（电力电子与电力传动专业论文）智能控制光伏并网发电系统研究.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ef o u n d a t i o no fn a t i o n a l e c o n o m y , e n e r g y sa r ei m p o r t a n t f o rt h e d e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m ya n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d s w i t hl i t t l er e s o u r c g sc o n s u m p t i o n ，n e wa n dr e n e w a b l ee n e r g i e sa r eo fb o t hu r g e n t l y c o m p l e m e n t a r ye n e r g i e sr e c e n t l ya n dt h em a i ne n e r g i e si nt h ef u t u r e t h ee x p l o i t a t i o n o f n e wa n dr e n e w a b l ee n e r g i e sh a sb e c o m i n gt h ei m p o r t a n tm e a s u r e m e n to fs u s t a i n e d e n e r g ys t r a t a g e m a sar e n e w a b l ee n e r g yr e s o u r c , e ，s o l a rh a si t sm e r i t ss u c hi l l sw i d e l y r e g i o n r e s o u r c e f u la n dc l e a n l yw i t hn oh a r mt oe n v i r o n m e n t , s oi t sam a i na p p r o a c h t os o l v et h er e s o u r c ec r i s i s b u tt h ec u r r e n tp h o t o v o l t a i cs y s t e mh a ss o m es h o r t a g e , s u c ha sl o we n e r g yt r a n s f e re f f i c i e n c ya n db i gs y s t e ms i z e w h i c hl i m i t e di t sf u r t h e r d e v e l o p m e n t b a s e do nc o m p a r i s o na n da n a l y s i so f d i f f e r e n tt y p e so f m p p t c h a r g i n gc o n t r o l l e r m a i nc i r c u i tt o p o l o g i e sa p p l i e di n s o l a re n e r g yp o w e rs y s t e m ，c u kt y p ed c - d c c o n v e r t e rh a sb e e nc h o s e na sm p p tc h a r g i n gc o n t r o l l e rm a i nc i r c u i tw h i c hr e a l i z e s f u n c t i o n sb o t ha sal e a d a c i db a t t e r yc h a r g i n gc o n t r o l l e ra n da sam p p tc o n 打o l l e r a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ，o u t p u tp o w e ro fp h o t o v o l t a i ca r r a yh a sb e e n f u l l yu t i l i z e d ，t h et i m eo fo v e r c h a r g i n gh a sb e e ns h o r t e ng r e a t l y , c h a r g i n ge f f i c i e n c y h a sb e e na l s oi m p m v e da n db a t t e r yl i f e t i m eh a sb e e np r o l o n g c dd u et oh i g h e r - l e v e l s t a t eo fc h a r g eo p e r a t i o n i na d d i t i o n , c o m p a r e