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1、本科毕业论文（设计）论文题目：太阳能发电系统分析与简易设计世界能源革命开始，新能源的开发与应用已成为世界各国解决能源短缺与环境保护的关键。太阳能是一种越来越受到世界各国重视的清洁能源。电力在清洁、多样化和能源结构转变中起到了积极的促进作用。本文对我国太阳能发电的发展趋势进行了分析，并对其在空间、时间上的分布进行了分析，以期对我国今后的发展有所帮助。为了减少建筑资源的浪费，提高发电的利用率，决策者可以作出未来的战略抉择和制定，这对于提高我国的太阳能利用效率有一定的现实指导作用。随着社会的不断前行,人类所需的能量需求与地球自然能源日益减少之间存在着巨大的矛盾。同时，近年来环境问题相继爆发，比如燃煤
2、和石油的污染、温室效应、空气污染和臭氧层的破坏等。为了应对这些日益严重的环境问题，我们必须认真研究如何利用环境友好的、可再生的自然资源。在这些能源中，太阳能受到了广泛的关注，并被积极地开发与应用。当前，人们使用太阳能的方式主要有光、热两种。在这几种方式中，太阳能光伏发电的灵活性更强，它的使用也更多，因为它的安装更加方便，而且维护也更容易。本论文将重点讨论离网太阳能发电系统，并对离网太阳能发电系统的设计与应用进行分析。一般将阻抗加在光伏矩阵和负载间来进行最大功率点跟踪的方法称为“最大功率点跟踪控制法”(MaximumPowerPointTracking,MPPT)。作为光伏发电系统中的核心技术，
3、相关研究人员对此提出了大量的MPPT算法，包括智能算法和传统算法。其中,传统方法因其控制简单的优势而被广泛应用，其主要方法有扰动观察法和电导法增量法。现有的算法都存在自身的优缺点，因而需要对各类算法的优缺点和适用条进行深入了解及对比分析，从而更有效地应用于光伏发电系统。随着电力电子技术的迅速发展，人们对其的关注也越来越多，太阳能光伏并网发电的发展速度也越来越快。其中，并网逆变技术的发展极大地促进了太阳能光伏并网的利用，同时也降低了发电成本。根据项目的需求，设计了一套符合需求的太阳能光伏系统，包括蓄电池的容量、光伏电池的仿真分析、控制器的功能、设计和保护功能。本方案的特点是电路简单，功能齐全，适
4、用于中小规模的光伏系统。关键词：光伏系统；控制器；最大功率点跟踪；MAT1.ABZSimuIink论文类型：工程设计AbstractAtthebeginningoftheworldenergyrevolution,thedevelopmentandapplicationofnewenergyhasbecomethekeytosolveenergyshortageandenvironmentalprotection.Solarenergyisakindofcleanenergywhichispaidmoreandmoreattentionbycountriesallovertheworld.El
5、ectricityplaysapositiveroleinpromotingclean,diversifiedandenergystructuretransformation.Inthispaper,thedevelopmenttendencyofsolarenergyisanalyzed,anditsdistributioninspaceandtimeisanalyzed,hopingtobehelpfulforthefuturedevelopmentofourcountry.Inordertoreducethewasteofbuildingresourcesandimprovetheuti
6、lizationrateofpowergeneration,thedecision-makerscanmakestrategicchoicesanddecisionsinthefuture,whichhasacertainpracticalguidanceforimprovingtheefficiencyofsolarenergyutilization.Withthecontinuousprogressofthesociety,people,shighdemandforenergyandtheearthsnaturalenergygraduallytowardsexhaustion,which
