（控制理论与控制工程专业论文）基于粒子群算法的局部遮阴光伏发电系统m控制的研究.pdf

中文摘要 局部遮阴或光照不均等现象在各种光伏发电系统中是普遍存在的。遮阴造成 的阵列失配现象以及热斑现象不仅会影响太阳能系统的功率输出，造成安全和可 靠性问题，并且在局部阴影条件下光伏阵列的p v 特性出现多个极值点，使得常 规的最大功率跟踪算法在这种情况下失效。克服局部遮阴对阵列输出功率影响的 解决办法主要分为两个方面，一是研究具有全局搜索能力的最大功率跟踪算法， 另外就是研究太阳能阵列结构的优化组合方法。目前国内外对局部遮阴下最大功 率跟踪算法的研究仅限于对常规算法的一些改进或是引入复杂的计算，并且对阵 列结构讨论不够深入。 针对局部遮阴情况下的光伏阵列特性出现多个极值点的问题，并且考虑到粒 子群算法在多峰函数优化、全局寻优方面的良好性能，本文把粒子群算法应用到 了光伏发电系统的最大功率跟踪控制当中，提出了基于粒子群的局部遮阴下的多 峰最大功率控制算法。算法主要是针对传统的串联式结构，使用粒子群与m p p t 算法相结合，解决了局部遮阴下多峰寻优的问题。 。 通过对光伏发电系统的阵列结构的深入分析，介绍了一种新型的独立组件并 网发电结构，它不存在遮阴引起的光伏组件之间的不匹配损耗。每个组件具有独 立的m p p t 控制器，是未来最具有竞争力的光伏发电系统结构。独立组件结构需 要对每个模块进行独立的最大功率控制，其本质上是一个多变量控制问题，利用 粒子群算法的多变量寻优的特性，对光伏阵列的多个模块的最大功率点进行寻 优，实现了光伏模块的群控。两种算法都是把粒子群算法的寻优和常规的最大功 率跟踪算法的结合起来，不仅很好地克服了局部遮阴带来的问题，而且实现了两 种算法优点的互补，提高了最大功率的输出总量和最大功率跟踪控制的准确性和 收敛速度。 通过在m a t l a b s i 叫1 i n k 中对两个算法进行仿真实验，验证了算法的有效 性，并且分析了两个算法在最大功率跟踪上的优略。最后，搭建了系统的硬件电 路，在室外人为制造的局部遮阴情况下进行了实验，实验结果光伏模板的输出电 压被稳定地控制在最大功率点的电压附近，从而证明了算法的有效性。 关键词：粒子群算法，局部遮阴，最大功率点跟踪，光伏发电系统 a b s t r a c t p a r t i a l l ys h a d e dc o n d i t i o n sa r ec o m m o ni na l lk i n d so fp vs y s t e m s p a r t i c u l a r l v i nt h eb i p vs y s t e m t h em i s m a t c hp h e n o m e n o ns u c ha sp a r t i a ls h a d e n o to n l va f f e c t s t h ep o w e rg e n e r a t e db ys o l a rs y s t e m ，b u ta l s ol e a d st os e c u r i t ya n d r e l i a b i l i t yp r o b l e m ， s t i l l ，u n d e rp a r t i a l l ys h a d e dc o n d i t i o n s ，t h ep vc u r v eo fp va r r a y sw i l l h a v et h e c h a r a c t e r i s t i c so fm u l t i - s u m m i t ，w h i c hm a k e st h em a x i m u m p o w e rp o i n tt r a c k i n g v e r yd i f f i c u l tt oa c c o m p l i s h a tp r e s e n t ，s o m et r a d i t i o n a lm e t h o d sc a nn o ts o l v et h e a b o v ep r o b l e m t h u s ，t h er e s e a r c ho ft h em p p t c o n t r o lm e t h o do fp vs v s t e mu n d e r p a r t i a l l ys h a d e dc o n d i t i o ni sam e a n i n g f u li o b t h i sp a p e rw i l ls t u d yt h em a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g a l g o r i t h ma n d e r p a r t i a l l y s h a d e dc o n d i t i o n ，m a i n l y r e g a r d i n gt om u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no f m o d u l a r - s t r u c t u r e dp v a r r a y s a n dm