dw i t hv o l t a g er e g u l a t i o nc o n t r o l s t r a t e ：g y , i tc a nb ee f f e c t i v e l yu s e di nal a r g eb a t t e r ys t r i n g s b a s e do nr e s e a r c ho nt h et r a d i t i o n a ls t a n d - a l o n ep h o t o v o l t a i cp o w e rs y s t e m ， h i g h f r e q u e n c yl o o pi sa d d e dt ot h i ss y s t e m w h i c hu s e sh i g hf r e q u e n c yc o n v e r s i o n a n dm a k e st h es y s t e mh a sa d v a n t a g e so fs m a l lv o l u m e ，l o wc o s t ，e t c i na d d i t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i ca n dm o d e lo fi m m i t t a n c ec o n v e r t e rh a sb e e n d i s c u s s e dd e e p l yb yu s i n gt h et w o - p o r tn e t w o r ka n a l y s i s b a s e do ni m m i t t a n c e c o n v e r t e ra n dp h o t o v o l t a i c 霉一d - c o n n e c t e di n v e r t e rs y s t e m ，c u r r e n ts o u r c ep v g r i d - c o n n e c t e dt e c h n i q u ei sr e a l i z e dw i t l ll o wh a r m o n i c s h i g hp o w e rf a c t o ra n d s i m p l ec o n t r o lm e t h o d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lc u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r , t h en o v e l i n v e r t e rh a sa d v a n t a g e so fs m a l lv o l u m e , h i g he f f i c i e n c ya n da n t i i n f l u e n c e sc a u s e d b y 鲥d ，e t c f u r t h e r m o r e , s i n - w a v ec u r r e n tg r i d c o n n e c t e dt e c h n i q u ec a na l s ob e r e a l i z e dw i t h o u ta n yf e e d b a c kc o n t r o la n de v e ni nt h ec a s eo fp o w e rn e t w o r k d e f o r m a t i o n k e y w o r d s ：l e a d - a c i db a t t e r y , m p p t , p h o t o v o l t a i cg r i d - c o n n e c t e dp o w e r g e n e r a t i o n ，i m m i t t a n c ec o n v e r t e r , c o n s t a n tc u r r e n tg r i d - c o n n e c t e d i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谓 的地方外，论文中不包含其他人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 光伏发电系统发展 自然界中的能源以多种形式存在，比如生物能、矿物能、太阳能、风能、地 热能、水力能、海洋能等。日益剧增的化石能源的大量耗用，使人类生存的生态 环境遭到破坏，严重威胁着人类的安全和生存，尤其近年来在我国东部沿海地区 夏季出现电力供应紧张和拉电现象。仅依靠煤、石油、天然气和核能发电已面临 资源枯竭和环境污染的双重压力，已不能适应世界人口和经济持续发展的需要， 更无法解决当今世界2 0 亿无电人口( 世界银行统计) 的用电问题。人们迫切地 呼唤新能源，希望用洁净的可再生太阳能、风能等发电来取代煤电、油电、气电 和核电【n 。 