（电力电子与电力传动专业论文）光伏并网发电系统控制方法的研究.pdf

西安理工大学硕士学位论文 t i t i e ：s t u d yo nt h ec o n t r o lm e t h o do ft h eg r l d c o n n e c t e d p vg e n e r a t i o n s y s t e m m a j o r ；p o w e re l e c t r o n i c sa n de l e c t r i cd r i v e n a m e ：y a n gj i a n f e i s u p e r v i s o r - p r o f - t o n gx i a n g q i a n r e n b i y i n g a b s t r a c t s i g n a t ur e - ! 均! ! 鲤 s a san e w t y p eo fs o l a re n e r g yw h i c hi sc l e a n ，r i c hr e s e r v e s ，a n dn op o l l u t i o na r ea t t r a c t i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n m o r e o v e rt h ea p p l i c a t i o no f p h o t o v o l t a i cg e n e r a t i o nt e c h n o l o g yi st h e f o c u so fw i d e s p r e a dc o n c e r n t h i sp a p e rs t u d i e sm a i n l yo nt h ec o n t r o lm e t h o do ft h e g r i d - c o n n e c t e dp vg e n e r a t i o ns y s t e m b e c a u s et h ep r i c eo fp h o t o v o l t a i cc e l li se x p e n s i v ea n d c o n v e r s i o ne f f i c i e n c yi sl o wp r e s e n t l y ，t h ec o n t r o lm e t h o do ft h eg r i d - c o n n e c t e dp v g e n e r a t i o n s y s t e mi sa b s o l u t e l yn e c e s s a r y ，i no r d e rt od e c r e a s es y s t e mc o s ta n di n c r e a s ee f f i c i e n c y t h ep a p e rc o n s i s t so ft h r e ep a r t s t h ep h o t o v o l m i cc e l l ss i m u l a t i o nm o d e li se s t a b l i s h e d b a s e do ni t so u t p u tc h a r a c t e r i s t i c t h es i m u l a t i o nw h i c hi st h eo u t p u tc h a r a c t e r i s t i co ft h es o l a r b a k e r yu n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r ea n di r r i t a t i o ni sc o m p l e t e du s i n gp s i m t h ec o m p a r i s o n b e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l t s 、i t i lt h em e a s u r ed a t ap r o v e dt h es i m u l a t i o nm o d e lc o r r e c t i nv i e wo ft h eo u t p u tn o n l i n e a ro f p h o t o v o l t a i cp a n e l s ，t h ep a p e rs t u d i e so nt h em a x i m u m p o w e rp o i n tc o n t r o l ( m p p t ) m e t h o d s ，a n dm a k e su s eo fi tt om a k ep h o t o v o l t a i cc e l l sw o r ka t t h em a x i m u mp o w e r p o i m ，g a i nh i g h e