系统仿真不能反映上述参数变化对整个系统性能的影响。在光伏发电系统设计中，光伏电池板的生产厂家一般会提供该光伏阵列的参数，主要有：开路电压、短路电流、峰值工作电压、峰值工作电流、最大功率等。将这些参数直接带A．*Lt应的数学模型，即可得出光伏阵列的运行参数。本课题选用了国内英利公司的YL240P一29b太阳能电池阵列组件，利用其参数带入以上方程可以进行建模仿真。对于同一块电池板，由于光伏电池内部影响因素(如光生电流Iph、反向饱和电流Io、串联内阻R。等)对电池板输出的影响不大，在这里不进行分析。下面主要对电池板光照强度S和温度丁进行讨论。3．1．2．1辐照强度S从光伏电池的等效电路及其特性方程可以看出，辐照强度对光伏电池的输出有很大的影响。图3．4所示为光伏电池在标准测试条件下的伏安特性曲线，从图上可以看出，光伏电池是一种非线性的直流电源，其输出电流基本上近似恒定，只有在接近开路电压时，电流下降率很大。图3．5、图3．6所示为光伏电池在标准测试温度(25％2)下不同辐照强度s 万方数据出苤型拉太堂亟±堂位论塞本田能虫。渔扳的挂性及量太功室直监跬筮略时的I—U和P-U输出特性曲线，光照强度分别为600w／m2、800w／m2及1000w触2。电流(A)IscImOVmVoc图3．4标准测试条件下I．v特性曲线电压(V)Fig．3．4I-VcharacteristiccurvesofPVmodulewithdifferemtS42堰删3210图3．5不同光照强度S下光伏组件的I．V特性曲线Fig．3．5I-VcharacteristiccurvesofPVmodulewithdifferentS图3．6不同光照强度下P．u特性曲线Fig．3．6P-UcharacteristiccurvesofPVmodulewithdifferentS20一事)|*霄 万方数据出丕抖技太雯亟±堂位i金塞态田能电池越的挂性厘量太功壅直退壁筮略由图3．5可以看出，光伏电池的开路电压、短路电流在温度恒定不变的情况下都会受到辐照强度的影响。当辐照强度增大时，短路电流明显增大，短路电流与辐照强度成正比；对光伏电池的开路电压来说，辐照强度增加时，开路电压略有增加，但变化并不明显。图3．6可知，随着光照强度的增加，电池的输出功率也将相应的增加。3．1．2．2温度T温度是影响光伏电池输出特性的重要外部因素之一。图3．7和图3．8所示为光伏电池在标准测试辐照强度(1000W／m2)下不同温度时的I—U、P—U输出特性曲线，温度分别为一5℃、0℃和10℃。图3．7不同温度下I—u曲线Fig．3．7I-UcharacteristiccurvesofPVmodulewi廿ldifferentT图3．8不同温度下P．U曲线Fig．3．8P-UcharacteristiccurvesofPVmodulewithdifferentT21 万方数据山丕抖基太堂亟±堂位j金塞太田能虫．池扳啦挂性厦量太功壅直追跬篮嗌从图3．7可以看出，温度变化对光伏电池的短路电流的影响不明显，随着温度的增大略有变化；光伏电池的开路电压随温度的增大逐渐减小，输出电压与温度呈反比关系，且变化较明显。由图3．8可以得出，温度的变化对光伏电池的最大输出功率影响较为明显，随着温度的升高，P．U输出特性曲线向左偏移，输出功率有较大幅度的下降，即光电转换效率降低。3．2太阳能电池的热斑效应在一定条件下，一组串联或并联支路中被遮蔽的太阳能电池组件，不但会损失其产生的电能，而且该组件还会被当做负载消耗其它太阳能电池组件所产生的能量，进而变成损耗功率的设备。被遮挡的太阳能电池组件此时将会发热，这就是“热斑效应”。这种效应能严重地破坏太阳能电池组件。为防止热斑效应损坏电池组件，通常会在光伏组件电池内部或电池问的串联电路中并联一个旁路二极管，以避免串联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所消耗。