【正文】 光伏并網(wǎng)條件與并網(wǎng)電路原理 光伏陣列的輸出電能與通用電網(wǎng)實現(xiàn)同步并網(wǎng)的關(guān)鍵是要求輸出的正弦交流電與電網(wǎng)電壓同頻同相。由圖 47(a)中可以看出系統(tǒng)大約在 時達到最大功率穩(wěn)定點；圖 47(b)、(c)為光伏電池輸出電壓 ()、電流 ()，且均在廠家給出參數(shù)的波動范圍內(nèi)；圖 47(d)為 Boost 變換器輸出電壓，約 ，與 相比，升壓后大約放大 倍。但是對硬件要求特別是傳感器的精度要求比較高，系統(tǒng)各個部分響應(yīng)速度都要求比較快，因而整個系統(tǒng)的硬件造價會比較高。 擾動觀測法的流程圖如圖 43 所示。 下面對經(jīng)典的干擾觀測法簡述如下：光伏系統(tǒng)控制器在每個控制周期用較小的步長改變光伏陣列的輸出，改變的步長是一定的，方向可以是增加也可以是減小的，控制對象可以是光伏陣列輸出電壓或電流，這一過程稱為“干擾”；然后通過比較干擾周期前后光伏陣列的輸出功率，如果輸出功率增加，那么繼續(xù)按照上一周期的方向繼續(xù)“干擾”過程，如果檢測到輸出功率減小，則改變“干擾”的方向。這種方法可以減少起始階段對遠離最大功率點區(qū)域搜索所造成的功率損 失。 恒定電壓法 由上一章節(jié)可知，當光伏陣列的輻照強度大于某一定值且溫度變化不大時，光伏陣列輸出特性曲線上最大功率點基本分散在一條豎直直線的兩邊。 ABab????特性曲線1負載曲線2負載曲線1特性曲線2UI0 圖 41 MPPT 基本原理示意圖 為便于說明，圖 41 給出了光伏陣列工作于不同輻照強度條件下的兩組輸出特性曲線 IU， A 點和 B 點分別為特性曲線 1 和特性曲線 2 的最大功率輸出點。 C 7 5 186。 在特定的太陽光照強度下，太陽能電池板的輸出電壓直接受到環(huán)境溫度的影響，太陽能電池在不同的溫度下的 IV 特性曲線如圖 36所示： 電 流I / A電 壓 U / V0 186。 根據(jù)太陽能電池等效電路和電子學(xué)理論，太陽能電池的電流方程可以用下式表示： shsssc R IRUA K TIRUqIII ?????? }1])({ e x p [0 (31) 式中： I —— 太陽能電池輸出電流， A； q —— 電子電荷常數(shù)，為 ?? ； 0I —— 反向飽和電流， A； A —— 常數(shù)因子 (正偏電壓大時 A值為 1，正偏電壓小時 A 值為 2)； K —— 波爾茲曼常數(shù)， KJ / 23?? ； T —— 絕對溫度， K。這就是 PN結(jié)太陽能電池發(fā)電的基本原理?，F(xiàn)將半導(dǎo)體太陽能電池的發(fā)電過程概括成如下 4點： 上。 4． 薄膜太陽能電池 指用單質(zhì)元素、無機化合物或有機材料制成的薄膜為基體材料的太陽能電 池。下面按照材料進行分類并且加以介紹。另外，由于環(huán)境污染的影響，特別是空氣中的顆粒物灰塵降落在光伏電池板上，從 而阻擋了陽光的照射，減少了光線的投入量，進而減少了光電的轉(zhuǎn)換。由于光電轉(zhuǎn)換效率太低，從而使光伏發(fā)電功率密度低，難以形成高功率發(fā)電系統(tǒng)。當光伏陣列產(chǎn)生的電能不能滿足負載需求的時候，可以通過其它形式的發(fā)電系統(tǒng)作為電能補充。 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng) D C / D C D C / A C交 流 負 載直 流 負 載逆 變 器升 壓 電 路光 伏 陣 列 圖 22 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 22所示。一般情況下，我們可以把光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨立型系統(tǒng)、并網(wǎng)型系統(tǒng)和混合型系統(tǒng)。同時保護蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。 2． 太陽能光伏發(fā)電的概述，簡單介紹了光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成、分類、應(yīng)用及尚存在的一些問題。 自從實用型硅太陽能電池問世以來，太陽能光伏發(fā)電很快在全球得到普及。 1980 年消費性薄膜太陽電池的應(yīng)用。 1973 年，砷化鎵太陽電池效率達 15％。同年，吉尼和羅非斯基進行材料的光電轉(zhuǎn)換 效率優(yōu)化設(shè)計；第一個光電航標燈問世。