（控制理论与控制工程专业论文）太阳能光伏发电控制系统的研究与实现.pdf

， d q 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文太阳能光伏发电控制系统的研究与实 现，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：兰雌日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不 同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：鲨堂晕 日 期：型扯独 新躲避蓐 日 期：竺2 2 ：! 兰：婴 k j 、 华北电力人学硕+ 学位论文摘要 摘要 本文主要是对太阳能光伏发电控制系统的研究与设计。首先介绍了国内外太阳 能发电技术及发展现状。接着分析了光伏电池的工作原理并比较了几种最大功率点 跟踪的算法，用适合的方法利用b o o s t 型d c d c 变换器实现了最大功率跟踪器的 设计，实验数据表明控制器不仅适应光强快速变化的特点，而且能够快速准确地跟 踪最大功率点。然后对三相电压型有源逆变器做了深入研究，详细分析了s v p w m 控制技术的基本原理及其控制算法，最后对逆变器和整个光伏发电控制系统进行了 设计、实验，结果证明系统的控制方法可行。 关键词：光伏电池，最大功率点跟踪，电压空间矢量脉宽调制，光伏发电控制系统 a b s t r a c t s i m u l a t i o no nt h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mo fp h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o ni sp r e s e n t e di n t h et h e s i s f i r s t l y , i n t r o d u c i n gt h ep r e s e n t l ya p p l i c a t i o na n dd e v e l o p m e n ts i t u a t i o no f p h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a d s e c o n d l y , a n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo ft h e s o l a r p a n e l a n dc o m p a r i n gw i t hs e v e r a lt r a d i t i o n a lm a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k a l g o r i t h m s p u tf o r w a r di m p r o v e dp & om e t h o dt oc o n t r o lb o o s td c d cc o n v e r t e rt o r e a l i z ec o n v e r s i o n t h er e s u l t ss h o wt h a ti tn o to n l ym e e t st h ec h a n g e a b l el i g h ti n t e n s i t y , b u ta l s oc a na c c u r a t e l yt r a c et h em a x i m u mp o w e rp o i n t s t u d y i n go nt h et h r e e p h a s e v o l t a g es o u r c ea c t i v ei n v e r t e ri n - d e p t h ，t h e nt h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dc o n t r o la l g o r i t h m s o fs v p w mi sr e s e a r c h e di nd e t a i l f i n a l l y , d e s i g n i n ga n da n a l y z i n gt h ei n v e r t e ra n da l l t h ec o n t r o ls y s t e mo fp h o t o v o l t a i cb yh a r d w a r e ，t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t r o lm e t h o d a n ds t r a t e g yi sp r a c t i c a l z h a n gf e n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i ny o n g - j u n