【文章內容簡介】 力，不與電網連接，畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 7 直接向負載供電。主要應用于部隊通信系統(tǒng)，衛(wèi)星通信，鐵路公路信號系統(tǒng)，氣象、地震臺站等偏遠地區(qū) 。鑒于我國邊遠山區(qū)多，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)有著廣闊的發(fā)展市場 。 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)由太陽電池組件陣列、充放電控制器、逆變器、蓄電池組等組成。與并網不同的是，為保證負載供電的連續(xù)性，獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)必須配置儲能設備（蓄電池組）。 其具體的工作原理是：白天在太陽光的照射下，光伏陣列將接收的太陽輻射能量（直流電流）通過控制器一部分傳送到逆變器轉換成交流電，一部分經過充放電控制器以后以化學能的形式存儲在蓄電池中。當太陽光不足時，存儲 在蓄電池中的能量經過逆變器后變成方波或 SPWM 波，然后再經過濾波和工頻變壓器升壓后變成交流 220V、 50Hz 的正弦電源供給交流負載使用。其運行結構框圖 如圖 圖 獨立光伏 發(fā)電系統(tǒng)有其優(yōu)點也有不足。優(yōu)點是簡單、經濟、靈活、適用范圍廣泛； 不足之處在于蓄電池的使用壽命遠遠小于光伏組件壽命，因此需要經常更換，而且用電可靠性差，管理控制分散，一般用于用電量小，分散性大的用電負荷。 并網光伏發(fā)電系統(tǒng) 太陽能并 網光伏發(fā)電系統(tǒng)就是太陽電池陣列中的半導體材料在接收到太陽光輻射時 產生的“光伏效應”，將太陽光輻射能直接轉換為電能。無需蓄電池儲能，直接通過并網逆變器把電能送上電網運行。 由電網進行管理控制，像一個發(fā)電廠連接到國家電網的發(fā)電方式，是電網的補充。 其運行模式是在太陽輻射的條件下，光伏組件陣列輸出地電能經過直流匯流太陽能電池板 DC/DC 蓄電池 直流負載 控制器 逆變器 交流負載 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 8 箱集中送入直流配電柜，經過 DC/AC 并網逆變器 轉換后并入電網。 并網系統(tǒng)中PV 方陣所 產生的電力除了供給交流負載外，多余的電力回饋給電網。 在太陽光不足的時候，光伏 組件產生的電能或者產生的電能不能滿足負載需求是就由電網供電。 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)結構如圖 。 圖 目前常用的并網光伏發(fā)電系統(tǒng)具有兩種結構形式，其不同之處在于是否帶有蓄電池作為儲能環(huán)節(jié)。帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為可調度式并網光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)中逆變器配有主開關和重要負載開關，使得系統(tǒng)具有不間斷電源的作用，這對于一些重要負荷甚至某些家庭用戶來說具有重要意 義 。 此外，該系統(tǒng)還可以充當功率調節(jié)器的作用，穩(wěn)定電網電壓、抵消有害的高次諧波分量從而提高電能質量。不帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為不可調度式并網光伏發(fā)電系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，并網逆變器將太陽能電池板產生的直流電能轉化為和電網電壓同頻、同相的交流電能，當主電網斷電時，系統(tǒng)自動停止向電網供電。 現(xiàn)在，世界光伏發(fā)電系統(tǒng)的主流應用方式是光 伏并網發(fā)電方式，與離網太陽能發(fā)電相比，并網發(fā)電系統(tǒng)有其獨特之處。 首先它利用清潔干凈的能源，而且是可再生能源，使用中不排放無污染物和溫室氣體，有利于生態(tài)環(huán)境的和諧發(fā)展，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn) 略。 其次，所發(fā)的多余電能 饋入 電網，把電網 當 作 儲能裝置，省掉了蓄電池，比離網光伏發(fā)電 在經濟建設上減少了 35%到 45%的投資，大大降低了發(fā)電成本，更太陽能電池板 DC/DC 逆變器 電網 交流負載 控制器 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 9 重要的是，省掉蓄電池之后，降低了系統(tǒng)平均故障時間，也杜絕了蓄電池的二次污染。 再者，光伏電池組件可以與建筑物完美結合，既可以發(fā)電又能作為建筑材料和裝飾材料，是物質資源充分利用，發(fā)揮了多種功能。