（电力电子与电力传动专业论文）太阳能电池阵列模拟器的研究与设计.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt 1 1 e21 吼c e n t u r y , m a n k i n di sf a c i n gw i t ht h es e r i o u sc h a l l e n g e so fs u s t a i n a b l e e c o n o m i ca n ds o c i a ld e v e l o p m e n t w h i l ei s s u eo fe n e r g yi si n c r e a s i n g l yp r o m i n e n t ， s o l a ra n do t h e rr e n e w a b l ee n e r g yh a sg r a d u a l l yb e c o m et h ef o c u so fa t t e n t i o n t o d a y , h u m a ns t u d yo np vs y s t e m si sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v e b e c a u s eo ft h ei n f l u e n c eo f t h es u n l i g h ti n t e n s i t ya n ds u r r o u n d i n g st e m p e r a t u r e ，t h ec o s to fp va r r a ye x p e r i m e n t s i st o oh i g ha n dt h ec y c l eo fs t u d yb e c o m e st o ol o n g p va r r a ye m u l a t o rc a ns o l v et h i s p r o b l e m i nt h i sp a p e r ，t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sb e t w e e na n a l o gp va r r a y e m u l a t o ra n dd i g i t a lp va r r a ye m u l a t o ra r ec o m p a r e d d i g i t a lp va r r a ye m u l a t o ri s s e l e c t e di nt h i sp a p e rf o rs t u d y t h i sp a p e ri l l u s t r a t e st h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo f s t u d y i n gp va r r a ye m u l a t o r t h e n ，i td e s c r i b e st h ei - vo u t p u tc h a r a c t e r i s t i c so fp v c e l la n dd i s c u s s e st h em a t h e m a t i c a lm o d e ls u i t a b l ef o re n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o n s t h ep va r r a ye m u l a t o rd e s i g n e di nt h i sp a p e ri sc o n s t i t u t e db yt w op a r t s m a i n c i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t h a l f - b r i d g ed c d cc i r c u i ti ss e l e c t e da st h em a i nc i r c u i t t o p o l o g y i t sw o r k i n gp r o c e s si sa n a l y z e di nd e t a i l t h e nt h i sp a p e rd e s i g n st h em a i n c i r c u i ta n dt h ev o l t a g e - c u r r e n td o u b l ec l o s e d l o o pr e g u l a t o r o nt h i sb a s e ，b y s i m u l a t i n gt h ep va r r a ye m u l a t o ri np s i mp l a t f o r n a , w ec a l lc o n c l u d et h a tv a r i o u s p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t s t