在光伏电池内部或电池间的串联电路中串联一个一个旁路二极管，可以避免并联回路中光照组件所产生的能量被遮蔽的组件所吸收。对于离网式光伏发电系统串联二极管在独立光伏发电系统中可同时起到防止蓄电池在夜问反充电的效果[40-43]。如图3．9所示。图3．9串联二极管与光伏电池并联示意图Fig．3．9Seriesdiodesandphotovoltaiccellsparallelschematicdiagram22 万方数据幽丕型兹太堂亟±芏位i金毫态田能血池抵曲挂性厘量太盐圣直亟壁筮骚3．3最大功率点追踪(MPPT)策略3．3．1追踪最大功率点(MPPT)原理光伏发电系统中的最大功率点追踪MPPT控制过程在本质上是控制外部负载R10ad的变化使其与太阳能电池板内部负载RPv相匹配，使光伏阵列输出的功率最大。前面分析了光伏电池的u—I和P—U特性曲线受外部温度和光照的影响较大，由于光照强度和温度是时刻变化的，所以太阳能光伏阵列的内部负载Rl。ad是随外部环境的变化而变化的。因而MPPT控制过程要时刻根据内部负载RPv的变化来调节外部负载RI。ad的大小。最大功率点追踪策略需要时时检测光伏阵列的输出功率，通过一定的控制算法预测当前条件和下一时刻阵列可能的功率输出，从而改变当前的阻抗大小来尽量匹配最大功率点处光伏阵列的内阻。这样即使太阳能的结温升高使得阵列的输出功率减少，系统仍然可以工作在当前条件下的最佳状态。实现最大功率的方法很多，目前应用较为普遍的有以下几种：3．3．1．1恒定电压法从图3．6中可以看出，当光伏电池的温度一定时，其输出特性曲线上最大功率点电压几乎在一个固定的电压值处。恒定电压法正是利用这一特性，根据实际系统设定一恒定的运行电压，使系统始终保持运行在某一设定电压下，从而尽可能地输出最大功率。在外界环境条件变化不大时，可以近似认为光伏电池始终工作在最大功率点处【删。恒定电压法的控制流程图如图3．10所示。 万方数据出丕抖拉太堂亟±堂位论塞太阳能电池扳曲挂性厦量太功垩直追躔筮隆Ue，采样I上八Y＼g，r2L生矿"xYf／士Y／＼．1弋岁+1rI减小输出电压增大输出电压保持输出电压图3．10恒定电压法的控制流程图Fig．3．10TheControlflowchartofconstantvoltagemethod从上图中可以看到：系统只需要对光伏电池的输出端口电压进行采样，并同光伏电池端输出电压的参考值进行比较。若输出端口电压同指定电压值不同，则通过调整系统光伏电池的负载特性(通常为DC／DC变换器)，使得调整后的光伏电池的输出端口电压等于参考值即可。该控制算法简单，实现最为容易。在简单光伏发电系统中如独立太阳能照明系统、小型太阳能草坪灯等方面应用较为广泛。但在温度变化时仍采用该控制策略，阵列的最大功率将偏离最大功率点。此外，光伏阵列的结温升高比较明显，导致阵列的伏安特性曲线与系统预先设定的工作电压可能不存在交点，那么系统就会存在振荡。恒定电压法是MPPT控制的近似，没有真正实现最大功率点实时跟踪与控制，误差相对较大，尤其受外界环境和自身工作状态影响较大，实际应用中在温度变化较大或季节更替引起温度较大的变化后控制效果不理想。3．3．1．2干扰观测法干扰观测法由于实现的方法简单，并且能够实现实时最大功率控制，因此其控制效果较为理想，在光伏发电系统最大功率控制应用中也较为常用。 万方数据出塞抖技太坐亟±堂位i金塞态田能电池抵的鳖性盈量太功壅直追躔压略干扰观测法的基本原理：先使光伏阵列工作在某一参考电压下，检测出此时系统输出的功率，然后在这个电压的基础上增加一个正向电压扰动。倘若此时检测出的输出功率增加，则表明最大功率点在当前工作电压的右侧，可以继续增加正的电压扰动，使得当前工作点向右移动；倘若此时检测出输出的功率减小，表明则最大功率点在当前工作电压的左侧，可以增加负的电压扰动，使得当前工作点向左移动。