7、hascausedaseriouscontradiction.Inaddition,inrecentyears,therehavebeenseriousenvironmentalproblems,suchaspollutionfromfossilfuelssuchascoalandoil,greenhouseeffect,airpollutionandozonelayerdestruction.Peopleneedtoseriouslystudyhowtouseenvironmentallyfriendlyandrenewablenaturalresourcestocopewiththeinc
8、reasinglyseriousenvironmentalproblems.Amongtheseenergysources,solarenergyhasbeenwidelyconcernedandconcerned,andhasbeenactivelydevelopedandapplied.Atpresent,peopleusesolarenergymainlyinlightandheattwoways.Ofthese,solarphotovoltaicisthemoreflexible,anditisusedmoreoftenbecauseitiseasiertoinstallandeasi
9、ertomaintain.Thispaperwillfocusontheoff-gridsolarpowersystem,andtheoff-gridsolarpowersystemdesignandapplicationanalysis.TheapplicationpremiseoftheexistingMPPTalgorithmisthatthephotovoltaicarrayreceivesuniformillumination,buttheactualphotovoltaicarrayisblocked.Inthephotovoltaicarray.Inthispredicament
10、,thetraditionalMPPTalgorithmbasedonoptimalsinglepeakwillexposethedefectthatitisdifficulttofindtheglobaloptimal,soitisofgreatsignificanceforthestudyofbetterMPPTalgorithm.Withtherapiddevelopmentofpowerelectronicstechnologyandmoreandmoreattention,thedevelopmentofgrid-connectedsolarphotovoltaicpowergene
11、rationisalsofasterandfaster.Amongthem,thedevelopmentofgrid-connectedinvertertechnologyhasgreatlypromotedtheutilizationofgrid-connectedsolarphotovoltaic,andalsoreducedthecostofpowergeneration.Accordingtotherequirementsoftheproject,asetofsolarphotovoltaicsystemisdesignedtomeettherequirements,including