h ec o n t r o lc i r c u i tb o a r di st h ec o r ec o n t r o l l e ro ft h ep va r r a ye m u l a t o r i tc a l l p r o v i d et h er e f e r e n c ev a l u eo fo u t p u tv o l t a g ea n dt h ep w m s i g n a l sf o rc o n t r o l l i n g p o w e rt u b e i nt h i sp a p e r ，m i c r o c h i p sd s p i c 3 0 f 2 0 2 3i ss e l e c t e da st h em a i nc o n t r o l c h i p t h i sp a p e ra n a l y z e st h ep e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h i sc h i p t h e ni t i n t r o d u c e sh a r d w a r ed e s i g no fp e r i p h e r a lc i r c u i t ss u c ha sa n a l o gs i g n a ls a m p l i n g c i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nc i r c u i tr s 2 3 2 ，h u m a n c o m p u t e r i n t e r f a c ec i r c u i te t c r e g u l a t o ra d o p t sd i g i t a lp i d c o n t r 0 1 t h i sp a p e ra l s og i v e sr e l a t e ds o f t w a r ed e s i g ni nm p l a bi n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t b e s i d e s ，i ta l s oi n t r o d u c e sp r o g r a mf l o wo fe a c hm o d u l e i tm a i n l y c o n t a i n sm a i np r o g r a m ，p w mg e n e r a t i n gp r o g r a m ，a ds a m p l i n gp r o g r a m ，f a u l t h a n d l i n gp r o g r a m ，h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o np r o g r a me t c u p o nc o m p l e t i o no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n ，t h ep va r r a ye m u l a t o r h a sb e e na c h i e v e d i tc a np r o v i d eag o o de x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rt h es t u d yo fp v i i i s y s t e m s i v 山东大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：p va r r a ye m u l a t o r ；h a l f - b r i d g ed c d cc o n v e r t e r ；d s p i c 3 0 f 2 0 2 3 l 短路电流 k 开路电压 山东大学硕士学位论文 符号说明 ，。 最大功率点输出电流 圪 最大功率点输出电压 己 最大输出功率 耳 太阳能电池的填充因数 ，砷 光生电流 易 暗电流 吼 太阳能电池的外负载电阻 r ； 太阳能电池的串联电阻 r 曲 太阳能电池的旁路电阻 s光谱辐照度( 日照强度) ， 太阳能电池阵列串联电池数 ， 太阳能电池阵列并联电池数 d占空比 滤波电感 六 开关频率 ” 变压器原、副边匝比 c 滤波电容 正 c 滤波器的谐振频率 t 电感电流变化量l临界负载电流 嘶 系统截止频率 f 、f ，、f 2 调节器时间常数 圪峨 电压调节器最大输出值 c ， 低频滤波储能电容 ，7 转换效率 k ， 积分系数 k ， 比例系数 k d 微分系数 乃 积分时间常数 微分时间常数 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：墨生耋金日期：坦z 篁。 