如此反复，直到输出功率在一个较小的范围内波动，则可认为系统到达最大功率点。控制流程图如图3．11所示[45】。图3．11干扰观测法的控制流程图Fig．3．11TheInterferewiththeobservationmethodofthecontrolflowchart干扰观测法一般使用两个传感器来采集直流母线的电流和其两端的电压信号。该控制方法简单直观，便于硬件实现。利用硬件系统进行编程实现较为方便，在很多场合能有效追踪最大功率点。干扰观测法是工程实际中使用最为广泛的实时控制方法。根据干扰步长和控制效果，可以分为常规法和改进的干扰观测法。常规法中，根据控制参数的不同，可以分为电压干扰法、占空比(直流变换器控制脉冲)干扰法等；改进的干扰观测法主要有变步长法(dP／du)一I法、(dP／dU)一u法等新型控制算法。但是，干扰观测法也有其不足之处，该方法在系统稳定后，只能在最大功率点附近震，气 万方数据出丕越拉太堂亟±堂位i金塞态田能电浊扳的特性及量太功奎直追躔箧略荡运行。只能通过减小扰动步长，减小震荡的程度，来减小功率损失。然而如果扰动步长过小就会降低对最大功率点的追踪速度，难以实现快速跟踪。如果外界光照强度变化较快，输出特性曲线随之发生较大变化，输出特性曲线会出现多峰值的现象，该方法在整个过程中很可能发生误判断。倘若光照强度持续发生变化，该跟踪算法会失效。3．3．1．3电导增量法电导增量法也是最大功率点追踪中常用的方法之一，该方法是通过比较太阳能电池的瞬时电导和电导的变化量来实现最大功率追踪的。从图3．6中可以看到：太阳能电池的输出特性曲线在最大功率点处必有：dP／dU=0。其中，P为太阳能电池板输出功率，u为输出电压。由此，推出以下结论：当dP／dU>0时，系统工作在最大功率点的左侧：当dP／dU<0时，系统工作在最大功率点的右侧：对于光伏电池，功率P：UI，故里：u里+I：0，即一dI：一一I；所以，通过判断三+一dIdUUdU，即G+dG的符号即可判断光伏阵列是否工作在最大功率点处。当符号为正时，表明此时系统处于最大功率点左侧，需要增大匹配的负载电阻，使输出电压增大；当符号为负时，表明此时系统处于最大功率点右侧，需要减小匹配的负载电阻，使输出电压减小。当等于0时，表明此刻系统正处于最大功率点处，维持太阳能电池板输出电压不变【蚓。控制流程图如图3．12所示。26 万方数据幽丕整技太堂亟±堂位i金塞太阳能电池抠的挂性厘虽太功奎直追隧筮略图3．12电导增量法控制流程图Fig．3．12TheControlflowchartofincrementalconductancemethod电导增量法通过比较太阳能电池板的电导增量和瞬间电导来调节控制信号。这种控制方法也需要对太阳能电池的输出电压和电流进行采样。电导增量法控制准确、响应速度快，适用于外界环境变化较快的场合。该控制方法稳定可靠，在追踪到最大功率点后不会发生在最大功率点附近波动的现象，具有较高的稳定性。此外，电导法对光伏阵列最大功率的点追踪判断不受系统外部电路的影响，可以避免功率时间曲线为多峰值而造成的最大功率点的误判情况。但是，电导法在进行判断控制时需要进行较多的微分计算，计算量较大，这对硬件尤其是传感器的精确度要求比较高。系统中的各个部分响应速度都需要很快，因而整个系统的成本会很高。 万方数据出塞整拉太堂硇±堂僮论塞太田能电池扳啦挂娃厦量太功窭壶追躔筮略3．3．1．4最优梯度法以阵列的I—V特性关系函数为基础，选取阵列输出功率作为目标函数的正梯度方向作为每步迭代的搜索方向，逐步逼近功率函数的最大值。此法要不停计算，并且计算公式复杂。迭代算法公式为：Uk。1=Uk+akgk(3．