f f i c i e n c yo u t p u t ab o o s tc o n v e r t e ri sa d o p t e dt oa c h i e v e m a x i m u mp o w e rp o i n tt r a c k i n g t h es i m u l a t i o na n a l y s i sa n dv e r i f i c a t i o na r er e a l i z e d t h ew o r k p r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h eb o o s tc o n v e r t e ra r ee x p o u n d e d ，a n dt h ec h o i c eo fc i r c u i t p a r a m e t e r sa r eg a v e t h ec o n t r o lc i r c u i td e s i g np r o c e s si si n t r o d u c e d w ec a ns e et h e s t e a d y s t a t ep o w e rl o s si sn a r r o w e dc o n s i d e r a b l ya n di t ss t e a d y s t a t ep e r f o r m a n c ei si n c r e a s e d f r o ms i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h ew o r kp r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h eg r i d c o n n e c t e di n v e r t e ra r ee x p o u n d e d t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tb a s e do nt h ei n v e r t e rc o n t r o la r ea c h i e v e d w eu s eh y s t e r e t i c c o m p a r i s o nt r a c k i n gc o n t r o lm e t h o d t h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t et h eo u t p u t f a c t o ri su n i t t h ee # d - c o n n e c t e dp vg e n e r a t i o ne x p e r i m e n ts y s t e m sa r ed e v e l o p e d t h ed s pc o n t r o l s y s t e mo ft h em a x i m u mp o w e rp o i n ta n di n v e r tc o n t r o ls y s t e ma r ed e s i g n e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eu s eo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yi sf e a s i b l ea n de f f e c t i v e ，t h em a i nc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t s d e s i g na r er e a s o n a b l e k e yw o r d s ：p h o t o v o l t a i cc e l l s ；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 ) ；u n i tp o w e rf a c t o r 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 一 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：叠塾堑，_ ：口g 年月 学位论文使用授权声明 本人叠建盏在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，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；2 ) 为 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：趣建盏：导师签名：l 至扭童宦。叶年一月；，e l 绪论 1 绪论 1 1 光伏发电的背景及意义 能源是人类社会生存和发展的动力源泉。