




已阅读5页,还剩31页未读, 继续免费阅读
版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领
文档简介
摘要太阳能是一种不会枯竭的绿色能源,在能源匮乏的今天受到很多国家的重 视,但是对于太阳能的开发利用全人类还做的不够。目前对太阳能的利用主要在 于光伏系统,而光伏阵列则是光伏系统的核心,是实现太阳能到电能转换的重要 部分。但是由于光伏阵列的研究成本高、效率很低、占地面积大,这给科学研究 带来了很大的困难。本文介绍直流微电网与光伏模拟器的发展现状及前景,了解 直流微电网与光伏阵列的结构与特点,介绍一种数字式的直流微电网光伏模拟 器,了解这种模拟器的基本原理及结构,说明对于这种模拟器研究的必要性与经 济性。关键词:直流微电网;光伏模拟器;微电网;光伏阵列ABSTRACTSolar energy is a green energy that can not be depleted .lacking of energy is in the attention of many countries today,but humanity has not done enough for the development and utilization of solar energy.Current use of solar energy mainly in photovoltaic systems,while the PV array is the core of the PV system and is an important part of the realization of solar energy to electrical energy conversion.However, due to the high research costs of the PV array,low efficiency,large area,which gives science t great difficulties.This article describes the current situation and prospects of the development of the DC micro-grid PV simulator to understand the structure and characteristics of the DC micro-grid photo voltaic arrays,introduced a digital DC micro-grid photo voltaic simulator,to understand the basic principles and structure of this simulator, indicating the necessity for this simulator studies and economics.Keywords:Micro DC-Grid;Solar Simulator;Micro-Grid ;PV Array目录1绪论. 11.1 课题的背景及意义. 11.2 直流微电网的研究现状. 21.3 直流微电网的研究前景. 31.4 光伏发电的研究现状. 31.5 光伏发电的研究前景. 41.6 本文的主要工作. 42直流微电网. 52.1 直流微电网的结构. 52.2 直流微电网的特点. 62.3 直流微电网供电系统的研究. 72.4 直流微电网供电系统的关键问题. 82.5 直流微电网的并网方式及控制方法. 82.6 微电网的使用. 83光伏模拟器. 113.1 光伏电池. 113.2 太阳能电池光伏阵列输出的主要参数. 113.3 太阳能电池光伏阵列最大功率点跟踪. 123.4 光伏电池的仿真. 133.5 太阳能电池光伏阵列模拟器的组成. 153.6 太阳能电池光伏阵列模拟器设计要求. 173.7 太阳能电池光伏阵列模拟器的原理. 173.8 一种数字式光伏模拟器. 193.9 太阳能电池光伏阵列模拟器的作用. 214光伏发电系统. 234.1 光伏发电的特点. 234.2 光伏发电系统的几种结构. 234.3 直流微电网在光伏发电系统中的应用. 25 总结. 27致谢. 28参考文献. 291绪论1.1 课题的背景及意义在当今世界上,各个国家都将经济的发展作为主要任务,故而,对能源的需 求也是日益增大,可以说经济增长离不开能源的开发利用。