2015届毕业设计(论文)装订、排版顺序及格式要求

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2629光伏并联发电装置学生：谭继鑫指导教师：王归新（三峡大学科技学院）摘要：在串联光伏电池阵列中，若有一个损坏，则整个阵列不能工作。采用并联式太阳能发电装置，通过对现有光伏阵列串并联结构的研究，提出了一种更为有效的并联结构。并联光伏发电系统是设计一种新型并联光伏发电系统，并将通过控制并网。对并联光伏发电系统中关键模块—DC/DC变换器的结构进行设计，通过拓扑分析比较不同DC/DC变换电路的优缺点，确定最佳的电路结构。通过实验验证电路选择的正确性。系统前端为光伏电池，光伏电池之后并联一个模块，模块里有单独的最大功率跟踪控制系统，模块并联之后接直流母线，经过控制使光伏电池发出的直流电能逆变为交流电能，通过控制使逆变器输出的交流电能与电网电压保持幅度、相位的协调，以向电网输出功率。关键词：新能源；光伏发电；MPPT；全独立并联式光伏发电技术Photovoltaic(pv)parallelpowersystemsStudent：谭继鑫instructor：王归新（三峡大学科技学院）Abstract：Intandemsolarcellarray,ifoneisdamaged,theentirearraydoesn'twork.Adoptparallelsolarpowersystems,basedontheresearchoftheexistingparallelofphotovoltaicarraystructure,amoreefficientparallelstructureisproposed.Parallelphotovoltaicpowergenerationsystemistodesignanewtypeofparallelphotovoltaicpowergenerationsystems,andbycontrollingthegrid.Thekeymodulesinparallelphotovoltaicpowergenerationsystems,todesignthestructureoftheDC/DCconverter,throughtopologyanalysisandcomparisonoftheadvantagesanddisadvantagesofdifferentDC/DCconversioncircuit,thecircuitstructuretodeterminethebest.Throughtheexperimenttoprovethevalidityofthecircuitselection.Systemfront-endforphotovoltaiccells,photovoltaiccellsafteramodulein 2629parallel,themodulehasaseparatemaximumpowertrackingcontrolsystem,afterthemoduleparalleldcbus,aftercontrolthedcinverterforacelectricenergyfromthephotovoltaiccells,throughthecontroloftheinverteroutputacpowertothepowergridvoltageamplitudeandphaseofthecoordinated,theoutputpowertothegrid.Keywords：Newenergy；Photovoltaicpowergeneration；MPPT；Allindependentparallelphotovoltaicpowergenerationtechnology前言太阳能发电有着广泛的发展前景。太阳辐射地球表面的能量约为17万亿千瓦，相当于目前全世界一年能源总消耗量的3.5万倍。太阳能光伏发电在不久的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。根据预测2030年太阳能光伏发电在世界总电力的供应中将达到10%以上;2040年太阳能光伏发电将占总电力的20%以上;21世纪末太阳能发电将占60%以上，显示出重要战略地位。世界各国都纷纷把阳光能源作为重要的战略能源之一，光伏发电将逐渐发展为一种替代能源。光伏发电的并网开发应用是目前世界上大规模利用光伏发电的必然选择，也是未来最大的光伏发电市来讲，风电上网电价采取特许权招标电价和核定电价(基本上分为0.51元、0.56元和0.61元三个档次)两种形式;太阳能发电只对屋顶光伏项目进行补贴，2009年的补贴标准为20元/瓦，以后逐年递减，开阔地光伏电站目前刚刚开始启动试点项目，主要通过招标确定上网电价(敦煌项目，1.09元/度);生物质能发电则是在当地火电标杆电价的基础上补贴0.25元/度。在我国发展大型光伏并网发电，是改变和优化电力结构的理想选择，也是可持续电力供应的理想模式。同时，智能电网的建设和发展，将有效地促进分布式可再生能源发电的发展，为太阳能光伏发电并网带来美好前景。且光伏点具有调节常规电力负荷高峰的作用，因此光伏发电成为一次能源紧缺的有效解决方案，面对全球能源枯竭的现状，世界各国不断出台利好的太阳能光伏补贴政策，刺激光伏产业发展，因此近几年世界太阳能光伏产业呈现迅猛发展，但在现有工艺条件下，光伏电池(包括光伏单体及光伏组件)的伏安特性存在较大差异，而这将影响光伏阵列的工作特性。在串联光伏电池阵列中，若有一个损坏，则整个阵列不能工作。采用并联式太阳能发电装置，通过对现有光伏阵列串并联结构的研究，提出了一种更为有效的并联结构--并联光伏发电系统。 