12、thefunctionoftheinverter,themaincircuitandthemainprogramflow.Thisschemeischaracterizedbysimplecircuit,completefunctions,suitableforsmallandmedium-sizedphotovoltaicsystems.KeyWords:PhotovoltaicSystem；Controller；MaximumPowerPointTracking摘要IAbstnirt错误!未定义书签。目录错误!未定义书签。1绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.3
13、课题研究的内容与目的21.4 本章小结32太阳能光伏系统组件设计分析42.1 影响设计的诸多因素42.2 太阳能光伏系统总体设计原则42.3 太阳能光伏发电系统的容量设计52.3.1 蓄电池设计方法52.3.2 太阳能电池阵列设计82.3.3 蓄电池和光伏组件方阵设计的校核92.4 光伏电池的仿真构建及分析92.5 本章小结153光伏系统控制器的设计163.1 最大功率点跟踪CVT设计163.2 最大功率点跟踪MPPT的原理173.2.1 最大功率点跟踪的控制方法183.2.2 MPPT控制的仿真及分析223.3 充放电控制设计263.3.1 保护措施293.4 控制器的几个重要指标293.5
14、 本章小结29结论30参考文献31致谢321绪论1.1 课题研究背景及意义当不可再生能源如电力、煤炭、石油等日益匮乏，节能灯的概念越来越流行，而太阳能作为一种绿色能源，它的技术和应用都得到了快速的发展，全球能源市场的格局也在发生着变化。随着工业化、现代化的加速，发展中国家的能源消费将会持续增长。今后十年，世界上约有85%的增长将由发展中国家增加，而消费的重心逐渐向东转移。欧洲、日本两国的主导地位已被打破，虽然欧洲是主要的销售市场，但太阳能电池制造中心已向亚洲转移。而中国拥有丰富的太阳能资源，中国太阳能行业的发展潜力很大，发展前景也很好。国家对此给予了极大的重视，并加大了对其的投入，加大了对该产
15、业的扶持力度，提高了对该产业的技术水平。十二五规划中明确指出，要大力发展太阳能光电发电、太阳能热电发电，并强调分散化发展，增强本地供电能力，增强本地供电可靠性。青海，新疆，甘肃，内蒙古是建立太阳能热电厂，带动当地经济发展的重要地区。由于技术的不断提高以及成本的不断下降，太阳能的应用将会越来越广泛。另外，在未来相当一段时间里，中国的能源结构仍然依赖于矿产资源。在日益严峻的生态环境与气候变化背景下，实现能源的绿色转型是当务之急。与可再生的太阳能相比，其它矿物能源储量较少，应急能力较差，安全状况比较严重。同时，要坚持环保、低碳发展的理念，将能源资源的开发与生态保护结合起来，以保护为目的，以发展为目的
16、，积极构建以生态为目标的能源发展方式。为了顺应“十二五”规划的要求,太阳能发电站将优先在西藏，内蒙古，甘肃，宁夏，青海，新疆，云南等地区，利用沙漠、戈壁和未开发的荒地，在此基础上，建设多个大型光伏电站，探索利用当地能源和电网，实现风光水互补的新模式。总之，作为一种具有可行性、发展性和必要性的绿色技术，太阳能的发展潜力不可低估。1.2 国内外研究现状在20世纪五十年代，光电太阳能电池被发明之后，第一次被用于太空电力。但是因为其昂贵的价格，它在70年代才被引入商用。自从1973年的石油危机之后，世界各地都开始了对太阳能的开发和利用，各国纷纷出台了相关的政策，将大量的资金投入到了太阳能的开发和应用之
17、中。目前，太阳能光电技术的研究主要有：(1)晶闸管光电转换效率持续提升，加速薄膜光电技术的研究。在实验室中，单晶硅片的最高效率由50年代的6%提升至24.7%,而在实验室中，多晶硅芯片的最高利用率为20%o随着实验室的工作效率越来越高，商业化电池的工作效率也越来越高。目前，单晶体硅片的利用率分别为16%-20%和14%16%。这是一个很大的问题。太阳能电池的单场产量由1980年代的l30MWp/a发展到90年代的530MWpa,到现在的50500MWp/a,生产规模翻了一番，生产成本下降了20%,而太阳能电池的1.R=20%(包括技术进步)，也就是产量翻了一番，生产成本下降了20%。20世纪六