u l t i s u m m i t o p t i m i z a t i o no ft r a d i t i o n a l s e r i e s - c o n n e c t e dp va r r a y s b yu n d e r s t a n d i n ga n da n a l y z i n gt h eb a s i cp r i n c i p l eo fs o l a rc e l l s t h e c l a s s i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o no fp vs y s t e m ，t h eh o t - s p o te f f e c tc a u s e d b yp a r t i a ls h a d e a n dt h er e c e n tm p p t a l g o r i t h m s ，a nm p p tc o n t r o ls t r a t e g yb a s e do np a r t i c l es w a 肌 o p t i m i z a t i o ni si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r , p s oa l g o r i t h mi sa p p l i e dt ot h em p p tc o n t r o la l g o r i t h mi nt w o d i f f e r e n tp vs t r u c t u r e b a s e do ne s t a b l i s h i n gt h em u l t i p e a km o d e lo ft h ep va r r a y u n d e rp a r t i a ll ys h a d e d c o n d i t i o n ，t h em u l t i p e a km p p ta l g o r i t h mi s d e s i g n e d t h r o u g ht h ei n t r o d u c t i o no fm o d u l a rs t r u c t u r e ，t h ed i s t r i b u t e dm p p t a i g o r i t h mi s p r e s e n t e d t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ea l g o r i t h ma n dt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so f t w od i f f e r e n ta l g o r i t h m sa r ee x a m i n e d u s i n gt h em a t l a b s i m u l i n k a tl a s t ，t h eh a r d w a r ec i r c u i to ft h ec o n t r o l s y s t e mw i t hm a n m a d ep a r t i a l l y s h a d e dc o n d i t i o ni sc o n s t r u c t e d t h r o u g ht h eu s eo fa v rm i c r o p r o c e s s o r t h e e f f e c t i v e n e s sa n dp r e c i s e n e s so ft h em p p ts y s t e mi s p r o v e db yt h er e s u i t so ft h e e x p e r i m e n t s k e yw o r d s ：m a x i m u mp o w e rp o i n t t r a c k i n g p a r t i c i es w a r n l o p t i m i z a t i o n ，p vs y s t e m ，a cm o d u l e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，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，也不包含为获得丕盗盘堂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己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：f 酒冗签字日期：) 、_ 年j f i 尺厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 铴钆 签字日期：m 砷年么月厂日 新虢旅存 签字日期：即尸年易月j 一日 第一章绪论 1 1 国内外发展现状 第一章绪论 1 1 1 国外光伏发电现状和发展趋势 太阳能光伏发电产业是2 0 世纪8 0 年代以来世晁上增长最快的高新技术产业 之一。