分布式的建設，就地分散供電，進入和退出電網靈活自如，既增強了電力系統(tǒng)抵御戰(zhàn)爭和自然災害的能力，又改善了電力系統(tǒng)的符合平衡。 不足之處就是只有在晴朗的白天才能比較穩(wěn)定提供電力，一旦沒有了日照，就會導致發(fā)電量下降，干擾電網。 互補型光伏發(fā)電系統(tǒng) 風 /光互補光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列、風力發(fā)電機、控制器、逆變器、蓄電池組 、耗能負載箱、支架等組成 [6]。太陽能和風能在時間和地域上有很強的互補性。白天太陽光強的時候，風小，晚上太陽落山后，光照弱，但由于地表溫差大而風加強。在季節(jié)上，風光也有同樣的互補效果。而且，風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)在蓄電池和逆變器環(huán)節(jié)上是可通用的。 風 / 光互補型發(fā)電系統(tǒng)結構如圖 所示。 其具體工作原理 ：風力發(fā)電機經整流后與太陽電池組件產生的直流電流通過控制器一部分傳送到逆變器轉化成交流電，一部分對蓄電池充電；當風力小陽光不足或夜間的時候，蓄電池通過直流控制系統(tǒng)向逆變器送電，經逆變器轉化為交流電供交流負載使用 [4]。 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 10 第三章 光伏發(fā)電系統(tǒng)建模及其仿真 光伏電池陣列的建模 光伏電池陣列的數學模型 太陽能電池的基本特性可以用其電流和電壓的關系曲線來表示，電流、電壓之間的關系又是通過其他一系列參變量來表示的。特別是與太陽能電池表面的日照強度和電池溫度等有關。 理想的光伏電池等效電路如圖 . 圖 光伏電池等效電路 由串并聯(lián)電阻、二極管、光生電流源組成。 ?????是光生電流，當光照恒定時，由于光生電流不隨光伏電池的工作狀態(tài)而變化，因此可以等效為恒流源。在光伏電池的兩端接 上 負載后，負載端電壓反作用于 PN 結上，產生與光生電流方向相反的電流 RS 表示 電池中 電流受到的阻礙作用，其數值取決于 PN結深度、半導體材料的純度和接觸電阻。串聯(lián)電阻越大，線路損失越大，光伏電池輸出效率越低 。旁 路電阻 ?????與電池對地的泄漏電流成反比 [5]。 光伏陣列的輸出電壓、電流關系式如下： ?? = ????? ????? (????(??+??????)?????? ?1) ???+??????????? (31) 式中 : 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 11 A 為二極管的理想因子 ， 玻爾茲曼常數ｋ＝ *1023J/K ,q=*1019C,為電子的電荷量 。 θ 為溫 度 ,Rsh 和 RS 為并聯(lián)和串聯(lián)電阻 。 由于光生電流 ?????與光伏電池的瞬間光照強度 ETP 成正比增加，并且當取 298K(25)為溫度零點時， ?????隨溫度的增高將產生 +%的變化 [3]。由此可得： ????? = 10?3??????[1 +(?? ?298)] (32) 假定 ??????=100Mw/cm2,整個裝置的溫度比氣溫高出 30℃ 。得出裝置溫度表達式： ?? = ???? +?????? 1000 (33) 由以上式建立方程組，可得出光伏陣列的理想輸出特性。 根據光伏組件的等效電路建立 simulink 仿真 模型，如圖 （ 1） 為光伏組件的封裝模型 圖 ， 圖 （ 1）光伏電池封裝模型圖 上圖中 T 為 電池 溫度， R為光照強度， VPV， Iout分別為光伏陣列的輸出電壓和輸出電流。這是光伏組件的通用封裝模型，在模塊內部輸入不同的參數即可模擬出不同條件下的 IV 和 PV 特性。 如圖 （ 2）為光伏組件 輸出特性 仿真 模型 圖。 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 12 圖 (2)太陽能光伏組件仿真模型 利用 MATLAB 環(huán)境對光伏電池的模型進行仿真，此時光強為 100Mw/cm2,大氣溫度為 25℃ 。如圖 ，曲線 1 為光伏陣列輸出電壓 電流特性的仿真結果，曲線 2 是光伏陣列的輸出功率 電壓特性仿真結果。 (1) (2) 圖 光伏陣列的輸出特性曲線 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 13 光強和溫度 對光伏電池輸出結果的影響 （ 1） 光照強度為 1000W/m2時， 溫度為 25℃時，仿真得到的光伏電池單元的輸出特性如圖 圖 當光伏電池被遮擋時，理論上，與光照強度直接相關聯(lián)的光生電流將明顯下降，從而光伏電池的短路電流也相應下降。但其開路電壓基本不變。 輸出功率會下降。 仿真驗證：光強為 500W/m2,溫度為 25℃ 圖 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 14 由圖可以看出，光照強度下降了一半， 短路電流也相應下降了一半，而開路電壓基本不變。