18、十年代，首批用于陆地的光电元件的售价为每瓦1500美元，到了2010年末，每瓦的成本已经下降到了每瓦2美元。太阳能电池行业的技术进步推动了太阳能电池的成本降低，进而降低了太阳能电池的成本。至J2006年，全球光电系统的成本降低到每千瓦0.25美元，而且这个发电的费用还会持续的降低。目前，我国薄膜太阳能电池技术研究与开发工作已有新的突破，并已开始积极地进行生产线及示范性工程的建立。无定形硅膜电池，繇化镉电池，SiGaInCu电池的实验效率分别为12.8%、16.5%、19.5%。(2)不断减少的商品化电池厚度经过30年的发展，太阳能硅片厚度下降，硅使用量减少，有助于降低太阳能电池成本。2010年
19、硅片厚度150-200微米，2020年降至80-100微米。(3)扩大产能，降低生产成本制约太阳能光伏发电大规模商用的最大障碍是其制造成本高昂，使其耗电成本高出燃煤电厂八至十倍之多。近年来，随着生产规模的扩大和自动化水平的不断提高，太阳能电池的成本也随之下降。近几年，太阳能光伏发电的比重越来越大。为了最大限度地发挥太阳能资源的利用率，需要光伏发电装置以最大的功率运行。光伏系统将与电网同样频率、同样相等的交流电力输出到电网，其核心部分是太阳能光伏并网逆变器。近年来，我国太阳能光伏并网逆变技术发展迅速，单套50OkW三相光伏并网逆变器已投入使用。随着我国光伏并网技术的不断发展，我国的光伏行业及市场
20、也随之发生了巨大的变革。光伏发电从边远地区逐渐过渡到并网发电、光伏建筑一体化。1.3 课题研究的内容与目的本文在进行研究时，主要是以太阳能作为对象，对其在进行发电时所使用的系统进行设计和分析，因此在本文的研究中，主要的内容有：首先，论文对国内光伏发电项目的选题背景、选题意义等进行了分析，同时对现有的文献进行了综述，整理出了国内外关于光伏发电项目的研究状况，为后续的研究打下了坚实的理论基础。其次，对论文的结构进行了分析、归纳，以确定论文的研究内容。文章就太阳能光伏系统的特点，特别是其光伏电池的仿真构建及分析，控制器、控制器所采用的两种最大功率点跟踪技术的仿真分析等方面作了详细的阐述。1.4 本章
21、小结本章介绍了本课题的背景和意义，从太阳能电池的角度出发，论述了太阳能电池的应用价值和意义，并且了解国内外光电子技术的研发和应用现状，对光伏接入技术有一定的认识和基本的了解，从光伏发电系统的发展入手，伴随着日渐复杂的发电系统，以及电网建设的不断深入，对光伏发电系统提出了更高的要求。同时介绍了一些国内外太阳能电池的发展历史及研究现状，光伏发电系统需要随着发电系统日益增长的需求，不断完善提高，才能适应电力系统快速发展的要求。2太阳能光伏系统组件设计分析光伏发电系统主要由太阳能电池、蓄电池、控制器和逆变器组成。光伏系统的应用范围很广，它的基本形式可以被划分为两种，单独的和联合的。其主要用途是：航天飞
22、行器，通讯系统，微波转发器，电视转发器，太阳能电池泵，以及在没有电力和有电力的地方用电。发达国家已计划推动城市光伏发电，包括户用屋顶光伏发电系统和MW级集中式大型发电系统。并对太阳能光伏系统的应用进行了积极的推广。太阳能电池的容量和用途各不相同，例如，光伏发电的规模，从0.32W的屋顶路灯，到百万瓦量级的光伏发电。它的用途也非常广泛，可以用于家庭、交通、通讯、航空航天等很多方面。2.1 影响设计的诸多因素太阳辐射的频谱和强度受大气厚度、地理位置、气候和气象条件等多种因素的影响，其在不同时段的能量变化很大，即使是一年的总量也存在很大的差异。温度、太阳光光强和蓄电池电压浮动对太阳能电池方阵的光电转
23、换效率有影响，一天中会有所不同。储存器的容量也会随着单元发电和负荷的消耗而改变，而储存器所能供给的电能也与周围的温度有关。太阳能电池的充放电控制系统消耗大量的电能，而其本身的特性与品质又直接影响到电池的充电效率。此外，由于使用目的不同，例如通讯中继站、无人驾驶气象站等，其所消耗的电力也会有所不同。一些仪器如灯塔、航标灯、民用照明和日常生活用电等，其耗电量也是变动频繁的。2.2 太阳能光伏系统总体设计原则太阳能光伏发电系统被分成了两部分，其中，在软件设计中，主要包括：负荷用电量的计算、太阳能电池的辐射功率的计算、太阳能电池的优化设计、太阳能电池的安装倾斜角度的计算、系统的工作状态的预报、系统的经