到2 0 0 4 年，世界太阳能光伏发电装机总容量达到9 6 4 9 m w ，到2 0 0 6 年 底达到4 9 6 1 6 9 m w 。 目前，光伏发电主要集中在日本、欧盟和美国，其光伏发电量约占世界光伏 发电量的8 0 。今后光伏发电系统主要围绕高效率、低成本、长寿命、美观实用 等方向发展。专家们预测，到2 0 5 0 年，太阳能光伏发电在发电总量中将占 1 3 1 5 ，到2 1 0 0 年将约占6 4 。 近几年国际上光伏发电快速发展，美国、欧洲及日本制定了庞大的光伏发电 发展计划，1 9 9 7 年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”，日本1 9 9 7 年补 贴“屋顶光伏计划”的经费为9 2 0 0 万美元。到2 0 1 0 年，美国计划安装1 0 0 0 , - - , 3 0 0 0 m w 太阳电池，日本的目标是7 6 0 0 m w 。印度计划1 9 9 8 2 0 0 2 年太阳电池总 产量为1 5 0 m w ，其中2 0 0 2 年为5 0 m w 。国际光伏市场开始由边远农村和特殊 应用向并网发电和与建筑结合供电的方向发展，光伏发电已由补充能源向替代能 源过渡i l 剖。 发达国家近几年来主要开拓的市场是屋顶式并网发电系统。其原因是发达国 家的电网分布已很密集，并网发电不用蓄电池，电网峰值用电的电费高，阳光好 的地区采用光伏发电的电价已接近商品电价，人们预测1 0 年后屋顶并网发电系 统将大规模推广应用。 1 9 9 3 年，德国首先开始实施由政府投资支持，被电力公司认可的1 0 0 0 屋顶 计划，继而扩展为2 0 0 0 屋顶计划，现在实际建成的屋顶光伏并网系统已经超过 5 0 0 0 。德国政府于1 9 9 9 年开始实施1 0 万太阳能屋顶( 每户约3 k w 5 k w ) 计划， 今后几年内需要3 0 0 m w 5 0 0 m w 太阳电池。1 9 9 9 年首先6 0 0 0 套，共1 8 m w ， 政府给用户3 7 5 的补助及1 0 年的无息货款，由此可以看出德国政府在推广光 伏屋顶系统上的决心。 日本在光伏发电与建筑结合方面已经有十几年的努力，尤其在19 9 6 年以后 更是突飞猛进，每年新建的光伏屋顶达几万套。日本光伏屋顶的发展有一个特点， 第一章绪论 他们将太阳电池制作成建筑材料的形式，如瓦和玻璃等，这样太阳电池就很容易 安装在建筑物上，也很容易被建筑公司接受。 1 9 9 7 年，美国总统宣布了百万屋顶计划，即到2 0 1 0 年美国将在美国国内建 造1 0 0 万座太阳能屋项，包括供热和供电。这一计划有3 个目的： 1 计划完成后每年减排的二氧化碳相当于8 5 0 0 0 0 辆汽车的排放量； 2 可以增加7 0 0 0 0 个高技术就业机会； 3 通过这一计划，将大大加强美国光伏产业在世界上的领先地位和竞争实 力。 其他一些发达国家如荷兰、瑞士、芬兰、奥地利、英国、加拿大等也都有类 似的光伏屋顶并网发电项目或计划。 1 1 2 国内光伏发电现状和发展趋势 2 0 世纪9 0 年代以来是我国光伏发电快速发展的时期。在这一时期，我国光 伏组件生产能力逐年增强，成本不断降低，市场不断扩大，装机容量逐年增加， 2 0 0 6 年累计装机容量达3 5 m w ，约占世界份额的3 。1 0 多年来，我国光伏产 业长期平均维持了全球市场1 左右的份别7 1 。 随着2 0 0 8 年北京绿色奥运和2 0 10 年上海世博会的举办，到2 0 2 0 年前，我 国光伏产业将会不断的完善和发展，成本将不断下降，光伏市场会发生巨大的变 化：预计2 0 0 5 2 0 1 0 年，我国的太阳能电池主要用于独立光伏发电系统，发电成 本到2 0 1 0 年将约为1 2 0 元l ( w h ；2 0 1 0 - 2 0 2 0 年，光伏发电将会由独立系统转向 并网发电系统，发电成本到2 0 2 0 年将约为o 6 0 元k w h 。到2 0 2 0 年我国光伏产 业的技术水平有望达到世界先进行列瞵1 。 但是与国外发达国家相比，我国光伏产业市场化进程较为缓慢，我国的太阳 能发电技术及其产业还有很大差距，其中有以下几个较为突出的制约因素： 1 价格过高是光伏产业市场化的绊脚石，当前制约大规模利用光伏发电的 关键因素是电价过高。 2 硅原料紧缺是阻碍市场化的核心环节。 3 光伏产业链整体竞争力较为脆弱：第一，整个产业链上游小下游大，呈 “金字塔”格局，“塔尖”高纯硅生产几乎空白。除中游链有一定竞争力外，从 下到上依次薄弱，每一环节的产品原料都需要从国外引进。第二，一些重要环节 技术期待突破。第三，产业链中有优势的部分处于价值链的低端。 4 我国在相关的核心技术方面还十分不成熟，大容量的并网发电装置绝大 部分依赖于进口，所以研究开发具有自主知识产权的并网发电技术对我们国家来 说已经是刻不容缓。 第一章绪论 5 激励政策的启动力度远远不够。中国尚属传统能源型国家，能源消费结 构简单，过分依赖煤炭。促进可再生能源发展的法规政策体系不够完善，从去年 开始，国内一些省市( 区) 纷纷出台相关政策，上海市出台了( ( 2 0 0 5 年2 0 0 7 年上海 市开发利用太阳能行动计划，提出至u 2 0 0 7 年光伏产业总产值达到1 0 0 亿元，建 设若干个兆瓦级光伏发电示范工程。