目前世界范围内的国 家都已煤、石油、天然气等化石能源为主。但这些化石能源都是不可再生且及其 有限的能源。据联合国能源署的报告称,以目前地球上各国开采化石能源的速度 和地球化石能源的存储量来计算,煤炭资源可供开采 30 年,石油资源可供开采 30 年,天然气资源可供开采 50 年。可以说未来五十年,人类将把地球上几亿年 储存的化石能源消耗殆尽。而且开采能源也会引发一系列的环境问题。可以说人 类面临的不仅仅是能源的匮乏,还有生存环境的挑战。人类对化石能源的使用排放了大量的二氧化碳1,这就造成全球气候变暖, 南北极冰川融化,陆地的干旱、沙漠化逐年加重。可以说未来如果人类还是如此 依赖化石能源必将造成十分严重的环境、气候问题。解决能源问题、保护生态环 境是人类急需解决的两件大事,各国也在积极开发新能源。目前对一些可再生的 能源如水力、风能、潮汐、地热能等的开发利用受到了广泛的关注。但是这些能 源的利用很容易受到天气、地域的影响,严重时甚至对当地的生态环境造成影响。 而还有一种比较特别的能源核能也受到广泛的研究,但是随着前苏联切尔诺贝利 核泄漏事件和 2011 年日本地震引起的核泄漏事情给社会造成了极大的危害,人 们对核能利用的副作用更加关注,这就要求对核能的利用的技术必须更加成熟过 关。根据这些情况,为了解决能源和环境压力,人类必须开发出一种清洁可靠的 可再生能源2,如此方能满足社会对能源的需求已经对生态环境的保护。目前来说,最为清洁可靠的可再生能源当属太阳能。太阳能获取简单方便, 人类取之不尽。据相关计算,太阳每一秒钟发出的能量相当于地球上 1.3 亿亿吨 煤燃烧产生的热量,而其中照射到地球表面的约为全球发电力总和的 20 万倍。 更为关键的是太阳能发电没有废物排放,清洁绿色,利于人类生态环境的保护, 而其发电形式多种多样,不会受到空间地域的影响。从上个世纪开始,各国已经开始了对太阳能的研究利用。上世纪 90 年代许多国家开始实行光伏屋顶计划3,让光伏发电伴随建筑物。光伏屋顶是指将光伏电池阵列安装在屋顶或者墙壁,就9地发电用电。这样可以节省电网的许多架线送点设施,安全高效。这种发电用电 方式安装简单利于推广,受到许多国家的重视。虽然有光伏屋顶计划对太阳能的 利用,但是总体来讲对太阳能的利用还远远不够,因而研究出高效的太阳能发电 系统是十分有必要的。目前世界上的太阳能光伏发电技术主要核心是光伏发电系 统中的光伏阵列,只要研究出能适应各种条件下的光伏阵列,就能将太阳能的利 用效率最大化。光伏阵列因其占地面积大、效率较低、成本大给科研带来了很大不便,这是 设计一种模拟器,模拟出光伏阵列在各个环境下的工作状况对科研机构开展光伏 发电的研究是时分有必要的。而利用直流微电网的光伏模拟器对于太阳能的利用 又尤其独特的优越性,从直流微电网的特点来讲可以归纳为以下几个方面:(1) 直流微电网中不需考虑交流微源的输出电压、相位、频率等,可直接接入直流母 线。只需一次 AC/DC 或者 DC/DC 换流,换流简单,损耗小。而母线也只需一次 DC/AC 逆变器即可。整个系统成本低损耗小。(2)直流微网中因其能量只与直流 母线电压有关,利于各个微源的协调控制。(3)在主网故障时,直流微网只需利 于并网换流器闭锁功能,即可迅速从大电网切断,进入孤岛运行状态,此时微网 中的负荷仍可以正常用电,不受主网故障的影响。(4)直流微网通可以供给很高 的电能质量,因其负荷侧的换流装置,当某处负荷发生短路故障是,其余负荷不 受影响,供电有保障。(5)直流微网有储能功能,将储存的电能作为一个能量缓 冲器,这就可以平衡各处微源,解决负载短期能量不足的问题。总之从直流微电网的特点可以看出直流微电网光伏发电在未来对太阳能的 开发利用中必将起到无法估量的作用。研究直流微电网光伏模拟器对光伏发电的 科研具有巨大的推动作用,必将大大简化光伏发电系统的研究,直流微电网光伏 发电系统在未来必将为人类的新能源开发与利用做出突出贡献。1.2 直流微电网的研究现状从 2002 年美国 CERTS 微电网被提出以来,经过美国、日本、欧盟等国家的 科学家研究与实践,微电网定义慢慢被完善。更有利于微电网的推广与利用。 CERTS对微电网的定义为:微电网是一种由微型电源和负荷共同组成的系统, 它可以同时提供电能和热量。美国因为其近些年一些停电现象,使美国更加注重 工业用电的可靠性,美国对于微电网的研究也更加注重于可靠性的研究,美国北部电力系统承建了第一个微电网示范工程。