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件 和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位 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 印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：3 4 旌导师签名：监日期：旦左二一 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 能源是人类社会进步和经济发展的重要物质基础，随着一次能源的日益匮 乏，太阳能被看作是一种清洁而且无限量的新能源，既是目前急需的能源补充， 又是未来能源结构的基础，所以光伏发电技术越来越受到人们的重视。 1 1 目前世界能源概况及课题研究背景 1 1 1 能源与环保是可持续发展的重要内容 在2 0 世纪的世界能源结构中，人类所利用的能源主要是石油、天然气和煤 炭等一次能源，它们一直是人类赖以生存和发展的主要能源来源。经过人类数 千年，特别是近百年的消费，这些一次能源已被消费了相当比例。随着经济的发 展、人口的增加和社会生活水平的提高，未来世界能源消费量将持续增长，去年 以来，国际原油期货价格曾一度逼近1 5 0 美元每桶，长期来看原油价格会持续增 长，能源危机已逐渐展现在人类面前。 在2 1 世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查显示：石油可采量为3 9 年，天然气可采量为6 1 年，煤炭可采量为2 2 7 年n 1 。中国的能源资源储量情况 更是危机逼人，按2 0 0 0 年底的统计，探明经济可开发能源总储量约占世界总量 的1 0 1 。除太阳能外，中国各种一次能源资源均低于世界平均水平。数据中我 们可以看出无论在全球还是在中国一次能源资源的可采储量已经非常有限。寻求 新思路，开发新能源已经成了全球解决能源问题的重中之中睛1 ，而太阳能将是目 前大量应用的化石能源的重要替代能源之一。最近几年特别是近两年来我们国家 也出台了大量扶持新能源发展的政策，这些政策的出台必将大大促进我国以太阳 能为代表的新能源的发展进程。 大量消费一次能源所带来的另一个重要问题就是环保问题，环境污染、生 态的破坏将直接威胁着人类的生存，这也促使各国在不断调整能源结构，竞相追 求更加洁净环保的新能源，走可持续发展之路。 山东大学硕士学位论文 1 1 2 太阳能是我国可利用的最重要的新能源之一 之所以把太阳能作为目前乃至未来重要的新能源之一，太阳能自然有它的 优势。 首先太阳能资源丰富。太阳光在地球表面垂直辐照时，a m 0 = 1 0 7 0 w m 2 。太阳 能可以不分地域的辐射到地球的每一个角落。在中国，太阳能资源较好的地区占 国土面积2 3 以上，主要集中在西部地区，尤其是西北和青藏高原，年平均日照 时间在2 2 0 0 小时以上。中国陆地每年接受的太阳辐射量约合2 4 0 0 0 亿吨标准煤， 可见，我国的太阳能开发潜力是相当巨大的h 1 。 从环境角度来看，一次能源的大量开发和利用，是造成大气和其他类型环 境污染与生态破坏的主要原因之一。如何在开发和使用能源的同时，保护好人类 赖以生存的地球环境与生态已经成为一个全球性的重要问题。太阳能可以直接利 用，基本上没有污染物排放，清洁干净。目前各种发电方式的碳排放率比较如图 1 - 1 所示。 图卜1 各种发电方式的碳排放率比较 从图中可见，以太阳能为代表的新能源和可再生能源是保护人类赖以生存 的地球生态环境的清洁能源，它将逐渐减少和替代一次能源的使用，它的广泛应 用是保护生态环境、走经济社会可持续发展的必经之路。 1 2 太阳能光伏发电及我国发展现状 太阳能光伏发电的核心器件是太阳能电池。从1 8 3 9 年法国科学家 e b e c q u e r e l 发现液体的光生伏特效应( 简称光伏效应) 算起，太阳能电池已经 2 山东大学硕士学位论文 皇曼曼舅皇曼曼l m 一_ ! m n n _- 曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼蔓 经历了1 7 0 年的发展历史。太阳能的转换利用方式有光一热转换、光一电转换和光 一化学转换等三种方式。利用光伏效应原理制成的太阳能电池，将太阳的光能直 接转换成电能加以利用，完成光一电转换，即光伏发电。光伏发电是将太阳光的 光能直接转换为电能的一种发电形式。 通过太阳能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。地面太阳能光伏发电系统的运行方式，主要可分为离网运行和联网运行两 大类。未与公共电网联接的太阳能光伏发电系统称为离网太阳能光伏发电系统， 反之，与公共电网联接的太阳能光伏发电系统称为联网太阳能光伏发电系统。联 网太阳能光伏发电系统是当今世界太阳能光伏发电技术发展的主流趋势。 我国于1 9 5 8 年开始研究太阳能电池，1 9 7 1 年成功地首次应用于东方红二号 卫星上。1 9 7 3 年开始将太阳能电池用于地面。我国光伏工业在8 0 年代以前尚处 于雏形，太阳能电池的年产量一直徘徊在1 0 七。以下，价格也很昂贵，所以市 场的发展受到很大限制，主要应用在通信领域。在1 9 8 1 1 9 9 0 年期间，中国的太 阳能电池工业得到了巩固并在许多应用领域建立了示范工程。