从原始社会的钻木取火到近现代的化石能源 以及核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等各种新能源的应用无不闪现着人类的智慧之 光。然而随着全球工业化进程的逐步展开，世界各国对能源的需求急剧膨胀，而煤炭、石 油和天然气三大化石能源日渐枯竭，全球将再一次面临能源危机。同时，大量使用化石能 源对生态环境造成严重的破坏，能源、环境与发展已成为当今世界亟待解决的问题。因此， 全球都在积极开发利用可再生能源。在今后的2 0 - 3 0 年里，全球的能源结构将发生根本性 的变化。专家预测，在下5 0 年里，可再生能源在整个能源构成中会占到5 0 。 太阳能作为一种新型的绿色可再生能源，与其它新能源相比利用最大，是最理想的可 再生能源。特别是近几十年来，随着科学技术的不断进步，太阳能及其相关产业成为世界 发展最快的行业之一。因为它具有以下的特点： ( 1 ) 储量巨大； ( 2 ) 不会枯竭； ( 3 ) 清洁能源； ( 4 ) 不受地域限制。 太阳能的开发利用主要有光热利用、光伏利用、光化学利用等三种形式瞳1 。光热利用 是将太阳能转换为热能储存起来，其中太阳能热水器是光热利用最成功的领域，还有太阳 房、太阳灶、太阳能温室、太阳能干燥系统、太阳能土壤消毒杀茵技术等，这些技术尤其 在我国的北方和西部应用较广，成效显著。以光伏电池技术为核心的光伏利用成为太阳能 开发利用中最重要的应用领域，利用光伏发电，具有明显的优点n 儿引： ( 1 )结构简单，体积小且轻。 ( 2 )容易安装运输，建设周期短。 ( 3 )维护简单，使用方便。 ( 4 ) 清洁、安全、无噪声。 ( 5 )可靠性高，寿命长，并且应用范围广。 在世界各国尤其是美、日、德等发达国家先后发起的大规模国家光伏发展计划和太阳 能屋顶计划的刺激和推动下，光伏工业近几年保持着年均3 0 以上的高速增长。其中，以 光伏集成建筑为核心的光伏并网发电市场己经超过离网应用，近几年的增长速度都在4 0 以上，成为世界光伏工业的最主要发动机。并网光伏发电己经成为光伏发电领域研究和发 展的最新亮点。 进入2 0 世纪9 0 年代，光伏发电技术和其它可再生能源技术一样，成为全球减少温 室效应的重要技术手段i 不少发达国家开始实施基于并网的光伏发电屋顶计划，这是一 种全新的将光伏技术与建筑设计相结合的光伏并网发电系统。1 9 9 7 年1 2 月日本京都会 西安理工大学硕士学位论文 议以后，美国总统宣布了百万光伏屋顶计划，预期在1 0 年内安装总容量约为3 g w 。随后， 德国提出了l o 万户光伏屋顶计划，日本提出了朝日7 年光伏屋顶计划和新能源推广的基 本原则，要求到2 0 1 0 年光伏发电容量超过5 g w 。而德国西门子太阳能公司在慕尼黑贸易 展览中心，建成了i m w 的太阳能光伏屋顶系统，则成为大功率太阳能光伏并网发电系统 的代表。 在国内，大多数太阳能光伏发电系统的推广主要是解决我国边远无电地区居民用电 情况，为独立的太阳能发电供电系统，并以进入快速推广阶段。在应用技术中，我国的 小型户用电源技术、生产、推广已基本成熟，l o k w - l o o k w 的大中型太阳能电站已进入快 速成长期，这发面主要的应用是政府2 0 0 2 年投资1 8 亿人民币在我国西北五省无电地区 建数百座光伏电站，总容量约1 5 兆瓦瞳剁。深圳市“市民中心 大楼建成的1 0 0 0 k w 屋顶 太阳能光伏并网发电系统，目前是国内最大也是亚洲最大的系统口钔。2 0 0 5 年2 月2 8 日 第十届全国人民代表大会常务委员会第十四次会议通过的中华人民共和国可再生能源 法自2 0 0 6 年1 月1 日起正式施行，国家鼓励可再生能源利用m 1 。2 0 0 8 年北京奥运会， 国家将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。 我国光伏产业在满足国内市场需要和提高边远无电地区人民的生活水平及特殊工业应用 中发挥了重要作用1 。 根据我国的国情，今后1 0 - 2 0 年，我国光伏发电主要应用于下述方面“1 。 ( 1 )农村离网供电。由于历史和地理原因，迄今我国边远地区仍然有大约3 0 0 0 万 人口没有解决用电问题，西部绝大多数边疆少数民族地区，由于距电网远，距主分散， 今后也难以靠延伸电网解决。 ( 2 ) 城市并网光伏发电。目前日本、德国、美国以及欧洲国家所实施的“屋顶计 划 、“建筑一体化光伏工程 等均属于城市并网光伏发电应用，此类应用是目前我 国政府运用鼓励政策，调动私人投资解决能源和环境问题的一种手段，效果是十分显 著的。 ( 3 ) 大规模沙漠发电。我国有1 0 8 万平方公里的荒漠资源，主要分布在光照资源 丰富的西北地区，其年总辐射在1 6 0 0 k w h m 2 以上，西北地区荒漠年总辐射甚至在 2 3 0 0 k w h m 2 以上，在全球也属富集区。几乎无需水资源的光伏发电有无限的发展空间。 不少荒漠还有很好的旅游资源，可以作为大型并网光伏项目的起步建设区域。随着电 力输送技术和储能技术的发展，大规模荒漠电站将成为未来的电力基站。 ( 4 )其他商业应用。