从能源供应的诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展战略的理想绿色 能源。太阳能光伏发电( p h o t o v o l t a i c ，简称p v ) 体积小、重量轻、零排放、长寿 命、易运输、易安装、运行可靠、使用方便，被全球能源专家们认定为2 1 世纪 最重要的能源之一。另外，由于太阳能电池的原料一硅的储量十分丰富( 硅是地 球上储量第二大元素) ，所以随着太阳电池转换效率的不断提高，生产成本的不 断下降，太阳能光伏发电将在能源、环境和人类社会今后的发展中占有重要地位 【2 埘。 光伏发电系统有独立发电和并网发电两种工作方式。独立发电主要解决偏远 无电地区和特殊领域的供电问题，且以户用及村庄用的中小型系统居多。近年来， 随着光伏产业的发展，光伏发电逐步向城市并网发电、光伏建筑集成方向快速发 展。 但是，从目前使用情况及今后一段时期发展来看，由于光伏发电的设备成本 较高，大部分光伏发电不是应用在并网，而是作为独立的光伏电站使用。据悉， 光伏发电每千瓦装机成本是常规火电的1 0 倍以上，发电成本为常规发电的2 5 倍。如果没有得到政府的资助，并网发电是亏本的，因而其推广应用受到了影响。 对于无电的偏远地区，由于用户少且分散，架设公用电网路途遥远，初期投资与 上海大学硕士学位论文 运营成本较高。对于光伏电站发电而言，相对成本较低。由于光伏发电配置灵活 ( 电站容量可大可小) 、无污染、维护简单、不受距离限制、只要有阳光就有电等 优点，因而其在偏远地区作为户用电源和无人值守的通讯站、灯塔、航标、阴极 保护等的电源得到大量的应用，也是光伏发电市场增长的重要组成部分。目前， 我国正致力于西部大开发，中部和西部有着很大的用电市场。西部太阳能丰富， 充分开发应用光伏能源对于这些地区的经济发展和人民生活的提高具有重要意 义。 1 2 光伏发电系统的研究 1 2 1 光伏发电的主要技术问题 太阳能光伏发电是将太阳光辐射能直接转换为电能的新型发电技术。太阳光 辐射能经过光伏电池转换为电能，再经过能量存储、控制与保护、能量变换等环 节使之成为可供人们使用的直流或交流电。光伏发电系统研究的主要内容有：最 大功率跟踪( 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 ) 控制技术、并网技术、输出 电流谐波失真控制技术、高效率充电控制技术、光伏并网系统的保护及孤岛检测 与防御技术等。 ( 1 ) 基于d s p 的光伏发电系统逆变器控制技术 光伏电池阵列所发出的电能为幅值不稳定的直流电，但是大多数用电设备采 用的是幅值稳定的交流电，所以系统中需要有将不稳定直流电变换为稳定交流电 的逆变器，逆变器的拓扑结构和控制方法将直接影响到整个系统的效率，因此， 光伏系统逆变器的控制技术具有重要的研究意义。 在逆变器的设计中，通常采用模拟控制方法。然而，模拟控制系统中存在很 多缺陷，如元器件的老化及温漂效应、对电磁干扰较为敏感、使用的元器件数目 较多等。典型的模拟p w m 逆变器控制系统采用自然采样法将正弦调制波与三角 载波比较，从而控制触发脉冲。但三角波发生电路在高频( 2 0 k h z ) 时容易受温 度、器件性能等因素干扰，从而导致输出电压中出现直流偏移、谐波含量增加、 死区时间变化等不利影响。数字信号处理器( d s p ) 的发展使光伏发电系统中逆 上海大学硕士学位论文 变器的数字化控制成为可能。数字信号处理器大部分指令可在一个指令周期内完 成，因此可以实现较为复杂的先进控制算法，进一步改善输出波形的动态性能、 稳态性能，并且可以简化整个系统的设计，使系统具有良好的一致性【9 】。 ( 2 ) m p p t 控制技术 光伏发电目前存在光伏阵列发电效率低、系统造价成本高、发电效率受气候 环境因素影响大等缺尉1 0 j 。太阳能电池无论从价格方面还是发电效率方面都对光 伏系统提出了挑战。因此，为提高光伏发电效率，m p p t 控制技术用于光伏发电 系统亦属必然。对光伏发电系统而言，m p p t 控制技术的引入，能够最大效率地 利用来自光伏阵列的能量。 ( 3 ) 光伏发电系统并网控制技术 光伏并网发电系统用逆变器的主要技术经济指标有：( a ) 可靠性高，工作寿命 2 0 3 0 年；( b ) 效率高，l 5 k w 逆变器效率不小于9 0 ，1 0 k w 以上逆变器效率 不小于9 5 ；( c ) 输入直流电压为2 2 0 v ( 1 9 0 - - 2 5 0 v ) ，变化范围最大达到1 0 0 - - , 3 5 0 v ； ( d ) 输出的交流电与电网电压严格同步，频率为( 5 0 - j ：0 5 ) h z ，波形失真度小于5 ；( e ) 从空载到满载的反应时间小于1 s ；( f ) 要求质量轻、体积小、价格适当、 维修量小。 光伏并网发电系统并网控制的关键和难点在于如何维持光伏电池的最大功 率输出，以及如何综合考虑功率变换器的动态性能、系统干扰、输出波形失真、 并网电流和电网电压同步等问题。 ( 4 ) 光伏并网发电系统的保护和孤岛问题 光伏并网发电系统作为电力系统的一部分需要接入保护装置，一方面对光伏 发电系统保护，防止孤岛效应发生；另一方面需要安装继电保护装置，防止线路 事故或者功率失稳。 