欧盟也有相应的微电网项目,因为欧 盟希望能够优化电源到用户的产业链来发展分布式微电源,而因为欧盟的电源与 负荷相隔较近,因此欧盟的研究方向主要在微电网的互联的问题。日本因为其本 土资源匮乏,对于微电网的研究也投入很大,主要对于微电网中的能量储存研究 更多,日本的青森县、爱知、和京都都有世界领先的微电网项目。在我国微电网 方面的研究尚处于起步阶段,但是微电网的特点是十分适合我国电力发展的。1.3 直流微电网的研究前景直流微电网技术因其经济性与可靠性使得世界各国都投入大量经费于技术 研究中,直流微电网技术的出现、发展、成熟必将改变传统的电网应对负荷增长 的方式。直流微电网的出现能够减少电力系统能耗、提高电力系统的可靠性。经 济发达的国家如美国、日本等都十分重视微电网的发展研究,只有微电网提供的 稳定可靠的电能才能保证国内电能供应,为国家的发展提供坚实的保障。在我国经济飞速发展的背景下,对电能的质量与稳定性要求也日益增大。大电网的脆弱 性在这种背景下也日益凸显。要改善这些情况微电网就是我国电力事业发展的一 种重要途径,使电能的供应能够跟上经济发展的脚步。将地理位置相近的重要负 荷组成微电网,再设计出合适的控制管理方法,为这些重要负荷提供优质可靠的 电能,这样不仅可以解决电能供应的一些问题,对于节能环保也是有重要作用的。 国家能源局也计划在“十二五”期间建设 30 个微电网示范工程,各级政府已经 出台了一些支持性政策,自下而上推动力越来越显著。就目前来说直流微电网技 术还存在许多问题,但直流微电网在各国发展迅速,相信在不久的将来,直流微 电网技术必将广泛的应用到电力系统中。1.4 光伏发电的研究现状当今世界上光伏发电发展十分迅速,特别是经济发达的国家对太阳能光伏发 电十分重视,大力发展。自 20 世界 80 年代开始,世界经济发展如何,太阳能光 伏发电相关产业一直以 10%-25%的增速飞速发展4。90 年代后期太阳能光伏发电 的发展达到一个顶峰,是当时世界上成长最快的高新技术产业之一。截止到 2004 年,世界上太阳能光伏发电装机容量高达 964.9MW,而到 2005 年这一数值增长 到 4961.69MW。目前来说,太阳能光伏发电已经商业化,在国际上太阳能光伏发电的成本约为 0.25 美元(kwh),太阳能光伏电池的价格约为 3.15 美元/W,并网 价格约为 6 美元/W。可以说随着发电转化效率的提高,太阳能光伏发电的利润正 在逐年增加。目前警惕硅光电池光电转化率达到 15%,单晶硅光电池光电转化率 高达 23.3%。而且光伏电池的使用寿命也十分长久,可使用 30 多年。随着技术 的进步,太阳能电池的光电转化率与太阳能电池的使用寿命必将继续提高。我国的太阳能光伏发电也在飞速发展中,20 世界 90 年代开始我国太阳能光 伏发电发展十分快速。到 2004 年我国太阳能光伏发电累计装机容量达到 35MW, 占世界份额的 3%。目前,国内五大发电集团、四小发电豪门都投入到了太阳能 光伏发电的开发研究中,必将使我国的太阳能光伏发电产业进入一个新的发展高 潮当中。1.5 光伏发电的研究前景近些年人类的发展对地球环境造成了很大的破坏,而环保现在也成为了各个 国家注重的,越是发达的国家越注重对环境的保护。太阳能光伏发电因其环保、 高效、长寿等优势必将是未来能源的主流。随着技术的突破,太阳能光伏发电产 业将不断完善与发展,成本将进一步降低。据专家预测,2050 年太阳能光伏发 电将占全球发电量的 13%-15%,2100 年将占 64%。我国的太阳能光伏发电前景 也是一片光明,预计到 2020 年太阳能光伏发电成本在我国将下降到 0.60 元/(kwh),我国的太阳能光伏发电技术将达到世界先进水平5。1.6 本文的主要工作本文主要介绍国内外的直流微电网及光伏发电技术,了解世界各国直流微电 网及光伏发电的现状和研究前景,说明该课题存在的必要性和重要性。文中主要 介绍现行的直流微电网和光伏模拟器的方案,研究光伏电池的特点和在生产中的 的特性。使用 MATLAB 对光伏电池进行仿真,来验证光伏电池的特性曲线。直流 微电网技术与光伏发电技术都是世界尖端技术,要说明这些技术的优越性和基本 原理。对直流微电网光伏模拟器从结构、特点、用途几方面进行研究。2直流微电网2.1 直流微电网的结构微电网是相对于常规大电网而言的,是指多个分布式电源及相关负载按一定 的拓扑结构构成的网络,并通过静态开关并至大电网。