光伏的其他商业应用是指没有政府政策补贴的商业化应用。 如独立基站电源、管道阴极保护、小商品电源等。 这些为我国光伏发电事业提供了良好的基础。同时从发达国家的相关政策可见，政府 为了扶持太阳能产业，大多通过立法确保电力部门以高出其它能源几倍的价格购买一点比 例的光伏并网电能，进一步推动了光伏发电事业的发展。 2 绪论 1 2 光伏发电系统的简单介绍 光伏发电是指利用光伏电池板将太阳光辐射能量转化为电能的直接发电方式。光伏 发电系统按与电力系统关系分类，通常分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。独 立光伏发电系统是不与常规电力系统相连而孤立运行的发电系统【2 3 1 。 图1 - 1 独立光伏发电系统的组成结构 f i g 1 - 1t h eb u i l d - u ps t r u c t u r eo f s t a n da l o n eo fp vg e n e r a t i o ns y s t e m 图1 - 1 为独立光伏发电系统的组成结构，系统由光伏阵列、充电控制器( c h a r g e r ) ， 蓄电池组( ( b a t ) 、正弦波逆变器( d c a c ) 和系统监控部分等组成，其工作原理乜3 是：光伏阵 列首先将接收来的太阳辐射能量直接转换成电能供给负载，并将多余能量经过充电控制器 后以化学能的形式储存在蓄电池中，在日照不足时，储存在蓄电池中的能量经过全桥逆变 器后变成s p w m 波，然后再经过滤波和工频变压器升压后变成交流2 2 0 v ，5 0 h z 的正弦电压 供给交流负载使用，此时，逆变器工作于无源逆变状态，为电压控制型电压源逆变器，相 当于一个受控电压源。 图卜2 并网光伏发电系统的组成结构 f i g 1 2t h eb u i l d - u ps t r u c t u r eo fg r i d c o n n e c t e do fp vg e n e r a t i o ns y s t e m 图1 - 2 为并网光伏发电系统的组成结构，系统由光伏阵列、d c d c 升压电路、正弦波 逆变器( d c a c ) 、控制器和集成的继电保护装置组成，其工作原理是：光伏阵列将接收来 的太阳辐射能量经过高频直流变换后变成高压直流电，然后经过逆变器逆变后向电网输出 与电网电压同频同相的正弦交流电流，此时负载为电网，逆变器工作于有源逆变状态，为 电流控制型逆变器，相当于一个受控电流源。 控制器是光伏发电系统的核心部件，一般由单片机或d s p 芯片作为核心器件构成， 控制器控制光伏电池的最大功率点的跟踪、控制逆变器并网电流的波形和功率，使向电 网传送的功率与光伏阵列所发的最大功率电能相平衡馏1 。 继电保护系统可以保证光伏系统和电力网的安全性。 3 西安理工大学硕士学位论文 与独立运行的太阳能光伏电站相比，并入大电网可以给太阳能光伏发电带来诸多好 处：不必考虑负载供电的稳定性和供电质量的问题。光伏电池可以始终工作在最大功率点 处，由大电网来接纳太阳能所发的全部电能，提高了太阳能发电的效率。因为直接将电 能输入，可以充分利用光伏阵列所发的电力。省略了作为储能环节的蓄电池，降低了蓄 电池充放电的能量损耗，免除了对蓄电池的维护，以及由其带来的间接污染，降低了系 统的成本。并网光伏系统可以对公用电网起到调峰作用。 目前国内并网型逆变器的研究主要集中于d c d c 和d c a c 两级能量变换的结构，其 中，d c - d c 变换环节调整光伏阵列的工作点使其跟踪最大功率点；d c a c 逆变环节主要使 输出电流与电网电压同相位，同时获得单位功率因数。由于d c d c 变换环节和d c a c 逆 变环节具有独立的控制目标和手段，两部分可以分开设计，系统前后级之间藕合不紧密， 因此系统的控制环节比较容易设计和实现：由于单独具有一级最大功率跟踪环节，系统 中相当于设置了电压预调整单元，系统可以具有比较宽的输入范围；同时，最大功率跟 踪环节的设置可以使逆变环节的输入相对稳定，而且输入的电压较高，这样都有利于提 高逆变环节的转换效率。 但目前光伏发电系统也存在三大问题n 订：光伏阵列发电效率低。系统的造价成本 高。发电运行受气候环境因素影响大。同时并网光伏供电系统作为一种分散式发电系 统，对传统的集中供电系统的电网会产生不良的影响，如谐波污染、孤岛效应等。 1 3 本课题所做的工作 由于光伏发电系统成本较高，使其应用大受影响。降低光伏系统发电的成本，这是 当今世界范围内研究和开发的一个课题。增加光伏发电的经济吸引力必须选择以下一种 或多种途径：1 提高光伏电池转换效率。2 降低制造电池、组件和辅助设备的成本，同 时降低安装费用。3 设计高效、可靠的系统，以降低每单位功率输出的费用及提高使用 寿命。 本课题基于第三个途径，针对一种单相光伏并网发电系统，主要对以下几方面进行 研究。 ( 1 ) 本文围绕光伏电池主要从两个方面进行研究，一方面光伏电池是光伏发电的 核心部分，在研发前期一般都采用仿真方法来完成光伏电池各种特性的研究。