常用的并网保护功能有低电压保护、过电压保护、低频率保护、过频率保护、 过电流保护和孤岛保护等。“孤岛效应”是指分布式发电系统( 如光伏发电系统) 在电网失电的情况下继续向负载供电，使负载和分布式发电系统形成一子系统， 该子系统虽然与电网隔离，却有电能的产生、传输和消耗，成为电力系统中的“孤 岛”。分布式发电系统孤岛效应可分为长期独立运行与短期独立运行两种。长期 上海大学硕士学位论文 独立运行是指运行时间超过1 秒者，短期独立运行是指运行时间少过1 秒者。长 期独立运行会有安全上的问题：危及维护人员的生命安全；孤岛运行时因失 去市电作为同步信号，则电力变换器的输出电压和频率将可能偏离市电频率，从 而造成对用户设备的损坏；在市电恢复瞬间，由于该动作是随机的，并网发电 系统电流的相位与市电电压相位不一致，从而引起巨大的冲击电流，危及到设备 的安全；孤岛运行意味着电力系统脱离了电力公司的管理和监控，成为不可控 和高隐患的操作。为了解决这个问题，学术界已经提出了许多种方案( 如主动检 测法及被动检测法) ，然而当孤岛效应不是很明显时，现有的方法可能无法判断 出发电站与负载之间功率的失配，因此孤岛问题仍是一个未彻底解决的问题。 1 2 2 国内外研究现状 对于光伏发电系统控制技术，国外已有相当多的研究，而国内的研究相对落 后，但在近年来有长足的发展。 按照供电方式，通常可将光伏发电系统分为独立运行、并网运行和混合运行 三种形式。光伏并网发电系统又可分为住宅用并网发电系统和集中式并网光伏系 统( 电站) 两大类。后者由于成本较高，在国际上应用不多。而前者，特别是单 相含蓄电池储能装置的住宅用并网发电系统，由于具有结构灵活、可分散系统设 置、传送损失小、反应能力快、发电过程无环境污染等优点，备受青睐。上世纪 9 0 年代以来，国外发达国家侧重于发展“屋顶光伏并网系统”。他们认为，屋顶 光伏并网系统不单独占地，将光伏电池板安装在现成的屋顶上，非常适应太阳能 能量密度较低的特点，而且其灵活性和经济性都大大优于大型并网光伏电站，有 利于普及，有利于战备和能源安全，所以受到了各国的重视 5 , 1 2 - 1 3 】。 我国“八五”和“九五”期间就把“光伏屋顶并网发电系统”列入了“国家科技攻 关计划”， 在深圳和北京分别建成了l o o k w p ，1 7 k w p ，7 k w p 和5 k w p 的光伏屋 顶发电系统，并成功地实现了并网发电f 1 4 1 ，但其关键技术及设备仍主要来自进口。 因此，发展具有自我知识产权的相关技术，进而实现其产业化，已是刻不容缓的 事。 据资料统计，采用有效的拓扑结构可使发电效率提高一倍。于是，世界各国 4 上海大学硕士学位论文 掀起了发展光伏并网发电系统的研发高潮。目前，国外如美国、日本、德国、意 大利等发达国家的太阳能并网发电技术较为成烈4 司。1 9 9 9 年光伏组件生产达到 2 0 0 m w ，世界光伏发电总装机容量约1 0 0 0 m w 。在国内，合肥工业大学、南京 航空航天大学、清华大学、中国科学院、上海交通大学、广东工业大学、大连理 工大学、西北工业大学、上海电力学院等高校院所，对于光伏并网发电系统进行 了较多研究，探讨了太阳电池模型及最大功率点跟踪方法、并网逆变器中软件锁 相环的应用、对电网的无功功率补偿和谐波抑制、光伏并网发电系统的孤岛效应 与防止策略等【9 - 2 4 。 1 3 本课题来源及主要研究内容 本课题来源于上海市教委重点项目基金( 0 6 z z 0 3 ) 、上海市科委登山计划项 目基金( 0 6 d z l 2 2 1 1 ) 。本研究以最为普遍使用及优选的含阀控铅酸蓄电池( v r l a ) 的光伏发电系统为主要对象，以提高系统的性价比为目的，从光伏电池的特性分 析、蓄电池的充放电管理、m p p t 控制技术、光伏发电系统逆变器控制策略等方 面进行深入研究，所进行的工作主要有： ( 1 ) 收集了有关阀控铅酸蓄电池、m p p t 技术、光伏逆变系统等相关课题方 面的国内外资料，分析了国内外有关课题的研究现状和趋势； ( 2 ) 设计和制作了一套集i g b t 驱动、a d 采样、电压信号检测、电流信号 检测、过电压保护、过电流保护等多功能的智能控制光伏发电控制系统充电控制 器样机一台，在实现充电控制的同时实现光伏电池阵列输出最大功率点跟踪； ( 3 ) 建立了一套集i g b t 驱动、a d 采样、电压信号检测、电流信号检测等、 过电压保护、过电流保护等多功能的并网运行光伏发电控制系统实验平台，成功 实现电流源型并网； ( 4 ) 结合硬件平台，编制了相应的软件代码并调试通过。独立运行光伏逆变 器采用三角波一正弦波单极性调制，在输出相同幅值电压信号的条件下使最低次 谐波频率为双极性调制的2 倍，为滤波器的设计提供了便利，并减小了滤波器的 体积和成本。 5 上海大学硕士学位论文 2 1 序言 第二章光伏发电系统的基本特性 光伏电池板在光伏发电系统中成本最高，是光伏发电系统的核心部件之一， 是太阳能转换为电能的基础。由于光伏电池本身的复杂特性，其能量转换效率目 前还不是很高。