24、济性分析。在硬件方面，着重介绍了系统的负荷选择，设备的配置，太阳能电池的选用，太阳能电池的安装，控制器设计的两种方法CVT（恒定电压跟踪法）和最大功率跟踪点MPpT的三种方法的比较。此外，在大规模的光伏发电系统中，还进行了光伏电池的方阵场地设计，以及防雀接地的设计。该系统的软件设计采用微机实现，同时也采用了评价的方法，本文只进行系统组件设计分析，重点放在光伏电池的Simulink仿真模型分析及控制器的两大设计方法上面。在进行光伏系统的设计之前，需要对现场的地理位置、气象数据等有一个清晰的认识，比如：太阳能的总辐射量、散射幅射量、年平均温度和最高温度、最长连续降水天数、最大风速等。2.3 太阳能
25、光伏发电系统的容量设计光伏发电系统的发电能力设计主要是为了计算出一年中所需要的太阳能电池模组及蓄电池组的数目。在保证系统可靠度的前提下，应将系统的费用与可靠度结合起来,使系统可靠度最大化，降低费用。2.3.1 蓄电池设计方法根据蓄电池的要求和负载对电源的要求，给出蓄电池容量的基本方法和计算结果。蓄电池设计时需考虑自给天数，该参数可选择所需容量大小。通常情况下，自供天数的决定与负荷对电力的需求程度相关，太阳能电池的应用通常是3-5天的自给期；太阳能发电系统通常采用7-14天的自给期。蓄电池组设计重点是计算蓄电池的容量。(1)基本公式蓄电池容量设计需考虑每天用电量，计算公式为每天用电量*天数=蓄电
26、池容量，得到初步的蓄电池容量，因为不能让蓄电池在自给天数中完全放电，所以需要除以放电深度，建议放电深度80%,浅循环蓄电池则需50%1儿它的基本方程式是：蓄电池容量二自给天数X日平均负载数最大放电深度(2-1)一种蓄电池串联用的方法，是把多个蓄电池串连在一起，并以额定电压运行。电池组的个数等于额定负载电压除以额定电压。串联蓄电池数二负载标称电压蓄电池标称电压(2-2)(2)设计修正上述只是对电池容量的基础估计，在现实环境中，对蓄电池容量及使用寿命有较大影响的性能参数有很多。对上述基本公式进行修改，才能得出合理的电池容量设计。就电池而言，其容量并非恒定不变，它的尺寸与电池的放电率和环境温度有关。
27、首先，我们来看一下电池组的放电率是怎样对其容量产生影响的。电池的容量随放电率的变化而变化，当放电率减小时，其放电电流减小，放电时间延长，从而使电池的容量增大。这将对我们的容积设计造成一定的影响。在设计太阳电池系统时，应以系统的放电率为依据，选取适当的电池容量。生产商一般都是10个小时左右，但是对于太阳能电池来说，因为电能大部分都是用来发电的，所以电池一般都是很少的,一般只有100-200个小时。在进行电池设计时，必须采用一般电池技术中所使用的“平均放电率”这一概念。该电池的平均放电率可以用下面的公式表示：平均放电率（小时）二自给天数X负载工作时间最大放电深度(2-3)加权平均工作时间二负载功率
28、X负载工作时间2负载功率(2-4)在上述公式中，负荷运行时间可由以下几种方式计算：对仅有一个负荷的太阳能电池系统，负荷运行时间为实际负荷每日平均运行时数；针对多个负荷的情况，提出了一种基于加权平均值的负荷工作时间法。在此基础上，利用各个蓄电池制造商所给出的蓄电池在不同放电率下的容量，对蓄电池进行了修正。制造商会给出10小时放电率下的蓄电池容量，放电率指的是蓄电池放电时电压从初始值降到终止电压的快慢。但在光伏发电系统中，由于能量主要用来充电，所以充放电的时间非常短暂，光伏供电系统中蓄电池典型的放电率为100200h.铅酸电池的容量受温度影响，温度降低容量就会降低，一般情况下要在25摄氏度进行校准
29、，Oc时容量仅为标称容量的90%左右，至-20C时仅为标称容量的80%左右，因此要充分考虑电池的温度效应。光伏系统安装地点的气温非常低可能导致蓄电池过充，缩短蓄电池寿命并增加维护成本。设计时应该选择比25时所计算出的容量更大的容量，以保证在低于25时电池仍能提供足够的能量。蓄电池组厂家给出了相应的温度容量校正曲线，可通过此曲线寻找电池容量校正因子，然后除以修正的电池容量。电池容量设计时，应修改最高放电深度，防止电池在低温下固化破坏。放电量过大会造成电解质凝结点升高，导致永久性破坏。同时，考虑电池温度和最大放电深度的关系，得到所需调整因子。设计光伏系统时，需从2.1计算蓄电池在不同温度下的最大允