26291绪论1.1光伏板的原理太阳能不象煤和石油一样用交通工具进行运输，而是应用光学原理，通过光的反射和折射进行直接传输，或者将太阳能转换成其它形式的能量进行间接传输。直接传输适用于较短距离，基本上有三种方法：通过反射镜及其它光学元件组合，改变阳光的传播方向，达到用能地点；通过光导纤维，可以将入射在其一端的阳光传输到另一端，传输时光导纤维可任意弯曲；采用表面镀有高反射涂层的光导管，通过反射可以将阳光导入室内。间接传输适用于各种不同距离。将太阳能转换为热能，通过热管可将太阳能传输到室内；将太阳能转换为氢能或其它载能化学材料，通过车辆或管道等可输送到用能地点；空间电站将太阳能转换为电能，通过微波或激光将电能传输到地面。太阳能的光电转换是指太阳的辐射能光子通过半导体物质转变为电能的过程，通常叫做"光生伏打效应”,太阳电池就是利用这种效应制成的。当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则同组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子-空穴对。这样，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能、如果半导体内存在P-n结，则在P型和n型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向n区，空穴驱向P区，从而使得n区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，在P-n结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场。光生电场的一部分除抵销势垒电场外，还使P型层带正电，n型层带负电，在n区与p区之间的薄层产生所谓光生伏打电动势。若分别在P型层和n型层焊上金属引线，接通负载，则外电路便有电流通过。如此形成的一个个电池元件，把它们串联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，输出功率。1.2光伏发电过程太阳电池 2629是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P－N结。当光线照射太阳电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P-N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的的实质是：光子能量转换成电能的过程。1.3光伏发电装置的分类光伏发电系统分为独立光伏系统和并网光伏系统。独立光伏电站包括边远地区的村庄供电系统，太阳能户用电源系统，通信信号电源、阴极保护、太阳能路灯等各种带有蓄电池的可以独立运行的光伏发电系统。并网光伏发电系统是与电网相连并向电网输送电力的光伏发电系统。可以分为带蓄电池的和不带蓄电池的并网发电系统。带有蓄电池的并网发电系统具有可调度性，可以根据需要并入或退出电网，还具有备用电源的功能，当电网因故停电时可紧急供电。带有蓄电池的光伏并网发电系统常常安装在居民建筑；不带蓄电池的并网发电系统不具备可调度性和备用电源的功能，一般安装在较大型的系统上。1．4光伏并联发电技术的发展太阳能光伏发电系统主要有离网型和并网型两种工作方式。在太阳能电池发展初期，由于生产成本比较昂贵，光伏发电主要应用于偏远的无电：郊区，以农村用户为主，这种发电方式都属于离网型。随着光伏发电产业迅速的发展，光伏发电开始由偏远的农村地区向城市并网发电、光伏集成建筑以及大型：荒漠光伏并网发电的方向转移，太阳能已经将全球性“补充能源”的标识摘下，戴上“替代能源”的标识。中国能源战略安全的唯一选择是率先迈入新型清洁能源的时代我国地大物博，幅员辽阔，太阳能资源相当丰富，据统计，每年我国地表吸收的太阳能，同样能量可以燃烧3万亿吨的标准煤，是2009年全国能源消耗总量27．5亿吨标准煤的872倍。由于我国现有沙漠化土地逐年扩大，假设将这些沙漠化土 2629地的1％用来安装并网光伏发电系统，根据保守估计，装机容量可以达到10亿千瓦，而2009年全国发电总装机容量仅为8．74亿千瓦。据统计，随着近些年世界光伏并网发电市场发展十分迅速，光伏并网发电在光伏行业中的市场比例逐年增加。据不完全统计，截止2010年底，我国建成装机容量超过200KW光伏并网电站项目近20个；而未来几年内，我国10MW以上级特大型光伏电站建设计划项目约有30项，其中百兆瓦以上级特大型光伏电站建设计划项目约有12项，总装机容量接近4GW。随着光伏并网发电系统技术较快发展，其市场份额将始终保持在85％以上。我们完全可以期待，大规模的利用新能源光伏发电，可以全面遏制对环境的影响和破坏，到那个时候，整个地球将是一个低碳、可持续发展的美好世界。光伏并网发电系统产业已经在全球范围内成为了一个蓬勃向上的高科技产业，其下属产业支柱主要包括光伏电池组件和光伏逆变器。在市场方面，国内的逆变器市场也较被业内人士看好，国内安装光伏发电装机容量已经：进入快速增长阶段。在国家政策明确之后，风力发电连续几年翻番式增长，而中国的光伏发电市场在实行“上网电价政策之后，未来将会进行井喷式的发展。从2011年开始，将是中国并网光伏发电发展的高峰期，业内人士预计，2011和2012年的中国光伏新增装机量将在2010年仅400MW左右的基础上猛增至1．5GW和3GW以上，大幅拉动并网光伏逆变器需求。1.5本文主要工作第一章绪论部分阐述了课题背景与选题意义，主要包括能源短缺、环境污染及太阳能光伏发电的诸多优点三大方面；其次分别介绍了国内外光伏发电技术的研究。第二章太阳能光伏发电系统概述第三章光伏发电MPPT的概述，简单介绍了光伏发电MPPT的原理、功能、方法。第四章介绍并联发电装置的构成、优点、解决的问题。