2 0 世纪9 0 年代初 期，中国主要的光电市场仍然是通信领域，包括微波中继站、卫星通信地面站、 程控电话交换机等。截止到2 0 0 0 年，我国太阳能光电系统应用主要以特殊应用 领域和边远地区为主，其中光伏发电技术在中国偏远无电地区( 特别是西部) 应 用迅速推广。2 0 0 0 年以来，国内已开始成功建造l o o k w 级的光伏并网示范系统。 2 0 0 4 年，在深圳建造了一个1 0 0 0 k w 的光伏发电站示范工程。我国的光伏发电 产业正面临着一个大的发展，国家发改委在能源战略开发规划中提出：到2 0 2 0 年太阳能光伏发电装机容量达到1 0 1 0 5 k w 。 从总体上来讲，与发达国家相比，我国的光伏发电技术及其产业还有很大 差距，主要存在以下几方面的问题：1 硅材料紧缺2 生产规模小，产业链不完 整3 技术水平低4 专用材料国产化程度不高5 标准规范还不够健全等。 1 3 太阳能电池阵列模拟器 太阳能电池阵列模拟器是鉴于目前研究人员在对光伏系统研究中对太阳能 山东大学硕士学位论文 i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i - i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i 电池的频繁应用而提出的。它是利用实际电路来复现真实太阳能电池阵列输出特 性的非线性模拟电源，该电源无论是静态工作特性还是动态工作特性都与实际的 太阳能电池相一致，以达到替代其进行实验的目的。现有太阳能电池阵列模拟器 主要分为模拟式和数字式两种。 1 3 1 模拟式太阳能电池阵列模拟器 模拟式太阳能电池阵列模拟器主要由样品太阳能电池、可控光源、温控设备 和电流放大装置构成，它利用可控的白炽灯模拟太阳光强的变化，样品电池的输 出电压和电流随模拟光强的变化而变化，经放大后驱动功率器件，使其输出跟随 样品太阳能电池的输出特性变化砸3 。 模拟式太阳能电池阵列模拟器虽然可以不受环境和时间因素的制约，但是存 在以下几点不足： 样品太阳能电池在白炽灯光源的照射下，模拟器机箱内小范围的“环境温 度及样品电池p - n 结的结温变化比较强烈，这导致模拟器所处的实际环境与事 先所设定环境产生了较大差异，致使太阳能电池阵列模拟器的输出特性发生变 化，进而工作点产生漂移n 3 ； 白炽灯的光谱特性、入射角度等方面难以与实际的太阳光相一致； 在更换太阳能电池时，不同厂家甚至是同一厂家生产的同一型号的电池也 会因工艺或者其他因素只是太阳能电池的参数有所差异： 功率过小。 1 3 2 数字式太阳能电池阵列模拟器 数字式太阳能电池阵列模拟器是将电力电子技术与控制技术相结合，可以复 现不同光照强度和环境温度下不同功率的太阳能电池的开关电源，是太阳能光伏 系统良好的实验电源，为光伏系统的研究人员及光伏系统的生产厂家提供了系统 优化配置的有效手段。本文研究的就是该类模拟器。 4 山东大学硕士学位论文 1 4 选题的意义及论文内容安排 1 4 1 选题的意义 在基于光伏系统的电力电子装置及其控制系统的开发中，如果以真实的太阳 能电池作为实验系统的组成部分，系统的开发实验将受到自然条件的极大限制。 因为光伏系统在不同的光照强度、环境温度等情况下工作特性差异会很大，而现 实中不同的地理位置、气候条件、时间等这些影响条件是人为无法控制的，所以 采用真实的太阳能电池来进行实验开发，不仅成本很高，更会由于光照和温度的 不确定性，很难获得所需要的实验数据，而且开发周期将会很大延长。如果实验 中需要不同容量、不同电压等级的太阳能电池阵列，还必须改变阵列的连接方式， 既不方便，又不经济。从以上可看出，真实的太阳能电池用于研究开发有诸多不 利条件。 太阳能电池阵列模拟器可以模拟在任何光照及温度下，任意组合的太阳能电 池阵列的特性、负载能力与系统的性能，实现“全天候 正常工作的能力，为实 验开发创造了有利条件。总之，太阳能电池阵列模拟系统可以大大缩短光伏系统 的研发周期，降低开发成本，提高研究效率和研究结果的可信性，成为实验室重 要的研发工具。 1 4 2 本文内容安排 第一章作为全文的概述，主要介绍了当今世界能源现状以及光伏发电现状， 并对太阳能电池阵列模拟器作了简要的介绍。 第二章首先总结了太阳能电池阵列模拟器的工作原理及其系统结构。然后介 绍了太阳能电池的工作原理及其等效电路，分析其输出特性并探讨了太阳能电池 阵列的数学模型及其几种工程计算方法，。 第三章分析对比了各种d c d c 变换电路，选择了半桥型d c d c 变换电路作为 本文的主电路拓扑，详细分析了半桥型d c d c 变换电路的工作过程。然后给出了 主电路各参数的设计与器件的选择。 第四章介绍了几种常用的调节器控制方法，本文选择了峰值电流控制，采用 山东大学硕士学位论文 了电压电流双闭环控制系统，并对调节器进行了设计。然后利用p s i m 仿真软件 对所设计的太阳能电池阵列模拟器进行了仿真，并对仿真结果进行了分析。 第五章简要介绍了d s p i c 3 0 f 2 0 2 3 的基本性能，对整个太阳能电池阵列模拟 器进行了硬件设计，包括主电路和控制电路设计。然后给出了系统的软件设计， 并对数字p i d 控制在本文中的应用进行了研究。 