30、许放电深度。80-60-40-20蓄电池最低温度/C图2.1铅酸蓄电池放电深度MAX-温度曲线由图2.1分析可得，一般情况下，只在-8摄氏度以下时，才考虑进行校正。(3)完整的蓄电池容量设计综合了上述各项计算中的校正因素，在此基础上，得出了电池容量的最终计算公式。蓄电池容量=最大黑湍黑墨黑因子(2-5)a、最大允许放电深度在浅度和深度的情况下，电池的容许释放量分别为50%和80%O在温度较高的地方，要小心使用蓄电池。在使用过程中，应注意避免温度过低时的冰冻现象，并在一定程度上减小了放电的允许深度，从而增加了蓄电池的能量，从而延长了蓄电池的寿命。b、温度修正系数在气温降低时，蓄电池的容量会减小。
31、在使用过程中，采用了温度校正因子，可以确保电池的储电量在25以上，以满足实际负荷的需要。c指定放电率按规定的放电率，可选用适当的电池容量。在更低的放电率(C/100至UC/300)下,比容量提升30%左右。d、蓄电池组并联设计在决定了蓄电池的容量后，重点在于蓄电池的并联数目。试着用大电池，尽可能减少电池间的并联数，以减小电池间的不均衡效应。并联数量越多，更有可能出现不平衡。通常推荐的并联数不要大于4个。(4) IloKV无人值班变电站蓄电池容量的计算首先确定蓄电池的个数，按浮充电运行时，直流母线电压为1.05U“来确定电池数。NI=I.0541.Uf(2-6)式中：U”为直流系统额定电压，Ur
32、为单个电池的浮充电压，取2.23V。再根据直流母线允许的最低电压，并计算蓄电池至直流母线间的电压降来校验蓄电池的放电终止电压力，应满足。(27)心085巴1.计算过程如下：Uf7Vf=1.05=1.05*220/2.23=103.58个iIJuf(2-8)取103个。Ud0.85*220103=1.84V,取1.85V_9)2.3.2 太阳能电池阵列设计(1)基本公式太阳能电池模块设计应满足每日用电量，计算发电功率，再除以发电功率。用额定电压除以电池电压即可得到所需电池数量。公式如下：并联组件数量二口平均负载(Ah)组件日输出(Ah)(2-10)串联组件数量=系统电压(V)组件电压(V)(2)
33、光伏组件方阵设计的修正在实际应用中，由于受到外部环境的影响，太阳能电池模块的输出功率会受到一定程度的影响，从而导致计算结果与实际情况不符，需进行修正。a、使太阳能模块的输出减少10%太阳电池组件易受污染，灰尘及性能衰退影响。为解决此问题，可减少组件输出10%o在设计光伏发电系统时，应将项目的安全性考虑在内，评估和技术估计天气因素，留有余量可保证系统长期正常使用。b、为满足电池的库伦效率而将负荷提高10%铅酸蓄电池会对水进行电解，并生成一种气体，从而造成太阳能模块的部分电流无法被转换并存储。为了弥补损耗，必须有部分电流用于弥补损耗。根据电池的库伦效率，电池的损耗在5%-10%之间。所以，在保守的
34、设计下，要使太阳能电池模块的能量提高10%,就必须对电池的能量损耗进行补偿。(3)完整的太阳电池组件设计计算在此基础上，本项目拟采用CoUIon效率与日负载相结合的方式，研究基于COUIOn效率的日负载优化算法，并在此基础上，研究基于COUk)n效率的太阳能电池模块功耗优化算法。(2-12)并联组件痂息=日平均负载C)库仑效率x组件日输出(Ah)x衰减因子串联组件数量=系统电压(V)组件电压(V)(2-13)2.3.3 蓄电池和光伏组件方阵设计的校核为了更好地理解系统运行中可能存在的问题，为了保证电池的设计与电池的光伏组件能很好地协调，有必要对电池的设计进行校核。(1)对电池每日平均放电深度进
35、行检查，以确保电池没有过度放电。这个公式按下面的方式计算，但如果自给率比较高，则实际的每日DoD会比较低,所以没有必要做这个检查。蓄电池日放电深度二日负载设计蓄电池的总容量日负载设计并联蓄电池数X蓄电池容量(2-14)(2)校核光伏组件对蓄电池组的最大充电速率校核计算光伏组件方阵和蓄电池的充满量,防止因充满太快损坏了电瓶。充电生产商的最大充电量,必须低于此值。计算公式为总的蓄电池容量除以总的峰值电流。旦百田设计蓄电池总容量最大充电率=设计光伏阵列的峰值电流(2-16)并联蓄电池数X蓄电池容量并联光伏组件数X组件峰值电流2.4 光伏电池的仿真构建及分析为了具体了解光伏电池的输出V-I特性，根据光