第五章介绍光伏并联发电装置的技术手段，以及蚁群并联光伏发电系统。第六章结论与展望2太阳能伏发电系统概述2.1太阳能光伏发电系统的组成太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换成电能的一种新型发电系统。一套基本的光伏发电系统一般是由太阳能电池板、太阳能控制器、逆变器和蓄电池(组)构成。 2629太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能光伏发电系统中的核心部分，其作用是将太阳能直接转换成电能，供负载使用或存贮于蓄电池内备用。太阳能控制器：太阳能控制器的基本作用是为蓄电池提供最佳的充电电流和电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命;同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。如果用户使用的是直流负载，通过太阳能控制器可以为负载提供稳定的直流电(由于天气的原因，太阳电池方阵发出的直流电的电压和电流不是很稳定)。逆变器：逆变器的作用就是将太阳能电池阵列和蓄电池提供的低压直流电逆变成220V交流电，供给交流负载使用。蓄电池(组)：蓄电池(组)的作用是将太阳能阵列发出的直流电直接储存起来，供负载使用。在光伏发电系统中，蓄电池处于浮充放电状态，当日照量大时，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电;当日照量小时，这部分储存的能量将逐步放出。2.2太阳能光伏系统的分类光伏发电是通过利用光伏电池板来实现太阳辐射能转换为电能的一种发电方式。整个光伏发电系统都是由以下几个部分构成：光伏电池阵列、控制器、电能变换装置和电能储存装置。一般情况下，我们可以把光伏发电系统分为独立型系统、并网型系统和混合型系统。2.2.1独立型光伏发电系统独立型光伏发电系统的结构框图如图2-1所示。其特点是不和电网相连接，无电地区和特殊领域的供电，测站等远离电网的用电设备。在有太阳光照的情况下，如偏远山村用电设备、卫星通信设备、航标灯、主要用于偏远气象和地震观光伏阵列产生电能，负载的消耗，那多余的电能就会转换为化学能，并向负载供电。当光伏阵列的发电量大于存储在蓄电池中。当负载消耗大于当前光伏阵列产图2-1独立型光伏发电系统结构框图生的电能，那么光伏阵列和蓄电池同时对负载供电。如果当前没有太阳光照，则由蓄电池单独供电。同时，还可以根据负载的类型，选择是否加入逆变器。 26292.2.2并网型光伏发电系统图2-2并网型光伏发电系统结构框图并网型光伏发电系统的结构框图如图2-2所示。其特点是输出端与公共电网相连接。按照电网接入点的不同可以分为输电侧和配电侧并网型光伏发电系统。城市中并网型光伏发电系统一般安装在建筑物表面，并且并网点一般在配电侧。而输电侧的并网型光伏发电系统一般安装在沙漠地区。其工作原理为：首先通过光伏阵列将太阳能转换为电能，再通过逆变器将光伏阵列产生的直流电转换为和电网相位、频率都相同的交流电，并将所产生的电能并入电网。2.2.3混合型光伏发电系统混合型光伏发电系统的结构框图如图2-3所示。其最大的特点就是，系统中除了光伏发电，还有其它形式的发电系统。当光伏阵列产生的电能不能满足负载需求的时候，可以通过其它形式的发电系统作为电能补充。目前应用比较多的就是风光互补发电系统，这样组合可以使得系统的稳定性、可靠性比单独的光伏发电系统或者风力发电系统有了很大的提高。通过合理的配置和设计，可以基本满足负载的需求。图2-3混合型光伏发电系统的结构框图2.3太阳能光伏发电系统的应用目前我国光伏发电系统的应用主要在三方面： 26291、以采用户用光伏发电系统和建设小型光伏电站为主，来解决偏远地区无电村和无电户的供电问题，为200万户偏远地区农牧民(即目前我国三分之一的无电人口)提供最基本的生活用电；2、通过借鉴发达国家建设屋顶光伏发电系统的经验，在经济较发达、城市现代化水平较高的大中城市，在公益性建筑物和其他建筑物以及在道路、公园、车站等公共设施照明系统中推广使用光伏电源，建设屋顶光伏发电系统；3、建立大型的并网光伏系统，以便于在光伏发电成本下降到一定水平时而开展大型并网光伏系统的大规模应用作好准备。2.4光伏发电尚存在的问题目前，光伏发电仍存在下列几个主要问题:2.4．1光伏阵列发电效率低光伏阵列是光伏发电的最基本元件。光伏发电效率指的是光能转化为电能的比率。一般来讲，晶体硅光伏电池效率为10%～15%左右，非晶体光伏电池效率为5%～8%，薄膜光伏电池目前的转化效率仅为28%左右。由于光电转换效率太低，从而使光伏发电功率密度低，难以形成高功率发电系统。并且由于对光电转化管理不力，真正太阳能的利用率只有50%～70%。目前，科学家们正在加紧研究，希望能大幅度提高光伏发电转换率。主要研究工作包括：在硅体里面增加其他元素，提高价能位置，从而形成更大的P-N结的空间电荷区，得到更大的输出电压；增加受光面的折射度，让太阳光线能够在光伏电池板上多次来回折射，以最大程度将光子能量转换为电子能量；寻找对光感应更敏感的材料代替硅材料，以获得更大的转换效率。2.4.2系统造价成本高由于光伏发电效率低，要发出足够的电则需要许多光伏电池板。2003年单、双晶硅光伏电池组件的价格约为36～40元/，相比于目前的火力和水力发电，光伏发电的成本约为后者的6～20倍。成本高是当前制约光伏发电市场快速发展的主要原因。2.4.3发电运行受气候环境因素影响大光伏发电源直接来源于太阳照射，而地球表面的太阳照射受气候的影响时有时无。另外，由于环境污染的影响，特别是空气中的颗粒物灰尘降落在光伏电池板上，从而阻挡了阳光的照射，减少了光线的投入量，进而减少了光电的转换。