江苏省出台了江苏能源产业科技示范工程 2 0 0 5 2 0 0 7 年实施方案，并在筹划太阳能发电“一千个屋顶计划”。尽管如此， 对于迅猛发展的光伏产业来说我国启动国内光伏市场力度还是远远不够的1 9 。 1 1 3 光伏发电产业发展需要解决的问题 目前世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为了保证太阳能光伏发电产 业的健康发展，需要做好以下工作： 1 研制太阳能电池新材料，提高电池的光电转化效率： 2 研究太阳能光电电池最大功率跟踪算法，包括局部遮阴情况下的m p p t 寻优，以及把智能算法运用到m p p t 控制当中： 3 研究太阳能光电池阵列的优化组合算法，实现太阳能光电电池阵列的优 化组合； 4 探索并实现太阳能光伏发电与建筑物建设相结合，实现建筑物绿色发电 与自我供电； 5 研究太阳能光伏发电的软并网技术，减少光伏电能对电网的冲击； 6 探索并出台保护太阳能光伏发电发展的政策与法律、法规，对太阳能发电 电价实行保护政策，促进太阳能发电产业的发展【1o 1 1 1 。 1 2 本课题主要研究内容 1 首先介绍了太阳能电池的原理和光伏发电系统的分类和应用，以及最大 功率跟踪控制的原理和基本算法。 2 对于局部遮阴等光伏阵列失配现象以及由遮阴现象造成的热斑效应进行 了分析，同时对于目前国内外局部遮阴的m p p t 控制算法进行了分析和比较。介 绍了一种群智能算法一粒子群算法，该算法在多目标寻优和多峰函数优化方面 有着很好的性能。 3 本文把p s o 算法应用到了两种不同阵列结构的最大功率点跟踪控制当 中，提出了基于粒子群算法的多峰式最大功率跟踪策略和分布式最大功率跟踪策 略。多峰值m p p t 算法可以很好的解决传统光伏阵列结构在局部遮阴下，由于光 伏阵列p v 曲线呈现多峰特性导致m p p t 算法失效的问题，而分布式m p p t 算 第一章绪论 法应用到了模块化结构的光伏发电系统中，解决了多个模块的分布式最大功率跟 踪控制。 4 利用m a t l a b s i m u l i n k 工具箱，对于整个粒子群m p p t 控制系统进行了仿 真，控制环节包括了最大功率点电压的寻优环节，和闭环电压控制环节，仿真结 果验证了算法有很好的收敛速度和最大功率值。 5 搭建控制系统的硬件电路，在室外条件下模拟局部遮阴情况，利用a v r 单片机实现了粒子群m p p t 算法，通过d c d c 电路完成最大功率的跟踪。最后 对本课题的发展提出了未来的展望。 4 第二章光伏发电系统原理及应用问题 第二章光伏发电系统原理及应用问题 2 1 太阳能电池的原理和特性 光伏发电的能量转换器件是太阳能电池，又叫光伏电池。光伏电池发电的原 理是光生伏打效应。当太阳光( 或其他光) 照射到太阳电池上时，电池吸收光能， 产生光电子空穴对。在电池内建电场的作用下，光生电子和空穴被分离，电池 两端出现异号电荷的积累，产生“光生电压”，这就是“光生伏打效应”。若在内 建电场的两侧引出电极并接上负载，则负载就有“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电能【1 2 】。 1 太阳能电池的工作原理 太阳能电池的工作原理如下：物质的原子是由原子核和电子组成的，原子核 带正电，电子带负电，在没有外界干扰的情况下，电子围绕着原子核旋转。硅原 子的原子核周围有4 个电子，当有一定光强照射时，电子就会吸收光子能量而脱 离原子核，从而产生电子空穴对，在纯净的硅晶体中，电子和空穴的数量是对 等的。当在硅晶体中参入不同的杂质时就会分别得n p 型半导体和n 型半导体， 当把两者结合起来时，在交界面就会形成p n 结，从而产生势垒电场【1 3 l 。如图 2 1 所示： 势垒电场方向 + + + + + p + 一 n + + + + + + + 图2 1光生伏打效应原理图 在势垒电场的作用下，电子向n 型半导体方向转移，空穴向p 型半导体方 向转移，于是就产生与势垒电场方向相反的电场，其中一部分抵消势垒电场后， 就使p 型半导体带正电，n 型半导体带负电，从而产生了光伏电动势，在接上负 载后就会产生电流，输出电功率。 太阳能光伏电池表面有一层金属薄膜似的半导体薄片，当太阳光照射时，薄 第二章光伏发电系统原理及应用问题 片的另一侧和金属薄膜之间将产生一定的电压，这一现象称为光生伏打效应( 也 称光伏效应) 。太阳能光伏电池正是一种利用光伏效应直接将光能转化为电能的 装置。对于半导体p n 结，光伏效应更明显，因此，太阳能光伏电池都是由半导 体构成的。下面以硅半导体为例，对太阳能光伏电池的工作原理加以说明。当n 型硅和p 型硅结合时，n 型区的电子扩散到p 型区，p 型区的空穴扩散到n 型区， 此时，n 型带正电，p 型带负电，在硅半导体内部产生电场。当太阳光照在半导 体p n 结上时，形成新的空穴电子对，在p n 结电场的作用下，空穴由n 型区 流向p 型区，电子由p 型区流向n 型区，当接通电路后就形成电流，这就是光 伏效应太阳能光伏电池的工作原理。 2 太阳能电池的数学模型 光伏电池本身是一个p n 结，基本特性与二极管类似，其等效电路由光生电流 源及一系列电阻( 内部并联电阻r 。h 和串联电阻r 。) 