直流微电网光伏模拟器毕业设计

1、可修改可编辑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；光伏阵列精选文档可修改可编辑ABSTRACTSol

2、ar 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,whilethe PV array is the core of the PV

3、system and isan importantpart of the realization of solar energy to electricalenergy 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

4、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

5、and economics. Keywords: Micro DC-Grid ; Solar Simulator ； Micro-Grid ; PV Array精选文档可修改可编辑目 录绪论 1课题的背景及意义1直流微电网的研究现状 2直流微电网的研究前景 3光伏发电的研究现状 3光伏发电的研究前皇 兄 4本文的主要工作 4直流微电网 5直流微电网的结构 5直流微电网的特点 6直流微电网供电系统的研究7直流微电网供电系统的关键问题.8直流微电网的并网方式及控制方法 8微电网的使精选文档可修改可编辑用精选文档可修改可编辑3光伏模拟器 11光伏电池 11太阳能电池光伏阵列输出的主要参数 11太阳能

6、电池光伏阵列最大功率点跟踪 12光伏电池的仿直 13太阳能电池光伏阵列模拟器的组 TOC o 1-5 h z 成 15太阳能电池光伏阵列模拟器设计要求 17太阳能电池光伏阵列模拟器的原理 17一种数字式光伏模拟器19 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 太阳能电池光伏阵列模拟器的作 用 214光伏发电系统 23光伏发电的特 点 23光伏发电系统的几种结 构23直流微电网在光伏发电系统中的应用 25总结 27致谢精选文档可修改可编辑精选文档可修改可编辑28精选文档可修改可编辑29精选文档可修改可编辑绪论课题的背景及意义在当今世界上，各个国家都将经济

7、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旦及其 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，

8、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

9、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，就精选

10、文档可修改可编辑地发电用电。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

11、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/DCE者DC/DO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

12、，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。直流微电网的研究现状从2002年美国CERTS散电网被提出以来，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

13、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，美国北精选文档可修改可编辑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

14、我国电力发展的。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

15、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。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

16、崛增速飞速发展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精选文档可修改可编辑电的成本约为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

17、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。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

18、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。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寸光伏电池进行仿真，来验证光伏电池的特性曲线。直流 微电网

19、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。精选文档可修改可编辑直流微电网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：然需光伏控制器逆变器I?风机控制I-博T直流由威风机图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

20、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。精选文档可修改可编辑单相交流母线三相交流母线配电网AC直流母线DCIDCDCDCACDCACACDCDCDCACDCDC直流负荷交流储能直流 储能DG直流DG直流微电网的基本结构直流微电网的特点现在

21、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%勺电能损耗。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

22、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精选文档可修改可编辑次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

23、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。直流微电网供电系统的研究 TOC o 1-5 h z 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

24、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

25、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（ LBND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。精选文档可修改可编辑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。

26、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。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

27、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 70MS320F2833咂DSPR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

28、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。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、日精选文档可修改可编辑本等发达国家，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

29、型特征和供电模式城市微电 网美国加州分布式电源综合测试项目美国首个微电网商用项目，包含各类光伏电池、蓄电池等微电源意大禾米兰CESIRICERCA交替结构微电网米用生物质能发电和斯特林发电机等分布式发电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然气轮机微电网用一台80KW型燃气轮机作为分布式电源，作孤岛运行和联网两种方式运行农村微电网美国MADriver乡村微电网系统主要以一台30KW燃气轮机、两台90KW丙烷柴油机、两台100KWfe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网以超级电容器作为储

30、能装置，使用汽轮机、风机、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 网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CH印元建立城市中的冷热电联系统丹麦Bornholm微电网以39KW勺汽轮机、柴油机，37KW勺热电联产，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

31、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。精选文档可修改可编辑表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勺光伏B$列、100KW勺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代伏发电、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勺小型风机，四台 100KWJ燃机、250KW然料电池、100KW铅酸蓄电池组成微电网为京都供电爱知微电

32、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，通过调度供给到不向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。精选文档可修改可编辑3光伏模拟器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般可以分为