36、伏电池的数学模型搭建Simulink仿真模型，如图2.2所示。该仿真模型是把光伏电池看做单二极管单元模型，主要由饱和电流、反向饱和电流、光电流、以及分流模块等四个模块组成,仿真模型的输入参数为温度T和辐照度G,输出为光伏电池的输出电流。Simulink是美国MathWorks公司开发的一款集成在MAT1.AB中的图形化模拟工具。在MAT1.AB中作为一个重要的组件，深受广大科研工作者的好评。SimUIink利用多样化的图形工具仿真建模，可以在多种领域中进行设计与仿真。它可以提供一个动态系统建模，仿真和综合分析的集成环境，当在使用过程中，通过便捷的运行步骤就能构建出所需系统模型。该工具用于动态系
37、统和嵌入式系统的仿真时，提供交互性图像化环境与可定制模块库，设计的同时自动生成代码并进行仿真执行与测试。通过Simulink对光伏电池进行仿真，其仿真模型图如下图2.2所示。图2.2光伏电池的仿真模型图说明：饱和电流：saturationcurrent反向饱和电流:reversesaturationcurrent光电流：photo-current分流模块:shuntcurrent光伏电流：PVcurrent设定光伏电池输入参数是辐照度为I(MM)卬/62,温度为25,此时的开路电压为47V,短路电流为9.5A,最大功率点时对应的输出电压为40.5V,对应的输出电流为8.9A,仿真出来的结果如下
38、图所示，光伏电池的P-V特性和U-I特性曲线分别如图2.3、图2.4所示。从其V-I特性曲线图可以看出，光伏电池的输出电流先是缓慢下降，然后在超过某一电压值后急剧下降为零，在电流为零电处的电压值为开路电压值。观察其P-V特性曲线，发现光伏电池的功率先上升到最大功率点后又下降为零。这里可以看出光伏电池具有很大的非线性。400vdrQ1.-1iA1.1101020304050电压U/V图2.3光伏电池的P-V特性曲线图2.4光伏电池的U-I特性曲线为了进一步了解辐照度和温度对光伏电池输出特性的影响，做了以下实验。1 .给定温度不变，光照强度变化在给定温度不变的情况下，光照强度变化下光伏电池的U-I
39、输出特性如图2.5所示,P-V输出特性如图2.6所示。I-U由图2.5可以看出在温度不变的情况下，光伏阵列的开路电压不会随辐照度变化而变化，其短路电流会随着辐照度的增大而增大。图2.6给定温度25C不变时光伏电池的P-V特性曲线由图2.6可以看出在温度不变的情况下，光伏阵列的开路电压不会随辐照度变化而变化，其功率会随着辐照度的增大而增大，且各个相近的辐照度之间功率变化走势相似。2 .给定辐照度100OW/不变，温度变化给定辐照度I(XM)W/病不变的情况下，对不同温度下的光伏电池的输出特性进行仿真，其输出U-I特性曲线和P-V特性曲线分别如图2.7和图2.8所示。I-UO51015202530
40、U/N图2.7给定光照强度100OW/,不变时光伏电池的U-I特性曲线由图2.7可以看出在给定光照强度下，温度的升高对短路电流影响很小，开路电压会随着温度的升高而轻微下降。P-U图2.8给定光照强度下光伏电池的P-V特性曲线由图2.8可得已看出在给定光照强度下，温度的升高对功率的影响很小，开路电压会随着温度的升高而轻微下降。从上面两个仿真特性曲线对比中，可以得出两个结论：在光照强度不变的情况下,温度对光伏输出特性影响较小；而在温度不变时，辐照度对光伏电池输出电流影响较大。2.5本章小结本章从太阳能光伏系统组件设计出发，进行了太阳能光伏系统的总体设计，主要有以下几个方面，蓄电池的设计方法、太阳能
