【正文】 I0dI/dU=
I/UdI/dU
I/U否是是是否否否否是是 圖 45 電導(dǎo)增量法流程圖 將上式整理后得： UIdUdI ?? (44) 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 式中： dI 表示增量前后測(cè)量到的電流差值 dV 表示增量前后測(cè)量到的電壓差值 在實(shí)際應(yīng)用中，可以通過(guò)判斷 (dI/dU+I/U)的值來(lái)判定光伏系統(tǒng)是否處于最大功率點(diǎn)。這種 MPPT 控制算法最大的優(yōu)點(diǎn)是在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，光伏陣列輸出電壓能以平穩(wěn)的方式跟蹤其變化，而且穩(wěn)態(tài)的振蕩也比擾動(dòng)觀測(cè)法小。 在工業(yè)化國(guó)家的大多數(shù)地區(qū)，可以將通用電網(wǎng)作為備用電源，不必再用昂貴的蓄電池貯能，還可將太陽(yáng)能電池陣列過(guò)剩的電力賣(mài)出，并入通用電網(wǎng)。 為保證送入電網(wǎng)為單位功率因數(shù)，并入電網(wǎng)的電流 I 的相位須與電網(wǎng)電壓的相位保持一致 。它把一個(gè)國(guó)家某個(gè)地區(qū)、全國(guó)甚至跨國(guó)的所有發(fā)電廠與用戶聯(lián)系起來(lái)。本模型在仿真分析時(shí)， MPPT 模塊部分采用電導(dǎo)增量法。 電導(dǎo)增量法通過(guò)比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來(lái)改變控制信號(hào)。但在應(yīng)用干擾觀測(cè)法的光伏系統(tǒng)中， 母線電容會(huì)影響MPPT 算法對(duì)天氣變化引起的光照強(qiáng)度波動(dòng)的響應(yīng)速度。這種控制算法一般也采用功率反饋，即使兩個(gè)傳感器對(duì)直流母線電流及其兩端的電壓分別采樣。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以做進(jìn)一步簡(jiǎn)化，故主要應(yīng)用在簡(jiǎn)單光伏發(fā)電系統(tǒng)中如小型太陽(yáng)能草坪燈、獨(dú)立太陽(yáng)能照明系統(tǒng)等方面。 MPPT 常規(guī)跟蹤算法 MPPT 的本質(zhì)上是一個(gè)自尋優(yōu)過(guò)程，通過(guò)控 制輸出端電壓或其它參數(shù)量，使得光伏陣列在不同的溫度和輻照強(qiáng)度下均能夠輸出最大功率。因此，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，要提高系統(tǒng)的整體效率，一個(gè)重要的途徑就是實(shí)時(shí)調(diào)整光伏電池的工作點(diǎn)，使之始終工作在最大功率點(diǎn)附近，這一過(guò)程就稱為最大功率點(diǎn)跟蹤。 功 率P / W電 壓 U / V0 186。該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的功率稱為最大功率點(diǎn)功率 mP ，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓稱為最大功率點(diǎn)電壓 mU ，該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流稱為最大功率點(diǎn)電流 mI ： mP = mI mU (34) 太陽(yáng)能電池的 IV特性曲線對(duì)于分析太陽(yáng)能電池非常重要，由圖可以看出太陽(yáng)能電池是一個(gè)既非恒壓源又非恒流源的非線性直流電源。 oI 為通 過(guò) PN結(jié)的總擴(kuò)散電流。 當(dāng)太陽(yáng)光 (或其他光 )照射到 PN結(jié)時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)的原子由于獲得了光能而釋放電子，相應(yīng)地便產(chǎn)生了電子一空穴對(duì)，并在勢(shì)壘電場(chǎng)的作用下，電子被驅(qū)向 N型區(qū)，空穴被驅(qū)向 P 型區(qū)，從而使 N區(qū)有過(guò)剩的電子， P區(qū)有過(guò)剩的空穴，于是就在 PN 結(jié)的附近形成了與勢(shì)壘電場(chǎng)方向相反的光生電場(chǎng)。 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 太陽(yáng)能電池的基本工作原理 太陽(yáng)能電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種 固態(tài)器件。非晶硅太陽(yáng)電池存在的問(wèn)題是光電轉(zhuǎn)換率偏低，目前效率一般在 6%左右。 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 第三章 光伏電池及其特性 太陽(yáng)能電池陣列是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的裝置，是光伏系統(tǒng)的重要組成部分，它決定了光伏系統(tǒng)的發(fā)電量。 20xx 年單、雙晶硅光伏電池組件的價(jià)格約為 36～ 40 元 / pW ，相比于目前的火力和水力發(fā)電，光伏發(fā)電的成本約為后者的 6～ 20倍。光伏發(fā)電效率指的是光能轉(zhuǎn)化為電能的比率。 