并网式太阳能光伏发电控制系统设计

并网式太阳能光伏发电控制系统设计摘要太阳能光伏发电系统以其诸多的优点受到人们的广泛关注。本文讨论并网式太阳能光伏发电控制系统的原理及组成，在介绍太阳能、升压电路、逆变电路的特点根底上，详细描述了太阳能光伏发电系统的工作原理和设计方案。这里根据太阳能控制器的要求与特点，提出了一种基于最大功率跟踪控制系统即MPPT技术的太阳能智能控制的设计方法。全文分四大局部。第一局部,包括第一章，描述太阳能的利用和前景开展状况，系统总介绍。第二章，包括第二局部，描述太阳能光伏发电系统组成及工作原理。第三局部，包括第三章，介绍升压电路及MPPT。第四章，包括第四局部，介绍逆变电路。这也是全面并网式太阳能发电控制系统的理论根底和必要前提。关键词：光伏发电;太阳能电池组件;升压电路;逆变电路;MPPTTheincorporationtypesolarenergylightbendsdowntheelectricitygenerationcontrolsystemdesignAbstractThesolarenergylightbendsdownthegeneratingsystemtoreceivepeople'swidespreadattentionbyitsmanymerits.Thisarticlenarratestheincorporationtypesolarenergylighttobenddowntheelectricitygenerationcontrolsystemprincipleandthecomposition,intheintroductionsolarenergy,theboostedcircuit,inthecontravariantelectriccircuitcharacteristicfoundation,describedthesolarenergylighttobenddownindetailthegeneratingsystemprincipleofworkandthedesignproposal.Hereaccordingtothesolarenergycontrollertherequestandthecharacteristic,proposedonekindbasedonthemaximumworkratefollow-upcontrolsystemistheMPPTtechnologysolarenergyintelligencecontroldesignmethod.Fulltextminutefourmajorpart.Thefirstpart,includingthefirstchapter,thedescriptionsolarenergyuseandtheprospectdevelopmentcondition,thesystemalwaysintroduced.Secondchapter,includingthesecondpart,thedescriptionsolarenergylightbendsdownthegeneratingsystemcompositionandtheprincipleofwork.Thethirdpart,includingthethirdchapter,introducestheboostedcircuitandMPPT.Fourthchapter,includingfourthpart,introductioninversionelectriccircuit.Thisalsoisthecomprehensiveincorporationtypesolarenergyelectricitygenerationcontrolsystemrationaleandtheprerequisite.KeyWords：Thelightbendsdowntheelectricitygeneration;Solarcellmodule;Boostedcircuit;Contravariantelectriccircuit;MPPT目录1绪论41.1太阳能光伏发电的概况及市场分析41.2太阳能光伏发电系统的应用及意义51.3系统总体结构设计62太阳能光伏发电组件的组成及原理72.1太阳能光伏阵列的输入输出特性72.1.1硅光电池的工作原理72.1.2光伏阵列72.1.3硅光伏电池的电特性82.2光伏电池的外特性113Boost电路及采用Boost电路实现MPPT技术的控制133.1boost电路器件选择及原理133.2Boost升压结构特性分析143.3采用Boost电路实现MPPT技术的控制及器件的选择16采用Boost电路实现MPPT技术的控制16干扰观测法跟踪控制174逆变电路184.1逆变电路的根本工作原理18换流方式分类19结束语21参考文献221绪论1.1太阳能光伏发电的概况及市场分析太阳能光伏发电系统以其诸多的光伏发电是根据光生伏打效应原理，利用太阳电池将太阳光能直接转化为电能。不管是独立使用还是并网发电，光伏发电系统主要由太阳电池板〔组件〕、控制器和逆变器三大局部组成，它们主要由电子元器件构成，不涉及机械部件，所以，光伏发电设备极为精炼，可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲，光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合，上至航天器，下至家用电源，大到兆瓦级电站，小到玩具，光伏电源可以无处不在。目前，光伏发电产品主要用于三大方面：一是为无电场合提供电源，主要为广阔无电地区居民生活生产提供电力，还有微波中继电源等，另外，还包括一些移动电源和备用电源；二是太阳能日用电子产品，如各类太阳能充电器、太阳能路灯和太阳能草地厂各种灯具等；三是并网发电，这在兴旺国家已经大面积推广实施。我国并网发电还未起步，不过，2002年北京“绿色奥运〞局部用电以由太阳能发电和风力发电提供。据可靠资料，2007年全球太阳能电池产量已到达3436MW，较2006年增长了56%，中国厂商市场占有率由2006年的20%提升至35%。为配合西部大开发，我国政府实施了“阳光方案〞、“乘风方案〞和“光明工程〞等，利用太阳能发电和风力发电为解决西部广阔无电地区农牧民生活生产用电，这一工程配套资金20多亿人民币。我国光伏发电产品的市场主要在西部，另有局部产品出日，如组件、小系统和日用太阳能电子产品等。近几年，中国的光伏产业迅速崛起，涌现了一大批优秀企业。但是国内太阳能电池晶片产量还远远不能满足需求，许多厂家进日大量电池片封装组件。目前，中国已是世界太阳能光伏电池三大生产国之一，但90％的光伏产品都出口到国外。国内太阳能光伏的应用也主要集中在农村电气化和离网型太阳能光伏产品，真正并网型的太阳能光伏市场远未形成。虽然太阳能光伏发电产业受制于发电本钱高需光照要求复杂，选择地日光辐射情况适当，转化率很低等因素，但太阳能光伏发电产业增长迅速，不仅因为它是具有许多优点的清洁能源，一个更诱人的动因是，在太阳能与建筑一体化的过程中，太阳电池组件比太阳能热水器与建筑更有亲合力。太阳电池组件不仅可以作为能源设备，还可作为屋面和墙面材料，既供电节能，又节省了建材，国外己有非常好的案例。因此，太阳能光伏发电技术与建筑结合方面，将具有良好的经济效益，前途无限。1.2太阳能光伏发电系统的应用及意义太阳是一个巨大、久远、无尽的能源。尽管太阳辐射到地球大气层的能量仅为其总辐射能量〔约为3.75×1026W〕的22亿分之一，但已高达173,000TW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于500万吨煤。下列图是地球上的能流图。从图上可以看出，地球上的风能、水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及局部潮汐能都是来源于太阳；即使是地球上的化石燃料〔如煤、石油、天然气等〕从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能，所以广义的太阳能所包括的范围非常大，狭义的太阳能那么限于太阳辐射能的光热、光电和光化学的直接转换。