【正文】 I0dI/dU=
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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 22 式中： dI 表示增量前后測量到的電流差值 dV 表示增量前后測量到的電壓差值 在實際應(yīng)用中，可以通過判斷 (dI/dU+I/U)的值來判定光伏系統(tǒng)是否處于最大功率點。這種 MPPT 控制算法最大的優(yōu)點是在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時，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)的振蕩也比擾動觀測法小。 在工業(yè)化國家的大多數(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，還可將太陽能電池陣列過剩的電力賣出，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 。它把一個國家某個地區(qū)、全國甚至跨國的所有發(fā)電廠與用戶聯(lián)系起來。本模型在仿真分析時， MPPT 模塊部分采用電導(dǎo)增量法。 電導(dǎo)增量法通過比較光伏陣列的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來改變控制信號。但在應(yīng)用干擾觀測法的光伏系統(tǒng)中， 母線電容會影響MPPT 算法對天氣變化引起的光照強(qiáng)度波動的響應(yīng)速度。這種控制算法一般也采用功率反饋，即使兩個傳感器對直流母線電流及其兩端的電壓分別采樣。在實際工程應(yīng)用中，可以做進(jìn)一步簡化，故主要應(yīng)用在簡單光伏發(fā)電系統(tǒng)中如小型太陽能草坪燈、獨立太陽能照明系統(tǒng)等方面。 MPPT 常規(guī)跟蹤算法 MPPT 的本質(zhì)上是一個自尋優(yōu)過程，通過控 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，一個重要的途徑就是實時調(diào)整光伏電池的工作點，使之始終工作在最大功率點附近，這一過程就稱為最大功率點跟蹤。 功 率P / W電 壓 U / V0 186。該點所對應(yīng)的功率稱為最大功率點功率 mP ，該點所對應(yīng)的電壓稱為最大功率點電壓 mU ，該點所對應(yīng)的電流稱為最大功率點電流 mI ： mP = mI mU (34) 太陽能電池的 IV特性曲線對于分析太陽能電池非常重要，由圖可以看出太陽能電池是一個既非恒壓源又非恒流源的非線性直流電源。 oI 為通 過 PN結(jié)的總擴(kuò)散電流。 當(dāng)太陽光 (或其他光 )照射到 PN結(jié)時，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，并在勢壘電場的作用下，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)有過剩的電子， P區(qū)有過剩的空穴，于是就在 PN 結(jié)的附近形成了與勢壘電場方向相反的光生電場。 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 12 太陽能電池的基本工作原理 太陽能電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把太陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種 固態(tài)器件。非晶硅太陽電池存在的問題是光電轉(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 11 第三章 光伏電池及其特性 太陽能電池陣列是將太陽能轉(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：首先通過光伏陣列將太陽能轉(zhuǎn)換為電能，再通過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 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對負(fù)載供電。當(dāng)日照量小時，這部分儲存的能量將逐步放出。一套基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般是由太陽能電池板、太陽能控制器、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 ASE 公司片狀 晶體硅電池效率為 %； （ 5）美國 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、日本、德國多晶硅鑄錠 240kg/爐，已能規(guī)?；a(chǎn)。 1997 年，單晶硅光伏電池效率達(dá) 25％。 1978 年美國建成 100KW 光伏電站，隨后太陽能效率不斷提高，其中 1980 年單晶硅太陽能電池效率達(dá)到 20%，多晶硅為 %。 1960 年，太陽能首次實現(xiàn)并網(wǎng)運行。 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)開發(fā)出第一塊以硒材料為基礎(chǔ)的太陽能電池?，F(xiàn)已提出用微波束、激光束傳輸?shù)确桨?。分布式光伏發(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。 太陽能的開發(fā)與利用 1． 太陽能的優(yōu)勢 太陽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。而我國化石能源的儲量情況更加嚴(yán)峻，嚴(yán)重制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 畢 業(yè) 設(shè) 計 （ 20xx 屆） 題 目 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究 學(xué) 院 物理電氣信息學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程與自動化 年 級 10級 學(xué)生學(xué)號 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 1 摘 要 太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲量大、利用經(jīng)濟(jì)、清潔環(huán)保等優(yōu)點。在本世紀(jì)初進(jìn)行的關(guān)于世界化石 能源儲量的調(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)模開發(fā)利用一些可再生的清潔能源已成為了解決能源問題的主要方向。 (3)維護(hù)簡 單，使用方便。 太陽能發(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，使得各個家庭在電力富裕時可將其賣給電力公司，不足時又可以從電力公司買入。但這一方案需解決向地面無線輸電問題。1980 年，美國科學(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”太陽電池。 1959 年，第一個單晶硅太陽能電池問世。 同年，多晶硅太陽電池效率達(dá) 10％。 1995 年，高效聚光砷化鎵太陽電池效率達(dá) 32％。論實驗室效率，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 7 第二章 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)概述 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽能電池的光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(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，除了供給負(fù)載用電外，還對蓄電池充電 。當(dāng)光伏陣列的發(fā)電量大于存儲在蓄電池中。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)電尚存在的問題 目前，光伏發(fā)電仍存在下列幾個主要問題 : 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 光存在著間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時間不斷變化的特點，因此發(fā)電受外界環(huán)境的影響較大。非晶硅太陽電池對太陽光的吸收系數(shù)大，因而非晶硅太陽電池可以做得很薄，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電池資源消耗少?？? 間太陽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，從而獲得功率輸出，這樣太陽能電池就把太陽能 (或其他光能 )直接轉(zhuǎn)換成了電能。開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，太陽能輸出功率為最大值，此工作點即為太陽能電池最大功率點。 C 圖 36 不同溫度下太陽能電池板的 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，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就達(dá)到了輸出功率電壓曲線的最高點，稱之為最大功率點 (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 18 對應(yīng)的工作點會由 B 變化到 b 點，而實際情況應(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行于最大功率點 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)上為一開環(huán)的 MPPT 控制算法，其控制容易，實現(xiàn)快速且最物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 19 為方便。其原理是每隔一定的時間增加或減少電壓，并觀測其后的功率變化方向，來決定下一步的控制信號。 絕大部分光伏發(fā)電系統(tǒng)，不論其拓?fù)淙绾巫專紩诠夥嚵休敵錾喜⒙?lián)一個較大的電容，這個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)致的開關(guān)諧波。當(dāng)其值為零時，表明此時系統(tǒng)處于最大功率點處；當(dāng)其值為正數(shù)時，表明系統(tǒng)此時處于最大功率點的左側(cè)；當(dāng)其值為負(fù)數(shù)時，表明系統(tǒng)此時處于最大功率點的右側(cè)。 仿真分析 搭建光伏陣列的最大功率點跟蹤控制模型，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，開路電壓 22V，峰值電流 ，峰值電壓 ，其標(biāo)準(zhǔn)功率約為 140W。對于光伏中心發(fā)電站來說，并網(wǎng)是很自然的事情；對于小型的、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