k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i cc e l l ，m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k ，s v p w m ，t h e p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o nc o n t r o ls y s t e m ，1 华北电力大学硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论1 1 1 光伏发电的背景及意义1 1 2 国内外太阳能光伏发电应用的现状2 1 2 1 世界太阳能光伏发电的发展现状2 1 2 2 国内太阳能光伏发电的发展现状2 1 3 光伏发电系统3 1 3 1 光伏发电系统的原理3 1 3 2 光伏发电系统的组成及功能3 1 3 3 光伏发电系统的分类4 1 4 本论文主要完成的研究内容5 第二章光伏电池的特性研究6 2 1 光伏电池的工作原理6 2 2 光伏电池的种类6 2 3 光伏电池的特性。7 2 3 i 光伏电池的电学特性7 2 3 2 光伏电池的输出特性1 0 2 4 太阳能光伏电池的建模1 1 2 4 1 太阳能电池板与阵列1 1 2 4 2 光伏电池输出电压一电流特性的仿真实现1 2 2 5 本章小结1 5 第三章光伏电池最大功率控制器的研究与设计1 6 3 1 最大功率点跟踪的原理及算法1 6 3 1 1 最大功率点跟踪的原理1 6 3 1 2 最大功率点跟踪研究的现状1 7 3 2 最大功率点跟踪的算法1 8 3 2 1 实际测量法1 8 3 2 3 电压反馈法1 9 华北电力大学硕士学位论文目录 3 2 4 功率反馈法1 9 3 2 5 增量电导法1 9 3 2 6 扰动观察法2 0 3 3 扰动观察法的改进2 0 3 4 最大功率控制器的设计2 5 3 4 1d c - d c 变换器2 5 3 4 2 最大功率跟踪控制电路的设计2 5 3 4 3 实验电路及其输出波形3 1 3 5 本章小结3 3 第四章光伏逆变控制系统的仿真3 4 4 i 逆变技术及s v p 删技术的发展概况3 4 4 i i 逆变技术的种类啪一l 蚓j 3 4 4 1 2 逆变技术的发展3 5 4 1 3s v p 删空间矢量脉宽调制技术概述3 5 4 2s v p 删技术基本原理3 7 4 2 1 三相坐标系与两相坐标系的变换：3 7 4 2 2s v p 删的基本原理4 0 4 3s v p 咖的算法4 2 4 3 1 判断参考电压矢量v r e f 所在扇区4 2 4 3 2 计算x 、y 、z 以及t l 、t 2 4 3 4 3 3 确定比较器的切换点嘞1 “4 3 4 4s v p 删的实现4 3 4 5 本章小结4 5 第五章结论与展望4 6 5 1 结论4 6 5 2 展望4 6 参考文献4 7 附 录一5 0 致谢5 2 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 3 矗 华北电力大学硕士学位论文正文 1 1 光伏发电的背景及意义 第一章绪论 随着科学技术的不断发展，人类进入2 0 世纪后对能源的需求也不断增长。与 此同时，人们对保护环境的重要性也有了越来越明确的认识。由于化石燃料的枯竭， 环境的破坏所引起了温室效应、全球变暖、农林水产资源的减少等，如果再进一步 恶化，人类就会收到大自然的警告，到时后果将不堪设想。现在的世界能源构成中 主要的能源还是化石能源，包括石油、煤、天然气，另外还有可再生能源核能、水 能，其他的可再生能源只占微乎其微的小部分。传统的化石能源是不可再生的，世 界范围内发展可再生能源是解决能源危机的必经之路。根据世界能源协会w e c ( w o r l de n e r g yc o u n c i l ) 的预测，到2 0 5 0 年，世界的可再生能源将会到达8 7 t w 一1 5 0 t w ( 1 t w - - 1 0 1 2 w ) ，而到时候全社会能量总需求为2 6 3t w 一3 3 0 t w 。由 此可见，可再生能源在2 1 世纪将会变成一种主要的新兴能源。世界上现有的可再 生能源主要是水能发电和地热能，太阳能光伏发电和风力发电只占其中小部分，而 水电和地热能被继续开发的潜力已经微乎其微，在未来十五年之内发展太阳能光伏 发电技术和风力发电技术就迫在眉睫。因此，无论是为了保证能源的供应，还是为 了保护生态环境，开发利用取之不尽而又清洁的新能源已是大势所趋。 在地球上所能利用能量的9 8 9 8 最初都来自太阳能。太阳能光伏发电的能源来 源于取之不尽，用之不竭的太阳能，是资源最丰富的可再生能源。太阳能光伏发电 是能源的高新技术，具有独特的优势和巨大的开发利用潜力。太阳能发电不会给空 气带来污染，不破坏生态环境，是一种清洁安全的能源，同时又具有在自然界不断 生成，并能从自然界得到有规律的补充，储量巨大，取之不尽，用之不竭，是可再 生的清洁绿色能源。充分利用太阳能有利于保持人与自然的和谐相处，能为中国一 直追求的和谐社会作出巨大的能源支持。