【正文】 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 。而光伏陣列的輸出電流是直流電，因此必須要有相應(yīng)的DCDC 變換和 DCAC 變換。因 此，將光伏陣列發(fā)出的電能輸送到電網(wǎng)是具有十分重要的意義。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。 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)。 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 24 第五章 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)的研究 光伏發(fā)電并網(wǎng)的必要性 與孤立運行的的太陽能光伏電站相比，并入大電網(wǎng)可以給太陽能光伏發(fā)電帶來諸多好處。 05 01 0 01 5 00 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1時 間 t / s功率P/W081 60 . 0 2 0 . 0 4 0 . 0 6 0 . 0 8 0 . 1時 間 t / s電壓U/V2 01 24 (a)系統(tǒng)輸入、輸出功率 (b)光伏陣列輸出電壓0480 .0 2 0 .0 4 0 .0 6 0 .0 8 0 .1時 間 t/s電流I/A6202 04 00 .0 2 0 .0 4 0 .0 6 0 .0 8 0 .1時 間 t/s電流I/A3 01 0 (c)光伏陣列輸出電流 (d) Boost 變換器輸出電壓 圖 47 標(biāo)準(zhǔn)狀況下光伏系統(tǒng) MPPT 仿真結(jié)果 圖中系統(tǒng)輸入功率和輸出功率分別表示光伏陣列的輸出功率和負載上的功 率。本模型在仿真分析時， MPPT 模塊部分采用電導(dǎo)增量法。這種 MPPT 控制算法最大的優(yōu)點是在光照強度發(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。電導(dǎo)增量法的控制流 程圖如圖 45 所示。電導(dǎo)增量法控制精確，響應(yīng)速度比較快，適應(yīng)于大氣條件變化較快的場合。 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。 光伏系統(tǒng)工作在最大功率點情況下，系 統(tǒng)輸出功率為 P=UI (42) 將式 (42)兩邊對光伏陣列輸出電壓 U 求導(dǎo)，故 dUdIUIdUdP ?? (43) 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 21 1 02 03 04 05 06 0d P / d U = 0d P / d U 0d P / D u 00 1 0 1 5 2 05 2 5 U / VP / W 圖 44 光伏陣列 PU 特性及 dP/dU 變化示意圖 開始檢測光伏陣列輸出電壓Un、電流In結(jié)束Ur=Ur?UUr=Ur+?UUr=Ur+?UUr=Ur?UUb=Un Ib=IndU=0dI=0dI0dI/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 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。 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變化的角度，來推導(dǎo)系統(tǒng)工作于最大功率點時的電導(dǎo)和電導(dǎo)變化率之間的關(guān)系，從而提出的 MPPT 算法。 缺點為： ④ 只能在光伏陣列最大功率點附近振蕩運行，導(dǎo)致一定功率損失； ⑤ 跟蹤步長對跟蹤精度和響應(yīng)速度無法兼顧； ⑥ 在特定情況下會出現(xiàn)判斷錯誤情況。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度波動的響應(yīng)速度。較好的折衷方案是控制器能夠根據(jù)光伏陣列當(dāng)前的工作點選擇合適的步長，例如，當(dāng)已經(jīng)跟蹤到最大功率點附近時采用小步長。這樣， 光伏陣列的實際工作點就能逐漸接近當(dāng)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)。而且穩(wěn)態(tài)情況下，這 種算法會導(dǎo)致光伏陣列的實際工作點在最大功率點附近小幅震蕩，因此會造成一定的功率損失；而光照發(fā)生快速變化時，跟蹤算法可能會失效，判斷得到錯誤的跟蹤方向。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。O)是目前光伏發(fā)電系統(tǒng)中 MPPT 控制最常用的算法之一。 恒定電壓法示意圖如圖 42 所示。實際應(yīng)用中，一般可以先采用恒定電壓法來快速的接近最大功率點附近，再結(jié)合其他算法進一步搜索較為精確的最大功率點。在實際工程應(yīng)用中，可以做進一步簡化，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。與光伏陣列的開路電壓 Uoc之間存在近似的線性關(guān)系，即 Umpp=kUOC (41) 其中， k 的值取決于光伏陣列的特性，一般 k 的取值大約在 左右。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)。其中，前三種方法在實際應(yīng)用中較為常見，本章節(jié)主要介紹該三種算法。 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度下均能夠輸出最大功率。為了能夠跟蹤到最大功率點，可將負載特性曲線由負載 1 改變至負載 2，從而保證系統(tǒng)仍然處于新條件下的最大功率點 B。假設(shè)光伏系統(tǒng)某一時刻工作在 A 點，當(dāng)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。這樣就可以在光伏發(fā)電系統(tǒng)因結(jié)溫升高而使得陣列輸出功率降低時，仍可以保證整個系統(tǒng)在當(dāng)前工況下運行于最佳的匹配狀態(tài)。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。 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 17 第四章 最大功率點跟蹤技術(shù) 通過第三章的分析可知，光伏陣列輸出特性具有非線性特征，并且其輸出受光照強度、環(huán)境溫度和負載情況影響。 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)。 C5 0 186。 功 率P / W電 壓 U / V0 186。 C 7 5 186。 C2 5 186。 2/1000 mW2/800 mW2/600 mW2/400 mW功 率P / W電 壓 U / V 圖 35 不同光照強度下的 PV 曲線 由圖 35可以看出，在一定的溫度下，隨著太陽光照強度的增加，太陽能 電 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 16 池板輸出的功率也在增加。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。與曲線上的任一點相對應(yīng) 的橫坐標(biāo)、縱坐標(biāo)即為太陽能電池的工作電壓和工作電流。 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。 shR 為并聯(lián)電阻，是電池邊緣漏電或者耗盡區(qū)內(nèi)的復(fù)合電流引起的。 oI 為通 過 PN結(jié)的總擴散電流。 U 為太陽能電池的輸出值，當(dāng)太陽能電池兩端開路時，太陽能電池輸出的電壓值為開路電壓 nrU ，與太陽光輻射強度有關(guān)系，而與電池板面積的大小沒有關(guān)系。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(biāo)準(zhǔn)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。當(dāng)接外電路時，便有電能輸出。 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。 PN結(jié)內(nèi)建電場的作用下，電子一空穴對被分離，電子集中在一邊，空穴集中到一邊，在 PN 結(jié)兩邊產(chǎn)生異性電荷的積累，從而產(chǎn)生光生電動勢，即光生電壓。 ，激發(fā)出非平衡載流子 (光生載流子 )一一電子一空穴對。所謂光生伏打效應(yīng)，簡單地說，就是當(dāng)物體受到光照時，其體內(nèi)的電荷分布狀態(tài)發(fā)生變化而產(chǎn)生電動勢和電流的一種效應(yīng)。 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。地面太陽能電池又可分為電源太陽能電池和消費品用太陽 能電池兩種。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。 3． 有機半導(dǎo)體太陽能電池 指用含有一定數(shù)量的碳一碳鍵且導(dǎo)電能力介于金屬和絕緣體之間的半導(dǎo)體 材料制成的太陽能電池。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。多晶硅電池成本 比單晶硅低，單片電池也可以做得比較大，效率比單晶硅電池低。 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 。 太陽能電池的分類 太陽能電池多為半導(dǎo)體材料制造，發(fā)展至今，己經(jīng)種類繁多，形式多樣。 物理電氣信息學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計 11 第三章 光