其工作原理為：首先通過(guò)光伏陣列將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，再通過(guò)逆變器將光伏陣列產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)換為和電網(wǎng)相位、頻率都相同的交流電，并將所產(chǎn)生的電能并入電網(wǎng)。當(dāng)負(fù)載消耗大于當(dāng)前光伏陣列產(chǎn) 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 D C / D C D C / A C交 流 負(fù) 載直 流 負(fù) 載蓄 電 池逆 變 器升 壓 電 路光 伏 陣 列 圖 21 獨(dú)立型光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 生的電能，那么光伏陣列和蓄電池同時(shí)對(duì)負(fù)載供電。當(dāng)日照量小時(shí)，這部分儲(chǔ)存的能量將逐步放出。一套基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是由太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)能控制器、逆變器和蓄電池 (組 )構(gòu)成。各種晶體硅電池技術(shù)發(fā)展情況如下： （ 1）澳大利亞新南威爾士大學(xué)多晶硅電池效率突破 %； （ 2）舊本京都陶瓷公司多晶硅電池效率達(dá)到 %； （ 3）澳大利亞新南威爾士大學(xué)高效單晶硅電池效率己達(dá) %； （ 4）德國(guó) ASE 公司片狀 晶體硅電池效率為 %； （ 5）美國(guó) Astro Power(AP)公司的帶狀多晶硅電池效率為 %； （ 6）舊本三洋公司的 HIT 晶體 /非晶硅復(fù)合電池效率達(dá) 18%； （ 7）美國(guó)、日本、德國(guó)多晶硅鑄錠 240kg/爐，已能規(guī)?；a(chǎn)。 1997 年，單晶硅光伏電池效率達(dá) 25％。 1978 年美國(guó)建成 100KW 光伏電站，隨后太陽(yáng)能效率不斷提高，其中 1980 年單晶硅太陽(yáng)能電池效率達(dá)到 20%，多晶硅為 %。 1960 年，太陽(yáng)能首次實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。 1941 年，奧爾在硅上發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng)。商品非晶硅光伏電池組件的轉(zhuǎn)換效率為 4%— 6%。弗里茨 (Charles Fritts)開(kāi)發(fā)出第一塊以硒材料為基礎(chǔ)的太陽(yáng)能電池。現(xiàn)已提出用微波束、激光束傳輸?shù)确桨浮７植际焦夥l(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)將可能是今后住宅和辦公用電的主要模式。如遇風(fēng)雨天，只需檢查太陽(yáng)電池表面是否被粘污、接線是否可靠、蓄電池電壓是否正常即可。 太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)與利用 1． 太陽(yáng)能的優(yōu)勢(shì) 太陽(yáng)能作為一種新型的綠色可再生能源，與其他新能源相比利用最大 ，是最理想的可再生能源。而我國(guó)化石能源的儲(chǔ)量情況更加嚴(yán)峻，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 20xx 屆） 題 目 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究 學(xué) 院 物理電氣信息學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程與自動(dòng)化 年 級(jí) 10級(jí) 學(xué)生學(xué)號(hào) 學(xué)生姓名 指師教師 20xx年 5月 10日 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 摘 要 太陽(yáng)能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲(chǔ)量大、利用經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。在本世紀(jì)初進(jìn)行的關(guān)于世界化石 能源儲(chǔ)量的調(diào)查研究數(shù)據(jù)顯示：以當(dāng)前人類的能源消耗速度，石油還可以開(kāi)采約 40 年，煤炭為 22 年，天然氣為 61 年。改善現(xiàn)階段的能源結(jié)構(gòu)，大規(guī)模開(kāi)發(fā)利用一些可再生的清潔能源已成為了解決能源問(wèn)題的主要方向。 (3)維護(hù)簡(jiǎn) 單，使用方便。 太陽(yáng)能發(fā)電雖受晝夜、晴雨、季節(jié)的影響，但可以分散的進(jìn)行，所以它適于各家各戶分別進(jìn)行發(fā)電，而且可以連接到供電網(wǎng)絡(luò)上，使得各個(gè)家庭在電力富裕時(shí)可將其賣(mài)給電力公司，不足時(shí)又可以從電力公司買(mǎi)入。但這一方案需解決向地面無(wú)線輸電問(wèn)題。1980 年，美國(guó)科學(xué)家查爾斯商品多晶硅光伏電池組件的轉(zhuǎn)換效率 為10%— 14%。 1932 年，奧杜博特和斯托拉制成第一塊“硫化鎘”太陽(yáng)電池。 1959 年，第一個(gè)單晶硅太陽(yáng)能電池問(wèn)世。 同年，多晶硅太陽(yáng)電池效率達(dá) 10％。 1995 年，高效聚光砷化鎵太陽(yáng)電池效率達(dá) 32％。