2.4.4制造单晶硅和多晶硅光伏电池需要消耗相当多的能源硅是地球上各种元素中含量仅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（ 2629，二氧化硅）。从沙子变成多晶硅和单晶硅要经过多道化学和物理工序，其间，要消耗相当多的能量，这也是他们生产成本高的原因。制造非晶硅光伏电池所需的能耗少得多，人们正在为提高它的稳定性和工作寿命，降低它的内阻从而提高它的光电转换效率而不懈努力。2.4.5其他因素由于太阳光存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的特点，因此发电受外界环境的影响较大。3大功率点跟踪技术3.1光伏电池及其特性3.1.1硅太阳能电池指以硅为基体材料的太阳能电池，有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池等。其中，单晶硅太阳电池效率高、寿命长、性能优良，但成本高，而且限于单晶的尺寸，单片太阳电池面积难以做得很大。多晶硅电池成本比单晶硅低，单片电池也可以做得比较大，效率比单晶硅电池低。非晶硅太阳电池对太阳光的吸收系数大，因而非晶硅太阳电池可以做得很薄，通常是单晶硅或多晶硅电池的五百分之一，所以制作非晶硅太阳电池资源消耗少。非晶硅太阳电池存在的问题是光电转换率偏低，目前效率一般在6%左右。3.1.2化合物半导体太阳能电池指由两种或两种以上元素组成的具有半导体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池，如硫化福太阳能电池、砷化嫁太阳能电池等。3.2有机半导体太阳能电池指用含有一定数量的碳一碳键且导电能力介于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的太阳能电池。3.2.1薄膜太阳能电池指用单质元素、无机化合物或有机材料制成的薄膜为基体材料的太阳能电池。目前主要有非晶硅薄膜太阳能电池、多晶硅薄膜太阳能电池、化合物半导体薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池、微晶硅薄膜太阳能电池等。此外，按照应用还可将太阳能电池分为空间太阳能电池和地面太阳能电池两大类。地面太阳能电池又可分为电源太阳能电池和消费品用太阳能电池两种。空间太阳能电池的主要要求是耐辐射性好、可靠性高、光电转换效率高、功率面积比和功率质量比优等。3.3太阳能电池的基本工作原理 2629太阳能电池是利用半导体材料的电子特性把太阳光直接转换成电能的一种固态器件。太阳能电池工作原理的基础，是半导体P-N结的光生伏打效应。所谓光生伏打效应，简单地说，就是当物体受到光照时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。现将半导体太阳能电池的发电过程概括成如下4点：3.3.1.首先是收集太阳光和其他光使之照射到太阳能电池表面上。3.3.2太阳能电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子(光生载流子)一一电子一空穴对。这些电子和空穴应有足够的寿命，在它们被分离之前不会复合消失。3.3.3这些电性符号相反的光生载流子在太阳能电池P-N结内建电场的作用下，电子一空穴对被分离，电子集中在一边，空穴集中到一边，在P-N结两边产生异性电荷的积累，从而产生光生电动势，即光生电压。3.3.4在太阳能电池P-N结的两侧引出电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样太阳能电池就把太阳能(或其他光能)直接转换成了电能。当太阳光(或其他光)照射到P-N结时，半导体内的原子由于获得了光能而释放电子，相应地便产生了电子一空穴对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向N型区，空穴被驱向P型区，从而使N区有过剩的电子，P区有过剩的空穴，于是就在P-N结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。光生电场的一部分抵消势垒电场，其余部分使P型区带正电、N型区带负电，于是就使得P区与N区之间的薄层产生了电动势，即光生伏打电动势。当接外电路时，便有电能输出。这就是P-N结太阳能电池发电的基本原理。如图3-1所示：图3-1光生伏打效应原理图3.4太阳能电池的等效电路太阳能电池的等效电路如图3-2所示： 2629图3-2光照时太阳能电池的等效电路其中：:是短路电流，就是将太阳能电池置于标准光源的照射下，在输出端短路时，流过太阳能电池两端的电流。它的值与太阳能电池的面积大小、光照强度、环境温度成正比。为太阳能电池的输出值，当太阳能电池两端开路时，太阳能电池输出的电压值为开路电压，与太阳光辐射强度有关系，而与电池板面积的大小没有关系。开路电压值随着光照强度的升高而升高。为通过P-N结的总扩散电流。为串联电阻，主要由电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻和电极与硅表面间接接触电阻所组成。为并联电阻，是电池边缘漏电或者耗尽区内的复合电流引起的。根据太阳能电池等效电路和电子学理论，太阳能电池的电流方程可以用下式表示：(3-1)式中：——太阳能电池输出电流，A；——电子电荷常数，为；——反向饱和电流，A；——常数因子(正偏电压大时A值为1，正偏电压小时A值为2)；——波尔兹曼常数，；——绝对温度，K。通常情况下，一个理想的太阳能电池，串联电阻很小，而并联电阻 2629很大。由于和分别串联和并联在电路中，所以在进行理想的电路计算时，它们可以忽略不计，太阳能电池的电流方程可化为：(3-2)当电路外接负载接时，设太阳能电池输出电流为，则输出功率为：(3-3)3.5太阳能电池的I-V特性在特定的太阳光照强度和环境温度下，由公式3-3可知，当外接电阻R，从0变化到无穷大时，可以得出太阳能电池负载特性曲线，曲线如图3-3所示。