微电网是一种较为新型的 网络结构,与现在世界范围内应用最多的大电网相比,微电网能够实现自我控制、 保护和管理的自治系统,既可以与外部电网并网运行,也可以孤立运行6。微电 网的控制系统如下图 2-1 所示:图 2-1微电网的控制结构微电网分为直流微电网与交流微电网两种,其中直流微电网中系统中的储能 装置、DG、负荷等均通过电力电子变换装置接入直流母线,系统结构如下图 2-2。 直流微电网 DG 与母线之间仅有一级电压变换,这就大大节约了系统的建设成 本,且无需考虑 DG 同步的问题,这就降低了直流为电网的技术难度,对于推广 直流微电网有很大帮助。与交流微电网相比,直流微电网因其电压变换少,这 样能够减少在电压变换时的能量损耗。可以说直流微电网是一种经济环保的联网 方式。单相交流母线三相交流母线配电网ACACACDCDCDC直流母线DCDCDCDCDCACDCACDCDC交流直流储能储能交流直流DGDG直流负荷图 2-2直流微电网的基本结构2.2 直流微电网的特点现在社会对于能源的应用主题在于节能与环保,开发太阳能从本质上来讲也 是为了这两点。要解决能源问题除了开发清洁可靠的新能源这一方法,改善电能 的运输方式也是一种非常可靠的手段。采用微电网因其输送电能的灵活性深受重 视,但在微电网中,直流微电网相比较于交流微电网则具有更大的优势。如果将 世界现行的主流的交流供电方式改变为直流供电,可以节省 20%的电能损耗。可 以说直流微电网在供电领域的应用可以大大改善当今世界紧张的能源问题。直流微电网是通过一条公共直流母线将所有的微电源链接起来,这样燃料电 池、光伏发电、微型汽轮机、风力发电等微电源通过一个集中的 DC/AC 换流装置 与大电网相连,这部分结构与交流微电网较为不同。 相比于交流微电网,直流 微电网具有以下几点优势:(1)直流微电网系统成本和损耗将大幅度减少。在直 流微电网中,直流母线与各种微型电源的连接形式更为方便、简单。不需如同交 流电网那样考虑电源的输出电压的频率、相位等。直流微电网只需经过一次 DC/DC 或者 AC/DC 变流转换,而且直流母线与大电网之间的连接也只需经过一次 DC/AC 逆变装置,可以说直流微电网将使供电系统更加简单可靠。(2)直流 微电网中各微电源更容易实现协调控制。控制直流微电网只需控制直流母线电 压,对潮流的控制更大程度上也与电流控制有关。(3)与交流微电网相比,直流 微电网中的换流装置要少了不少,这就大大降低了系统成本和能量损耗。(4)在 先进的配电系统中,如果能应用直流微电网,可以把太阳能光伏发电所产生的直 流电直接提供给家庭或者企业的电子设施,能够更加有效的利用太阳能。正因为有这些优势,可以说直流微电网对于未来太阳能利用有着十分重要的 作用,而直流微电网对于传统的交流电网也是一次十分重要的变革。2.3 直流微电网供电系统的研究目前,直流供电在节能家庭的应用较多。如日本厂商提出的“DC 环保家庭”。 DC 环保家庭就是将太阳能电池所发的电储存到充电电池之中,直接使用直流电 来驱动用电设备,这样就没转换电能的损耗,当冲电电池中的电量用完之后,把 家用的电源转变成直流电,相比起传统供电,这种直流供电只需要转化一次,可 以节约能量。日本 NTT 公司已经开发出了 400V 直流的电源插头和插排,该公司 还开发出来支持 380V 的直流供电系统,现正面临试验。松下公司也正在开发家 用的直流供电系统。总体来讲,直流供电系统在家庭用电中的发展十分迅速,相 信真正普及推广很快就会到来。直流供电系统不仅仅是在家庭用电里面发挥着作用,在数据通信中已经有数 据中心开始使用直流供电系统了,如互联网数据中心 IDC 机房耗电量大,一般高 达几百到几千千瓦。若仍用 48V 的直流电压,必然会使电源设备效率低、体积大 等。而且这种微点导线截面加粗,输电能耗也会更大。为了跟上未来对直流供电 的需求,很多国家都在研究更高电压的直流供电系统。2006 年,隶属于美国能源部的劳伦斯伯克利国家实验室(LBNL)和美国英 特尔、思科、美国 Nextck 电力系统、日本 NTT 公司和 Sun 等公司合作共同进行 了依靠直流方式向数据中心服务器提供电能的实验。该实验数据得出,使用直流 供电系统消除交直转化过程每台服务器至少可以降低 9.34%耗电量。减少交直转 化不仅仅节约了电量,更可以消减设备费用,和数据中心设备的发热,这也减少 了数据中心制冷所需的费用.如果在这些数据中心再使用一些如燃料电池、太阳 能电池等绿色直流设备,将节能环保做的更加完美。2.4 直流微电网供电系统的关键问题直流供电系统在全世界发展迅速,但面临的难题同样十分多。