组成，如图2 2 所示。太阳能 电池的等效电路图如下 1 4 - 1 6 】： z 弘+ 叫 hi l 玉 图2 - 2 太阳能电池等效电路图 由光伏电池等效电路可得出公式 i = i 出- i d - i s h 各个参数的代表意义如下 ，一输出电流( a ) ； 矿嘴出电压( v ) ； l 一光电流( a ) ； 厶一二极管反向饱和电流( a ) ； 咒一等效并联电阻( q ) ； 尺。一等效串联电阻( q ) ； 在此等效电路图中，太阳能电池的1 v 特性曲线方程如下 “ e x p 吗一 - 半 通常情况下足 尺，可以忽略最后一项。在上式中： 6 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 第二章光伏发电系统原理及应用问题 t = ，( 正) 【1 + k o ( 丁一互) 】 ( 2 3 ) i ( 兀) = gxi s c ( 兀) g ( ) ( 2 4 ) k o = ( ，s c ( 疋) 一，虻( 五) ) ，s c ( 五) ( 疋一互) ( 2 - 5 ) i o = 1 0 ( 霸) ( 丁互) 引月e x p 一gk a k ( 1 丁一1 互) 】 ( 2 6 ) i o ( 五) = i ，。( 乃) e x p ( qv o 。( 互) 彳k 互) 一1 ( 2 - 7 ) r s = 一d y d ，y 一1 x 矿 ( 2 8 ) x y = i o ( 兀) xq 彳尼正e x p ( qv o 。( 正) a k t , ) ( 2 - 9 ) 公式( 2 1 ) 到( 2 9 ) 就是太阳能电池的通用数学模型，其中 ，一反向饱和电流( 一般而言，其数量级为1 0 4 a ) ； g 一电子电荷( 1 6 x1 0 - 1 9 c ) ； k 一玻尔兹曼常数( 1 3 8 x1 0 - 2 3 j k ) ； a - - p n 结理想因子； 丁一太阳能电池实际温度( k ) ； z 一标准温度； 疋一参考温度； j ( 石) 一标准温度下的实际光电流； g 一实际光照强度( w m 2 ) ；g ( ) 一标准光照强度： k ( 五。，) 一电池在标准温度和光照时的短路电流( a ) ； 矿g 一半导体禁带宽度( v ) 。 3 太阳能电池特性曲线 根据公式( 2 1 ) ，可以画出太阳能电池的i v ，p v 特性曲线如图2 - 3 所示： 心 图2 3 太阳能电池的输出特性 特性曲线图中的几个参数： 短路电流( i s c ) ：一定光照强度和温度下输 出端短接时的输出电流；开路电压( ) ：一定光照强度和温度下输出端短路 时的输出电压；最大功率点电流( l ) ：一定光照强度和温度下最大功率点处 第二章光伏发电系统原理及应用问题 的输出电流；最大功率点电压( ) ：一定光照强度和温度下最大功率点处输 出电压。 2 2 光伏发电系统的分类及其应用 2 2 1 光伏发电系统的分类 根据不同场合的需要，太阳能光伏发电系统一般分为独立光伏发电系统、并 网光伏发电系统、混合型光伏发电系统【1 7 - 1 9 。 1 独立供电的太阳能光伏发电系统 图2 4 独立供电的光伏发电系统结构框图 独立供电的光伏发电系统结构如图2 - 4 所示，由太阳能电池板、蓄电池、控 制器、逆变器组成。太阳能电池作为系统的核心部分，其作用是将太阳能直接转 换为直流形式的电能，一般只在白天有太阳光照的情况下输出能量。根据负载的 需要，系统一般选用铅酸蓄电池作为储能环节，当发电量大于负载时，太阳能电 池通过充电器对蓄电池充电；当发电量不足时，太阳能电池和蓄电池同时对负载 供电。控制器一般由充电电路、放电电路和最大功率点跟踪控制组成。逆变器的 作用是将直流电转换为与交流负载同相的交流电。 2 并网光伏发电系统 并网光伏发电系统如图2 5 所示，光伏发电系统直接与电网连接，其中逆变 器起很重要的作用，要求具有与电网连接的功能。目前常用的并网光伏发电系统 具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池 环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器 配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不问断电源的作用，这对于一些重要 负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。 8 第二章光伏发电系统原理及应用问题 图2 5 并网光伏发电系统结构框图 此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高 次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可 调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流 电能转化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止 向电网供电。当有日照照射、光伏发电系统所产生的交流电能超过负载所需时， 多余的部分将送往电网；夜间当负载所需电能超过光伏发电系统产生的交流电能 时，电网自动向负载补充电能。 