另 一方面由于光伏电池在工作时，随着同照强度、环境温度的不同，其端电压将发 生变化，使输出功率也产生很大变化，故光伏电池本身是一种极不稳定的电源。 如何能在不同日照、温度的条件下输出尽可能多的电能，提高系统的效率；这就 是光伏阵列的最大功率点跟踪问题。但是光伏电池的光电转换效率太低，目前在 实验室条件下也不会超过3 0 口1 。因此本文针对光伏板的输出最大功率点跟踪控 制进行研究，设计合适的算法实现跟踪控制。我们采用b o o s t 直流升压电路作为 最大功率点的控制器，通过改变功率管的占空比来实现光伏电池的最大功率控 4 绪论 制。 ( 2 )研究光伏并网逆变系统的特点，实现单位功率因数并网。 ( 3 )基于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 为核心的控制系统，编写了软件控制程序，并进行了软、 硬件调试。 西安理工大学硕士学位论文 2 光伏并网系统的工作原理及其设计 2 1 系统总体设计 本文采用的是一种两级式的结构，如图2 1 所示，前级d c d c 变换器作为m p p t 控制器实现最大功率跟踪功能，后级为全桥逆变电路，产生与电网电压同频同相的电流， 使整个装置的并网功率因数为1 。二者通过直流母线d c 呲相连，控制上相互独立。d c l i n k 电压通过并网逆变级控制为恒定值，通过控制d c l i n k 电压产生并网电流给定值，并网电 流的幅值大小反映了光伏电池输出功率大小。在全桥逆变器与电网间加入工频变压器隔 离，这样整个系统就不会向电网输出直流分量，有时候工频变压器还起到升压的作用， 这样使直流侧的输入电压具有更宽的范围。 图2 - 1 单相光伏并网系统结构图 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es i n g l e p h a s eg r i d - c o n n e c t e dp v g e n e r a t i o ns y s t e m d c d c 变换器采用了b o o s t 变换器，b o o s t 变换器以电压源的方式向负载放电，实现 负载电压升高和跟踪最大功率点的目的。b o o s t 变换器的结构和控制较为简单，具有较 高的效率，将光伏电池直接接到b o o s t 变换器的输入端，就可以进行光伏电池板的最大 功率跟踪。在并网系统中，b o o s t 变换器做m p p t 控制器是比较理想的选择，它是升压电 路，这样光伏电池电压就可以低于电网侧的峰值电压，光伏组件的串联受到电压等级的 限制，这样就使b o o s t 变换器输入端电压配置更加灵活。在本文中我们将系统分为光伏 电池，最大功率控制器，并网逆变器进行讨论。 2 2 光伏电池的基本原理及输出特性 2 2 1 光伏电池的基本原理 太阳能是一种辐射能，它必须借助于能量转换器才能转换成为电能。、这种把光能转 换成电能的能量转换器，就是光伏电池。 6 光伏并网系统的工作原理及其设计 光伏电池工作原理的基础是半导体p n 结的光生伏打效应口1 。通常，用于光伏电池的 半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的特殊物质，和任何物质的原子一样，半导体 的原子也是由带负电的原子核和带负电的电子组成，半导体硅原子的外层有4 个电子， 按固定轨道围绕原子核转动。当受到外来能量的作用时，这些电子就会脱离轨道而成为 自由电子，并在原来的位置上留下一个“空穴，在纯净的硅晶体中，自由电子和空穴的 数目是相等的。如果在硅晶体中掺入硼、钵等元素，由于这些元素能够俘获电子，它就 成了空穴型半导体，通常用符号p 表示；如果掺入能够释放电子的磷、砷等元素，它就 成了电子型半导体，以符号n 代表。若把这两种半导体结合，交界面便形成一个p n 结。 光伏电池的奥妙就在这个“结”上，p n 结就像一堵墙，阻碍着电子和空穴的移动。当光 伏电池受到阳光照射时，电子接受光能，向n 型区移动，使n 型区带负电，同时空穴向 p 型区移动，使p 型区带正电。这样，在p n 结两端便产生了电动势，也就是通常所说的 电压。这种现象就是上面所说的“光生伏打效应”。如果这时分别在p 型层和n 型层焊上 金属导线，接通负载，则外电路便有电流通过，如此形成的一个个电池元件，把它们串 联、并联起来，就能产生一定的电压和电流，并输出功率n 2 儿“1 。 制造光伏电池的半导体材料己知的有十几种，因此光伏电池的种类也很多。目前， 技术最成熟，并具有商业价值的光伏电池要算硅太阳电池。 2 2 2 光伏电池的输出特性 光伏电池的i v 特性曲线包含其绝大多数技术特性，是系统分析最重要的方面。光伏 电池的i v 特性是指在某一确定的日照强度和温度下，光伏电池的输出电压和输出电流之 间的关系m 1 ，如图2 - 2 所示。 图2 - 2 光伏电池的特性曲线 f i g 2 - 2t h ec h a r a c t e rc a l v eo f t h ep vc e l l i v 特性曲线表明：光伏电池既非恒压源，也非恒流源，它不可能为负载提供任意大 的功率，是一种非线性直流电源。