論實(shí)驗(yàn)室效率，單晶硅電池最高可 %，多晶硅電池最高可達(dá) %，工業(yè)化產(chǎn)品效率一般在 13%— 15%。 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第二章 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)能電池的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。在光伏發(fā)電 系統(tǒng)中，蓄電池處于浮充放電狀態(tài)，當(dāng)日照量大時(shí)，除了供給負(fù)載用電外，還對(duì)蓄電池充電 。當(dāng)光伏陣列的發(fā)電量大于存儲(chǔ)在蓄電池中。而輸電側(cè)的并網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)一般安裝在沙漠地區(qū)。 光伏發(fā)電尚存在的問(wèn)題 目前，光伏發(fā)電仍存在下列幾個(gè)主要問(wèn)題 : 1． 光伏陣列發(fā)電效率低 光伏陣列是光伏發(fā)電的最基本元件。 2． 系統(tǒng)造價(jià)成本高 由于光伏發(fā)電效率低，要發(fā)出足夠的電則需要許多光伏電池板。 5． 其他因素 由于太陽(yáng) 光存在著間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的特點(diǎn)，因此發(fā)電受外界環(huán)境的影響較大。非晶硅太陽(yáng)電池對(duì)太陽(yáng)光的吸收系數(shù)大，因而非晶硅太陽(yáng)電池可以做得很薄，通常是單晶硅或多晶硅電池的五百分之一，所以制作非晶硅太陽(yáng)電池資源消耗少?？? 間太陽(yáng)能電池的主要要求是耐輻射性好、可靠性高、光電轉(zhuǎn)換效率高、功率面積 比和功率質(zhì)量比優(yōu)等。 PN結(jié)的兩側(cè)引出電極，并接上負(fù)載，則在外電路中即有光生電流通過(guò)，從而獲得功率輸出，這樣太陽(yáng)能電池就把太陽(yáng)能 (或其他光能 )直接轉(zhuǎn)換成了電能。開(kāi)路電壓值隨著光照強(qiáng)度的升高而升高。當(dāng)調(diào)節(jié)負(fù)載電阻 R到某一值時(shí)，太陽(yáng)能輸出功率為最大值，此工作點(diǎn)即為太陽(yáng)能電池最大功率點(diǎn)。 C 圖 36 不同溫度下太陽(yáng)能電池板的 IV 特性曲線 由上圖可以看出在一定的光照強(qiáng)度下，隨著溫度的變化，太陽(yáng)能電池板輸出電壓變化比較大，輸出電流變化比較小，隨著溫度的增加，輸出電壓在減小， 輸出電流在增加。在一定的光照強(qiáng)度和環(huán)境溫度下，光伏電池可以工作在不同的輸出電壓，但是只有在輸出某一電 壓值時(shí)，光伏電池的輸出功率才能達(dá)到最大值，這是光伏電池的工作點(diǎn)就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點(diǎn)，稱之為最大功率點(diǎn) (Maximum Power Point, MPP)。同理，如果輻照強(qiáng)度的變化使得特性由曲線 2 下降至曲線 1，則相物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 對(duì)應(yīng)的工作點(diǎn)會(huì)由 B 變化到 b 點(diǎn)，而實(shí)際情況應(yīng)該是使負(fù)載特性曲線由負(fù)載 2改變至負(fù)載 1，以保證光伏系統(tǒng)在輻照強(qiáng)度發(fā)生變化情況下仍然可以運(yùn)行于最大功率點(diǎn) A。 1 002 03 04 05 05 1 0 1 5 2 0恒 壓 控 制最 大 功 率 跟蹤 軌 跡6 0P / WU / V 圖 42 恒定電壓法示意圖 恒定電壓法本質(zhì)上為一開(kāi)環(huán)的 MPPT 控制算法，其控制容易，實(shí)現(xiàn)快速且最物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 為方便。其原理是每隔一定的時(shí)間增加或減少電壓，并觀測(cè)其后的功率變化方向，來(lái)決定下一步的控制信號(hào)。 絕大部分光伏發(fā)電系統(tǒng)，不論其拓?fù)淙绾巫專紩?huì)在光伏陣列輸出上并聯(lián)一個(gè)較大的電容，這個(gè)電容可以作為光伏陣列輸出的濾波器，減小后置電力電子變換裝置導(dǎo)致的開(kāi)關(guān)諧波。當(dāng)其值為零時(shí)，表明此時(shí)系統(tǒng)處于最大功率點(diǎn)處；當(dāng)其值為正數(shù)時(shí)，表明系統(tǒng)此時(shí)處于最大功率點(diǎn)的左側(cè)；當(dāng)其值為負(fù)數(shù)時(shí)，表明系統(tǒng)此時(shí)處于最大功率點(diǎn)的右側(cè)。 仿真分析 搭建光伏陣列的最大功率點(diǎn)跟蹤控制模型，如圖 46 所示， 圖 46 MPPT 仿真模型 為使得仿真結(jié)果便于分析，仿真中光伏電池的參數(shù)設(shè)置如下：短路電流，開(kāi)路電壓 22V，峰值電流 ，峰值電壓 ，其標(biāo)準(zhǔn)功率約為 140W。對(duì)于光伏中心發(fā)電站來(lái)說(shuō)，并網(wǎng)是很自然的事情；對(duì)于小型的、以住宅為基本單元的系統(tǒng)并網(wǎng)用經(jīng)濟(jì)上考慮也有吸引力，這樣，通用電網(wǎng)在某種意義上充當(dāng)了光伏電能的貯存媒介。若以電網(wǎng)電壓 U2 為零相位，則 I 與 U2 同相位，由于純電阻并不改變電壓與電流的相位差，因此等效電阻 R 上的電壓 UR與電網(wǎng)電壓相位是一致的，但由于電抗器 L 的電感性，使