3 混合型光伏发电系统 图2 - 6 混合型光伏发电系统结构框图 图2 - 6 为混合型光伏发电系统，它区别于以上两个系统之处是增加了一台备 用发电机组，当光伏阵列发电不足或蓄电池储量不足时，可以启动备用发电机组， 它既可以直接给交流负载供电，又可以经整流器后给蓄电池充电，所以称为混合 型光伏发电系统。 2 2 2 光伏发电系统的应用 1 户用光伏发电系统、小型光伏电站 户用光伏发电系统、小型光伏电站属于非并网光伏发电系统( 独立系统) ，多 用于我国的广大无电贫困山区和贫困农村。自投入使用以来，运行可靠，发电正 常，性能优良。例如，辽宁建昌县贫困无电山区已经安装了3 5 3 套独立家用太阳 能光伏电源系统，太阳能电池组件总功率可达2 2 6 5 0 w 。由于特殊的地缘，光伏 电站特别适合西部特殊的居住环境，特别是在青藏高原有着得天独厚的地理环境 优势，大力开发利用太阳能新能源，将其转换为电能，既解决了部分无电人口的 供电问题，又解决了边远地区的通讯问题，促进了西部地区脱贫致富，经济和生 态环境的协调发展。其中西藏成为我国光伏电站、光伏电池装机容量最大的省区， 9 第二章光伏发电系统原理及应用问题 有效地改善了当地牧民们用电紧缺现象，而在通讯方面，微波通讯中继站应用光 伏电源达到7 0 0 k w 以上，小型光伏电站有1 3 0 0 个1 2 0 , 21 。 2 屋顶光伏发电系统 随着光伏应用技术的发展，世界各国普遍推出了相应的屋顶光伏计划，“九 五”期间，我国国家科委也开始将太阳能屋顶系统列入国家科技攻关计划。将太 阳能光伏发电系统与建筑物相结合之所以备受世界的重视是因为它存在很大方 面的优点： 1 ) 不占用土地资源，这对于土地昂贵的城市尤为重要； 2 ) 可以原地发电，原地使用，减少了电力输送的线路损耗； 3 ) 降低了墙面的温升，减轻了建筑物的空调负荷，降低了空调的能耗； 4 ) 取代和节约了昂贵的外饰材料( 如玻璃幕墙) ，使建筑物的外观统一协调， 美化建筑环境； 5 ) 舒缓了高峰电力的需求，配备蓄电池后，还满足了安全用电设施的不断 电要求。 2 0 0 8 年奥运会的申办成功为太阳能利用提供了新的契机，国家计划将太阳 能光伏发电融入奥运建筑中，各奥运建筑将大范围采用太阳能等绿色能源利用技 术，中国政府对在奥运村及奥运场馆中太阳能利用和建筑设计相结合进行了研 究，并在奥运场馆及奥运村中应用，降低了建筑能耗，提升了城市的整体形象。 3 大型并网光伏发电系统 并网光伏发电系统是光伏技术进步的重要标志，是未来太阳能光伏发电的趋 势，光伏发电系统步入大规模发电阶段，意味着现在的能源结构将发生根本的变 化，是人类社会利用能源的一场革命。目前，在世界范围内，如美国、德国等发 达国家已经开始建设了一批千瓦级并网光伏发电系统，今年又正在建设一批兆瓦 级的光伏并网发电系统，甚至印度、菲律宾及非洲一些国家也开始建设大型并网 光伏发电系统。我国的并网光伏发电系统起步较晚，与上述国家相比，还有一段 很大的差距。但我国己在深圳国际园林花卉博览园内建成了亚洲最大的并网太阳 能光伏电站，它在综合展馆、花卉展馆、管理中心、南区游客服务中心和北区东 山坡都安装了太阳能光伏电站，电站总容量达1 兆瓦，并网光伏电站的年发电能 力约为1 0 0 万k w h 。 2 1 1 光伏发电系统的结构 光伏单体电池的端电压低，一般只0 4 5 v - 0 5 v ，输出电流约为2 0 2 5 m a c m 2 ， 不能满足电力利用的需要，这时就把众多的单体电池通过串并联的方式结合在一 起，再罩上可靠的外壳，这就构成了光伏电站的基本个体光伏组件。光伏组 1 0 第二章光伏发电系统原理及应用问题 件的端电压从5 v n4 0 v 不等，功率也从2 0 w 到3 0 0 w ，但是输出电流和功率还 是无法满足光伏发电的需要，这时就将参数相同的光伏组件继续通过串并联方式 组合在一起，组成光伏方阵。串联个数，由逆变器的输入电压或是蓄电池组的电 压决定( 逆变器的输入电压范围1 8 0 v 5 0 0 v ) ，而并联数则由用电功率需求决定。 光伏方阵可以根据实际设计和需要，任意调整组件的数量，使其达到我们所需要 的值。一般户用发电系统容量较小，几百瓦到几千瓦，光伏发电站的容量相对较 大，千瓦级到兆瓦级；户用发电系统一般为独立发电系统或并网发电系统，而光 伏发电站多为并网发电1 2 引。 传统的光伏并网发电系统如图2 - 7 ( a ) 所示，称为中央集中式光伏并网系统。 将太阳能电池串、并联( 串联可实现输入高压，并联可达到高功率等级) ，通过中 央逆变器输送给电网。这种光伏并网发电系统需要高压直流电线，输入端需串联 二极管。光伏组件之间不匹配，光伏组件之间的串联使组件存在热斑问题，串联 二极管引起的损耗较大，若某一组件损坏，则整个支路不工作，逆变器输出有电 流谐波，功率因数较低，而且设计不灵活，很难大量使用1 2 3 。 传统结构现在结构 图2 7 光伏并网发电系统结构 现在普遍采用的是太阳能组件串联结构，称之为串联式光伏并网系统，如图 2 - 7 ( b ) 所示。将多个太阳能组件串联实现高压输出，并网逆变器一般无需升压电 路，逆变器无须串联二极管，m p p t 被分在每一个串联支路中，相对于图2 - 7 ( a ) 系统结构可大大提高效率，大批量生产可使价格降低。