第一点,现在 世界上的电网和用电器大多数都是为交流电设计的,直流用电器的使用范围还十 分小,也没有商家敢于冒险去生产这种直流用电器;第二点,直流供电目前还没 有完善的系统规范,直流供电系统的电压、插头形式等等都没有统一的标准;第 三点,直流供电系统的安全性,安全规程也不明确,在实际的生产应用中也存在 问题。如果供电系统采用高电压,就需要考虑电弧放电等安全问题,如果采用低 电压则电阻损耗会增加,这就会增大系统的能量损耗。这些问题都对直流供电系 统的应用造成了很大阻力,这些也是直流微电网供电系统推广所要解决的关键问 题。2.5 直流微电网的并网方式及控制方法微电网之中会包含许多不同的微电源,它们的运行特性各不相同,这就要对 不同的电源采用不同的控制方法。而对于不同的微电源还需要考虑各个电源与负 荷的功率平衡,使系统的运行能够稳定与经济两手抓。微电网内部的分布式控制、 集中协调的控制运行可以说是实现微电网应用的关键技术7。MS320F28335 型 DSP 数字控制功率变换器是由直流微电网研究平台设计的 AD/AC 双向功率变换器。该功率变换器可以实现分布式直流供电系统与大电网的 连接,可以控制电网与直流母线之间的能量相互传递,提高整个系统的能源利用 率,为以后变换器的研究提供经验。目前,直流微电网的研究多少对某一种结构,如光伏电源、风力发电机等, 或者是对一些简单的模型进行分析处理,但对于实际的应用的研究还必将欠缺, 而且实际的系统与简化模拟存在较大的差别。实际生产中对于存在直流微电网的 系统不仅仅需要考虑各种微电源的不确定性,还需要考虑并网与离网的相互机 制,直流微电网并入大电网将改变系统的几个,增加潮流的不确定性。可以说在 实际中应用直流微电网技术需要考虑的因素还有很多,需要一一解决。2.6 微电网的使用尽管现在世界上还是以大电网更为常见,但是对于微电网的使用各个国家也 是持支持态度的。微电网也慢慢的走出实验室,真正使用到生活中,在欧美、日本等发达国家,微电网技术已经取得了不错的商业效果。如下表 2-1 就是欧美国 家一些商用微电网技术。表 2.1 欧美国家商用微电网微电网的分类典型特征和供电模式城 市 微 电美国加州分布式电源综合美国首个微电网商用项目,包含各类光伏电池、蓄网测试项目电池等微电源意 大 利 米 兰 CESIRICERCA采用生物质能发电和斯特林发电机等分布式发电交替结构微电网系统利用一条低压直流微电网为直流负荷供电,系统主要使用 Zebra 电池等蓄电池作为储能装置葡萄牙 EDP 燃气轮机微电用一台 80KW 微型燃气轮机作为分布式电源,作孤网岛运行和联网两种方式运行农村微电美 国 MADriver 乡 村 微 电系统主要以一台 30KW 燃气轮机、两台 90KW 丙烷柴网网油机、两台 100KW 生物柴油机做分布式电源,后续加入各种风机、燃料电池等储能装置美国帕姆代尔市低压微电以超级电容器作为储能装置,使用汽轮机、风机、网柴油机、水轮机来利用农村风水资源建立微电网荷兰 Zutphen 度假村微电网示范工程使用光伏发电给 200 户别墅供电海 岛 微 电美国夏威夷岛微电网以海洋丰富的天然气作为能量来源采用燃汽轮机网CHP 单元建立城市中的冷热电联系统丹麦 Bornholm 微电网以 39KW 的汽轮机、柴油机,37KW 的热电联产,30KW 的风力发电机为电源,采用中高压微电网为岛上28000 户居民供电希腊基吉昆岛光储微电网以 10KW 的光伏发电、5KW 的柴油发电机为微源,给岛上通讯设备供电在日本已经有数个城市微电网投入到实际使用,而因为其资源匮乏,日本微 电网偏向于对可再生能源的利用,注重孤立型微电网,将微电网发展目标定为能 源供给多样化、环保化,满足各类型用户的用电需求。下表 2-2 是日本微电网的 一些结构和供电模式。表 2-2日本微电网特征和供电模式微电网供电模式青森微电网以垃圾发电厂的 3 台燃气轮机、一个 50KW 的光伏阵列、100KW 的蓄电池作为主要装置,通过一条配电线向市中心输送电力八户微电网以 510KW 生物质发电、130KW 光伏发电、20KW 风力发电给 7 栋楼房和污水处理厂供电,分布式电源以沼气作为燃料的内燃机为主京都微电网在偏远地区安装两组光伏电站和 50KW 的小型风机,四台 100KW 内燃机、250KW 燃料电池、100KW 铅酸蓄电池组成微电网为京都供电爱知微电网以燃料电池、光伏发电、燃气轮机等为分布式电源,所有分布式电源都接入母线,通过母线输送到用户,仙台微电网分布式电源包括燃料电池、内燃机、光伏发电等,将产生的电能按 电能质量分为 A1、B1、B2、B3 四个等级,通过调度供给到不同用 电需求的用户微电网在世界发达国家里面发展迅速,已经不仅仅在是理论的存在,慢慢的 也融入到现在的大电网中,发挥着无可替代的作用,从节能环保方面为人类提供 优质可靠的电能。