光伏电池的输出功率及效率等直接受电池材料、本身技术、日照 强度、环境温度及负载等的影响。供系统能量存储用的蓄电池亦是光伏发电系统 中成本较高的一类部件，其中，放电容量及寿命是最受关注的参数。影响蓄电池 使用寿命的因素非常多，如放电深度、过充电量、充电电流和电压、环境温度等。 因此，对光伏电池输出特性及蓄电池自身特性进行研究具有重要意义。 导抗变换器在光伏并网发电系统中把电压源转换为电流源，是实现电流源型 并网的重要部件，本章将对其特性作详细分析。 2 2 光伏电池输出特性分析 从已有的研究情况看，光伏电池输出特性与电池参数、日照强度、环境温度 的关系大多是通过实验或数学模型分析来得到。本节利用先进的仿真工具，以光 伏电池数学模型为基础，从建立光伏电池仿真模型的角度对其输出特性进行必要 的分析。一方面，通过改变各参数和运行条件，可以直观方便地获得光伏电池地 输出特性；另外，它也是后续充电控制器和光伏逆变器模型建立以及控制算法验 证的基础，对实际实验具有重要的指导意义。 2 2 1 光伏电池的仿真模型 太阳能电池利用光电效应产生电流。当光子入射到太阳能电池板上时，太阳 能电池板上的半导体物质吸收了足够的光子，由光子激发出的电子一空穴对经过 分离而在电池板两端产生电动势。其工作原理如图2 1 所示。 6 上海大学硕士学位论文 图2 - 1 太阳能电池工作原理 光伏电池的输出特性随日照强度和环境温度而变化，其函数关系可表示为 i = f ( v ，巴，) 。其中g 表示日照强度，恐表示环境温度。在无光照情况下， 光伏电池不产生电流或电压。当受外部能量( 如太阳光辐射能等) 激发时，它将 产生二极管结电流而。光伏电池实际等效电路可用如图2 2 所示的二极管模型来 表示。 卜 l j 7 虱2 - 2 光伏电池等效电路 模型中包括光电流源i l 、二极管、串联电阻r s ( 相当于光伏电池单体中串 联内阻) 。光伏电池单体输出电流为光电流和二极管电流之差。 m 一( 唧掣一) c 其中m 为理想因数，k 为波尔兹曼常数，死为光伏电池绝对温度，q 为电子电荷， 矿为光伏电池端电压，斥为和温度有关的无照饱和电澍2 5 1 。 光伏电池单体的理想因数m 介于1 和2 之间，电流较大时接近于1 ，电流较 小时接近于2 ，其典型值为1 31 2 6 。 本文根据公式( 2 1 ) 建立了光伏电池的m a t l a b 仿真模型，如图2 - 3 所示。 7 上海大学硕士学位论文 图中“i r r a d i t i o n ”和“t e m p e r a t u r e ”分别表示日照强度和环境温度，“p v m o d e l ” 表示光伏电池模块，“r ”为外接负载。 图2 3 光伏电池的仿真模型 光伏电池仿真模型的内部连接如图2 - 4 所示，它详细描绘了式( 2 1 ) 所给出的 光伏电池数学模型的s i m u l i n k 实现。s i m u l i n k 一个显著特点是其封装功能，使 用封装功能可以用一个参数设置对话框代替子系统中众多标准模块各自的对话 框，从而简化模块的使用，这样就无需访问每一个最底层的模块来输入相应参数 值，只要在封装好的模块的参数设置对话框里输入要用到的全部参数，就可以把 这些参数传递到子系统中的每一个模块。图2 5 给出了p v 系统模型的封装后的 对话框，用户可以修改参数值来模拟不同类型的p v 模块f 2 3 2 9 1 。 2 2 2 光伏电池的输出特性及分析 在图2 3 所示仿真模型基础上，可得图2 - 6 所示特定光伏电池温度和特定 日照强度g 。情况下的阳特性曲线。 如果连接在光伏电池终端的负载电阻r 可变，则工作点由电压曲线矿和电 流曲线，的交点决定，这些工作点的集合也就是v - i 特性曲线。纯阻性负载的特 性为一直线，该直线的斜率为v = 1 r 。如果负载电阻足够小，则光伏电池仅 工作在a 点和b 点之间的区域，则光伏电池类似于一个恒流源；如果负载电阻 足够大，则光伏电池仅工作于c 点和d 点之间的区域，则光伏电池类似于一个 恒压源。 i 上 上海大学硕士学位论文 9 颦鲥箍星g琶嚣斌$鼎粤$装寸n盔 上海大学硕士学位论文 图2 - 5 光伏电池仿真模型参数设置对话框 光伏电池两个最重要的参数是开路电压v o c 和短路电流i s c 。 短路电流( 见图2 - 5 中a 点) k “i l ，这是光伏电池输出端短路状态下产 生的最大电流值，此时v = o 。 图2 - 6 光伏电池输出v - i 特性曲线图图2 7p v 电池板v - i 曲线和v - p 曲线 开路电压v o c 是指当- - 0 或f = 五时二极管p - n 结两端的电压( 见图2 - 5 中 d 点) ，它描述的是无光照情况下光伏电池电压，即： = 芋h ( ) = 巧h ( 冬 g lo f ，l f ， 其中k ：型墨是和温度有关的电压，恐是光伏电池温度。 光伏电池输出特性中另一个重要概念是最大功率点( m p p ) ，即w 曲线上电 压、电流二者乘积取最大值的点，如图2 - 6 及图2 7 所示。由图示可以看出，最 大功率点出现在j 0 。和相交的地方。图2 7 给出了某光伏模块典型的阳曲 线和v - p 曲线。 