第六章对全文工作进行总结，指出论文存在的不足，并对今后的工作和努力 方向作了展望。 6 山东大学硕士学位论文 第二章太阳能电池阵列的数学建模 2 1 太阳能电池阵列模拟器的工作原理及其系统结构 2 1 1 工作原理 本文设计的数字式太阳能电池阵列模拟器的工作原理如下： 工频交流电经过变压器调节使输入电压能够满足需求，然后整流、滤波成为 直流电，再经过半桥型d c d c 变换器，滤波后向负载供电。首先获取太阳能电池 阵列数学模型所需要的基本参数，并存到微控制芯片的存储器内，实际上即得到 标准条件下的输出特性曲线，再通过上位机将太阳能电池阵列的串并联数、日照 强度和环境温度等参数输入，根据已有的太阳能电池数学物理模型，得到所需要 的任意条件下太阳能电池参考曲线。然后通过检测负载电流的大小，实时计算太 阳能电池阵列的端电压，并作为电压调节器的参考值，进而调节p 1 】i m 信号，从而 改变系统的输出。然后继续采样、比较，直到模拟器的输出稳定于太阳能电池阵 列输出参考曲线上该负载对应的工作点，从而实现太阳能电池阵列的模拟输出。 2 1 2 系统结构 图2 - 1 太阳能电池阵列模拟器原理框图 图2 - 1 所示的为太阳能电池阵列模拟器的整个系统结构。模拟器主要有两大 部分组成：主控单元及受控p 1 】i m 电压源。主控单元以d s p i c 3 0 f 2 0 2 3 为核心，主 要负责电流电压检测、实时计算太阳能电池阵列输出特性曲线、提供p 1 | l m 控制信 号、实现人机交换以及实现系统的部分保护。受控p w m 电压源主电路选择半桥型 7 山东大学硕士学位论文 d c d c 电路作为主电路，采用p 1 | i m 脉宽调制技术，利用开关管的导通与关断，把 直流电压变成电压脉冲序列，然后经过滤波电路，得到直流电压。通过控制脉冲 宽度，可以控制得到所需要的输出电压。 2 2 太阳能电池 2 2 - 1 太阳能电池简介 太阳能电池单体是用于光电转换的最小单元，它的尺寸一般为2 c m x 2 c m - - - 1 5 c m x1 5 c m 。通常太阳能单体的工作电压范围约为0 4 5 - - 0 5 v ，工作电流范围 约为2 0 - - - 2 5 m a c m 2 ，一般不能单独作为电源使用。为满足实际应用的需要，须将 太阳能电池单体串、并联并封装后，成为太阳能电池组件，便成为可以单独作为 电源使用的最小单元。把多个组件在经过串、并联并装在支架上，就构成了太阳 能电池阵列方阵，称为太阳能电池阵列或者光伏阵列，可以满足负载要求的输出 功率( 见图2 - 2 ) 。 电池单片电池组件 匾垂 匿垂 匮夔 蕉厦 电池阵列 图2 - 2 太阳能电池单体、组件和阵列 2 2 2 太阳能电池的工作原理 太阳能电池是以半导体p - n 结上接受太阳光照产生光生伏打效应为基础，直 接将光能转化成电能的能量转换器n 1 。其基本工作原理是：当太阳光照射到半导 体表面，半导体内部n 区和p 区中原子的价电子受到太阳光子的冲击，通过光辐 射获取到超过禁带宽度e 暑的能量，脱离共价键的束缚从价带激发到导带，由此 在半导体材料内部产生出很多处于非平衡状态的电子一空穴对。这些被光激发的 8 山东大学硕士学位论文 电子和空穴，或自由碰撞，或在半导体中符合恢复到平衡状态。其中复合过程对 外不呈现导电作用，属于太阳能电池能量自动损耗部分。而另一部分通过p n 结对少数载流子的牵引作用而漂移到对方区域，对外形成与p - n 结势垒电场方向 相反的光生电场。一旦接通外电路，即可有电能输出。原理图如图2 3 所示。 图2 - 3 晶体硅太阳能电池工作原理图 2 2 3 太阳能电池的输出特性 太阳能电池的输出特性曲线通常指的是在一定日照强度和环境温度条件下 太阳能电池的输出电压一电流关系曲线，简称伏安特性曲线，即i v 特性曲线( 图 2 4 为某晶体硅电池的i v 特性曲线) n 儿矧。太阳能电池的，一y 特性曲线包含 了其绝大多数技术特性，是研究太阳能电池最重要的技术指标，本论文就是在此 基础上进行研究的。图2 - 4 中，伏安特性曲线与电流轴的交点，。为输出端短路 时的输出电流，圪为输出端开路时的输出电压，开路电压与日照强度和环境温 度有关，与电池面积的大小无关。通过曲线我们可以看到，太阳能电池的输出电 流和输出电压均与太阳辐照的通量密度成正比的关系。也就是说，不同的日照强 度条件下可得到不同的特性曲线。太阳能电池输出曲线与电流轴的交点为短路电 流，。，与电压轴的交点为开路电压。 9 山东大学硕士学位论文 i i i i 宣i i i i i i i 宣宣i i i 宣i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 宣i i i i i i i i i i i v m v o c 输出电压v 图2 4 某晶体硅太阳能电池的p v 特性和i - v 特性曲线 除了，一y 特性曲线之外，尸一矿曲线也是研究太阳能电池的重要曲线，它是 根据，一y 特性曲线绘制的( 如图2 - 4 ) 。i v 特性曲线上任意点可以看作太阳 能电池的工作点，而每个工作点对应不同的输出功率，有了这条曲线，更有助于 精确计算最大功率点。图中m 点为最大功率点，也叫最佳工作点，此点对应的电 流值为最佳输出电流，。