2 0 世纪7 0 年代，随着能源危机的爆发， 世界各国努力发展光伏发电技术，尤其是西方发达国家更是重视研发。2 0 世纪9 0 年代以来一直以3 0 到4 0 的速度上升，2 0 0 4 年已经达到6 0 的增长速度。可以 预见，太阳能的开发利用必将在2 l 世纪得到长足的发展，并终将在世界能源结构 转移中担当重任，成为2 l 世纪后期的主导能源。太阳能资源开发利用有如下优点： ( 1 ) 充分的清洁性。无须论证，太阳能是真正的无污染的可持续发展的绿色能 源，这是其他任何能源都无法比拟的； ( 2 ) 绝对的安全性。并网电压一般在2 2 0 v 以下； ( 3 ) 相对的广泛性。太阳能的分布范围广，对于绝大多数地区具有存在的普遍 性，可就地取用； 华北电力人学硕士学位论文正文 ( 4 ) 使用寿命长，易维护。光伏电池按目前的研发技术可使用2 0 年以上，并且 易于维护，不用二次投资； ( 5 ) 利用灵活。既可以独立于电网运行，也可以与电网并行运行。 1 2 国内外太阳能光伏发电应用的现状 随着科技的进步和环保意识的增强，清洁的绿色能源己逐渐受到了人类的重 视。其中，太阳能无疑成为最受青睐的绿色能源。太阳能的应用领域非常广泛，但 最终可归结为太阳能热利用和光利用两个方面。太阳能可以转换成多种其它形式的 能量，比如热能、氢能、机械能、生物能、电能等等【i l ，由于电能是现代工业中最 常用的直接能源，因此由太阳能直接转化成电能是太阳能利用中最具有前景的方 式。 1 2 1 世界太阳能光伏发电的发展现状 2 0 世纪9 0 年代，由于太阳电池成本的持续降低，太阳电池实行并网发电，建 立太阳能电站已经成为可能 2 1 ，并在全世界范围内逐渐发展。近年来，与住宅屋顶 相结合的太阳电池并网发电也成为重要的应用方向。美国、欧洲和同本先后制定了 太阳能发展计划，由政府提供部分研究开发资金和相关的产业扶持政策，众多国家 纷纷制定雄心勃勃的发展规划，推动光伏技术和产业的发展。同本通产省第二次新 能源分委会提出，2 0 1 0 年光伏发电装机达到5 g w ；欧盟可再生能源白皮书及相伴 随的“起飞运动”2 0 1 0 年的目标是，光伏发电装机达到3 g w ；美国能源部国家光伏 规划的目标是，光伏发电装机达到4 7 g w ；澳大利亚提出，2 0 1 0 年光伏发电装机 达到0 7 5 g w 。因此，世界光伏产业有了突飞猛进的发展，从1 9 9 7 年至2 0 0 1 年，5 年的平均年增长率达3 5 5 。2 0 0 4 年世界光伏电池组件的生产量达到1 1 9 4 m w ，比 2 0 0 3 年的7 4 4 2 6 m w 增长6 0 4 6 。到2 0 0 4 年底，世界光伏发电的累计装机容量达 到4 3 3 0 m w 。近几年各国可再生能源法的颁布、快速发展的光伏屋顶计划、各种减 免税政策和补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格，为光伏市场的发展提供了良好 的基础。光伏发电的应用领域将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代 能源过渡。预计今后十年，太阳能光电工业将以2 0 3 0 的速度增长，成为世界 上最具发展前景的朝阳工业之一。 1 2 2 国内太阳能光伏发电的发展现状 中国光伏发电产业于2 0 世纪7 0 年代起步，1 9 8 0 年以前，应用项目十分有限， 功率很小，光伏电池年销售量不超过1 0 k w 。2 0 世纪8 0 年代后期，随着几条光伏 电池生产线的引进，光伏电池价格大幅度下降，产量大大提高，应用领域不断丌辟， 市场大为拓展。9 0 年代以来，改革丌放的大好形势为光伏技术的广泛应用和市场丌 2 a 华北电力大学硕士学位论文 拓创造了有利条件，光伏电池用量每年在以2 0 以上的速度递增。经过3 0 多年的 努力，已迎来了快速发展的新阶段。进入2 l 世纪后，在“光明工程”先导项目和“送 电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发 展。2 0 0 3 年底，中国光伏发电的累计装机容量约达5 5 m w 。到2 0 0 7 年年底，全国 光伏系统的累计装机容量达到1 0 0 m w ，2 0 0 8 年太阳能电池的产量达到了2 0 0 0 m w 。 虽然近几年我国太阳能发电产业取得了巨大的进步，但是，与发达国家相比还存在 相当大的差距。首先1 3 l ，我国生产规模较国外比较小、产业链不完整，自动化水平 低。其次，平衡设备薄弱落后，特别是并网逆变器和智能控制器差距更大。而且， 专用材料的国产化程度不高，性能有待改进，光伏电池成本价格尚高，标准规范也 不够健全。因此，我国光伏产业在国内外市场上仍面临着非常严峻的考验。 1 3 光伏发电系统 通过【4 】光伏电池将太阳辐射能转换为电能的发电系统称为太阳能光伏发电系 统。太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池特有的光生伏打效应，将太阳光辐射能 直接转换成电能的一种新型发电系统。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。