由此可得出， 當 1 個電池組件中的某個電池單元被遮擋，最直接的影響是該電池的輸出能力下降，表現(xiàn)為短路電流下降 。 （ 2） 從數學模型中可以看出光伏電池的輸出特性也受到 溫度的影響，為了驗證推理的正確性，在上圖的仿真環(huán)境下，設定在相同光照條件下，改變 電池 溫度，觀察輸出特性的變化，仿真結果如圖 所示。 圖 相同光照下，不同溫度光伏電池的輸出特性 太陽光光照強度模型 光伏發(fā)電系統(tǒng)常年位于一個地方，光伏電池陣列所接收到的光照強度受各種外界因素的影響，如地理條件，天氣變化地球緯度等。下文主要研究和模擬固定地方一天內的光照強度的變化。一般來說，固定地方一天內的光照強度 可視為滿足一定分布規(guī)律的隨機變量。根據實際測驗結果分析，一天內的光照強度變化曲線近似為正態(tài)分布曲線。 舉例來說，例如內蒙地區(qū)的光照強度在早上 6： 00達到光伏發(fā)電系統(tǒng)工作的最低要求， 而 在下午 13:0014:00 達到一天光照強度最強，在傍晚 5:30 又降到光 伏發(fā)電系統(tǒng)工作的最低要求。對于一天內的光照強度可以模擬為：早上六點以分段的線性增長，此時系統(tǒng)開始運轉，到下午 13點到 14 點達到最大值，之后以分段的線性遞減至 5點 半 到最小值，此時整個系統(tǒng)停止運轉。 為了方便研究，對各段加以一定的函數，考慮干擾因素（陰影，云等），取方畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 15 差 （標幺值）。根據經驗，最適合的分布類型應為 Beta 分布，這是一種在（ 0,1）之間的連續(xù) 分布 函數 ，其概率密度分布為 [3] ????,?? = 1??(??,??)?????1(1 ???)???1 (34) 其中 m,n 為正數，規(guī)則化因子 B(m,n)是 Euler 的 B 函數，取值滿足下式 ??(??,??)∫ ?????110 (1 ???)???1???? = ??(??)??(??)??(??,??) (35) 其中 Γ （ .）為 gamma 的函數， m,n 的取值因地制宜，考慮到仿真的時候 m,n 難確定，并且 Beta分布序列生成較難，可采用加以改進的正態(tài)分布代替 Beta分布。 確定了光 照強度隨機變量的分布，均值和方差，即可仿真，得到光照強度模型如圖 ： 圖 內蒙古地區(qū)一天內光照強度變化曲線 光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型 主電路中，除電力電子器件外，還包括電阻，電感，電容，變壓器等線性器件，這些器件的模型較簡單，主電路的數學模型一半不需要用戶建立，用戶更多的是建立自己可視性的主電路圖即可。 畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 16 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型 圖 為光伏并網發(fā)電系統(tǒng)的結構示意圖 [19]，整體結構由前級升壓變換器，后級全橋變換器，負載 RLC,前后級控制器組成。光伏電池陣列輸出的 電能，經升壓變換器升壓并汲取最大功率后，利用全橋逆變器將直流電能轉換為交流電能饋入電網；另外，加上 RLC 負載，模擬電力系統(tǒng)上的用戶端等效負載，作為 檢測孤島效應 。 圖 光伏并網發(fā)電系統(tǒng)結構圖 了解并掌握了主電路元器件模型后，即可搭建光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型，以并網單相光伏發(fā)電系統(tǒng)為例。 如圖 圖。 圖 逆變器主電路模型 在 simulink 中完成原理圖搭建，并對所有的器件的參數進行合理設定，則完畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 17 成了該光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型的建立。 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路的模型 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路圖如下 ： 圖 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路圖 離網型光伏發(fā)電系統(tǒng) 采用恒壓跟蹤 CVT 方式實現(xiàn)對太陽能電池的最大功率跟蹤，可有效提高 光伏電池的工作效率，同時也改善了整個系統(tǒng) 的工作性能。由圖可知，主電路拓撲結構為 BUCK型變換器，利用脈沖寬度調節(jié)來控制主電路 IGBT的占空比，以改變對蓄電池的充電電流，由此 實現(xiàn)對太陽能電池的恒壓跟蹤，使太陽能電池的輸出功率接近最大功率。 CVT 跟蹤方式的具體內容在下文中會詳細介紹。 畢業(yè)設計說明書