33、单晶硅、多晶硅、非晶硅等。分类如下图3-1 :二六族三五:硫化镉、硒化锢铜其它材料:神化钱、磷化锢、磷化钱锢图3-1太阳能电池的分类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I sc峰值功率Pmax其输出曲线如下图3-2：精选文档可修改可编辑图3-2 太阳能电池光伏阵列输出曲线随着电压的增从图中可以看出，当太阳能电池光伏阵列的输出电压很小时,大，输出电流变化很小，但当输出电压超过临界值Vnp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

34、就能使得太阳能 -电能的转换最大化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网。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

35、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精选文档可修改可编辑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

36、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 。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

37、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90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I ph就是光 生电流，Idi、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 Rh的两端电压，R、Rh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 oW立邛（D I图3-3光伏电池等效模型精选文档可修改可编辑根据这个数学模型利用MATLA的建仿真，通过仿真得到电池的输出特性曲线从而

38、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 MATLA的真图通过仿真可以得出光伏电池白输出特性曲线，如下图 3-5、图3-6、所示:Q XV Graph| 高一| 亩图3-5光伏电池I-V特性曲线精选文档可修改可编辑图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。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

39、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110(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：精选文档可修改可编辑图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

40、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。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。精选文档可修改可编辑（3）控制电路 控制电路是指

41、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PW楸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。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

42、，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。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

43、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精选文档可修改可编辑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

44、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DS添统中输入特性曲线，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

45、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、PW顺动隔离电路。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PW瞰。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

46、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勺级别。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

47、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。精选文档可修改可编辑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 TMS320F2833修制器。TMS320F2833修制器是TI公司 的一款TMS320C28原歹打？点DSP空制器。与以往的定点DSPf目比，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150M

48、Hz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 McBS可口 EMIF,有多达18路的PWM俞出， 其 中有6路为TI特有的更高精度的PWM俞出（HRPWM）12位16通道ADC 得益 于其浮点运算单元，用户可快速编写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本160TMS320F28335f其它TMS320F28注目比平土匀Tt能提高 50%可以满足系统中利 用 逐差法来跟踪光伏电池的特性曲线。主电路输出及输入的电压和电流通过电压 和 电流传感器采集，送入DSP中运算处理后输出PWMK形。PWMK形通过驱精选文档可

49、修改可编辑动电路来控制MOSFET勺开通和关断。实现符合光伏特性的电压与电流的输出。系统硬件包括功率电路、检测电路、驱动电路。功率电路主要是滤波电容、vm输出电感的选择。滤波电容考虑波纹要求一般选用 470 F,电感则要考虑Buck 电路续流的问题，最小电流保证电感电流临界连续，该系统中，要满足：(3.1 )Vo(3.2)其中Vm Vo DTiL D(1 D)VTT 2L2L式中电感值与输出电流和占空比有关，当 D小于0.5时，电流基本不变，D(1- D)单调增加，得出L约为0.1mH,考虑部分余量本系统选用 L=0.1mH,止匕时截止 频率、，一1一 .为fc -=134Hz 20 KHz。

50、27 LC检测电路主要是对电压电流传感器的选择和电压电流的调理和过保护设计， 系统中采用的是TBV10/20X,由于输出为交流，要对输出进行调理，且其中DSP 输入小于3.3V。隔离驱动电路使用 HCPL-3120t柳B离PWM!动信号，MOS管 用IRF460, MOS管并联MBR2020的特基二极管。下图3-10就是隔离电路图。精选文档图 3-10可修改可编辑PWM鬲离驱动电路精选文档可修改可编辑模拟器的核心部分是光伏阵列特性跟踪，也就是输出工作点的确定。这个输 出工作点就是光伏输出特性和负载特性曲线的交点，不同的负载伏安特性曲线不同曲线的交点也就不一样。控制模块需要通过一定的算法来迅速找

