【文章內(nèi)容簡介】 向負載供電。主要應(yīng)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(wǎng)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(shè)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(zhuǎn)換成交流電，一部分經(jīng)過充放電控制器以后以化學(xué)能的形式存儲在蓄電池中。當(dāng)太陽光不足時，存儲在蓄電池中的能量經(jīng)過逆變器后變成方波或 SPWM 波，然后再經(jīng)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(jié)構(gòu)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(jīng)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(jīng)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(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng) 太陽能并 網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)就是太陽電池陣列中的半導(dǎo)體材料在接收到太陽光輻射時 產(chǎn)生的“光伏效應(yīng)”，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能。無需蓄電池儲能，直接通過并網(wǎng)逆變器把電能送上電網(wǎng)運行。 由電網(wǎng)進行管理控制，像一個發(fā)電廠連接到國家電網(wǎng)的發(fā)電方式，是電網(wǎng)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(jīng)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(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 8 箱集中送入直流配電柜，經(jīng)過 DC/AC 并網(wǎng)逆變器 轉(zhuǎn)換后并入電網(wǎng)。 并網(wǎng)系統(tǒng)中PV 方陣所 產(chǎn)生的電力除了供給交流負載外，多余的電力回饋給電網(wǎng)。 在太陽光不足的時候，光伏 組件產(chǎn)生的電能或者產(chǎn)生的電能不能滿足負載需求是就由電網(wǎng)供電。 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 目前常用的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)具有兩種結(jié)構(gòu)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(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于此系統(tǒng)中逆變器配有主開關(guān)和重要負載開關(guān)，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(dāng)功率調(diào)節(jié)器的作用，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、抵消有害的高次諧波分量從而提高電能質(zhì)量。不帶有蓄電池環(huán)節(jié)的并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)稱為不可調(diào)度式并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，并網(wǎng)逆變器將太陽能電池板產(chǎn)生的直流電能轉(zhuǎn)化為和電網(wǎng)電壓同頻、同相的交流電能，當(dāng)主電網(wǎng)斷電時，系統(tǒng)自動停止向電網(wǎng)供電。 現(xiàn)在，世界光伏發(fā)電系統(tǒng)的主流應(yīng)用方式是光伏并網(wǎng)發(fā)電方式，與離網(wǎng)太陽能發(fā)電相比，并網(wǎng)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(wǎng)，把電網(wǎng) 當(dāng) 作 儲能裝置，省掉了蓄電池，比離網(wǎng)光伏發(fā)電 在經(jīng)濟建設(shè)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(wǎng) 交流負載 控制器 畢業(yè)設(shè)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(jié)合，既可以發(fā)電又能作為建筑材料和裝飾材料，是物質(zhì)資源充分利用，發(fā)揮了多種功能。分布式的建設(shè)，就地分散供電，進入和退出電網(wǎng)靈活自如，既增強了電力系統(tǒng)抵御戰(zhàn)爭和自然災(zāi)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(dǎo)致發(fā)電量下降，干擾電網(wǎng)。 互補型光伏發(fā)電系統(tǒng) 風(fēng) /光互補光伏發(fā)電系統(tǒng)由光伏電池陣列、風(fēng)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(fēng)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(fēng)小，晚上太陽落山后，光照弱，但由于地表溫差大而風(fēng)加強。在季節(jié)上，風(fēng)光也有同樣的互補效果。而且，風(fēng)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(fēng) / 光互補型發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 所示。 其具體工作原理：風(fēng)力發(fā)電機經(jīng)整流后與太陽電池組件產(chǎn)生的直流電流通過控制器一部分傳送到逆變器轉(zhuǎn)化成交流電，一部分對蓄電池充電；當(dāng)風(fēng)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(jīng)逆變器轉(zhuǎn)化為交流電供交流負載使用 [4]。 畢業(yè)設(shè)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(shù)學(xué)模型 太陽能電池的基本特性可以用其電流和電壓的關(guān)系曲線來表示，電流、電壓之間的關(guān)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(guān)。 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(dāng)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(jié)上，產(chǎn)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(shù)值取決于 PN結(jié)深度、半導(dǎo)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(guān)系式如下： ?? = ????? ????? (????(??+??????)?????? ?1)? ??+??????????? (31) 式中 : 畢業(yè)設(shè)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(shù)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(dāng)取 298K(25)為溫度零點時， ?????隨溫度的增高將產(chǎn)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(jù)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(nèi)部輸入不同的參數(shù)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(shè)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(jié)果，曲線 2 是光伏陣列的輸出功率 電壓特性仿真結(jié)果。 (1) (2) 圖 光伏陣列的輸出特性曲線 畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 13 光強和溫度 對光伏電池輸出結(jié)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(dāng)光伏電池被遮擋時，理論上，與光照強度直接相關(guān)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(yīng)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(shè)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(yīng)下降了一半，而開路電壓基本不變。由此可得出， 當(dāng) 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(shù)學(xué)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(shè)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(jié)果如圖 。 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(nèi)的光照強度的變化。一般來說，固定地方一天內(nèi)的光照強度 可視為滿足一定分布規(guī)律的隨機變量。根據(jù)實際測驗結(jié)果分析，一天內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)。 為了方便研究，對各段加以一定的函數(shù)，考慮干擾因素（陰影，云等），取方畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 15 差 （標(biāo)幺值）。根據(jù)經(jīng)驗，最適合的分布類型應(yīng)為 Beta分布，這是一種在（ 0,1）之間的連續(xù) 分布 函數(shù) ，其概率密度分布為 [3] ????,?? = 1??(??,??)?????1(1???)???1 (34) 其中 m,n 為正數(shù)，規(guī)則化因子 B(m,n)是 Euler 的 B函數(shù)，取值滿足下式 ??(??,??)∫ ?????110 (1???)???1???? = ??(??)??(??)??(??,??) (35) 其中 Γ （ .）為 gamma 的函數(shù)， 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(nèi)蒙古地區(qū)一天內(nèi)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(shù)學(xué)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(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 16 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的主電路模型 圖 為光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 [19]，整體結(jié)構(gòu)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(jīng)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(zhuǎn)換為交流電能饋入電網(wǎng)；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(yīng) 。 圖 光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(wǎng)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(shù)進行合理設(shè)定，則完畢業(yè)設(shè)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(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)的主電路的模型 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路圖如下 ： 圖 離網(wǎng)型光伏發(fā)電系統(tǒng)主電路圖 離網(wǎng)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(jié)構(gòu)為 BUCK型變換器，利用脈沖寬度調(diào)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(nèi)容在下文中會詳細介紹。 畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文） 18 第四章 光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制技術(shù) 光伏發(fā)電 MPPT 技術(shù)