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。人类对太阳能的利用有着悠久的历史。我国早在两千多年前的战国时期就知道利用钢制四面镜聚焦太阳光来点火；利用太阳能来枯燥农副产品。开展到现代，太阳能的利用已日益广泛，它包括太阳能的光热利用，太阳能的光电利用和太阳能的光化学利用等。而随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。国外现状世界各国，尤其兴旺国家对21世纪的能源问题都特别关注。1973年，美国制定了政府级阳光发电方案；1980年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投资达8亿多美元；1994年度的财政预算中，光伏发电的预算达7800多万美元，比1993年增加了23．4％；1997年美国和欧洲相继宣布"百万屋顶光伏方案"，美国方案到2023年安装1000～3000MW太阳电池。日本不甘落后，1997年补贴"屋顶光伏方案"的经费高达9200万美元，安装目标是7600Mw。据权威专家估计，如果实施强化可再生能源的开展战略，到下世纪中叶，可再生能源可占世界电力市场的3/5，燃料市场的2/5。在世界能源结构转换中，太阳能处于突出位置。美国的马奇蒂博士对世界一次能源替代趋势的研究结果说明，太阳能将在21世纪初进入一个快速开展阶段，并在2050年左右到达30%的比例，次于核能居第二位，21世纪末太阳能将取代核能居第一位。壳牌石油公司经过长期研究得出结论，下一世纪的主要能源是太阳能；日本经济企划厅和三洋公司合作研究后那么更乐观地估计，到2030年，世界电力生产的一半将依靠太阳能。正如世界观察研究所的一期报告所指出：正在兴起的“太阳经济〞将成为未来全球能源的主流。国内现状，煤炭巨量消费已成为我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、风能、生物质能、地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源，开发利用前景广阔。太阳能光伏发电应用始于70年代，真正快速开展是在80年代。在1983年一1987年短短的几年内先后从美国、加拿大等国引进了七条太阳电池生产线，使我国太阳电池的生产能力从1984年以前的年产200千瓦跃到1988年的4．5兆瓦。目前太阳电池主要应用于通信系统和遥远无电县、无电乡村、无电岛屿等遥远偏辟无电地区，年销售约1.1兆瓦，成效显著。1.3系统总体结构设计图1由上图可知，整个系统包含太阳能光伏打效应转换，直流升压及MPPT最大功率跟踪技术，直交流逆变三个主要环节。系统主要工作过程如下：太阳能电池阵列组件接收太阳光能转换成电信号，输出400V电压，由24块输出为17.2V的硅光电池板串联而成，升压电路将400V电压升至直流800V，再由逆变器将直流800V电压转化为交流220V交流电压。本文将讲述以上过程及原理。2太阳能光伏发电组件的组成及原理2.1太阳能光伏阵列的输入输出特性2.1.1硅光电池的工作原理导体PN结在受到光照射时能产生电动势的效应，叫光伏打效应。硅光电池就是利用光伏打效应将光能直接换成电能的半导体器件。硅光电池等效于一个PN结，在不通的光照条件下可以在PN结两端产生电动势。硅光电池的结构很简单，核心局部是一个大面积的PN结。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。例如，国产2CR型硅光电池在100mW/cm2的入射光强下，开路电压(需用高内阻的直流毫伏计测量)为450～600mV，短路电流为16～30mA，转换效率为6％～12％。光照可以使薄薄的P型区产生大量的光生载流子。这些光生电子和空穴，会向PN结方向扩散。扩散过程中，一局部电子和空穴复合消失，大局部扩散到PN结边缘。