1 0 上海大学硕士学位论文 2 2 3 日照强度和环境温度对光伏电池输出特性的影响 图2 - 8 日照强度变化对p v 输出特性的影响图2 - 9 温度变化对p v 输出特性的影响 图2 培和图2 - 9 分别是改变日照强度和环境温度情况下得到的光伏电池输出 特性仿真曲线。由图可知，开路电压和短路电流随日照强度的增强而增大，温度 升高使开路电压减小，从而使效率减小。另外，短路电流随电池温度的变化并不 明显。 2 。3v r l a 蓄电池特性分析 2 3 1v r l a 蓄电池的工作原理 蓄电池的两极浸在稀硫酸溶液中时会引起化学变化，同时通入适当的直流 电，使正极上的氧化铅变成棕褐色的二氧化铅( p b 0 2 ) ，负极上的氧化铅变成灰 色的海绵状铅( p b ) 。这些正负极上的p b 0 2 和海绵状的铅都是活性物质。放电时， 正负极上的活性物质吸收硫酸，逐渐变成硫酸铅( p b s 0 4 ) ，当大部分活性物质 变成p b s 0 4 后，蓄电池的电压就下降到了不能再放电。蓄电池到这个时候就需要 充电，使之恢复成原来正极的p b 0 2 和负极的海绵状p b ，供继续使用。随着放电 的进行，蓄电池中硫酸逐渐减少，水分增多，电解液的比重降低；反之，充电时， 蓄电池水分减少，酸的浓度增大，电解液比重上升。在蓄电池充放电过程中需要 特别注意，正常情况下，电池不要过度放电，不然会使活性物质和海绵状铅与混 在一起的细小p b s 0 4 结晶结成较大的晶体，增大了两极间的电阻。按规定，铅酸 蓄电池放电深度不能超过额定容量( c ) 的7 5 ，以免再充电时难以复原活性物 质，从而降低蓄电池使用寿命。 上海大学硕士学位论文 正常克电丰克电时间( 单位：小时) 图2 - 1 0 铅酸蓄电池充电电压变化曲线图 铅酸蓄电池电势的大小与蓄电池两极上活性物质的电化性质和电解液的浓 度有关，其正负极间端电压随着充放电过程的化学变化而变化。图2 1 0 给出了 以稳定电流对蓄电池充电时，铅酸蓄电池充电电压变化曲线。充电初期电池端电 压上升很快( 曲线o a 段) ，这是由于极板活性物质在微孔内形成的酸浓度骤增而 来不及扩散的缘故【l4 】；充电中期，微孔中酸的比重增加速度和扩散速度趋于平衡， 故电势增高缓慢，见曲线a b 段，充电中期的后段时间，正负极分别还原为二氧 化铅和海绵状的铅，蓄电池电压大约达到2 3 伏左右，此时如果继续充电，则电 解液中的水开始大量分解，在两极上便有很多气泡产生，致使蓄电池负极表面被 氢气所包围，内阻增加，同时，正极表面为氧气所包围，正极电位提高，端电压 继续上升直到2 5 也6 v ( 曲线b c 段) ；如继续充电，则二氧化铅和海绵状铅将全 部还原，水解也逐渐趋于饱和，电解液虽然在沸腾，而电压维持在2 7 伏左右不 变；此时，停止充电，电压迅速回到2 3 伏，随着极板内外硫酸浓度扩散平衡， 最后端电压慢慢地降到2 0 6 伏左右而稳定下来。 2 3 2v r l a 蓄电池的基本充电过程 通过2 3 1 节对铅酸蓄电池工作原理的分析，可以知道蓄电池有以下几个基 本的充电过程： ( 1 ) 涓流充电阶段 当蓄电池电压过低时，蓄电池要么会过度放电要么会短路光伏电池，在这个 充电阶段，充电控制器以很小的涓流开始充电。充电过程将会慢慢地储能直到蓄 1 2 8 7 6 5 4 3 2 l 0 9 8 7 6 5 2 2 2 2 2 2 2 2 2 l 1 l l l 笨草斗v吗，痕廿 上海大学硕士学位论文 电池电压升高到进入快速充电过程。 ( 2 ) 快速充电阶段 在这个充电阶段，充电控制器作为一个恒流源工作，提供稳定的快速充电电 流。一旦充电电压达到快充与过充的过渡阈值电压( o 9 5 过充电压) 时，充电进 入过充阶段。 ( 3 ) 过充充电阶段 当蓄电池充电电压大于过充电压的9 5 时，表明蓄电池进入过充阶段，这 是一种尽快将电池容量恢复到1 0 0 的充电方式。在过充状态下，蓄电池电压是 受控的，通常是以恒压充电方式，此时检测充电电流的变化，当充电电流减小到 c 1 0 0 ( c 为蓄电池容量) 时，表明蓄电池已充满。 ( 4 ) 浮充充电阶段 在这个充电阶段，为了弥补由于蓄电池内部自放电造成的储能损失，蓄电池 电压保持浮充电压。充电控制器为了保证蓄电池在浮充电压上，通过调节电流使 之维持在这个电压水平。一直到由于放电造成蓄电池电压降到浮充电压的9 0 以下时，充电进入快充充电阶段。 ( 5 ) 低压负载断开 光伏发电系统中的充电控制还需要注意当蓄电池电压过低时，切除负载，即 低压负载断开。当蓄电池电压达到为防止过放而设置的低压负载断开值矿- l d v 时， 负载从蓄电池断开，直到蓄电池电压再次达到可以重新接入负载的数值v l r v 时， 才接入负载。 2 4 导抗变换器特性分析 导抗变换器是导纳一阻抗变换器( 又称回转器) 的简称，在实现导纳一阻抗变 换的同时，还可以实现电压源和电流源之间的变换 2 9 4 0 l 。使用集中参数元件厶 c 构成的导抗变换器应用于电力电子中，可以实现装置小型化，减小能量传递过 程中的损耗，是一种高效的能量传递装置。将导抗变换器和光伏并网逆变系统有 机结合在一起，利用导抗变换器实现光伏系统电流型并网。