但此种结构仍然存在光伏 组件之间的不匹配损耗，组件之间的热斑问题依然存在，且系统中任一组件短路 损坏，将引起系统输入电压降低，如果光伏组件断路损坏，将使系统无电压输出。 另外一种常用的拓扑如图2 - 7 ( c ) 所示，称为可调度式光伏并网系统。将太阳 第二章光伏发电系统原理及应用问题 能组件串联后通过d c d c 变换器升压并对其进行m p p t 控制，两路这种结构的 d c d c 输出给逆变器并网。此种结构设计较为灵活，且m p p t 用单独的d c d c 变换器实现，效率较高，但此种结构仍然存在光伏组件之间的不匹配损耗，仍然 存在组件之间的热斑问题，任一组件损坏将引起系统瘫痪。且能量转换装置级数 较多，系统复杂，成本较高。以上介绍几种将光伏组件串、并联得到直流电压源 的光伏并网系统，这类结构缺乏系统的扩充性，且无法达到每块组件的最大功率 点工作状况，若任一组件损坏将会引起系统不能正常工作，甚至瘫痪。并且存有 直流高压的安全性和绝缘问题。 未来发展趋向于单个太阳能组件并网发电系统，国外称之为独立组件发电模 块，如图2 - 7 ( d ) 所示，它不存在光伏组件之间的不匹配损耗，不存在热斑问题。 在光伏组件和逆变器之间得到最优调整，每个组件具有独立的m p p t ，系统通用 性强，能量变换装置可模块化，即成为一个即插件器件，不懂技术的人也会安装。 它的缺点是具有升压电路，系统复杂，提高成本，但可批量生产而降低生产成本， 低零售价格，是最具有竞争力的光伏发电系统结构。 独立组件并网发电系统是基于独立光伏组件的并网发电系统。用独立光伏组 件实现光伏并网的思想起源于7 0 年代。由于当时技术的限制，这种思想没有用 到实际中来。直到8 0 年代末。i s e t 才真正对独立组件并网发电系统作深入研究， 当时称其为模块整合变换器( m o d u l ei n t e g r a t e dc o n v e r t e r s ) 。 到了9 0 年代初，在美国和欧洲就有几家公司开始研究此装置。首先研究独 立组件发电系统的国家有荷兰、德国、瑞士和美国。第一台独立组件发电模块产 生于1 9 9 2 年，是由德国的z s w 公司研制的。 由于个人市场的打开，未来的独立组件发电模块市场会迅速扩大，到2 0 0 5 年己经安装了8 0 0 0 0 个独立组件发电模块。随着市场的激烈竞争，价格最低、性 能最优的独立组件发电模块才能生存下来。而且，消费者会提出更高的要求，特 别会关注安装和监控问题。低价格、质量好、容易安装、监控精确、人机界面好 的独立组件发电模块才是未来市场的主流。 2 3 局部遮阴等光伏模板失配现象的分析 2 3 1 局部遮阴现象的讨论 局部遮阴现象在各种光伏发电系统中普遍存在，不仅会影响光伏发电系统的 功率输出，并且还会造成安全问题。局部遮阴现象如图2 8 所示。 第= $ 光伏茇景原理月目g 4fj 。q 图2 - 9 户型模块化结构光扶发电系统 i ) 对于户型光伏一体化发电系统，遮阴情况是最为普遍和复杂的。如图2 - 9 所示，光伏阵列搬安装在屋顶或其他建筑结构上，由于建筑周围存在树术、电 线杆、电缆线等障碍物，当光照角度随着季节、时间发生变化时，以上的障碍物 就可能在光伏阵列上产生局部阴影。另外当光伏阵列上存在污垢或者部分电池元 件发生损坏，也会产生类似的情况。由于有些房屋是人字形屋顶，安装对横板会 有不同的朝向，或者有不同的入射角，都会造成光照不均的现象。 第二章光伏发电系统原理及应用问题 2 ) 对于大规模阵列光伏发电系统，大面积的云彩遮挡和污垢是造成光照不 均的主要原因。 3 ) 对于空间太阳能电站，遮阴情况也是常见的，由于空间中太阳能板无法 散热，如果产生热斑效应，后果严重，所以一般采用关闭被遮阴的模板的方法来 防止热斑效应。 4 ) 对于便携式、移动式太阳能设备，如太阳能汽车、太阳能马夹、手持太 阳能设备等，由于设备处于移动过程中，都会产生遮阴情况。 5 ) 其他失配现象，比如p v 模板出厂规格的差异，组装过程中的裂片问题 ( 裂片问题在国内众多太阳能厂商中尤为普遍) ，太阳能各模板温度的差异等， 这些现象都属于阵列失配现象。 6 ) 由于阵列的光照分为直接辐射、反射、散射三种情况，所以不仅是遮阴 会带来影响，来自其他建筑或物体的反射或者散射也都会造成光照不均现象。 2 局部遮阴等失配现象的危害 1 ) 安全问题是光伏发电系统的一个重大问题。局部遮阴会导致热斑效应， 德国一个大型光伏电站就是因为热斑效应导致整个阵列发生大火，造成了很大的 经济损失。 2 ) 由于局部遮阴，造成功率下降，传输效率降低。不仅增加了发电的成本， 并且功率下降后，不能满足用电用户的需求功率，从而影响人们的生活或工作。 一项由东京大学对日本7 1 个光伏发电系统的调查中显示，由于失配现象以及其 他环节的平均功率损失约为2 5 。 3 ) 除了是功率损失和安全问题，局部遮阴对光伏发电系统的最大功率跟踪 以及维护和故障检测也大大增加了难度，给设计人员和工人带来了很多麻烦，并 且增加了设计和维护成本。 