地面太阳能光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电 系统和并网太阳能光伏发电系统。 1 3 1 光伏发电系统的原理 太阳能电池发电的主要原理是半导体的光电效应。硅原子有4 个电子，如果在 纯硅中掺入有5 个电子的原子如磷原子，就行成n 型半导体；若在纯硅中掺入有3 个电子的原子如硼原子，形成p 型半导体。当p 型和n 型结合在一起时，接触面就 会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到p n 结后，空穴由n 极区往p 极 区移动，电子由p 极区向n 极区移动，形成电流。若分别在p 型层和n 型层焊上 金属引线，接通负载，在持续光照下，外电路就有电流通过，如此形成一个电池元 件，经过串并联，就能产生一定的电压和电流，输出电能，从而实现光电转换。 1 。3 2 光伏发电系统的组成及功能 太阳能光伏发电系统由太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池和太阳跟踪控制 系统组成。如输出电源为交流2 2 0 v 或1 1 0 v ，还需要配置逆变器。各部分的作用 为： ( 1 ) 太阳能电池板：太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，也是太阳 能发电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能转换为电能，或送往蓄电 池中存储起来，或推动负载工作。 华北电力大学硕士学位论文 ( 2 ) 太阳能控制器：太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄 电池起到过充电保护、过放电保护的作用。由于光伏电池阵列具有强烈的非线性特 性，为保证光伏电池阵列在任何日照和环境温度下始终可以输出相应的最大功率， 通常还要引入光伏电池最大功率点跟踪( m p p t o m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ) 控 制。 ( 3 ) 蓄电池：一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或 锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来，到需要的时 候再释放出来。 ( 4 ) 逆变器：在很多场合，都需要提供2 2 0 v a c 、1 1 0 v a c 的交流电源。由于太 阳能的直接输出一般都是1 2 v d c 、2 4 v d c 、4 8 v d c 。为了能向2 2 0 v a c 的电器提 供稳定的电能，需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能，因此需 要使用d c a c 逆变器。按照f 5 】输出的波形区分，有方波、修正正弦波和正弦波逆 变器。逆变器可用于各类设备，满足用户对交流电源的需要。 ( 5 ) 太阳跟踪控制系统：由于地球的自转，相对于某一个固定地点的太阳能光 伏发电系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在变 化，有效的保证太阳能电池板能够时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。 图1 - 1 太阳能发电系统构成图 1 3 3 光伏发电系统的分类 光伏发电系统分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统。独立 太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式，典型特征为需要蓄 电池来存储夜晚用电的能量。并网太阳能光伏发电是指太阳能光伏发电连接到国家 电网的发电的方式，成为电网的补充，典型特征为不需要蓄电池。在工业范围内主 要用于电讯、卫星广播电视、太阳能水泵，在具备风力发电和小水电的地区还可以 组成混合发电系统，如风力发电太阳能发电互补系统等。民用太阳能光伏发电多以 家庭为单位，商业用途主要为企业、政府大楼、公共设施、安全设施、夜景美化景 观照明系统等的供电。 4 华北电力大学硕士学位论文 1 4 本论文主要完成的研究内容 本论文完成的主要内容如下几方面： ( 1 ) 对光伏电池的特性研究，利用仿真软件m a t l a b 对光伏电池的特性建立数 学模型，对光伏电池的输出电压、电流、功率进行了不同的自然环境下的仿真实验， 奠定了最大功率点跟踪算法的理论基础： ( 2 ) 比较分析常用几种最大功率点跟踪控制算法的工作原理及优缺点，通过对 扰动观察法缺点的分析研究，提出了一种交步长的改进扰动观察法，并且通过仿真 实验对比改进前后的扰动观察法的跟踪效果，证明了改进后的扰动观察法更加有效 地提高了跟踪控制品质。