51、到这些工作 点，让系统稳定在这个工作点上，当负载或者光伏曲线变化时，模拟器可以快速 找到新的工作点并且稳定运行。现在的光伏模拟器中，一般接入DC-DC最大功率跟踪电路(MPPT电路)17,能否快速跟上后级的 MPPT电路也是光伏模拟器 的一个重要指标。本系统是研究直流微网实验系统，这个系统将光伏模块发出的 电接入到48V的直流母线中，在直流母线上还有超级电容、蓄电池等储能模块 及 三相逆变模块，系统中光伏模拟器接入BOOST电路，BOOSTS路具有最大功率跟踪功能，故而这个光伏模拟器在接入MPPT后能够迅速稳定工作在最大功率点。求光伏特性曲线与负载特性曲线的交点有多种方法，较为常见的方法主要有

52、两种。第一种是将光伏特性曲线离散化，利用迭代法来向光伏特性曲线逼近；另一种则是将光伏特性曲线用折线代替，由于光伏阵列模型函数十分复杂， 控制器 编辑程会有多次对数的运算，对 DSP控制器来说运算难度太大，如果用多点折 线法再配合最小二乘法拟合出多段曲线，这样只需测出负载电阻，拟合曲线与负 载特性曲线的交点就比较容易得到了。 当然如果上位机足够强大，查表法也是一 种最为准确的方法，得出的数据也能更为真实。系统中采用的是逐点差值比较法， 它是迭代法的一种。这种方法首先需要设定初始的指令电流值10 , 一般都取I00.1 Isc,其中I。与负载特性曲线交于P0点，该出负载电压为U0,对应的太阳能电池

53、阵列曲线上的点为 Q0,下次的指令电流则为Ii I 0 (f ( U0)I0 ),式中f(U 0)为太阳能电池阵列的数学物理模型，表示的是迭代步长，一般取0.1，指 令电流I i和负载伏安特性曲线交于点 Pi,该点负载电压 为Ui, Ui所对应的光伏阵列伏安特性为Q,下一次的指令电流就为I2 Ii(f( U ) Ii),利用这种方 法依次迭代下去就能得出负载工作点为 P0、Pi、P2Pn最后收敛 于太阳能电池 阵列的负载工作点，其中迭代步长 越大，收敛就越快， 越小 稳 定 性 和 精 度 就会 越 高。精选文档可修改可编辑太阳能电池光伏阵列模拟器的作用太阳能电池光伏阵列模拟器在国外发展较为迅

54、速，目前已经有一些样机问 世，为太阳能光伏发电的研究提供了很大的帮助。太阳能电池光伏阵列模拟器可以在短时间内模拟出任意温度、日照强度下的太阳能电池的输出情况。这就为太 阳能电池光伏发电的研究获取了许多宝贵的数据，节省了研究周期与研究经费， 极大的促进了太阳能光伏发电的发展。可以说在太阳能光伏发电技术并未成熟且 研究困难较大的情况下，使用太阳能电池光伏阵列模拟器来解决这些问题是一种 非常实用的方法。在我国中科院电工所、浙江大学、华中科技大学等科研机构都 开始了光伏模拟器的研究，也取得了不错的成果。相信光伏模拟器技术的突破必 将使光伏发电的研究迅猛发展。精选文档可修改可编辑4光伏发电系统光伏发电的

55、特点光伏发电是利用太阳能电池将太阳能转换成电能， 太阳能电池是光电转换的 最基础的单元，将这种基础单元进行串联组合就能做成太阳能电池组件，将太阳能电池组件进一步串并联组合就构成了太阳能光伏阵列，满足负载用电的需求 18 o太阳能光伏发电能够在全世界受到重视并且发展迅速这与太阳能的以下几个特点分不开：（1）太阳能取之不尽，用之不竭。太阳辐射到地球表面的太阳能 大约为1.071014GWM,完全可以满足全球能源需求，可以说是一种无限的能源。（2）太阳能无污染。光伏发电没有其它发电的各种污染，有利于生态环境， 可以说是人类现阶段所发现的最清洁的能源。（3）资源分布广。太阳能光伏发电 不受地域影响，太

56、阳能全球分布，无需运输，从理论上讲全球任何地方都能进行 光伏发电。（4）建设周期短、建造灵活、维护简单。光伏发电系统可以将各个组 件灵活的用并联以达到使用需求， 所以建设周期短。而太阳能光伏发电系统的组 件可以与建筑、沙漠等结合建造灵活。而且太阳能发电所用的太阳能不用付费， 维护主要在于维护太阳能电池，维护简单、费用低廉。可以说太阳能光伏发电能够兼顾经济与环保， 如果开发出成熟的太阳能发电 技术必将解决世界上面临的能源与环境问题。光伏发电系统的几种结构（1）离网光伏发电系统不于公共电网相连接的太阳能光伏发电系统叫做离网光 伏发电系统，这种系统输出功率提供给本地负载（交流负载或直流负载）。其主要

57、应用于远离公共电网 的无电地区和一些特殊场所，如为公共电网难以覆盖的边远偏僻农村、海岛和牧 区提供照明、看电视、听广播等基本生活用电，也可为通信中继站、气象站和边 防哨所等特殊处所提供电源190离网光伏发电系统更合适与微电网相结合， 每一个离网光伏发电系统都可以 看做一个孤岛运行状态的微电网，可以很好的保证为系统下的用户提供合格的电精选文档可修改可编辑能，且不会被大电网的负荷所影响精选文档可修改可编辑如下图4-1所示为一种常见的离网光伏发电系统，该系统由太阳能电池阵列、DC/DC变换器、蓄电池组、DC/AC逆变器和交直流负载构成。DC/DC变换器将太阳能电池阵列转化的电能传送给蓄电池组存储起来

58、供日照不足时使用。 蓄电 池组的能量直接给直流负载供电或经 DC/AC变换器给交流负载供电。该系统由于 有蓄电池组，因而系统成本增加，但可在无日照或日照不足时为负载供电图4-1 离网光伏发电系统结构框图(2)并网光伏发电系统 与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏 发电系统。并网光伏发电系统将太阳能电池阵列输出的直流电转化为与电网电压同幅、同频、同相的交流电，并实现与电网连接，向电网输送电能。它是太阳能光伏发电进入大规模 商业化发电阶段、成为电力工业组成部分之一重要方向， 是当今世界太阳能光伏 发电技术发展的主流趋势。一般的并网发电系统如图4-2所示，包括太阳能电池阵列、DC/D3换

59、器、 控制器、逆变器。将太阳能电池控制系统和民用电网并联，当太阳能电池输出电能不能满足负载要求时，由电网来进行补充。而当其输出的功率超出负载需求时， 将电能输送到电网中。这样的系统可以在中间加入储能装置， 这样可以保证系统 功能更稳定可靠。精选文档可修改可编辑电图图4-2并网光伏发电系统结构框图直流微电网在光伏发电系统中的应用一直以来，因占地面积大等问题对光伏发电系统的发展造成了很大的限制。而小规模的光伏发电从建设到并网等都需要很高的造价，因此将直流微电网技术与光伏发电系统结合起来是相当有必要的。 将一个地区的小规模光伏发电看做是 微源形成微电网，进行统一的调度、管理，这样一来不管是微电网离网

60、运行还是 并网运行，对该地区的电能供应都能更加保质保量。从 4.2的两种不同微电网不 难看出，离网型微电网的孤岛运行状态也容易面临长时间阴雨天而造成的日照不 足等问题，并网型微电网则是经过逆变器逆变后再并入大电网，这些过程都会有很高的能量损耗。如果将直流微电网技术应用到这些光伏发电系统中，有以下几点好处：（1）电能的产生运输更加节能环保。 直流微电网技术在世界范围内的应用更多的应用在新能源等方向，直流微电网相比较其余几种电网方式电流的变换过程更少更加节能。将直流微电网技术与光伏发电结合必将形成一种更为节能环保的电能产生-运输的方式。（2）电能的调度使用更加高效灵活。将光伏发电看做微电网的微源，