在结电场的作用下，大局部光生空穴被电场推回P型区而不能穿越PN结；大局部光生电阻却受到结电场的加速作用穿越PN结，到达N型区。随着光生电子在N型区的积累及光生空穴在P型区的积累，会在PN对的两侧产生一个稳定的电位差，这就是光生电动势。当光电池两端接有负载时，将有电流流过负载，起着电池的作用。2.1.2光伏阵列图2.1.2在实际运行中，按照所需要的功率等级和电压等级可以将假设干单个光伏电池串并联组成光伏阵列。考虑整个光伏阵列的模型时对实际情况加以简化，如图〔b〕所示串联光伏电池的等效电路模型。其输出电压为单个光伏电池的输出电压的N倍〔N为光伏阵列中串联的电池的个数〕，输出功率亦为单个光伏电池的输出功率的N倍。但当光伏阵列串联电池个数大于2时，光伏阵列的参数与单个光伏电池关系将不是倍数关系，其值发生了相应的变化。2.1.3硅光伏电池的电特性〔1〕等效电路光伏电池之等效电路的理想形式和实际形式分别如图图光伏电池之等效电路的理想形式和实际形式其中，为光生电流。值正比于光伏电池的面积和入射光的辐射度。1光伏电池的值均为16～30mA。环境温度的升高，值也会略有上升，一般来讲温度每升高1℃，值上升78。为暗电流。无光照下的硅型光伏电池的根本行为特性就类似于一个普通二极管。所谓暗电流指的是光伏电池在无光照下，光伏电池结自身所能产生的总扩散电流的变化情况。为光伏电池输出的负载电流。为电池的开路电压。所谓输出电压，是把光伏电池置于100mW/的光源照射下，且光伏电池输出两端开路〔〕时所测得的输出电压值。光伏电池的开路电压与入射光辐照度的对数成正比，与环境温度成反比，与电池面积的大小无关。温度每上升1℃，值约下降2～3mV。该值一般用高内阻的直流毫伏计测量。单晶硅光伏电池的开路电压一般为500mV左右，最高可达690mV。为电池的外负载电阻。为串联电阻。一般小于1。它主要有电池的体电阻、外表电阻、电极导体电阻、电极与硅外表间接触电阻和金属导体电阻等组成。为旁路电阻。一般为几千欧姆。它主要是由电池外表污浊和半导体晶体缺陷引起的漏电流所对应的结泄漏电阻和电池边缘的漏电阻等组成。和均为硅型光伏电池本身固有电阻，相当于光伏电池的内阻。一个理想的光伏电池，因串联的很小、并联的很大，所以进行理想电路计算时，它们都可忽略不计。致使理想的等效电路只相当于一个电流为的恒流源与一个二极管并联〔如下图2.1.3a〕。此外硅型光伏电池等效电路还应包括由结形成的结电容和其他分布电容。由于光伏电池是直流设备，通常没有高频交流分量，因此这些电容也可以忽略不计。由上述定义，可列出光伏电池等效电路中各变量的方程式如下：=〔2.1〕=－－=－－〔2.2〕=〔2.3〕=〔2.4〕其中，光伏电池内部等效二极管的结反向饱和电流。它与该电池材料自身性能有关，反映了光伏电池对光生载流子最大的复合能力。一般它是常数，不会受光照强度的影响。为电池的短路电流。所谓短路电流是指将光伏电池置于标准光源的照射下，在输出短路(=0)时流过光伏电池两端的电流。测量短路电流的方法是，用内阻小于1欧的电流表接到光伏电池的两端进行测量。为等效二极管的端电压。q为电子电荷，。为玻尔兹曼常量，。T为绝对温度。A为结的曲线常数。弱光条件下，因远小于，使得=；而强光条件下，因因远大于，又使得=。由此可见，当太阳光较弱时，硅型光伏电池的开路电压随光的强度呈近似线性的变化，而当太阳光较强时，那么随光的强度呈对数关系变化。硅型光伏电池的开路电压一般在0.5～0.58V之间理想形式下〔；〕的等效电路的方程为=－－－〔2.5〕〔2〕光伏电池的伏安特性曲线图光伏电池的伏安特性曲线通过曲线图可以看到，光伏电池在光照下的输出电流和输出电压均与太阳辐射的通量密度成正比的关系。也就是说，不同的光照强度条件下可得到不同的特性曲线。光伏电池输出伏安特性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。在较高电压区域内，该电源具有低内阻特性，可以视为一系列不同等级的电压源；而在较低电压区域内，该电源又具有高电阻特性，可以视为一系列不同等级的电流源。