与曲线上的任一点相对应的横坐标、纵坐标即为太阳能电池的工作电压和工作电流。当调节负载电阻R到某一值时，太阳能输出功率为最大值，此工作点即为太阳能电池最大功率点。该点所对应的功率称为最大功率点功率，该点所对应的电压称为最大功率点电压，该点所对应的电流称为最大功率点电流：=(3-4)太阳能电池的I-V特性曲线对于分析太阳能电池非常重要，由图可以看出太阳能电池是一个既非恒压源又非恒流源的非线性直流电源。图3-3太阳能电池负载曲线根据太阳能电池的I-V特性曲线，在给定温度和日照强度下，可以定义出几个重要的技术参数: 2629(1)短路电流：电池板所能输出的最大电流()(2)开路电压：电池板所能输出的最大电压(3)最大功率点电流：电池板最大功率点上的电流(4)最大功率点电压：电池板最大功率点上的电压(5)最大功率点电压：电池板最大功率点上的功率日照强度的影响太阳能电池的输出电流直接受到日照强度的影响，在特定温度下，太阳能电池在不同日照强度下的I-V特性曲线如图3-4所示:图3-4不同日照强度下的太阳能电池板的I-V特性曲线由图3-4可以看出在一定的温度下，随着太阳光照强度的增加，太阳能电池板输出电流增加比较大，而输出电压变化却比较小，可以看出光照强度对太阳能电池输出电流的影响比较大。 2629图3-5不同光照强度下的P-V曲线由图3-5可以看出，在一定的温度下，随着太阳光照强度的增加，太阳能电池板输出的功率也在增加。3.5.1.环境温度的影响在特定的太阳光照强度下，太阳能电池板的输出电压直接受到环境温度的影响，太阳能电池在不同的温度下的I-V特性曲线如图3-6所示：图3-6不同温度下太阳能电池板的I-V特性曲线由上图可以看出在一定的光照强度下，随着温度的变化，太阳能电池板输出电压变化比较大，输出电流变化比较小，随着温度的增加，输出电压在减小，输出电流在增加。 2629图3-7不同温度下太阳能电池板的P-V特性曲线由图3-7可以看出太阳能电池具有负温度系数。在一定的光照强度下，随着温度的升高，太阳能电池板输出的功率也会相应地减小。4MPPT的概述4.1MPPT通过前面的分析可知，光伏阵列输出特性具有非线性特征，并且其输出受光照强度、环境温度和负载情况影响。在一定的光照强度和环境温度下，光伏电池可以工作在不同的输出电压，但是只有在输出某一电压值时，光伏电池的输出功率才能达到最大值，这是光伏电池的工作点就达到了输出功率电压曲线的最高点，称之为最大功率点(MaximumPowerPoint,MPP)。因此，在光伏发电系统中，要提高系统的整体效率，一个重要的途径就是实时调整光伏电池的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这一过程就称为最大功率点跟踪最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking，简称MPPT)系统是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气系统能够将太阳能电池板发出的直流电有效地贮存在蓄电池中，可有效地解决常规电网不能覆盖的偏远地区及旅游地区的生活和工业用电，不产生环境污染。光伏电池的输出功率与MPPT控制器的工作电压有关，只有工作在最合适的电压下，它的输出功率才会有个唯一的最大值。日照强度为1000W/㎡，U=24V,I=1A；U=30V,I=0.9A；U=36V,I=0.7A；可见30的电压下输出功率最大。 26294.1.1MPPT的原理给蓄电池充电，太阳能电池板的输出电压必须高于蓄电池的当前电压，如果太阳能电池板的电压低于电池的电压，那么输出电流就会接近0。所以，为了安全起见，太阳能电池板在制造出厂时，太阳能板的峰值电压（Vpp）大约在17V左右，这是以环境温度为25°C时的标准设定的。当天气非常热的时候，太阳能电池板的峰值电压Vpp会降到15V左右，但是在寒冷的天气里，太阳能的峰值电压Vpp可以达到18V。现在，我们再回头来对比MPPT太阳能控制器和传统太阳能控制器的区别。传统的太阳能充放电控制器就有点象手动档的变速箱，当发动机的转速增高的时候，如果变速箱的档位不相应提高的话，势必会影响车速。但是对于MPPT太阳能控制器来说，充电参数都是在出厂之前就设定好的，就是说，MPPT控制器会实时跟踪太阳能板中的最大的功率点，来发挥出太阳能板的最大功效。电压越高，通过最大功率跟踪，就可以输出更多的电量，从而提高充电效率。理论上讲，使用MPPT控制器的太阳能发电系统会比传统的效率提高50%，但是跟据我们的实际测试，由于周围环境影响与各种能量损失，最终的效率也可以提高20%-30%。从这个意义上讲，MPPT太阳能充放电控制器，势必会最终取代传统太阳能控制器4.1.2MPPT的功能MPPT控制器主要功能：检测主回路直流电压及输出电流，计算太阳能阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪。扰动电阻R和MOSFET串连在一起，在输出电压基本稳定的条件下，通过改变MOSFET的占空比，来改变通过电阻的平均电流，因此产生了电流的扰动。同时，光伏电池的输出电流电压亦将随之变化，通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化，以决定下一周期的扰动方向，当扰动方向正确时太阳能光能板输出功率增加，下周期继续朝同一方向扰动，反之，朝反方向扰动，如此反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点。4.1.3MPPT方法传统的MPPT方法依据判断方法和准则的不同被分为开环和闭环MPPT方法 。