10)式中，ak为一非负常数，铲翥h@⋯最优梯度法通过计算梯度gk来确定搜索方向，若gk>0，则表示此时搜索方向沿U轴的正方向趋近于最大功率点；若gk<0，则表示搜索方向沿U轴的负方向趋近于最大功率点。可见，基于最优梯度法的MPPT控制实际上是按光伏电池P—u特性曲线的斜率而自动变化电压扰动的步长。当工作点位于最大功率点左侧斜率较大的区域时，电压以一较大步长的扰动量增加，并随着向最大功率点电压的靠近，斜率降低，自动变小扰动的步长；当工作点位于最大功率点右侧斜率较大的区域时，电压以一较大步长的扰动量减小，并随着向最大功率点电压的靠近，斜率减小，亦自动变小扰动的步长。最优梯度最大功率点跟踪方法可以有效地预防由于光照强度以及温度的突变带来的误判，保证系统的稳定性和可靠性。但从梯度计算公式可以看出，该算法的计算量很大，运算过程也比较繁琐，影响到控制系统的响应速度。3．3．1．5滞环比较法滞环比较法在扰动观察法基础上增加测量一个反向扰动比较点，其思想是比较三个点的功率，如果功率变化方向一致(即正扰动使功率增加，负扰动使功率减少，或正扰动使功率减小，负扰动使功率增加)则调整扰动，否则不进行调整。3．3．1．6问歇扫描法其原理是定时地让系统在一段电压范围内工作(也即扫描一个区域)，记录下各工作点的功率，比较找到最大功率点，然后让系统工作在这个最大功率状态。它不像前面两种方 万方数据出丕抖技太堂亟±望位j盆塞态田能电池题的特性厦量太功室直追踪筮略法，要不停地搜索，它只要定时进行一次扫描，但它不能及时同步跟踪阵列输出。3．3．1．7模糊控制法它是以功率对电压或电流的变化，以及其变化率来作为模糊输入变量，通过模糊化处理并根据专家经验进行模糊判别，给出调节输出的隶属度，最后根据隶属度值进行反模糊化处理得到控制调节量，来实现控制最大功率输出。3．3．1．8神经网络预测法利用一个和主阵列一样特性的小阵列模块作为对太阳能光照、温度的监测。通过测量小阵列当前的开路电压、环境温度以及实时时问，利用已学习好的神经网络给出主阵列当前最优的输出电压(即最大功率点处的工作电压)。以上这些控制策略各有优缺点，他们的共同目标是控制太阳能电池和负载达到最佳的匹配，使太阳能电池输出当前最大的功率。3．4变步长干扰法控制原理目前使用比较广泛的是干扰观测法，但在本系统中使用干扰观察法调整占空比d时，存在调整步长大小的问题：步长过小，跟踪时间过长而影响系统的动态响应特性；步长过大，输出功率波动加大，其平均值大大小于最大值，稳态误差变大。为此在干扰观测法中增加了步长的自动在线调整器a，如式(3．15)。该方案能够同时保证系统的动态和稳态性能。口@+1)=M羽IdPI(3m)其中：a(k)为干扰oa压,u的调整步长，在0和1之间变化：dp=p(k)一p(k一1)表示功率的变化大小：M为常量，决定了调节的灵敏度。当外界环境因素如光伏阵列温度、Et照强度变化突然较大时，普通的干扰观察法仍然认为导致输出功率变化的原因是由于输出电压(或电流)增加或减小了一个调整步长，从而可能使控制器远离最大功率点。通过公式3．12可解决这一混淆点。当ldPl／a(k)较小时 万方数据出丕抖技太望鲴±生位i金塞态田篮虫毖枢的挂挂及量太功姿直追篮篮咯，表示输出功率P的变化主要是由于占空比d步长调整引起的，此时a(k+1)较a(k)变化不应很大。而当dP／a(k)较大时，则表示功率P的变化主要是由于光伏阵列表面温度、日照强度等外界因素造成的。此时若最大功率点大幅度漂移，则步长a(k+1)变大，从而能够快速跟踪到新的最大功率点。从理论上来讲，总可以找到光伏阵列的最大功率点Pmax，在Pmax处，dP=0这个判别式是成立的，但实际运行过程中，几乎找不到这个判别式成立的点，因此传统的干扰观察法往往会导致系统工作点在光伏阵列最大功率点附近振荡运行，导致一定功率损失，于是引入参数e，对dP进行判断，当dP