在光照强度不变的情况下，它的功率输出具有极大值，出现在电压源与电流源的交点处，并且如果假设电池温度不变，这个极大值将随光照强度的增强或降低而增加或降低。在这个极大值点的两侧，光伏电池的功率输出都在零与极大值之间连续变化。换言之，对于同样的功率输出，电源可以用作电压源，接电压型的负载，也可以用作电流源，接电流型的负载。〔3〕输出功率根据功率定义式P=UI，设定P为不同的常数，代入U和I，便可在光伏电池输出伏安特性曲线图上做出一系列的等功率曲线，如下图，图中右上角的三条曲线〔例如〕。在实际中，必有唯一的一条功率曲线与光伏电池输出伏安特性曲线相切，该功率曲线便代表着光伏电池在当前当照强度下的最大输出功率，该切点称为最正确工作点M。从原点引出的交于M点的直线为最正确负载线，=；M点对应的电流值为最正确输出电流，对应的电压值为最正确输出电压；由和得到的矩形几何面积也是该特性曲线所能包揽的最大面积，成为光伏电池的最正确输出功率或最大输出功率,图功率特性曲线2.2光伏电池的外特性光伏电池工作环境的多种外部因素，如光照强度、环境温度、粒子辐射等都会对电池的性能指标带来影响，而且温度的影响和光照强度的影响还同时存在。〔1〕光谱响应分析光伏电池的光谱响应，通常是讨论它的相对光谱响应，其定义是，当各种波长以一定等量的辐射光子束入射到光伏电池上，所产生的短路电流与其中最大短路电流相比拟，按波长的分布求其比值变化曲线即为相对光谱响应。而绝对光谱响应指的是，当各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到光伏电池上，将产生不同的短路电流。对于不同波长的入射太阳光之不同波长光分量，硅型光伏电池有不同的灵敏度，能够产生光生伏特效应的太阳辐射波长范围一般在0.4～1.2左右的范围内，不管是波长小于0.4太阳光分量辐射，还是波长大于1.2的太阳光分量辐射，都不能使硅型光伏电池产生光生电流；而硅型光伏电池光谱响应最大灵敏度在0.8～0.95之间。〔2〕温度特性和光照特性研究和实验说明，太阳能电池工作温度的升高会引起短路电流的少量增加，并引起开路电压发生严重降低。温度变化对于开路电压的影响之所以大，是因为开路电压直接同制造电池的半导体材料的禁带宽度有关，而禁带宽度会随温度的变化而发生变化。对于硅材料，开路电压变化率约为℃。也就是说，电池的工作温度每升高1℃，开路电压约下降2。随着温度的升高，电池的光电转换效率会下降。实验测得，开路电压随光照强度的升高呈对数比例增加；短路电流和输出功率均与光照强度成正比。温度特性光照特性曲线〔3〕负载特性在图〔a〕中列出了无外加偏压的光伏电池电路在不同光照强度〔和〕下的两条伏安特性曲线。有图可见，对于同一负载，在不同的入射光照下，输出可以是恒流的〔点〕，也可以是恒压的〔点〕。而在同一光照强度下，改变负载大小，也可使输出改成恒流形式或恒压形式。对于负载的变化，可通过光伏发电控制系统来完成。图(a)负载特性曲线图(b)负载特性曲线由上所述，光伏电池的输出电压和输出电流都和负载电阻大小有关。图〔b〕中列出了光伏电池各个电参数和负载之间的关系曲线。如下图，光伏电池的输出电流与输出电压和负载电阻之间都不是线性关系，输出电流随负载电阻的增大而减小，输出电压随负载电阻的增大而增大。只有在负载匹配的情况下=，才能获得最大的输出功率，这时的光电转换效率也最高。〔4〕温度特性温度的变化会显著改变太阳能电池的输出性能。由半导体物理理论可知，载流子的扩散系数随温度的升高而稍有增大，因此，光生电流也随温度的升高有所增加。但光伏电池输出的负载电流随温度的升高是指数增加，因而开路电压随温度的升高急剧下降。光电转换效率随温度的增加而下降。3Boost电路及采用Boost电路实现MPPT技术的控制3.1boost电路器件选择及原理下面分析开关闭合和断开的情况下与输出电压的关系以及电感电流连续状态下器件的选择。图3.1Boost电路图为输入电压，为输出电压，为负载电流，电感量为L，开关频率为48KHz，开关周期为，导通时间为=,断开时间为=。