实际上，外界温度、光照和负载的变化对光伏电池输出特性的影响呈现出一些基本的规律，比如光伏电池的最大功率点电压与光伏电池的开路电压之间存在近似的线性关系 ，基于这些规律，可提出一些开环的MPPT控制方法，如定电压跟踪法，短路电流比例系数法和插值计算法等 。闭环MPPT方法则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MPPT，使用最广泛的自寻优类算法即属于这一类  2629。典型的自寻优MPPT算法有扰动观察法（PerturbationandObservationMethod，P&O）和电导增量法（IncrementalConductance，INC）两种5伏并联发电装置的技术手段5.1一般模式光伏发电出现的问题当前国内的并网逆变器主要采用工频变压器的隔离方式，这种方式实现了电压变换和电气隔离，所以安全性能较好、可靠性较高。但是其缺点是比较笨、成本高、效率低。这在很大程度上影响了光伏行业的发展。在控制策略上，主要是对交流的电网电压进行控制实现并网，当光照变化较大时，这种控制方法控制精度较低，而且效率不高。在主电路结构上，现在的逆变器采用的都是单向结构，一旦电网停电，这个光伏并网系统将停止工作，严重影响光伏发电系统的效率。到目前为止，我国光伏并网发电的关键技术及设备与世界先进水平相比仍有一定差距，国内光伏发电技术普遍规模小，结构工艺、制造水平、性能稳定性等指标跟国外一流水平有一定差距。具体光伏发电系统的研究主要具体存在以下几个方面的问题：(1)光伏最大功率点的跟踪控制技术国内通常采用自寻优类MPPT技术，而系统在实际工作中，会出现原先的单峰值曲线畸变为多峰值的非正常情形，因此达到控制精度方面存在着一定的问题。(2)光伏并网逆变器的主控制通常采用间接电流控制策略技术，其控制方法比较落后，随着逆变器市场的蓬勃发展，难以满足实际应用的要求。(3)在光伏并网系统中，对逆变器并网电流的谐波有严格的限制要求。而对于大功率并网逆变器，由于开关频率不高，滤波器的体积和损耗较大的问题。（4）而光伏电厂(站)的一般模式是,先把N个光伏电池组件串联成一条支路，再将M条支路并联起来构成光伏电池阵列。这样的发电结构存在两方面的问题：第一、每条支路上的各光伏电池组件的特性必须一致，否则，整条支路的电流被输出能力最差的光伏电池组件所限制，严重地，当有个别光伏电池组件损坏时，整条支路不能出力；第二、全部M条支路的端口电压是一致的，而特性不一致的各条支路在一致的端口电压下并不能都输出最大功率。这些问题都需要亟待改进。5.2全新并联式光伏发电技术的优点并联式光伏发电技术 2629首先以单块光伏电池组件为基本单位，为之配备微型功率控制器，使其输出最大功率并获得独立性；其次将N个基本单位并联起来构成一个并联组，为之配备小型就地升压器，并使并联组获得独立性；最后全部并联组再并联汇流到并网逆变器或负载。所以，解决了以上两个问题：一、整个光伏电厂的全部光伏电池板，无论其型号、特性是否有差异，都工作在个体最大出力状态，则集体出力最大化。即使有少数光伏电池板损坏或由于各种原因不能出力，也不影响其它正常的光伏电池板的出力。二、个体与个体之间、并联组与并联组之间相互独立，虽然最终并联汇流出口电压只有一个，但该电压不会影响各并联组乃至单体的最大出力。所以，全独立并联式光伏发电技术具有以下特点：一、将光伏电厂（站）图1的全部光伏电池组件的出力都发挥到极致，使系统运行在真最大功率输出状态，提高了发电效率。二、全独立的电气结构设计，使单体光伏组件或单个并联组性能劣化或发生故障时，不影响其它正常的光伏组件或并联组的继续处理，系统可以继续运行，提高了光伏电厂（站）运行的可靠性。三、增强了光伏电厂（站）设计、安装规划和扩容的灵活性。四、降低了光伏电厂（站）维护维修的难度和成本，维修时可以热插拔光伏发电的基本原理是太阳光量子照射到光伏电池板上引起半导体PN结载 2629流子的激发而形成电流。其输出伏安特性如图1所示。由于半导体工艺的分散性、光伏电池组件的老化程度不一致、光照环境不一致等多种原因，造成各光伏电池组件的实际输出伏安特性差异较大。如图1所示，当将一定数量的光伏电池组件串联时，它们的输出电流相等，则都没有运行在各自的最大功率输出点；当将它们并联连接时，它们的输出电压相等，则也都没有运行在最大输出功率点的可能。图2所示为目前世界范围内普遍采用的光伏发电厂（站）的一般电气原理框图。图2中，先将N块光伏电池组件串联连接成一条支路，使支路总的开口输出直流电压达到功率变换器所要求的电压等级，并在每个支路上安装一个防倒流二极管；然后将M条支路并联汇流到正、负直流母线上，以获得所要求的功率等级。正、负直流母线将光伏电池输出的直流电能送入功率变换器，由功率变换器将该直流电能变换为交流电能送入交流电网或供给交流负载并进行最大功率跟踪控制（MPPT）。图2所示的光伏发电系统存在的问题是：一、在一个串联支路内，N个光伏电池组件输出同一个电流，且该电流不能大于电流输出能力最差的那一块光伏组件的电流，根据图1，各光伏电池组件都没有工作在最大可出力状态，严重地，若在支路内即使只有一个光伏电池损坏，则整条支路不能出力。虽然在每块光伏电池组件两端反并一个二极管可以克服此问题，但又造成了电流输出能力小的光伏组件完全不能出力。二、M条支路的端口电压同一，且不能高于电压输出能力最低的哪条支路。图1所示的伏安特性同样适合于描述各条支路。根据图1，各支路都没有工作在最大可出力状态。所以，无论后续的功率变换器的MPPT算法如何，系统实际输出的只是一种虚假的最大功率，光伏电池的发电潜力并未充分发挥。图2所示的系统结构在工程实践上也存着充分利用场地与保持支路特性尽可能一致的冲突、前期投入与后期扩容的冲突以及检查维修困难等问题。