薄膜太陽能電池結(jié)構(gòu)簡單、制備成本低廉，尤其鈣鈦礦型太陽能電池由現(xiàn)成材料制成，具有廣泛的應(yīng)用前景，但該類電池的產(chǎn)業(yè)化瓶頸是光電轉(zhuǎn)化效率偏低，現(xiàn)階段的研究重點是提高其光電轉(zhuǎn)換效率。從此，光伏發(fā)電技術(shù)不斷得到提高與完善，并逐步降低開發(fā)成本，光伏發(fā)電技術(shù)進一步規(guī)范化、產(chǎn)業(yè)化，并成為當前全世界主要的綠色可持續(xù)資源之一。亨利據(jù)測算，到 2050 年和 2100 年，即使全用太陽能發(fā)電供給全球用電，占地也不過為 萬平方公里和 萬平方公里。光伏發(fā)電本身不向外界排放廢物，沒有機械噪聲，是一種理想的能源。目前，以太陽能電池技術(shù)為核心的太陽能光伏利用成為太 陽能開發(fā)利用中最重要的應(yīng)用領(lǐng)域，因為光伏發(fā)電具有以下明顯優(yōu)點： (1)結(jié)構(gòu)簡單，體積小且輕。除此之外，污染物的積累和遷移轉(zhuǎn)化還會引起多種衍 生的環(huán)境效應(yīng)，給生態(tài)系統(tǒng)和人類社會造成間接的危害。 首先，概述了國內(nèi)外太陽能光伏發(fā)電的現(xiàn)狀和發(fā)展前景，以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和分類，使我們對光伏發(fā)電系統(tǒng)建立一個總體的認識；其次，對光伏電池及其特性做了簡單介紹，分析了太陽能電池板的工作原理，得出了不同環(huán)境及不同日照強度下的太陽能電池輸出特性曲線圖，結(jié)果證明了太陽能電池的非線性；再其次，簡要的介紹了最大功率點跟蹤技術(shù)的原理及常規(guī)算法，通過 MATLAB/Simulink 對MPPT 系統(tǒng)進行了建模、仿真，并對其結(jié)果進行分析，得出相應(yīng)結(jié)論；最后，對光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的原理及控制策略做了一定的介紹，并進行了建模與仿真。 關(guān)鍵詞 ： 太陽能光伏發(fā)電 蓄電池 MATLAB 仿真 最大功率點 并網(wǎng)發(fā) 電 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 2 Abstract As a new type of green renewable energy, solar energy has advantages of large reserves, using economic, clean environmental protection, etc. Therefore, solar photovoltaic technology bees the focus of widespread concern. Improving the overall efficiency of the system has bee a priority. This article is mainly on the maximum power point tracking for solar photovoltaic power generation systems and grid system . First of all, this article introduces an overview of the current situation and development prospects of domestic solar photovoltaic power generation , as well as position and classification of photovoltaic systems , photovoltaic systems enable us to establish a general understanding of photovoltaic power generation system。例如，溫室效應(yīng)、酸雨和臭氧層的破壞就是由大氣污染衍生出的環(huán)境效應(yīng)。能獨立供電的太陽能電池組件和方陣結(jié)構(gòu)都比較簡單，輸出 50W 的晶體硅太陽能電池組件，體積約為 450mm985mm45mm，質(zhì)量為 7kg。 (5)可靠性高，壽命長，并且應(yīng)用范圍廣。 萬平方公里才占全部海洋面積的 %或全部沙漠的 %，甚至才是撒哈拉沙漠的 %。貝克勒爾 (Antoine Henri Becquerel)在實驗中意外地發(fā)現(xiàn)，當陽光照射伏打電池時，能夠產(chǎn)生額外的伏打電勢，這就是“光生伏打效應(yīng)” (photovoltaic effect)，通常簡稱為“光伏效應(yīng) ” 。 