，对应的电压值为最佳输出电压吃，太阳能电池工作在 此状态下其输出的功率为最大功率匕，它可由下式得出。 己= i 。圪= 耳l 。 ( 2 1 ) 式中，凡表示太阳能电池的填充因数或称为曲线因数，它是表征太阳能电 池性能优劣的一个重要参数。 2 2 4 日照和温度对太阳能电池输出特性的影响 太阳能光伏电池的光照特性指的是太阳能电池的电气性能与日照强度之间 的关系。其中，开路电压吃随同照强度的升高呈对数比例增加，短路电流，。与 日照强度呈正比。图2 5 列出了某晶体硅电池分别在日照强度为5 0 0 w m 2 , 8 0 0 w m 2 和1 0 0 0 w m 2 三种条件下的i v 特性曲线。图2 6 中分别列出了某晶体硅型电池 开路电压、短路电流与入射日照强度之间的变化曲线。 l o o o o o o o 塔脚田鼻 山东大学硕士学位论文 瘟 脚 丑 解 图2 - 5 某晶体硅电池在不同日照强度下的i v 特性曲线 f im 副i t s m w m 2 m 强 t m w l m 2 图2 - 6 某晶体硅电池的开路电压和短路电流与日照强度的关系曲线 太阳能电池的温度特性指的是，太阳能电池工作环境温度和电池吸收光子 后使自身温度升高对电池性能的影响。短路电流，。呈现正的温度系数，但它随 温度的变化率很小。开路电压吃与温度成近似线形关系，且呈现负温度系数， 温度每升高i 。c ，吃下降2 m v 左右。硅型太阳能电池正常使用的环境温度一般 在一6 5 + 1 2 5 之间。 2 3 太阳能电池阵列的数学物理模型 因为太阳能电池的输出特性是非线性的，所以选取合适的数学模型非常重 要。本文选取了一种在模拟器的设计中比较容易实现的数学物理模型。 山东大学硕士学位论文 2 3 1 太阳能电池单体的等效电路 太阳能电池单体等效电路的理想形式( a ) 和实际形式n 门( b ) 分别如图2 7 所示。 r 厶9 s 土v r v ，一i l 埔0 图2 7 太阳能电池单体的等效电路 其中，i 朋为光生电流。i 砷值正比于太阳能电池的面积和入射光的辐照度。 l 为暗电流。无光照下的硅型太阳能电池的基本行为特性就类似于一个普通二 极管。所谓暗电流指的是太阳能电池在无光照时，由外电压作用下p - n 结内流过 的单向电流。它的大小反映出在当前环境下，太阳能电池p - n 结自身所能产生的 总扩散电流的变换情况。l 为太阳能电池输出的负载电流。比为电池的开路电 压。心为电池的外负载电阻。r ，为串联电阻，一般小于1q 。它主要由太阳能 电池的体电阻、表面电阻、电极导体电阻、电极与硅表面间接触电阻和金属导体 电阻等组成。r 曲为旁路电阻，一般为几千欧姆。它主要是由电池表面污浊和半 导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的p n 结漏泄电阻和电池边缘的漏泄电阻等 组成。 r 。和r 曲均为硅型太阳能电池本身固有电阻，相当于太阳能电池的内阻。由 于串联的r ；很小，并联的r 曲很大，所以在进行理想电路计算时，它们都可忽略 不计。 2 3 2 太阳能电池的数学模型 暗电流，d 为通过p - n 结的总扩散电流，其方向与，砷相反，其大小则与太阳 1 2 山东大学硕士学位论文 能电池的电动势和温度r 等有关，具体关系式如下： 业 j d = 1 0 0 0 m r 1 ) ( 2 2 ) 式中，d 。为太阳能电池内部等效二极管的p - n 结反向饱和电流，它与该电池 材料自身性能有关，反映了太阳能电池对光生载流子最大的复合能力，一般为常 数。g 为电子电荷，1 6 1 0 1 9 c 。k 为波尔兹曼常量，0 8 6 1 0 一e v k 。彳为p - n 结的曲线常数。丁为电池绝对温度。 图2 - 7 ( b ) 所示的太阳能电池实际模型又叫做太阳能电池的单二极管等效 电路模型，根据这种模型得到的，一y 特性曲线方程为： ：，曲一，。-1：，如差一1)一盥,hil-ido(2-3) = ，砷一，。 = ， ( p 一7 一1 ) 一二亏乏 竺 忽略r ，和尺曲对电路产生的影响，可以认为，曲= ，。根据太阳能电池的理 想化等效电路模型，可以得到其理想的，一矿特性曲线方程： 业 t = 1 。一j d = l 一，伪( p 肌7 一1 ) ( 2 4 ) 虽然理想太阳能电池的，一y 特性曲线方程忽略了尺，和尺曲对电路产生的影 响，但它在本质上仍然能够表达日照强度与温度等参与输出各参数之间的关系， 可以作为太阳能电池阵列模拟器的理论依据。本文选取了此曲线方程作为理论依 据。 曲线方程2 - 4 相比于实际模型已经进行了简化，但在实际应用中，方程中的 参数，卵、j d 。、y 、彳与日照强度和电池温度甚至制作工艺都有关，确定比较困 难，而要对数字式太阳能电池阵列模拟器进行研究与设计，必须要提供太阳能阵 列在各种工作条件下的特性曲线数据，通过这个方程很难得到这些数据，所以此 曲线方程不能直接应用到工程上。 2 3 3 太阳能电池特性曲线数据的工程计算方法 实现对太阳能电池特性的模拟主要有两种方法：计算法和查表法。计算法是 通过建立基于太阳能电池物理特性的数学模型，然后对控制指令采用实时计算的 山东大学硕士学位论文 i i 方法来获取所需要的数据的一种方法，这种方法误差较小，但要求控制芯片运算 速度快，实时处理能力强。