193光伏模拟器3.1 光伏电池光伏电池是一种能量转换的光电组件,在太阳光照射光伏电池后,通过光电 效应,将光的能量转换为电能。太阳能电池种类繁多,按照其制造所用材料来分 一般可以分为单晶硅、多晶硅、非晶硅等。分类如下图 3-1:单晶硅结晶硅硅 基 材料非晶硅主体型薄膜型多晶硅 单晶硅多晶硅光 伏电 池多化合 物二六族三五族:碲化镉、硒化铟铜:砷化镓、磷化铟、磷化镓铟其它材料图 3-1太阳能电池的分类3.2 太阳能电池光伏阵列输出的主要参数确定太阳能电池光伏阵列输出的主要参数有:开路电压 Voc、短路电流 Isc、 峰值功率 Pmax其输出曲线如下图 3-2:图 3-2太阳能电池光伏阵列输出曲线从图中可以看出,当太阳能电池光伏阵列的输出电压很小时,随着电压的增 大,输出电流变化很小,但当输出电压超过临界值 Vmp 时,随着电压的增大,电 流下降很快。光伏阵列的输出功率则有一个最大功率点。在不同的环境里调节光 伏阵列的工作点,使得太阳能电池光伏阵列的输出最大化,这样就能使得太阳能-电能的转换最大化。3.3 太阳能电池光伏阵列最大功率点跟踪现今太阳能电池光伏阵列在光伏发电系统中所占比例很大,但是现在太阳能 电池的电能转换率并不高,因此必须找到太阳能电池光伏阵列的最大功率点,以 此提高效率降低发电成本。太阳能电池光伏阵列最大功率点的跟踪原理:太阳能电池的输出功率受到日 照、温度等影响,在不同日照与温度的情况下,太阳能电池光伏阵列的短路电流 与开路电压完全不同,但是在每种情况下太阳能电池光伏阵列有且仅有唯一的最 大输出功率点,只有工作在这一点才能使其输出功率最大8。目前太阳能电池光 伏阵列最大功率点主要有以下几个跟踪方法:(1)恒电压法:恒电压法简称 CVT。 当温度一定时,太阳能电池光伏阵列输出最大功率点分步骤一点垂直线上,因而 只需保持太阳能电池光伏阵列的输出电压为某一日照强度下太阳能电池光伏阵 列的最大功率点的电压,就能大概保证在此温度下太阳能电池光伏阵列输出功率 最大。(2)扰动观察法:在太阳能电池阵列的控制周期用较小的步长来改变,改 变的步长一定但是方向可以减少也可以增加,控制对象为太阳能电池阵列的电压 或者电流,这个过程可以称之为“扰动”,只需比较干扰周期前后的太阳能电池阵列的输出功率就可知道最大功率点应该如何调,如果输出功率增大则继续上周 期的“干扰”方向;如果输出功率减小则改变“干扰”方向。(3)增量导电法: 这种方法的提出是为了解决扰动观察法里面功率损失的问题。从图 4 的曲线中不 难得出,太阳能电池阵列的输出功率-电压(P-V)曲线为单峰曲线,当输出功率 最大时,输出功率对电压的导数为 0.增量导电法主要是在日照发生改变时是太阳 能电池光伏阵列的输出电压能以平稳的方式跟踪变换,使整个太阳能光伏电池光 伏阵列工作在最大功率下,提高效率。利用上述三种方法跟踪最大功率点有利于使太阳能电池光伏阵列工作效率 提高,可以说是太阳能光伏发电里面不可缺少的技术部分。3.4 光伏电池的仿真光伏电池将太阳能转化为电能的半导体器件,是太阳能发电的最基本的单 元。目前光伏电池普遍使用的是硅材料,而光伏电池发电的原理是光生伏打效应: 当光伏电池吸收太阳能时,产生光生电子-空穴对,光生电子和空穴在电池内部 电场的作用下分离,这样就形成了光生电压,这种现象称为“光生伏特效应”。 如果在两侧接上负载,负载上就会流过一定的电流,获得一定的功率9。这就是 光伏电池最基本的原理。如下图 3-3 就是光伏电池的等效模型。其中 Iph 就是光 生电流,ID1、ID2 表示流过二极管 D1 与 D2 的电流,Ir 表示反向击穿电流,VD 表示 Rsh 的两端电压,RS、Rsh 表示等效的串联电阻和并联电阻,电池的输出电流为 I,输出端口电压为 V10。IIphIDID12RSIsh VDIrRshV图 3-3光伏电池等效模型根据这个数学模型利用 MATLAB 构建仿真,通过仿真得到电池的输出特性曲 线从而来验证模型搭建的是否正确。