最后将仿真的最大功率跟踪电路用硬件实现； ( 3 ) 对s v p w m 技术的原理进行了详细的分析，通过对s v p w m 算法的分析研 究利用单片机、i g b t 构成控制电路实现了光伏发电控制系统的逆变部分的研究， 也证明了s v p w m 技术在有源逆变中的可行性。 华北电力大学硕士学位论文 第二章光伏电池的特性研究 2 1 光伏电池的工作原理 太阳能光伏电池板是太阳能发电系统中的核心部分，它是以半导体p n 结接受 太阳光照产生光生伏特效应为基础，进而直接将光能转换成电能。如果光线照射在 太阳能电池板上并且被吸收，那么具有大量能量的光子就能在p 型硅和n 型硅中将 电子从共价键中激发出来，以致产生电子一空穴对。界面层附近的电子和空穴在复 合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的n 区和空穴向带 负电的p 区运动。通过界面层的电荷分离，将在p 区和n 区之间产生一个向外的可 测试的电压。通过光照在界面层产生的电子一空穴对越多，电流越大。界面层吸收 的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。太阳能 电池板实质上就是一个大面积的p n 结，当光照射到p n 结的一个面，例如p 型面 时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么p 型区每吸收一个光子就产生一 对自由电子和空穴，电子空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后 建立一个与光照强度有关的电动势。在p n 结短路情况下【6 】构成短路电流，。，。在 p n 结开路情况下，p n 结两端建立起光生电势吃，这就是开路电压。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。至此，就实现了太阳能的光电转换。 2 2 光伏电池的种类 光伏电池是一种利用半导体材料的光生伏打效应把太阳能直接转换成电能的 固态器件。太阳能电池多为半导体材料制造，经过多年的发展，种类繁多，形式多 样，可按照不同的方法进行分类。 按照结构的不同主要分为如下几类： ( 1 ) 同质结太阳能光伏电池。由同一种半导体材料构成一个或者多个p n 结的 太阳能光伏电池。例如硅太阳能电池、砷化镓太阳能电池等。 ( 2 ) 异质结太阳能光伏电池。由两种不同的禁带宽度的半导体材料在相接的界 面上构成一个异质p n 结的太阳能电池。例如氧化铟锡硅太阳能电池、硫化亚铜 硫化镉太阳能电池等。如果两种异质材料的晶格结构相似，界面的晶格匹配较好， 就称之为异质面太阳能电池。例如砷化铝镓砷化镓异质面太阳能电池等。 ( 3 ) 肖特基太阳能光伏电池。用金属和半导体材料接触构成一个肖特基势垒的 太阳能电池，也被称为m s 太阳能电池。其原理是基于金属半导体接触时在一定的 条件下可产生整流接触的肖特基效应。目前已经发展成为金属氧化物半导体太阳 6 华北电力大学硕士学位论文 能电池，即m o s 太阳能电池；金属绝缘体半导体太阳能电池，即m i s 太阳能电 池。例如铂硅肖特基太阳能电池、铝硅特基太阳能电池等。 按照材料不同可分为如下几类： ( 1 ) 硅光伏电池。以硅材料作为基体的太阳能电池，包括单晶硅光伏电池、多 晶硅光伏电池和非晶硅光伏电池。单晶硅光伏电池是目前开发最快的一种太阳能光 伏电池，其结构与生产工艺已基本定型，产品也已广泛用于空间和地面。但是，由 于所使用的单晶硅材料与半导体工业所使用的材料具有相同的品质，导致电池材料 的成本相当昂贵。单晶硅光伏电池的制造成本虽然最高，但光电转化效率也最高， 最高可达2 5 。目前多晶硅光伏电池使用的材料是多晶硅材料，多晶硅光伏电池的 晶体方向无规则，使得正负电荷对并不能全部被p n 结电场分离，所以多晶硅光伏 电池的效率比一般的单晶硅要稍低，一般的光电转换效率约为1 2 左右。由于多晶 硅光伏电池的材料制造简便，电耗低，生产成本较低，因此得到大力发展。 ( 2 ) 硫化镉太阳能电池。以硫化镉单晶或多晶为基体材料的太阳能电池。例如 硫化亚铜一硫化镉太阳能电池、碲化镉硫化镉太阳能电池、硒铟铜硫化镉太阳能电 池等。 ( 3 ) 砷化镓太阳能电池。以砷化镓为基体材料的太阳能电池。例如同质结砷化 镓太阳能电池、异质结砷化镓太阳能电池等。 非晶硅光伏电池诞生于1 9 7 6 年，它的制作方法与单晶硅和多晶硅光伏电池完 全不同，硅材料消耗很少，电耗更低。非晶硅光伏电池具有较高的转化效率、成本 低和重量轻的优点，具有很大的市场开发潜力。非晶硅虽然是一种很好的太阳能光 伏电池材料，但是它对太阳辐射光谱的长波区域不敏感，而且光电转化效率会随着 光照时间的延续而衰减，即所谓的光致衰退效应，这样就限制了非晶硅光伏电池的 稳定性和转换效率，影响到了它的实际应用。如果能够进一步解决它的稳定性问题 并且提高转换率，非晶硅光伏电池将是太阳能光伏电池的主要发展方向。 按照太阳能电池的结构来分类，其物理意义比较明确，因此被作为太阳能电池 命名方法的依据。 2 3 光伏电池的特性 2 3 1 光伏电池的电学特性 ( 1 ) 太阳能光伏电池的极性 太阳能电池一般制成p + n 型结构或者n + p 型结构。