输出电流在大部分工作电压范围内相对恒定，最终在一 个足够高的电压之后，电流迅速下降至零。曲线上的每一点都惟一对应着光伏电池在该一 7 西安理工大学硕士学位论文 工作电压下的输出功率，p m 表示对应于该日照强度和环境温度下的光伏电池所能输出的 最大功率，u m 和i m 则表示光伏电池输出最大功率时所对应的工作点电压和电流h 。也就 是说，在一定的温度和日照强度下，光伏电池具有惟一的最大功率点，当光伏电池工作在 该点时，能输出当前温度和日照条件下的最大功率。在最大功率点左侧，光伏电池的输出 功率随着工作点电压的增加而增大；在最大功率点右侧，光伏电池的输出功率随着工作点 电压的增加而减小随1 。 根据特性曲线可以定义出光伏电池的几个重要技术参数： ( 1 ) 短路电流( i ) 在给定温度光照下所能输出的最大电流。 ( 2 ) 开路电压( v )在给定温度照度下所能输出的最大电压。 ( 3 ) 最大功率点电流( i m )在给定温度照度下最大功率点对应的电流。 ( 4 ) 最大功率点电压( v m )在给定温度照度下最大功率点对应的电压。 ( 5 ) 最大功率点功率( p m ) 在给定温度照度下所能输出的最大功率，p m = ，。圪。 此外，p v 特性曲线可以更直观的确定p m 、v m 和i m ，它是利用i v 特性曲线数据通 过计算后作出的，如图2 2 中曲线所示。 图2 - 3 ( a ) 和图2 - 3 ( b ) 分别为光伏电池在温度变化和日照强度变化下的p v 特性曲线， 从图中可以看出，光伏电池的输出功率受同照强度、电池结温等因素的影响。当结温增加 时，光伏电池的开路电压下降，短路电流略有增加，最大输出功率减小；当日照强度增加 时，光伏电池的开路电压变化不大，短路电流增加明显，最大输出功率增加。 ( a ) 温度变化时 ( b )日照强度变化时 图2 - 3 光伏电池p v 特性曲线 f i g 2 - 3 t h ep - vc h a r a c t e rc u r v eo ft h ep v c e l l 从上面的分析中看出，光伏电池的输出是一个随机的、不稳定的供电系统。在工作时， 由于光伏电池的输出特性受负荷状态、日照量、环境温度等的影响而大幅度变化，其短路 电流与日照量几乎成正比地增减，开路电压受温度变化的影响较大，约有5 程度的变 化【l5 1 。从而使输出功率产生很大变化，即最大功率点时刻在变化。因此，就不可能用一 个简单的固定电阻( 或等效为一个固定驹电阻) 以获取最大功率。、另外，由于光伏电池的输 出特性是复杂的非线性形式，难以确定其数学模型，无法用解析法求取最大功率。要想在 光伏并网系统的工作原理及其设计 光伏系统中高效利用太阳能，获取最大功率输出，有必要跟踪控制最大功率点。 而光伏并网发电系统的大功率控制系统在性能方面提出如下要求： ( 1 )一般不采用复杂的硬件，要求建立一个简单的系统。 ( 2 )能追随环境的变化，高速地取得正确的最佳工作点。 ( 3 )工作点跟踪过程中，发电功率的振荡小。 为满足上述要求，本系统在光伏电池和逆变器之间插入一个d c d c 变换器环节，采 用d c d c 变换器占空比的变化等效的改变其负载的大小，以实现太阳能电池最大功率点 的跟踪。 2 3m p p t 控制器的设计 从电路理论可得：在线性电路中，当外部负载等效阻抗( z ：) 与电源内阻抗( z 。) 成共扼 时，外部负载可以获得最大输出功率，如图2 - 4 ，即当z 2 = z l 时。相对于在应用了d c d c 变换器的光伏发电系统中，虽然光伏电池和d c d c 变换电路均为强非线性特征，但在小的 时间间隔里，两者均可以看为线性电路。因此，把等效光伏电池看成直流电源，d c d c 变 换电路看成外部阻性负载。调节d c d c 变换电路的等效电阻，使之在不同的外部环境下始 终跟随光伏电池的内阻变化，两者动态负载匹配就可以在d c d c 变换器的输出侧获得最大 输出功率，实现太阳能电池的m p p t 。 + u 一 z 2 图2 4 最大功率传输图 f i g 2 - 4t r a n s m i s s i o no ft h em p p t 实际应用中，由于很难获取各点的等效电阻，一般不采用直接测量等效电阻的方法实 现m p p t 。在不同的应用系统中，基于d c d c 变换器实现m p p t 时依据的变量有所不同， 有依据电压偏差控制、依据功率偏差控制、依据电流偏差控制等，这些方法均能等效匹配 光伏电池和d c d c 变换电路的等效电阻，实现系统的功率寻优。 本文使用b o o s t 变换器作为m p p t 控制器，其原理框图如图2 5 所示。在每个采样周 期中采集光伏电池的端电压v p v ，和输出电流i p v ，经过最大功率点( m p p t ) 控制后计算输 出b o o s t 变换器开关占空比信号d ，使光伏电池的端电压向最大功率点处端电压靠近。 2 3 1b o o s t 升压电路的工作原理 b o o s t 主电路如图2 6 所示。 