下图就是 MATLAB/Simulink 搭建的模型,如 下图 3-4 所示:图 3-4光伏电池 MATLAB 仿真图通过仿真可以得出光伏电池的输出特性曲线,如下图 3-5、图 3-6、所示:图 3-5光伏电池 I-V 特性曲线图 3-6光伏电池 P-V 特性曲线仿真得到的光伏电池的特性曲线可以验证光伏模型的正确性,通过改变模块 中输入的大小这样就可得出不同环境下的光伏电池的特性曲线。3.5 太阳能电池光伏阵列模拟器的组成模拟器是利用模拟的方法来模拟实际生产中的各种情况、由于光伏阵列一搬 占地面积大、转化效率低、成本过高。这给光伏阵列的研究带来很大的困难,为 了解决这些问题,设计一种模拟器来模拟光伏阵列在各种条件下的工作状况,满 足科研需要,促进光伏发电的发展。太阳能电池光伏阵列模拟器由三部分组成: 功率电路、整流电路、控制电路11。(1)功率电路太阳能电池光伏阵列的功率电路分为许多种,有如下图 3-7 所示关系:正常型电路隔离型半桥型电路功率电路全桥型电路 降压型电路非隔离型二项限斩波电路四项限斩波电路图 3-7功率电路的分类及关系模拟器的功率电路基本为 DC/DC 变换电路,按照其与前一级整流电路的关 系分为不同类别,但不管何种功率电路其主要的技术指标如下:第一,功率电路 可以满足大功率场合的工作需要;第二,电路可以适应不同的环境,当日照温度 等不同时,电路的最大功率点会发生变化,功率电路必须迅速追踪最大功率点, 保证模拟器可以快速温定的工作在最佳状态下;第三,功率电路的输出电压和电 流稳定可调以满足不同时期不同状态下的生产需要。第四,整个功率电路需安全 稳定12。(2)整流电路太阳能电池光伏阵列模拟器的功率电路前段需要有整流电路,用来把交流输 入转化为直流输出。整流电路根据所采用的器件不同可以分为可控整流电路与不 可控整流电路。下图 3-8 即表示整流电路的分类及关系。全桥整流电路不控整流全波整流电路整流电路倍流整流电路可控整流图 3-8整流电路的分类及关系太阳能电池光伏阵列模拟器的电路对对整流输出要求不高,出于经济考虑一 般用不可控整流,但也有部分采用可控整流。总之,在实际的应用几种不同的整 流电路时要把技术要求与经济情况相结合,综合考虑使用何种电路。(3)控制电路 控制电路是指对功率电路、功率器件直接控制的电路。一般采用 DSP 或单片机运算,通过采样信号、处理信号得到 PWM 波来控制功率电路或功率元器件。 太阳能电池光伏阵列一般采用电压电流信号,对采用的信号进行处理运算通过控 制器来控制。3.6 太阳能电池光伏阵列模拟器设计要求要了解太阳能光伏阵列模拟器的工作原理,首先要明白对它的设计要达到的 标准。一般来说要完成以下三个要求:(1)系统可以正常的以光伏阵列的输出特 性来输出,当负载确定时,光伏阵列可以在最大功率点上稳定输出。(2)系统灵 敏性要足够,当负载发生变化时,模拟器能在技术要求的时间内变化到新的工作 点稳定工作。(3)输出功率能够满足需求。从模拟器的设计要求不难看出,模拟器设计要求有稳定性、灵敏性,输出功 率也不难太小。模拟器的工作就是围绕这 3 个方面来进行的。3.7 太阳能电池光伏阵列模拟器的原理光伏模拟器的核心是要跟踪负载的工作点,让光伏模拟器在不同时间的负载 情况下都能满足所需要的输出功率。如何解决这个问题,如何快速找到理想的工 作点并使模拟器快速工作在该点上是模拟器所要解决的最重要的问题。光伏模拟器的工作核心电路是功率电路与控制电路两部分。功率电路主要用 半桥拓扑来完成直流变换,经过整流滤波后产生输出电压。而控制电路的核心则 是寻找负载的工作点并使模拟器工作在该点上。目前光伏模拟器分为数字式与模 拟式两种。模拟式的太阳能电池光伏阵列模拟器主要是利用可控光强的白炽灯来模拟 太阳能光强的变化,样品的电池阵列的输出电压和电流随着灯泡的光强变换而改 变,经过信号放大后即可驱动功率器件,进而使光伏阵列的各项输出随着模拟器 的输出的改变而变化。因为这个特点,可以代替实际的太阳能电池光伏阵列进行 许多光伏系统的性能研究与测试。根据太阳能输出特性,输出电流越大输出电压 就越低。将光伏阵列模拟器的输出电压通过降压之后再转换为确定的值,通过手 动改变样品的电压来跟随模拟器的电压变化,之后将样品得出的输出电流作为模拟器的输出电流给定值,用来控制模拟器的输出电流。这个电路研究较为简单, 但还有许多不足需要改善。(1)样品电池在白炽灯的照射下,模拟器所处环境温 度和样品电池的 P-N 结温度变化都十分大,这就导致模拟器的输出所得到的参数 可能不是事先预想的环境下的参数。太阳能电池开路电压和当时环境下的最大功 率点也将受到影响,这使得模拟器精确度不够。