太阳能电池的电性能与制 造电池所用的半导体材料有关。太阳光照射时，太阳能电池输出电压的极性p 型一 侧电极为正，n 型一侧电极为负。 当太阳能光伏电池作为电源与外电路连接时，太阳能电池在f 向状态下工作。 7 华北电力大学硕士学位论文 当太阳能光伏电池与其他电源连接使用时，如果光伏电池的p 极与外电源的正极连 接，光伏电池的n 极与外电源的负极连接时，外电源向太阳能电池提供正向偏压； 如果光伏电池的p 极与外电源的负极连接，光伏电池的n 极外电源的正极连接时， 那么外电源向太阳能电池提供反向偏压。 ( 2 ) 太阳能光伏电池的电流电压特性 太阳能光伏电池等效电路如图2 1 。 一r 。； ； u o u ti f - - i 二 图2 - 1 太阳能光伏电池等效电路 太阳能电池板放在标准光源下，如果输出端短路，流过太阳能电池板的电流就 称为太阳能电池的短路电流。一般用，。表示短路电流。短路电流值与太阳能电池的 面积大小有关，面积越大短路电流值，。越大；短路电流值，。与太阳光的辐射度成 正比，当环境温度升高时短路电流，。，也会有所上升。开路电压就是指将太阳能电池 板置于标准光照下，在电路两端断开时，太阳能电池板两端的输出电压。一般用圪 表示开路电压。它与太阳能电池板的大小无关，与光谱辐射度有关。在太阳光光谱 辐射度变化时，太阳能电池板的开路电压与太阳光光谱辐射度的对数成正比，开路 电压随环境温度的升高而降低。通过p n 结的总扩散电流叫做二极管电流，d ，方向 与短路电流，。，相反。r 为光伏电池串联电阻，主要包括电池板的体电阻、电极导 体电阻、表面电阻、电极与硅表面接触电阻。串联电阻越大，线路损失越大，光伏 电池输出效率越低。在实际的太阳能光伏电池中，一般串联电阻都比较小，大都在 1 0 0 欧至几欧之间f 7 1 。尺。为太阳能光伏电池的旁漏电阻，由于电池板本身制作工艺 的缺陷因而会形成漏电导致本来要流过负载尺，的电池板光生电流短路。并联电阻比 串联电阻要大的多，一般在1 0 3 q 以上。尺。和尺。都是太阳能光伏电池的内部电阻， 因为并联电阻尺。很大、串联电阻r 。很小，所以进行理想电路建模计算时，太阳能 电池板内阻尺。和尺。均可以被忽略。j 。，为与同照强度成正比例的光生电流，太阳光 照强度稳定时，因为电池板的光生电流，不会随着太阳能光伏电池板的工作状态的 ， 华北电力大学硕士学位论文 变化而变化，所以在太阳能光伏电池等效电路中可以看作是一个恒流源【8 1 。太阳能 光伏电池的两端接入负载r 后，电池板产生的电流，经过负载，负载r 的两端形 成端电压，即太阳能光伏电池板的输出电压。电池板的输出电压u 硎反作用于 太阳能光伏电池板的p n 结上，从而产生一个与光生电流，胛方向相反的电流，d ，即 二极管电流厶。 根据理想的太阳能电池等效电路可以得出电流方程： i n = i f i d i 墙 ( 2 1 ) 式中：l 为流过负载的电流； 厶为太阳能光伏电池的漏电流。 其中， 一h 呜掣 - 1 )2 ， 式中：g 为电子电荷； t 为绝对温度； k 为玻耳兹曼常数( 1 3 8 x 1 0 2 3 j k ) ； a 为常数因子，( 正偏压大时为1 ，正偏压小时为2 ) 。 w 树e x 怪睇) 池3 ， 上式中，l 为光伏电池暗饱和电流 为参考温度( 3 0 1 1 8 。k ) ； 为下的暗饱和电流； 疡为光伏电池材料的禁带宽度。 所以，综上( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 - 3 ) 得出 母l h 掣 _ 1 ) - 鼍警 4 ， o = k + k 。p 一2 9 8 ) 】志 ( 2 5 ) 式中：k 。为光伏电池板短路电流的温度系数； ，瓣为标准条件下太阳能光伏电池的短路电流； 五太阳光照强度。 太阳能光伏电池的短路电流，。随着温度、日照强度的变化而改变，与温度成一 9 华北电力大学硕士学位论文 定的线性关系，与日照强度成正比。相同的，太阳能光伏电池的开路电压圪，也与 温度、日照强度有关，如下【9 】： = + 仃一2 9 8 j f2 - 6 ) 式中：吃为标准测试条件下的开路电压； k ，为开路电压的温度系数。 标准测试条件s t c ：太阳能光伏电池温度为2 5 0 c ，太阳光照强度为1 0 0 0 w m 2 。 实际应用中，一般讨论等效电路时，就会略掉r 。或足。通过对太阳能光伏电 池等效电路的分析得出如下结论：如果增大并联电阻如，那么开路电压将会减 小，但是短路电流不会受到很大的影响：如果增大串联电阻r 。，那么短路电流，将 会减小，但是开路电压圪。不会受到很大的影响。就太阳能电池板的输出功率而言， 输出电流，删对输出功率p 的有较大的影响，而且r 如和二极管的电流值，d 还有其他 因素共同影响开路电压的大小，所以r 。对太阳能光伏电池的输出功率的影响就微 乎其微。因此，足。在建模计算中可以被省略掉，从而最终得出一个简单而实用的 光伏电池输出特性曲线方程 k 母l h 弩掣h 沼7 ， 2 3 2 光伏电池的输出特性 ( 1 ) 光谱特性 光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光谱响应峰值所对应的入 射光波长是不同的，硅光电池波长在o 8 p m 附近，硒光电池在0 5 1 t m 附近。