图2 26296系统工作原理6.1本发电系统方案的基本内容第一为大型光伏电厂（站）中的每一块光伏电池组件设计一套“功率控制器”电路，该功率控制器电路与单块光伏组件一起构成一个基本单元。在功率控制器的控制下，基本单元中的光伏电池组件总是保持其自身所能发出的最大功率，并由功率控制器单向性的向外输出。功率控制器采取独立的控制结构和方式，并具有多种保护功能，使基本单元自成一个完整、独立的子系统，以独立的身份参与并联。第二，将N个基本单元分为一个并联组，并为之配备一个就低升压器。就地升压器也采取独立控制，使各并联组也以独立的地位参与并联汇流。M个并联组的输出采用高压小电流方式将电力长距离传输到汇流柜。图3 2629从光伏组件发出的电力，经过输入EMI滤波器滤波后，送入DC/DC斩波器进行控制，经过DC/DC斩波器控制后的电力再经过输出EMI滤波器滤波后送入基本单元的输出端口；DC/DC斩波器的PWM脉冲宽度占空比受控制单元的控制，控制单元对光伏电池组件发出的电压和电流进行检测，计算出光伏组件的发出的功率，通过最大功率跟踪控制算法计算出使光伏电池组件能够发出最大功率的PWM脉冲宽度占空比，并产生相应的PWM脉冲，经过脉冲驱动电路后去控制DC/DC斩波器；控制单元还检测输出连接端口的电压，防止外部直流母线上的电压过高而损坏基本单元内的DC/DC斩波器电路；辅助电源部分从光伏电池组件输出的电力中取一小部分，进行DC/DC变换后使成为稳定、合适的直流电压供控制单元使用，以避免基本单元依赖外部提供辅助电源。如图4所示，为本发明的微型功率控制器的电气原理图。图4在图4中，由电容C1、差模电感L1、电容C2、和压敏电阻R1构成输入EMI滤波器①。输入EMI滤波器具有低通特性，其功能是过滤光伏电池组件产生的电磁干扰噪声，而让直流电流顺利通过，使从光伏电池组件输送到功率控制器中的DC/DC斩波器的电能为纯净的直流电；同时输入EMI滤波器也将阻断功率控制器中的DC/DC斩波器所产生的开关噪声，使之不至于干扰光伏电池组件。输入EMI滤波器中的压敏电阻起着输入瞬时过电压保护作用。 2629在图4中，由电容C3、电感L2、功率半导体开关三极管T1、功率半导体开关二极管D1、输出滤波电容C4等构成DC/DC斩波器②，该斩波器为一个升压型，即输出电压高于输入电压。该电路的基本功能可以用汲水筒来形象的描述。从控制单元发来的高频PWM脉冲作用到功率半导体开关三极管T1的控制极，使功率半导体开关三极管交替地开通和关断，实现电能的转换。当功率半导体开关三极管导通时，相当于汲水筒的汲水过程，电路从光伏电池组件中汲取电能并存储在输入电感L2中，当功率半导体开关三极管关断时，相当于汲水筒的喷水过程，储存在输入电感L2中的能量通过二极管注入到输出电路。电路以高频化的开通、关断连续不停的工作，设脉冲宽度占空比为d，则输出电压与输入电压的关系为：因为基本单元的输出是并联在并联组母线上的，输出电压vo的高低取决于并联组母线上的功率平衡。根据式（1），无论输出电压vo的高低如何，总是可以通过改变脉冲宽度占空比d获得所需的输入的电压vi，即光伏电池组件的输出电压，从而可以寻找到一个使光伏组件输出最大功率点。由于功率半导体开关二极管D1具有单向导电性，图6中的DC/DC斩波器的功率流动也是单向性的，只能流出基本单元，而不能流入基本单元。在图6中，由电容C5、差模电感L3、电容C6、和压敏电阻R2构成输出EMI滤波器③。输出EMI滤波器具有低通特性，其功能是过滤由DC/DC斩波器电路产生的电磁干扰噪声，而让直流电流顺利通过，使从基本单元输出到直流母线的电能为纯净的直流电；同时输出EMI滤波器也防止直流母线上的电磁噪声干扰基本单元。输出EMI滤波器中的压敏电阻R2起着防止直流母线瞬时过电压而损坏基本单元的保护作用。在图6中，由电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R8、电阻R9、集成电路IC1、集成电路IC2、电阻R10、电容C7、电容C8、石英晶体振荡器X1、电容C9、发光二极管D2、发光二极管D3、电阻R5、电阻R6、集成电路IC3等构成控制单元④。控制单元的基本功能是通过检测光伏电池组件输出的功率，依据最大功率跟踪控制算法，确定输出到DC/DC斩波器的PWM脉冲宽度占空比d，使DC/DC斩波器从光伏电池组件中提取最大功率；控制单元的附加功能是进行系统保护和故障报警。由取样电阻R2对从光伏电池组件输出的电流进行取样，经过精密电流取样集成放大器电路IC1将取样电流信号转换并放大为电压信号，由分压电阻R8、R9分压后得到的电压正比于光伏电池组件的输出电流的大小，将之送入集成电路IC1中的AD1口。集成电路IC2为一块单片机芯片，其内部的模/数转换器将该信号转换成数字量，以作为光伏组件功率计算的电流因子。 2629由取样电阻R3、R4对从光伏电池组件输出的电压进行分压取样，得到正比于光伏电池组件输出电压的取样信号，送入集成电路IC2中的AD2口，集成电路IC2为一块单片机芯片，其内部的模/数转换器将该信号转换成数字量，以作为光伏组件功率计算的电压因子。在单片机内部，执行功率计算，即将上述采集到的电流、电压进行乘法运算，得到输入的直流功率。然后颞部程序执行最大功率跟踪控制算法，其算法流程图如图7所示。集成电路IC3等构成PWM脉冲驱动电路，将单片机PWM输出口发来的PWM脉冲进行放大，以驱动DC/DC斩波器电路中的功率半导体三极管。由取样电阻R5、R6对直流母线电压进行取样，送入单片机IC2的AD3口，单片机内部的模/数转换器将该信号转换成数字量，程序定时对该电压进行检测，当该电压超过预先设定的值，即直流母线电压超过一定的阈值时，控制单元封锁发往DC/DC斩波器的PWM脉冲，以使DC/DC斩波器免于因过电压而击穿。连于集成电路IC2的通用I/O口上的发光二极管D2为绿色，指示系统正常运行，发光二极管D3为红色，指示系统故障。