(2)白炽灯的光与实际的太阳光 相比,两者光谱存在很大差别,用白炽灯来模拟太阳光本身也存在一定的误差。(3)这种模拟式的模拟器灵敏度不够,不能快速跟踪负载的工作点,而且输出 功率太小,达不到 KW 级别,这就与实际的电池阵列存在较大差别。数字式的太阳能电池光伏阵列模拟器则是通过先在单片机或者 DSP 系统中 输入特性曲线,然后通过控制电路的算法来确定负载的工作点,之后按照控制系 统来输出相应的电流电压13。在数字式的模拟器中,功率电路主要包括整流与隔 离,控制电路主要则是检测电路、单片机、PWM 驱动隔离电路。其余的部分如监 测电路,主要来处理电压电流检测信号的隔离滤波等等,电压信号采样于 DC/DC 变换电路的输出,通过监测电路处理之后反馈至单片机或者 DSP 中,电流信号则 采样于输出电路,与电压一样通过监测电路的处理再反馈到单片机,之后单片机 闭环控制以保证输出电压电流的稳定性。在单片机中有事先输入的特定光强与温 度下的太阳能电池光伏阵列的输出特性曲线,通过事先输入的特性来对应最终得 到对应的输出控制电压,计算出该情况下的占空比,输出 PWM 波。单片机所产生 的控制信号通过驱动隔离电路成为功率开关的驱动信号,电源输出对应的直流电 压,这个输出电压和太阳能电池光伏阵列在一样的条件下的电压相等,这样模 拟电压就可以输出一组在特定光强温度下的太阳能电池光伏阵列的特性曲线。如 果在单片机中存储各种不同条件下的特性曲线,当使用者输入不同条件时即可马 上得出该条件下模拟器的太阳能电池光伏阵列的伏安特性。数字式的模拟器核心 是单片机或者 DSP 控制的开关电源,并要求稳定工作点都运行在模拟的太阳能电 池光伏阵列的特性曲线上14。数字式模拟器的输出功率与准确性都能达标,选择 特殊的开关电源甚至可以达到 KW、10KW 的级别。但是数字式模拟器也有缺点, 首先数字式电路复杂,必须测量计算太阳能电池随着温度、光强变换的曲线数据 并记录到芯片中;其次寻找工作点的算法很复杂,需要庞大的程序。总体来说, 数字式模拟器成本很高。3.8 一种数字式光伏模拟器数字式光伏模拟器是一种较为常见的光伏模拟器,它可以模拟出光伏电池的 各种工作状况。下面介绍一种数字式的光伏模拟器15,其结构如图 3-9 所示。图 3-9 数字式模拟器的结构这个系统的核心是 TMS320F28335控制器。TMS320F28335控制器是 TI 公司 的一款 TMS320C28X 系列浮点 DSP 控制器。与以往的定点 DSP 相比,该器件的 精度高,成本低, 功耗小,性能高,外设集成度高,数据以及程序存储量大, A/D 转换更精确快速等优点。它具有150MHz 的高速处理能力,具备32位浮 点处 理单元,6个 DMA 通道支持 ADC、McBSP 和 EMIF,有多达18路的 PWM 输出, 其中有6
温馨提示
- 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
- 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
- 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
- 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
- 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
- 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
最新文档
- 分期购买新车合同样本
- 公交车广告合同标准文本
- 出租菜鸟驿站合同样本
- 中医合作合同样本
- 别墅装修标准合同样本
- 农村农田开发合同样本
- 中介挂牌销售合同样本
- 亲戚公司加盟合同样本
- 上海叉车吊车租赁合同样本
- 农田农场养殖合同样本
- (正式版)SH∕T 3548-2024 石油化工涂料防腐蚀工程施工及验收规范
- 贯彻落实八项规定精神情况自查表
- 50道经典逻辑题
- 劳务投标标书模板
- 日本保健功能食品市场分析报告
- DB33∕1050-2016 城市建筑工程日照分析技术规程
- 灯具安装施工组织设计(完整版)
- 网络项目割接方案V8
- 幼儿园老师爱的故事——感受一个听障儿童的成长
- 水利工程监理安全台账
- 《美丽的集邮册》朗诵
评论
0/150
提交评论