查表法是通过事先得到太阳能电池i v 特性曲线的 离散数据，形成数据表，在控制中根据控制指令直接到数据表查找数据的一种方 法，这种方法方便、处理速度快，不足之处是因为要离散化，所以误差可能稍大， 而且数据表会占用大量的存储空间。 方法一：计算法 在实际中，太阳能电池厂家只提供有限的产品参数，这些参数一般都是在标 准条件( 光谱辐照度s 一：1 0 0 0 w m 2 ；光谱：a m l 5 ；电池温度：2 5 c ) - f ；! 贝t 试出来的。这些基本参数一般包括： 短路电流i , c ； 开路电压吃； 最大功率点输出电流，。、输出电压圪及最大输出功率巴。 在设计中就是利用以上参数得到工程中可以利用的数学物理模型。 首先对太阳能电池单体进行分析，方程2 4 可转化为下面的形式： 1 4 矿 ，= ，卵 1 一c l ( p c 2 一1 ) 】 ( 2 5 ) v 于e q v o , 1 ，方程可简化为： v ，= u l c l e q 下面求解方程的待定系数c 。、c 2 。 在最大功率点时，= ，。，v = 圪，代入方程2 - 6 得： 上上 ，册= u l c l e q 】 解得： ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 山东大学硕士学位论文 c i = ( 1 - j 三) e 丧 浯8 ， 在开路状态下，。= 0 ，v = 吃，代入方程2 - 6 得 o = i 卵 1 - - ( 1 - - r i m ) 上c 2 v o c p 丧】 ”争等= ， ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 经过上面的分析计算便确定了待定系数c 。、c 2 ，也就确定了标准条件下的 太阳能电池单体的，一y 特性曲线。后面所介绍的对控制指令的处理方法均是在 此特性曲线的基础上建立的。 由于太阳能电池组件与太阳能电池单体具有类似的特性，因此上面推导的太 阳能单体的i v 特性曲线同样适用于太阳能电池组件。只要有了太阳能电池组 件标准条件下的，j c 、。、吒等参数，同样可以得到其，一v 特性曲线。 获取到太阳能电池标准条件下的，一y 特性曲线后，再根据输出特性与只照 强度和电池温度之间的关系确定一般条件下的，一y 输出特性曲线，可采用以下 几种方法解决此问题： ( 1 ) 先利用标准条件下l 、，_ 、圪推算出一般条件下的t 、吃、c 、 吒，再根据方程2 6 可算出新的系数c 。、c ：，, 臣l j , - j 得到一般条件下的，一矿输 出特性曲线数学模型盯1 3 埔1 。 具体计算如下： r = r z 可 ( 2 1 2 ) o 生乞 一 九：， n一 圪一 锨 严 觯 g 山东大学硕士学位论文 吃= 吃( 1 - y a t ) l n ( e + 卢心) l 寺( 1 + a a t ) 吒= 匕( 1 + 7 a t ) l n ( e + ，a s ) ( 2 - 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 推算过程中假定i v 特性曲线基本形状不变，则a 、卢、y 的典型值为： a = 0 0 0 2 5 o c 卢= 0 5 1 f = 0 0 0 2 8 8 | o c 将计算得到的新参数，代入方程2 8 和方程2 1 1 ，解出c 。、c 2 ，便得到了 新条件下的，一y 特性曲线数学模型。 ( 2 ) 保持系数c 。、g 不变，根据日照强度和电池温度的变化量得到输出电 压和电流的变化量，以此确定其一般条件下的数学模型。基本数学模型仍然采用 方程2 - 6 ，则新数学模型为n 耵n 钔： y a v ，= i s c 【l c l eq 】+ ( 2 1 8 ) 醚= 面a s + 盛i s ： s 。f 8 a v = 一9 龌一rs a ( 2 - 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) 系数a 是参考日照条件下电流变化温度系数；系数卢是参考日照条件下电压 变化温度系数，足为太阳能电池串联内阻，参数丁、a s 同方法( 1 ) 中。 1 6 ( 3 ) 曲线拟合的方法。这种方法首先就是要得到标准条件下太阳能电池 一 s 一叼 峙 丛 l 山东大学硕士学位论文 ，一矿特性曲线，实际应用中可以根据太阳能电池的开路电压、短路电流和最大 功率点的电压电流数据，用m a t l a b 对特性曲线进行仿真，利用仿真图形对太阳 能电池特性曲线进行拟合，因为太阳能电池特性曲线具有很强的非线性，所以采 用分段拟合n 6 1 n7 j 。 根据太阳能电池特性曲线的特点，在分段时，通过对拟合效果的比较，分段 点采用近似取半的方法进行选择可以得到较好的拟合效果，整条曲线可以分为四 段进行拟合。具体分法为：第一段拟合曲线长度近似为整条特性曲线长度的一半， 即图中a - b 段，第二段拟合曲线长度近似为剩余特性曲线长度的一半，即图中 b _ c 段，以此类推取第三、四段。从拟合精度和拟合曲线对控制芯片的实时运算 能力的要求考虑，拟合曲线时采用一次多项式和二次多项式相结合的办法。 