有了这样的指示，检修人员不用对每一个基本单元进行测试就可以方便的确定故障部位并更换检修。在图6中，由集成电路IC3及其外围元件电容C10、电感L4、二极管D2构成辅助电源⑤，其作用是从光伏电池组件上取电，并稳压为+5V，供控制单元内部使用。这样，整个基本单元没有从外部引入电源线，简化了基本单元同外部的电气连接。该电路为一个降压式DC/DC斩波器电路，将高于5V的光伏电池组件发出的电压高效地稳定在+5V。综上所述，基本单元自成为一个独立、完善的子系统，实现了单块光伏电池组件发出的功率最大化、故障保护和运行状态指示等功能。基本单元与外部的连接只有两根输出引线连向并联组母线上，当基本单元出现故障时，仅只不能输出功率，不会产生并联组母线上的功率倒流而影响其它基本单元的正常运行，更换维修和增加基本单元可以热插拔的方式进行。6.2就地升压变换器本系统的第二个方面是为每一个并联组配置一个就地升压直流变换器，其基本作用是将各并联组母线上较低的直流电压升高并稳定到规定值，其目的在于：一、减小从光伏安装现场到汇流柜之间的长距离的导线传输损耗；二、为并网逆变器创造良好的运行条件，使脱网时间缩短。同基本单元的功率控制器一样，就地升压变换器实际上是并联组的功率控制器，其输出将通过导线在汇流柜上并联，因此，要保证各并联组的正常出力就必须同样使各并联组获得独立地位，所以就地升压变换器有同基本单元功率控制器大致相同的系统结构，但控制结构和电路参数不同。①②③④ 26297、功率变换器中之DC/DC变换器①②③④8、功率变换器中之DC/AC变换器①②③④7结论与展望7.1结论本文针对太阳能光伏发电的各方面相关知识，包括太阳能光伏发电系统的组成、分类及应用，太阳能光伏电池的光电转换原理，电池分类及输入输出特性，光伏系统的最大功率点跟踪及并网系统的仿真。蚁群并联光伏发电系统等，进行了简单的介绍与探讨。具体包括：1．太阳能电池的输出功率受日照强度、温度及光电池材料等因素影响很大，且其与输出电压及电流间的关系呈非线性。这对光伏发电控制器的设计具有一定意义。2．为提高整体效率，使光伏阵列输出功率最大化，对最大功率点跟踪原理进行了简单分析，并且介绍了目前几种比较常用的最大功率点跟踪算法，如恒定电压法，电导增量法、扰动观测法。3．为提高整体效率，降低蓄电池充放电过程中的损失，本文简单介绍了并网系统的工作原理等，并进行了仿真。7.2展望本文以一个完整的光伏发电系统为研究对象，对涉及到的主要部分作了详细的分析与仿真研究。但由于缺乏试验条件以及比较先进的测量仪器，对仿真模型效率只能进行理论上的分析，还需在实践中对这些效果进行验证。同时，在MPPT控制算法上需要做进一步的改进，目前己有很多学者提出基于模糊控制理论和神经网络的搜索算法，可以尝试这些新的算法，以进一步提高控制精度。 2629致谢历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师—王归新老师，他对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正 2629参考文献1谢三军，光伏电池不一致性检测及其应用[J],中国电机工程学报，2012,192谢玲玲，光伏发电最大功率点跟踪交错并联Boost变换器的动力学特性分析[J],中国电机工程学报，2013,063杜春水，带有电源电力滤波功能的三相光伏并网发电系统控制策略[J]，电力技术学报，2010,09.4戴武昌，大规模光伏并网发电系统建模与运行分析[J],中国电力，2012,025高源，一种并联稳压式独立光伏照明系统的研究[J]，电气自动化，2013,026谢军，独立光伏发电系统双向变换器数字控制器设计[J],电力电子技术，2010,097高厚磊，交直流微电网中光伏逆变器并联控制策略[J],电网技术，2012,088姚致清，基于PSCAD/EMTDC的三相光伏并网发电系统仿真研究，电力系统保护与控制，2010,179申楠，光伏并网发电系统最大功率点跟踪算法研究，计算机技术与发展，2010,0910黄艳刚，基于TMS320F28027光伏并网发电模拟装置，科协论坛，2010,0811何薇薇，无源性控制在三相光伏并网发电系统中的应用,电力电子技术，2010,0912贺凡波，共直流母线并联光伏逆变器的效率特性[J]，电力电子技术，2013,0313柴文野，三相光伏发电并网系统及其控制方法的研究[D],安徽理工大学，201214朱克平，一种改进型的光伏并网逆变器[J],电力系统保护与控制，2013,06 2629学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士学位论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在_________年解密后适用本授权书。2、不保密□。（请在以上相应方框内打“√”）作者签名：年月日导师签名：年月日 2629目录摘要11绪论31.1光伏板的原理31.2光伏发电过程31.3光伏发电装置的分类41．4光伏并联发电技术的发展41.5本文主要工作52太阳能伏发电系统概述52.1太阳能光伏发电系统的组成52.2太阳能光伏系统的分类62.2.1独立型光伏发电系统62.2.2并网型光伏发电系统72.2.3混合型光伏发电系统72.3太阳能光伏发电系统的应用72.4光伏发电尚存在的问题83大功率点跟踪技术93.1光伏电池及其特性93.3太阳能电池的基本工作原理103.3太阳能电池的等效电路103.4太阳能电池的I-V特性124MPPT的概述154.1MPPT155伏并联发电装置的技术手段175.1一般模式光伏发电出现的问题175.2全新并联式光伏发电技术的优点176系统工作原理206.1本发电系统方案的基本内容206.2就地升压变换器237结论与展望24 26297.1结论247.2展望24致谢25参考文献25