2 3 2 热斑效应及解决方法 根据国内外太阳能科学工作者的研究【2 4 1 ，热斑现象就是当光伏组件中有某个 单体光伏电池被遮挡，或者由于生产工艺的问题，造成组件中某个单体光伏电池 的电流小于其他单体光伏电池的电流，该电池可能在某种情况下带上负电压，即 在电路中不再作为电源，而是作为负载消耗其他正常电池( 没被遮挡) 产生的功 率，而且这种功率在该不正常电池上转变为热能，导致组件温度升高，当温度升 高到一定程度就会破坏组件的表面封装材料，甚至会烧坏单体光伏电池的物理结 构。 产生负压的原因是由于单体光伏电池具有与二极管相似的p n 结结构，即具 有反向雪崩击穿现象。根据基尔霍夫电压与电流定律，当流过电路的电流比被遮 1 4 第二章光伏发电系统原理及应用问题 挡单体光伏电池所能提供的最大电流( a p 短路电流) 还要大时，该单体光伏电池只 能取负压成为负载，当热量积累到一定程度就可能产生热斑现象。若该负压足够 大，结合相应组件输出电流产生较大的热量，也很有可能会发生热斑现象。 一般情况下，商用光伏组件中单体光伏电池允许作为负载消耗的最大功率上 限为2 5 w 2 5 】，如果超过该值，极有可能产生热斑现象，其产生的热量将可能破 坏电池或者组件封装材料。 国际上公认的避免热斑现象的方法都是为组件中的单体光伏电池并联上一 个旁路二极管，一般来说，一个由3 6 个单体光伏电池串联的商用光伏组件中， 每1 8 个单体光伏电池会并联上一个旁路二极管，当被遮挡局部带有负压而且其 大小也达n - 极管导通电压的时候，旁路二极管可以把被遮挡部分短路，使得只 有很少的电流流过被遮挡部分电路，从而避免热斑现象带来的过热影响。 此外，还可以通过改变光伏方阵中光伏组件的不同连接方式来减少被遮挡电 池消耗的功率，即减少热斑现象带来的危害。 但是并联二极管也存在缺点，首先大量的二极管带来了成本的增加，并且增 加了功率的损耗。其次，对于低电压阵列，例如便携式太阳能设备或者小型低电 压阵列，并联二极管的偏置电压会对阵列的工作电压影响较大。 2 5 光伏发电系统最大功率点跟踪的原理 1 最大功率点跟踪的原理 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 缩写为m p p t ) 技术，是太阳 能光伏并网发电中的一项重要的关键技术，它是指在温度、光照等外界条件发生 变化时，系统通过控制改变太阳电池阵列的输出电压或电流的方法使阵列始终工 作在最大功率点上，从而保证光伏阵列始终保持最大功率输出泌驯。 由于太阳能电池有着非线性的输出特性，光伏阵列的开路电压和短路电流在 很大程度上受日照强度和温度的影响，当光照强度，温度等自然条件改变时，光 伏电池阵列的输出特性和输出功率亦发生改变，系统工作也会因此飘忽不定，这 必然导致系统效率的降低，即使在同一光照强度和温度下，由于负载的不同而阵 列输出功率也是不同的，所以将其直接与负载相连的话，就不能保证阵列工作在 最大功率点上，从而造成功率的损失；另外，光伏电池本身转换效率就不高且价 格昂贵，初期投入较大，最大程度的充分利用光伏电池所吸收的能量、提高光伏 阵列的转换效率、降低光伏发电系统成本是光伏发电系统的基本要求。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 发电系统的高效应用带来了困难。m p p t 可挽回由于温度变化而导致的系统失配 第二章光伏发电系统原理及应用问题 损失，特别是对于冬、夏及全日内温差较大的地区更具有明显的经济、技术意义； 同时设置最大功率点跟踪装置，通过采用合理的m p p t 控制算法来调节控制光伏 电池的输出，使得光伏阵列在任何情况( 例如温度变化、光照强度变化等) 下始 终工作在最大功率点上，从而更有效地利用太阳能，提高光伏电池的转换效率， 降低光伏发电系统的成本，进而才能为太阳能光伏并网发电的大规模推广使用提 供条件和可能。 2 最大功率点跟踪( m p p t ) 技术的发展状况 早期的光伏发电系统采用的m p p t 控制算法是恒定电压控制法，l l p c v t 法 3 1 - 3 2 。2 0 世纪8 0 年代中期，日本学者s a k u t a r on o n a k a 提出的一种获得较好性 能的电流源型光伏并网逆变器就采用的恒定电压控制方法，该方法简单易行，且 基本上能跟踪最大功率点，但需额外的光伏器件获取控制所需的光伏器件开路电 压或是短路电流，增加了成本：由于采样器件与受控器件特性、外界环境都有一 定的差异，所以该方法控制精度差，光伏转换效率低，仅用于小功率场合，难以 满足大规模推广使用光伏并网发电的需要。进入2 1 世纪以来随着电力电子及控 制技术的发展，一些新的控制算法应运而生，如扰动观测法( 又叫爬行法、爬山 法、p o 法) 、改进的扰动观察法、导纳微增法( 又叫电导增量法、i n c 法) 、间 歇扫描跟踪法等。其中改进的p o 法的波动幅度较小，能较好地快速跟随外界 条件的变化而变化，有较快的跟踪效率和较高的转化效率，在目前的实际应用中 较为广泛。而电导增量法f l p r n c 法具有最快的跟踪效率，是未来最有前途的控制 算法，但由于其硬件上实现起来比较困难，在实际当中还没有广泛的应用。 2 6 局部遮阴下的m p p t 算法方法比较 在局部阴影条件下。由于输出功率特性曲线上多极值点的出现，常规的m p p t 算法，如爬山法和电导增量法将有可能稳定在某个并非最大的极值点上，从而不 能实现真正意义的最大功率跟踪。目前常见的局部遮阴下m p p t 方法如