硅光电 池的光谱响应波长范围为0 4 1 2 p m ，而硒光电池只能为0 3 8 0 7 5 1 t m 。可见，硅光 电池可以在很宽的波长范围内得到应用。 ( 2 ) 光照特性 光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就 是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压( 即负载电 阻尺，无限大时) 与光照度的关系是非线性的。 ( 3 ) 温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由 于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重 要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降的速 度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。 i o 、 华北电力大学硕士学位论文 2 4 太阳能光伏电池的建模 2 4 1 太阳能电池板与阵列 太阳能光伏电池的基本单元是光伏电池片。一个光伏电池片只有不到一伏大小 的输出电压、输出功率的最大值也只是l w 左右，容量极其有限。基本上，单个光 伏电池片既不能满足负载用电的需要，也不易于安装使用，所以一般情况下不使用 单个光伏电池片进行发电。根据负载用电的需要，经过串、并联将多片单体光伏电 池连接起来构成光伏电池片的组合体，再进行组合体的封装，才可以发电。组合体 在封装前被称为光伏电池模块组件；封装后被称为光伏电池板。除此之外，还可以 根据需要将多个光伏电池进行串、并联，构成大功率的发电装置，这就是人们日常 所见到的光伏阵列。一般情况下使用并联的电池组件，输出的总电压是每个电池组 件平均的工作电压，电流则是电池组件工作的电流求和。因此，光伏电池模组的输 出电压电流特性方程【9 1 ： p 吼 e x 掣h 协8 ) 上式中疗，、以。分别为光伏电池的串联、并联个数。而光伏电池阵列则是由多个单位 的模组串联或并联组合构成的。 如下表2 一l 为保定英利新能源有限公司出产的额定功率7 5 w 太阳能光伏电池 模组的参数。 表2 - 1 保定英利新能源7 5 w 光伏电池板在标准测试条件下的参数 电气特性规格 额定最大功率圪。 额定电流，哪 额定电压 短路电流k 短路电压 短路电流温度系数k 短路电压温度系数k r n o c t ( n o r m a lo p e r a t i o nc e l lt e m p e r a t u r e ) 删聊 删 哪训 眯 删一一一一 华北电力大学硕士学位论文 3 6 个单结晶矽光伏电池串联构成了此太阳能电池模组， 7 5 w 太阳能光伏电池模组的输出电压电流特性方程： 。l h 掣 - 1 ) 由公式( 2 - 8 ) 可得出 ( 2 - 9 ) 2 4 2 光伏电池输出电压一电流特性的仿真实现 根据上一节太阳能光伏电池的各个公式，通过m a t l a b 仿真软件对其中的未 知量r ，、l 分别进行建模。如果理想因子a - - l ，温度t = 2 5 。c 、v t = 2 5m v 那 么标准测试条件下的串联等效电阻r 在最大功率点处的值为： - 一， 、 3 6 kl n l 专一二塑+ ll 一 咫= 上专。0 5 5 q 虽然r ，随着自然环境的改变而变化，但是尺。的数值较小，并且变化不明显， 因此，进行模拟实验时，一般设定r 。为固定值。根据光伏电池输出电压电流特性 公式完成了额定功率7 5 w 太阳能光伏电池模组的建模仿真。 将力、u 、t 设置为输入，电流i 、输出功率p 设置为输出。其中，u 的取值范 围为0 一 2 5 v ，t = 2 5 0 c 、日照强度为2 0 0 1 0 0 0 w m 2 ，得到太阳能光伏电池模组 的i u ，p i ，p u 特性关系仿真结果如下图2 2 ( a ) ( b ) ( c ) 。 ( a ) 电压u ( v ) t 华北电力大学硕士学位论文 9 0 功6 0 塞 p m 3 0 电流i ( a ) ( b ) ( c ) 图2 2 光伏模组在环境温度恒定为2 5 。c 时，光照强度不同的电压一电流特性曲 线图：( a ) i u 特性关系仿真图；( b ) p i 特性关系仿真图：( c ) p - u 特性关系仿真 图。 当t 为o 1 0 0 。c 、九= 1 0 0 0 w m 2 时，太阳能光伏电池模组的u - - i ，p i ，p u 特性关系仿真结果如下图2 3 ( a ) ( b ) ( c ) ： 华北电力大学硕士学位论文 5 电4 流 i3 ( ) 2 l 功 率 p ( - 51 01 52 02 5 电压u ( v ) c a ) l23i5 电流ic a ) ( b ) i 华北电力大学硕士学位论文 图2 3 为光伏模组在光照强度恒定为1 0 0 0 w m 2 时，环境温度在o 1 0 0 0 c 变 化的电压电流特性曲线图：( 1 ) i u 特性关系仿真图；( 2 ) p - - i 特性关系仿真图： ( 3 ) p u 特性关系仿真图。 