为导通时间占空比，为断开时间占空比，它们各自小于1，连续状态时+=1。在输入输出电压不变前提下分析，当开关管导通时，电感电流线性上升，其电流增量为=〔3.1〕当开关管断开时，电感电流线性下降，其增量为=〔3.2〕由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等=||，所以=〔3.3〕简化得电压增益M===〔3.4〕可知电压增益总是大于1。当导通时间占空比越大时，电压增益越大，当值趋近于1时，输出电压将趋于无穷大，即电路失控。亦可推证临界电感=〔3.5〕本设计中以24块并联的额定电压为17.2V额定电流为4.2A的太阳能电池作为输入，阵列输出400V，采用Boost电路进行升压控制，要求Boost电路工作于电感电流连续状态。3.2Boost升压结构特性分析Boost升压电路，可以工作在电流断续工作模式(DCM)和电流连续工作模式(CCM)。CCM工作模式适合大功率输出电路，考虑到负载到达10%上时，电感电流需保持连续状态，因此，按CCM工作模式来进行特性分析。Boost拓扑结构升压电路根本波形如下图。图Boos升压电路根本波形时，开关管S为导通状态，二极管D处于截止状态，流经电感L和开关管的电流逐渐增大，电感L两端的电压为，考虑到开关管S漏极对公共端的导通压降即为，。时通过L的电流增加局部满足式(3.13)。〔3.13〕式中：为开关管导通时的压降和电流取样电阻上的压降之和。时，开关管S截止，二极管D处于导通状态，储存在电感L中的能量提供应输出，流经电感L和二极管D的电流处于减少状态，设二极管D的正向电压为，时，电感L两端的电压为，电流的减少局部满足式(3.14)。(3.14)式中：为整流二极管正向压降，快恢复二极管约0.8V，肖特基二极管约0.5V。在电路稳定状态下，即从电流连续后到最大输出时，=，由式(3.13)和(3.14)可得〔3.15〕因占空比D=，即最大占空比，=〔3.16〕如果忽略电感损耗，电感输入功率等于输出功率，即〔3.17〕由式(3.16)和式(3.17)得电感器平均电流(3.18)同时由式(3.13)得电感器电流纹波〔3.19〕式中：f为开关频率。为保证电流连续，电感电流应满足(3.20)考虑到式(3.18)、式(3.19)和式(3.20)，可得到满足电流连续情况下的电感值为L(3.21)另外，由Boost升压电路结构可知，开关管电流峰值为二极管电流峰值为电感器电流峰值，(3.22)开关管耐压(3.23)储能电感根据输入电压和输出电压确定最大占空比。由式(3.16)得3.3采用Boost电路实现MPPT技术的控制及器件的选择3.3.1采用Boost电路实现MPPT技术的控制为了提高光伏电池的光电转换效率，使光伏电池始终保持最大功率输出，就要进行最大功率跟踪〔MPPT：MaxPowerPointTracking〕。本文采用Boost电路来实现最大功率跟踪，其电路组成如图Boost电路及其驱动Boost电路中占空比的不同，对光伏阵列而言表现为其输出阻抗发生了变化，输出阻抗的变化将影响光伏阵列的输出特性。从而一定的输出阻抗对应一个输出电压值和输出电流值。而MPPT技术既是通过调节Boost电路的占空比，而改变光伏阵列的输出阻抗，即可寻求输出电流与输出电压的乘积即输出功率的最大值。由Boost电路实现MPPT技术时，光伏阵列的输出电压低于蓄电池的端电压，才能实现较好的调节。当光伏阵列的输出电压高于蓄电池端电压时，Boost电路需停止工作，光伏阵列对蓄电池直接充电Boost电路可以始终工作在输入电流连续的状态下，只要输入电感足够大，那么电感上的纹波电流小到接近平滑的直流电流。另外，Boost电路电路非常简单，因为功率开关管一端接地，其驱动电路设计更为方便图电流采样电路本系统采用单片机C8051F330控制，输出WM信号，根据采样的电路中电流电压的值来进行调节PWM信号的占空比。采样电压由光伏阵列输出电压分压得到，其采样值应小于5V，以防烧坏单片机的I/O口。采样电流由图电路完