b o o s t 升压变换器电路由平波电容c i , 开关s 、二极管d 、储能电感l 和滤波电容 c 2 组成。假设升压变换器电路中电感l 值很大，电容c 值很大。当开关s 开通时，输入 9 西安理工大学硕士学位论文 电压向电感l 充电，同时电容c 上的电压向负载供电，由于电容c 值很大，因此输出电 压基本保持恒定，记为v o 。假设开关s 开通的时间为t o n ，则电感l 上的能量为厶t 硼。 当开关s 关断时，输入电压和电感l 一起向电容c 充电，并向负载提供能量。假设开关s 关断的时间t o r r ，则电感l 释放的能量为( z o 一) l k 。当电路工作处于稳态时，一个 周期内电感l 上储存的能量与释放的能量相等h 1 ，即 ，f 。= 眈一) f 谚 ( 2 1 ) 则堡：上，0 d 。时，v 小于最大功率点电压；当鲨d v v m 缸时，万d i 一t 一三二学 c 3 7 ， l = ，鲫【1 + 啊亿一乙) 】手 ( 3 8 i 出= b 巧e x p ( - 口疋) ( 3 9 ) 式中，i 。是标准日照、标准温度时的短路电流；h t 是温度系数，红= 6 4 1 0 4 ( k 1 ) ； k 是基准绝对温度；t c 是电池内部绝对温度。a 是常数，口= 1 3 3 6 x1 0 4 ；b 是常数，6 = 2 3 5 。 矽是光照强度；以是标准光照强度； 上述方程描述了光伏电池的电流电压特性，式中参数来源于电池材料的物理特性。 从式( 3 5 ) 可以看出短路电流与光照强度成正比，同时也受到温度变化的影响。从式( 3 9 ) 可以看出二极管饱和电流主要受温度的影响，与温度成非线性关系。从式( 3 7 ) 可见， 光伏电池输出电流与输出电压之间呈非线性关系，同时与光照强度、温度有很大关系。由 于不同厂家生产的光伏电池参数略有不同，同时当内部串联电阻r 。和并联电阻r 。发生变 化时，对电池特性也存在一定影响。 在标准条件下( 温度t = 2 5 。c ，光照强度巾= 1 0 0 0 1 x ) ，当电阻h 越小时，最大功率点 越小，当l k h i kq 时，心h 的变化对最大功率点的影响很小。当电阻风越大时，同样会导 致最大功率点越小。当r s i k q 以及凡 0 1q 时，式( 3 7 ) 可以简化为式( 3 1 0 ) 。 电讣x p 高 - 1 i 可以看出，( 3 1 0 ) 式是一个超越指数方程，无法用线性方程表示。而太阳电池阵列 的v - i 特性是光伏系统分析最重要的技术数据之一啪1 ，所以建立合理而且准确的物理模型 是非常关键的。式( 3 7 ) ( 3 1 0 ) 中，k 、a 、a 、b 、巾o 、h t 、t o 均为常数，电池组 件厂家提供的参数有v 附n 、r s 、r 。h 和i 。，与外界环境相关的参数有s 、t 。 b 基于物理机制的光伏板的仿真模型 根据前面公式( 3 - 8 ) ( 3 - 1 0 ) 建立光伏电池的仿真模型，如图3 7 所示。此模型 因为基于光伏阵列物理本质，并且模型参数与实际参数严格对应，但是由于只考虑了在标 准条件下选取的r s 、& h ，会影响到变化了外部环境时的仿真效果。 c 仿真与实验的对比 按图3 8 所示实验原理图接线。根据当时的光照情况，分别测试不同时间光照强度下 光伏电池的短路电流k 和开路电压阮。 测量分别得到在1 1 ：0 0 时的数据和1 3 ：0 0 时的数据，利用m a t l a b 软件拟合，得到 非线性曲线，如图3 = 9 、图3 1 0 所示。 其中，图3 - 9 中横坐标为电压，纵坐标为电流。图3 - 1 0 中横坐标为电压，纵坐标为 光伏并网发电系统子系统的仿真研究 输出的功率。 由于1 3 ：0 0 时温度和光照强度均比1 1 ：0 0 时高，所以短路电流和开路电压都比1 1 ： o o 时大，相应的最大功率点也有变化。 可以看出，温度和光照强度是影响开路电压和短路电流的直接因素。 且， 图3 7 基于物理机制的光伏阵列p s i m 软件仿真模型 f i g 3 7p s i ms i m u l a t i o nm o d e lo ft h ep vc e l lb a s e do nt h ep h y s i cm e c h a n i s m 日日日日 ( a )( b ) 图3 - 8 光伏电池短路电流与开路电压测试电路 f i g 3 - 8s h o r t - c i r c u i tc u r r e n ta n do p e n - c i r c u i tv o l t a g eo fp v c e l l st e s tc i r c u i t s 与仿真结果对比，光伏阵列的实验测试结果与外特性建立的模型的输出特性基本吻 合。可以替代光伏阵列测试实验使用。 西安理工大学硕士学位论文 图3 - 9p v 板v i 曲线图3 一1 0p v 板v p 曲线 f i g 3 9v - ic u r v eo fp v c e l l f i g 3 10v pc u r v eo fp vc e l l 3 3 基于模糊控制的最大功率点的仿真研究 由于太阳光辐射度的不确定性、光伏电池工作温度的变化、负载的变化以及光伏电 池输出特性强烈的非线性特征，均使得系统的最大功率点随外界环境和负载的变化而时 刻变化的。