國內(nèi)研究綜述 迄今為止，太陽能光伏發(fā)電還存在一些有待攻克的弱點，例如光電轉(zhuǎn)化率低，所需光照要求復(fù)雜，成本高，最大功率跟蹤技術(shù)不完善等。中國科學(xué)院重點實驗室在無空穴傳輸材料的鈣鈦礦型薄膜太陽能電池方面研究取得了重要進展，制備的電池光電轉(zhuǎn)換效 率率先突破 10%，達到了 %，是物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 4 現(xiàn)有國內(nèi)外公開報道中的最高值。美國 RCA 研究砷化鎵太陽電池。 1974 年， COMSAT 研究所提出無反射絨 面電池，硅太陽電池效率達 18％。單晶 硅太陽電池效率達 20％，砷化鎵電池達 ％，多晶硅電池達 ％，硫化鎘電池達 ％。目前，晶體硅光伏電池仍然主導(dǎo)光伏發(fā)電市場，薄膜電池是未來太陽能電池發(fā)展物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 6 的方向。 3． 光伏電池及其特性，簡單介紹了太陽能電池的分類、基本工作原理以及太陽能電池的等效電路和輸出特性。如果用戶使用的是直流負載，通過太陽能控制器可以為負載提供穩(wěn)定的直流電 (由于天氣的原因，太陽電池方陣發(fā)出的直流電的電壓和電流不是很穩(wěn)定 )。 獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng) 獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 21所示。其特點是輸出端與公共電網(wǎng)相連接。 目前應(yīng)用比較多的就是風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)，這樣組合可以使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性比單獨的光伏發(fā)電系統(tǒng)或者風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)有了很大的提 高。并且由于對光電轉(zhuǎn)化管理不力，真正太陽能的利用率只有 50%～ 70%。 4． 制造單晶硅和多晶硅光伏電池需要消耗相當多的能源 硅是地球上各種元素中含量僅次于氧的元素，主要存在形式是沙子（ 2SiO ，二氧化硅）。 1． 硅太陽能電池 指以硅為基體材料的太陽能電池，有單晶硅太陽能電池、多晶硅太陽能電池、 非晶硅太陽能電池等 。目前主要有非晶硅薄膜太陽能電池、多晶硅薄膜太陽能電池、化 合物半導(dǎo)體薄膜太陽能電池、納米晶薄膜太陽能電池、微晶硅薄膜太陽能電池等。 ，激發(fā)出非平衡載流子 (光生載流子 )一一電子一空穴對。如圖 31所示： ++++++++————————+—+—光 子 入 射N 型 區(qū) P 型 區(qū)內(nèi) 建 電 廠光 子 入 射 圖 31 光生伏打效應(yīng)原理圖 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 13 太陽能電池的等效電路 太陽能電池的等效電路如圖 32 所示： scI oI sRshR IU 圖 32 光照時太陽能電池的等效電路 其中： scI :是短路電流，就是將太陽能電池置于標準光源的照射下，在 輸出端短路時，流過太陽能電池兩端的電流。 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 14 通常情況下，一個理想的太陽能電池，串聯(lián)電阻 sR 很小，而并聯(lián)電阻 shR 很大。 C2 5 186。 C 圖 37 不同溫度下太陽能電池板的 PV 特性曲線 由圖 37可以看出太陽能電池具有負溫度系數(shù)。假設(shè)光伏系統(tǒng)某一時刻工作在 A 點，當輻照強度變化時，光伏系統(tǒng)的輸出特性 由特性曲線 1 上升為特性曲線 2。如果將光伏陣列輸出電壓控制在最大功率點電壓的附近，光伏陣列將輸出近似的最大功率，這種控 制方法稱之為恒定電壓法 CVT(Constant Voltage Tracking)。 恒定電壓法示意圖如圖 42 所示。這樣， 光伏陣列的實際工作點就能逐漸接近當前最大功率點，則最終在其附近的一個較小范圍往復(fù)達到穩(wěn)態(tài)。 開 始輸出設(shè)置 PVUP計算功率檢 測 光 伏 陣 列輸 出 電 壓 、 電流保 持 擾 動 方 向 改 變 擾 動 方 向P P _ o l dP _ o l d = P是否 圖 43 擾動觀察法流程圖 電導(dǎo)增量 法 電導(dǎo)增量法 (Incremental Conductance)也是一種常用的 MPPT 控制算法，是從光伏系統(tǒng)輸出功率隨輸出電壓變化率而