在第一段( a - b 段) ，近似为直线，以短路电流点a ( u o ，i 。) 和b ( u 。，i 。) 作为两个端点进行线性拟合，利用数值计算公式可得到一次拟合方程： 地) ：堕如+ 竺旦f 。 n o u i材l 一“o ( 2 2 1 ) 第二段( b - c 段) 和第四段( d e 段) 均可以采用线性拟合。 至于第四段( c - d 段) ，基本上都处在高度的非线性区，可采用二次多项式 拟合的办法。除了c ( u ：，i ：) 和d ( u 。，i3 ) 两个端点外，再选取拟合段中的最 大功率点m ( u ，i ) 作为第三点，这样利用数值计算公式就可以得到二次多项 式拟合方程： c“，=i塞蔫，：+毛塞揣如+ij鬻(2-22)um u 、7 ( “2 一“3 ) ( 甜2 一) ( 材3 一材2 ) ( 甜3 一，) ( “。一“2 ) ( “肘一“3 ) ” 这样就得到了整个太阳能电池特性曲线的拟合方程。从获取方程的过程可以 看出，这种方法较上面的两种方法误差要相对较大。 方法二：查表法 查表法是一种传统的数据处理的方法，这种方法实现起来比较简单，可以应 用在太阳能电池特性曲线的模拟上n 们啪3 。 首先得到太阳能电池特性曲线上几个特征点的数值，比如短路电流点，开路 电压点，最大功率点等，然后用m a t l a b 进行编程。可以采用三次样条差值或者 立方插值等插值方法n 2 1 进行处理，将整条曲线进行离散化，根据对精度的要求， 1 7 山东大学硕士学位论文 确定离散点的数量，之后，按照约定好的数据格式和数据表格式将离散化的数据 予以存储，以方便在仿真和硬件电路中的使用。 本文选取了计算法中的方法( 1 ) 对太阳能电池阵列模拟器进行了设计。 2 3 4 太阳能电池阵列的数学模型 前面已经介绍了太阳能电池单体的电路模型，在光伏发电系统设计时，通 常是根据最终负载电压和电流的需要，确定串联和并联太阳能电池组合板的数量 和组合形式。 若干个电池板并联的组合体称之为分组件，其特点是输出电流等于电池板 的输出电流之和；若干个电池板串联的组合称之为电池串，其特点是输出电压等 于各电池板的输出电压之和；而各种组合体，乃至最终组合成的太阳能电池阵列， 不论串、并联的形式如何，总功率均等于各电池板功率之和。将这些特点引入上 面分析的数学模型，再对实际情况加以简化m ，具体如下： 忽略太阳能电池的分布效应； 忽略日照不均匀产生的温度梯度； 忽略阴影遮挡部分组件或单片电池引起的输入太阳能减少及内部损耗增 大； 忽略部分电池被遮挡导致串联电池在恒流条件下较低电压( 即被遮挡部 分) 对输出电压的限制。 这样，即可得出太阳能电池阵列的数学模型。此时太阳能阵列的输出将满 足： i - - n 。v c e ， 弋i i 严np l c e i l ( 2 2 3 ) i - p a l l = m p 其中，、分别为单个太阳能电池的输出电压、电流及功率；，、 。分别为太阳能电池阵列中串联和并联的电池个数；u 训、i 甜、厶分别为整 个太阳能电池阵列的输出电压、电流及功率。 图2 8 是一个4 个太阳能电池单体串联成一组、4 组并联的太阳能电池阵列 1 8 山东大学硕士学位论文 输出电路模型。 图2 - 8 太刚能电池阵列输出电路模型 在实际中，我们得到的参数，。、比、，、圪一般是太阳能电池组件的参 数，由于太阳能电池组件具有与太阳能电池单体类似的特性，所以太阳能电池单 体的数学模型同样可以适用于太阳能电池组件碡3 ，这样就很容易得到太阳能电池 组件的数学模型。太阳能电池阵列是经过太阳能电池组件串并联构成的，所以同 样可以利用关系式2 2 3 得到太阳能电池阵列的数学模型。 1 9 山东大学硕士学位论文 第三章太阳能电池阵列模拟器主电路的选取与设计 太阳能电池阵列模拟器的设计主要包括主电路和控制电路，本章主要介绍 主电路的选择与设计。模拟器本质上就是一种开关电源，这种开关电源与普通开 关电源的不同之处就是其输出特性必须与太阳能电池阵列的输出特性一致，但在 主电路的选取上是基本一致的。d c d c 变换器是开关电源的主要组成部分啪1 ，通 过高频d c d c 变换以实现直流电压的变换，所以本课题选择d c d c 变换器作为主 电路拓扑。下面分析比较几种常用的d c d c 变换器电路拓扑。 3 1d c d c 变换器常用电路拓扑 d c d c 变换器可分为非隔离型和隔离型d c d c 变换器汹儿别啪1 。 3 1 1 非隔离型吣佻变换器 1 b u c k 变换器 + 玎三 u 1 助c 棒 l j 2 图3 1b u c k 燹换器主电路 b u c kd c d c 变换器如图3 - 1 所示，它由功率开关管玎、储能电感三和续流 二极管v d 组成，是一种单管、非隔离式降压型d c d c 变换器。变换器输入、输 出电压关系为： 圪= d 杉，d 为占空比，d = 瓦i 青_ o f f 。 b u c k 变换器的主要优点： 电路简单，调整方便，损耗低，可靠性高； 对晶体管及续流二极管耐压的要求低，只要求等于或大于最高输入电压 即可； 2 l 山东大学硕士学位论文 电源带负载能力强，电压调整率好。 缺点是输入输出没有隔离，一旦功率管被击穿而短路时，负载电压便升高 到输入电