相比电压型并网，具 有体积小、效率高、受电网影响小等优点【2 j 。 1 3 上海大学硕士学位论文 图2 1 l 给出了一个l c 无源二端口网络，当它的二端口参数方程满足式( 2 - 2 ) 时，我们称之为导抗变换器。 叫，纠 乏 z ， 式( 2 2 ) 中，而为特征阻抗。二端口网络的输出端阻抗由式( 2 3 ) 给出。 z ：；拿( 2 - 3 ) 从式( 2 2 ) 、式( 2 3 ) 可以进一步推出输入端阻抗为： z t 一暑2 兰5 善叫e 叫， 1 ， 2 2 式( 2 - 4 ) 表明，从输入端看到的阻抗与输出端所接负载的导纳成正比。将 导抗变换器接到高频逆变器输出端，电压源可以转换为电流源，电流源也可以转 ，产1 l 1 盯l 2 2 吃 n | o 工： c 吃 图2 - 1 2t - l c l 型导抗变换器 图2 - 1 2 表示的是t - l c l 型导抗变换器，其四端子常数由下式表示： 阡 1 = 叫舞。翻 弘s ， 当高频逆变器角频率等于谐振角频率时，即： 1 4 上海大学硕士学位论文 1 卸2 面 ( 2 6 ) 满足式( 2 - 2 ) 的条件，此时特征阻抗7 - o = z 历。 文献 3 7 】从t - l c l 型导抗变换器的传递函数矩阵丁出发，详细地分析了电源 频率和器件参数对系统的影响。理论分析及仿真结果表明，t - l c l 型导抗变换器 可以在参数小幅变化下，维持良好的恒流特性，且能量转换过程中损失较小，效 率高。 2 5 本章小结 本章对光伏电池输出特性、v r l a 蓄电池特性、导抗变换器特性进行了详细 分析，为后续章节中充电控制器、光伏逆变器的功率电路的设计、控制算法的确 定奠定了理论基础。 上海大学硕士学位论文 第三章光伏发电系统m p p t 技术研究 3 1 序言 光伏发电系统的能量来源为太阳能光伏阵列，系统中蓄电池的容量设计根据 不同方法、不同要求差别较大，一般容量为每天用户负载所耗能量的3 1 0 倍。 而太阳能光伏阵列的容量以其在当地平均每天发电量大于等于用户耗电量为依 据。对光伏发电系统来说，最大功率点跟踪( m p p t ) 技术的引入，不仅能够最 大效率地利用来自光伏阵列的能量，而且光伏阵列大小的选择也有了更大的余 地。 在光伏发电系统中，为了在外部条件变化时光伏电池阵列输出最多的能量， 理论和实践上对设计人员提出了光伏阵列输出能量m p p t 控制的要求。目前，光 伏发电系统的应用日渐增多，但系统造价仍然较高，并且转换效率仍然偏低，这 之间的矛盾使得m p p t 技术的研究愈发重要。 光伏发电系统中的m p p t 控制虽然具有在d c d c 环节中实现和在d c a c 环 节实现两种形式，但在含有蓄电池环节的系统中，系统转换装置大多采用前级 d c d c 变换器结构，m p p t 控制也多是基于d c d c 变换器来调节。在d c d c 环节实现的m p p t 调节仅以功率偏差为依据，通过调节功率电路开关占空比来实 现；在d c a c 环节实现的m p p t 控制，同时还要考虑后级负载反馈信号的影响。 因此从控制角度来说，在d c d c 环节实现m p p t 控制更为合适，本文的m p p t 控制也是在基于e l l k 型d c d c 变换器环节中实现的。 3 2 光伏系统m p p t 算法研究 关于实现光伏电池输出能量m p p t 控制的策略，已经有很多文献进行了相关 的论述h 2 “。在诸多m p p t 算法中，恒定电压控制法( c v t ) 、扰动观察法( p e r t u r b o b s e r v e ，p & 0 ) 、增量电导法( i n c r e m e n t a lc o n d u c t a n c e ) 等都是较常用的实现 方法，也被广泛地采用。下面对这几种常用的控制方法作简单介绍和分析。 1 6 上海大学硕士学位论文 3 2 1 恒定电压控制法 功 奄 萱 笆 毫 电压v ( 单位：伏特) 图3 - 1 相同温度不同日照强度下p - v 特性曲线 图3 1 为相同温度不同日照强度下光伏电池板输出p - v 特性曲线。由图3 1 容易看出，在温度变化不大的情况下，光伏电池板输出最大功率点处对应的电压 值近似不变，最大功率点分布在与横轴垂直的某条直线附近。因此，如果把光伏 电池板输出电压值控制在该电压处，则光伏电池板能够输出最大功率。 c v t 控制法控制简单，控制容易实现，系统不会出现因控制电压给定剧烈 变化而引起振荡，具有良好的稳定性。其缺点是，控制精度差，系统最大功率点 跟踪的精度取决于给定电压值选择的合理性；控制适应性差，当外界环境变化时 系统难以进行准确的最大功率点跟踪。 3 2 2 扰动观测法 与其它m p p t 控制方法相比，扰动观察法最为常用，控制原理也比较简单。 通过增大减小d c d c 变换器开关管开通占空比来调整输出功率，每次周期中断 采样蓄电池两端电压以及流过蓄电池电流并由此计算变换器输出功率。设本次计 算得到的功率值为只，上次测得功率值为只- l ，若只大于只- l 则继续同方向增 大减小开关管开通占空比；否则减d , 增大开关管开通占空比。 