针对这样的非线性特征，使用模糊逻辑控制法实现光伏系统中的l v l p p t 控制 阳儿1 7 3 ，能克服常规算法带来的选择采样时间和干扰量大小的问题，当通过d s p 执行时， 就可以获得比较理想的效果h 3 l 。 3 3 1 基于模糊控制器的最大功率跟踪控制器的设计 a 输入量的模糊化 考虑在光伏并网发电系统中的应用。本文定义了以下的f l c 的输入量：d p d l 和其 变化量a d p d l ，输出为占空比的的变化值即口，输入和输出量的定义如式( 3 1 1 ) 所示。 p ：堡：p ( k ) - p ( k - 1 ) d i 、7 f ( 七) 一f ( 七一1 ) c p = ( 筹( 蚴= 筹( 一筹( 七_ 1 ) ( 3 1 1 ) c t ( k ) = a ( k 一1 ) + a a 输入量的范围为：e = - 4 04 0 ，e c - - - 55 当e 4 0 时，e = 4 0 同理e c 一5 时，e c = 一5 ；e c ) 5 时，e c = 5 将其物理论域进行量化转换到整数论域，考虑到如果分档过多，则产生的关系矩阵 过大乜4 | ，在形成控制表时的计算麻烦，另外得到的控制表也较庞大，其整数论域语如下： e = 012 34 567 ，e c = 口= 012345 它们之间的转换关系分别为式( 3 1 2 ) 、( 3 1 3 ) 所示： 互( k ) = 3 5 + o 0 8 7 5 e ( k ) ( 3 12 ) c e ( k 1 = 2 5 + 0 5 c e ( k ) ( 3 1 3 ) 2 4 先伏并网发电系统子系统的仿真研究 若得到的e ( r ) 、c e ( k ) 不是整数，可把它们归到最接近的整数。 b 模糊推理算法 太阳电池的p - v 特性曲线中包含了太阳电池输出功率的四种变化过程，分别如下： 1 ) e ( k ) 0 时，p 由左侧向p m 靠近； 2 ) - e ( k ) 0 时，p 从右侧远离p m 。 p l w u - u 图3 - 1 i 输入变量e 和c e 变化时的p v 特性 f i g 3 11i n p u tv a r i a b l e so fea n dc ei n p u tv a r i a b l e sc h a n g e si nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp v 由图3 1 1 可以看出，对应于上述4 种情况，由于输入变量e ( k ) 和c e ( k ) 的不同需 要对a a 大小做出相应的调整以使输入变量e ( k ) 始终向趋于零的方向。总之为了能够使 光伏电池工作在最大功率点处，当阵列的工作点位于p m 左侧时，口的方向就应该为正。 反之，当阵列的工作点位于p m 右侧时，a a 的方向就应该为负。 根据以上变化规则，对模糊化和解模糊化均采用最大隶属度法，经模糊合成运算得 到一张控制表，并经实际调试后进行修正，如表3 - 1 所示。根据控制表，在实际控制中， 只要执行对输入量量化和查表两个步骤，就可得到控制值。可见查表具有很好的实时性， 并且方法简单方便。 c 解模糊 此控制器的主要功能是通过调节占空比的变化量，达到控制开关管在一个开关周期内 的导通时间的目的，并以此来改变电路的输出电流，从而达到改变光伏电池的输出功率。 输出量为占空比的变化量。利用下式对a a 解模糊可得到此时刻调整步长的物理量d d 。 a “ d d = = 兰4 - 0 0 5( 3 1 4 ) 西安理工大学硕士学位论文 表3 - 1 模糊规则推理 t a b l e3 - 1f u z z yi n f e r e n c er u l e s 4 e 、 76543。2lo c e 心 50 oo1123 3 40o1 1 2 2 33 30l222334 2l2223444 l 1 223 3 455 022333455 3 3 2 仿真波形 本文中最大功率点控制部分主要采用了电导增量法和基于模糊控制算法的比较。 b o o s t 直流升压系统在p s i m 仿真软件包中的原理图如3 - 1 2 所示，电路中的元件均是理 想器件。 其中，光伏板的参数为：u o c = 3 8 v ，i 辩= 2 9 1 a 。这些均是在标准日照、标准温度时的参 数。 l 为3 m h ，c a 为1 0 0 0 u f 2 0 0 v ，r 为2 0 0 q ，c 1 为2 0 0 u f 。本仿真电路使用的是外 扩d l l 控制( d y n a m i cl i n kl i b r a r y ，动态链接库) 方式。在本系统中f u z z y d l l 控件是使 用v c 编程实现最大功率模糊控制算法生成的动态连接库。 本文分别采用电导增量法和模糊控制算法，控制占空比的增量。仿真结果如图3 1 3 所示。 图3 1 2m p p t 的仿真电路 f i g 3