综合图2 2 、图2 3 两图可以得出结论，当光照强度恒定时，太阳能光伏模组 随着温度的升高，短路电流上升，开路电压下降，最大输出功率减小；当环境温度 恒定时，太阳能光伏模组随着光照强度的升高，开路电压基本保持不变，短路电流 升高，最大输出功率增加。 2 5 本章小结 本章对太阳能光伏电池的工作原理和种类进行了简单的介绍，并对光伏电池的 特性进行了说明，最后通过光伏电池模组的仿真实验，证明了光伏电池模组的特性。 太阳能光伏电池的发电效率主要受到环境温度、光照强度等因素的影响。光伏电池 发电输出的最大功率受到外界环境影响很大，如果不能很好的控制太阳能电池的输 出功率，将会造成很大的资源浪费。因此，怎样进行太阳能光伏电池的最大功率跟 踪控制便成为当今太阳能发电行业中一个最重要的问题。 华北电力大学硕士学位论文 第三章光伏电池最大功率控制器的研究与设计 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。根据太阳电池的工作原理【l0 1 ，当光照强度，温度等自然条件改变时，太 阳电池的输出特性将随之改变，输出功率及最大工作点亦相应改变。在实际的应用 系统中，自然光的辐射强度及大气的透光率均处于动态变化中，这就给光伏系统的 应用带来了困难。当环境温度和光照强度一定的情况下，光伏电池的工作电压是一 个随变值，但输出电压只有在一个合适的值时，光伏电池才能达到最大输出功率， 此时光伏电池的工作点就被称为最大功率点( m a x i m u mp o w e rp o i n t ，m p p ) 。而最大 功率点跟踪( m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g ，m p p t ) 就是指实时调整光伏电池的输 出功率，使之始终工作在最大功率点附近的过程。最大功率点跟踪控制器就是为满 足光伏电池发电要求的适配器。无论环境温度和光照强度如何变化，控制器都能使 光伏电池发电系统工作在最优状态。它的主要功能是检测主回路直流侧电压及输出 电流，计算出太阳电池阵列的输出功率，并实现对最大功率点的追踪。 3 1 最大功率点跟踪的原理及算法 3 1 1 最大功率点跟踪的原理 光伏电池的简化的线性电路如图3 - 1 所示，r o 上的功率为： 昂= 熹卜 ， 对上式两边r 。求导，因为u 、置都是常数，所以n - - i 以得出： 十 u 鱼：竺：亟二鱼! d r o ( r i + r ) 3 r 图3 - 1 简化的线性电路图 1 6 ( 3 - 2 ) l【illilllll卜 华北电力火学硕士学位论文 因为式( 3 - 2 ) 中r ，= r 。时，只将有最大值，所以对于太阳能电池板简化的线 性电路，如果负载电阻等于电源内阻，光伏电池板电源将有最大功率输出。虽然 d c d c 转换电路和太阳能光伏电池均是强非线性的，但是它们在较短的时间里能够 被看作是线性电路。由简化的电路图3 1 得出：r i = r 。时，风两端的电压为u 2 ， 只是最大值。综上可得，通过调节d c d c 转换电路的等效电阻始终让光伏电池的 内阻与转化电路的等效电阻保持相等，从而实现光伏电池发电的最大功率输出，即 光伏电池的m p p t 。同样的，在实际应用中，可以通过调节负载两端的电阻电压， 来实现光伏电池发电的最大功率输出。 u ou o m 图3 - 2 最大功率跟踪原理图 光伏电池最大功率跟踪的原理如上图3 2 所示。负载电阻由实直线表示；等 功率线由虚曲线表示；光伏电池的短路电流由j 。表示；光伏电池的开路电压由u 。 表示；光伏电池的最大功率点则由只表示。 下面简单介绍一下光伏电池最大功率跟踪的原理：因为光伏电池电源直接与负 载电阻相连，所以负载电阻也直接决定了光伏电池的工作点。由图3 2 可得光伏电 池工作在m 点时，光伏电池的输出功率要比在最大功率点的输出功率小得多。通 过调节输出电压的方法，将负载电压调节到砜。处，使负载上的功率从m 点移到n 点。由于n 点与光伏电池的最大功率点在同一条等功率线上，因此光伏电池此时有 最大功率输出【l 。 3 1 2 最大功率点跟踪研究的现状 随着对最大功率点跟踪的日渐关注，有很多先进的理论算法都能应用在最大功 率点跟踪上面，研究较多的几种方法有模糊控制 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 1 ，因为光伏发电系统为一 个强非线性系统，太阳电池的工作情况也很难用精确的数学模型描述出来，模糊控 制特别适用于复杂的非线性、数学模型未知的系统，因此采用模糊控制的方法来调 节光伏电池的工作点是非常合适的；人工神经网络控制【l 酬，适用于天气多变的状况， 1 7 华北电力大学硕士学位论文 在这种恶劣的条件下有效地提高了光伏发电系统的稳定性，比较好的跟踪了最大功 率；以上两种方法国外学者研究较为深入，而国内则主要有优化控制【1 7 】，优化建模、 求解；自适应控制【”】，原有的控制算法均为固定步长寻优，它们的缺点很大，难以 达到理想的跟踪控