扰动观察法控制思路简单，实现较为方便，可实现最大功率点的动态跟踪， 提高系统对光伏电池扳输出能量的利用效率。其缺点是，跟踪稳定时，只能在最 大功率点附近振荡运行。 1 7 上海大学硕士学位论文 3 2 3 增量电导法 增量电导法也是一种最基本的m f p t 算法，它通过太阳能电池p = v 曲线的斜 率a l p d r 与输出电压、电流间的关系来判断系统是否在最大功率点处运行。有功 功率公式p = v 两端对电压求导可得： d e d r = ，+ v + d d v( 3 1 ) 在最大功率点处有： 蛾。d 矿= ，+ y d ，d v = 0 ( 3 - 2 ) 所以： d l d v = - i v ( 3 3 ) 上式为判断最大功率点的条件，即当输出电导的变化量和输出电导的负值相 等时，便可认为当前太阳能电池工作在最大功率点处。该方法的控制流程如图 3 2 所示。图中矿伍) 、，伍) 为检测到的当前太阳能电池输出电压、电流值；矿伍一1 ) 、 ， 一1 ) 为前一控制周期太阳能电池输出电压、电流值；d g ) ，d ( k 1 ) 为下一周 期占空比和当前周期的占空比；a d 为占空比增量。由于有除法操作，故在执行 相应操作前需判断分母d v 是否为0 。当控制器判断d v 为0 后，便进入判断刃是 否为零阶段，它对应于判断外界环境是否快速变化的情况。当d = 0 时表明外界 环境没有发生快速变化，反之则认为环境发生了改变，需要相应地改变d c d c 变换器的占空比d ，使光伏电池板输出功率与环境变化的方向一致。换言之，如 果d 0 则表明需要使d 增大以提高太阳能电池输出功率，否则减小d 以增大 光伏电池板输出功率。而当程序判别分母d 矿0 后，便进入判断d l d v = 一矿是 否为真阶段，这是增量电导法的重点。如果判别结果为d i d v ，矿，则表明 光伏电池p = v 曲线的斜率大于零，需要减小d 以提高太阳能电池输出功率，反 之则相反。 上海大学硕士学位论文 图3 2 增量电导法控制流程图 增量电导法控制精度比较高，响应速度也比较快，适宜用于外界环境变化较 快的场合。但在硬件方面，特别是传感器的精度要求较高，同时对单片机a d 转换的速度要求也较高；系统在软件方面，控制算法较为复杂，控制电压初始化 参数对系统启动过程中的跟踪性能有较大影响，若设置不当则可能产生较大的功 率损失。 3 3 光伏阵列m p p t 的实现 3 3 1 光伏阵列m p p t 的实现方法 由第二章2 2 节分析可知，光照强度和环境温度影响光伏阵列的输出特性。 为充分利用太阳能使光伏阵列能输出最大能量，在本章3 2 节中介绍了几种常用 的m p p t 控制的实现方法。考虑到计算的方便和控制实现的简单，本文采用扰动 观察法，其工作原理可以表示为： 巩l = o k + i d j s i 弘( 峨) s i 印( 一1 ) ( 3 - 4 ) 其中：l a d i 为扰动量，即用于实现m p p t 动作的d c d c 变换器p w m 输出占空 比增加量；。和d k 分别为第l 【+ 1 、k 时刻的占空比；和1 分别为第k 、 k - 1 时刻的输出功率值；符号函数s i g n ( x ) 作如下定义： 1 9 上海大学硕士学位论文 j s s i g 弛n ( ( x 。) ) = = - 1 1 1 i f 工x 邳 0 ( 3 - 5 ) 【 。 下面对利用扰动观察法实现的m p p t 调节过程作进一步解释。 图3 - 3 所示为外部环境不变时太阳能光伏阵列输出的功率电压特性曲线。 假设系统开始时工作在v 2 处其输出功率尸2 ，此时控制系统通过加扰动l a d i ，使 阵列工作在v 3 点，这样系统的输出功率为p 3 ，它大于p 2 ，说明阵列是向输出功 率增大的方向运行，可以继续增加扰动i a d i ；相反，如果加入的扰动为一l d l 使系统工作在v l 处，则阵列输出功率为p l ，它小于尸2 ，说明阵列向输出功率减 小的方向运行，如要使阵列输出更大功率，必须增大阵列输出电压而不是减小。 以上是在p - v 曲线的左侧调整特性。如在曲线的右侧，可作与左侧类似的分析。 图3 - 3 环境不变时m p p t 调节过程图3 _ 4 环境变化时m p p t 调节过程 图3 - 4 所示为外部环境变化时太阳能光伏阵列输出的功率电压特性曲线。 假设系统开始时工作在曲线l 的电压“，调整工作电压为您，此时由于外部环 境变化，阵列的特性变为曲线2 ，这时阵列的输出功率为p 3 ，而不是希望的尸2 ， 且p 3 尸l ，根据式( 3 - 4 ) ，系统不会向功率增大方向输出高电压玛，而是输出了向 功率方向减小的低电压n ，输出功率为p 4 ，这样就出现了“误判”现象，但如 果此时还工作在曲线2 ，由于p 4 p 3 ，系统会马上更改方向回到正确的调整状态。 图3 5 为与式( 3 - 4 ) 对应的m p p t 控制流程图。 上海大学硕士学位论文 图3 - 5 m p p t 控制流程图 3 3 2m p p t 控制方案的理论依据 光伏发电系统中m p p t 控制可以通过以下两种方案实现。为便于理论分析和 算法验证，这里以直流电压源与电阻的串联来等