41、电池阵列的设计、光伏电池的仿真构建及分析，最后得到了相应的光伏电池的输出特性。3光伏系统控制器的设计3.1 最大功率点跟踪CVT设计控制器其主要功能是在对蓄电池电压及电量进行检测的过程中，对蓄电池是否存在过充电、过放电进行判断，并发出继续、停止充放电指令。在对充放电过程进行监控和判断的同时，还可以对充放电过程进行防护，同时还可以利用太阳能的光敏特性对充放电过程进行光控。其中对控制器的研究侧重于最大功率跟踪点和充放电控制设计方面。最大功率点控制的方法有很多，而且大部分都非常复杂，但是现在，由于目前国内对最大功率点控制的研究尚处于理论研究阶段，尚未大规模推广应用，因此，首先提出了一种比较简单有效的
42、CVT方法来实现最大功率点的控制O接着对MPPT控制的最大功率点跟踪进行仿真分析及介绍。1 .CVT方法的介绍。硅太阳能电池具有伏安特性，但日照强度不一定在阵列最大功率点上未找到引用.O在恒定温度下，a、b、c、d、e等点都差不多落在同一根竖直线的相邻两边，所以，将最大功率点的轨道视为一条垂直于电压U=ConSt的垂线，采用等压追踪方法，使得太阳电池工作在最大功率点。图3.1硅太阳能电池伏安特性如图3.1所示，在不同的日照强度下，硅太阳能电池伏安特性曲线与负载特性的交点a、b、c、d、e、这五个点为系统当前的工作点。可以看出，这些工作点并不正好落在阵列可能提供的最大功率点a，、bcde这就不能
43、充分利用当前条件下阵列可能提供的最大功率，研究发现当温度保持在某一固定值时，a，、bcde，这些点几乎落在同一根垂直线的邻近两侧，这就有可能把最大功率点的轨迹线近似地看成电压U=ConSt的一根垂线，亦即只要保持阵列的输出电压为常数且等于某一日照强度下相对应的最大功率点的电压，就可以大致保持阵列输出在该温度下的最大功率。2 .恒定电压跟踪法的缺点恒压法控制简单，容易实现，可靠性也比较高，但是控制精度较差（尤其是对于早晚和四季温差变化剧烈的地区）。此外，这种方法忽略了温度对光伏电池开路电压的影响，缺乏准确性。3.2 最大功率点跟踪MPPT的原理假设当一个传统的光伏组件直接连接到电池时，它将迫使该
44、模块在电池的12V电压下运行，这不是光伏电池能够产生的最大功率的理想工作电压，有一部分功率无法从模块中提取，这浪费了功率，MPPT的实施将改变光伏模块的电气操作点，使该模块能够在其最大功率点下提供最大可用功率。光伏电池阵列有两个主要的工作区域，如图3.2所示，在UJ特性曲线右侧是牵引电流相对较小，工作电压相对恒定的区域。在这个区域内，所传递的功率随电流增加而增加，随着电压增大而减小。在特性曲线的左侧电流饱和并且相对恒定，而电压迅速下降。该区域的功率随电压增大而增大，随电流增大而减小。最大功率点将这两个工作区域分开，在这一点上，光伏阵列与它的负载相匹配。光伏阵列的增量电阻与绝对电阻相等，此时将产
45、生阵列的最大功率输出。最大功率点在曲线上的位置将随着光伏阵列外部温度和辐照度的变化而不断变化。MPPT的目的是为了追踪光伏阵列最大功率点，由电路的阻抗匹配原则可知，当负载电阻跟信号源的内阻相等时，即可获得最大输出，这同样适用于MPPT过程。光伏电池的输出阻抗会随着温度和辐照度的变化而变化，所以需要通过控制负载电阻实时变化来跟随光伏电池输出阻抗，从而实现光伏阵列的MPPT控制。目前最常见的最大功率点追踪的方法主要是电导增量法和扰动观察法。3.2.1 最大功率点跟踪的控制方法最大功率点追踪技术(MaXimUmPOWerPOimTraCking,MPPT)是通过实时检测光伏板的输出电流和电压，从而检
46、测出最高的功率点，使系统能够以最大功率输出给负载。根据MPPT算法的发展历史，可以分为传统的MPPT算法和现代的MPPT算法两类。传统的MPPT算法都是基于简单的逻辑推导，应用起来简单易行，对硬件条件要求不高，但是准确度受环境影响比较大。现代的MPPT算法是通过大量的数据训练，能够自动适应外界环境变化，算法的准确度高，但是对硬件平台要求较高。以下是对最大功率点跟踪的控制方法的简单介绍，有以下三种：(1)扰动观察法扰动观察法是侧重于阻抗匹配而不是电导匹配。从光伏阵列检测到电流和电压后，转换器控制单元就会计算功率，并将算出的功率与之前的值进行了比较，输出占空比来控制开关元件，并根据功率点在P-V曲
47、线上的位置进行修改。光伏电池P-V特性曲线是一个以最大功率点为极值的单峰值函数，如果工作点位于MPP左侧的任何位置，并且如果工作点在图上向上移动，则功率和电压的变化都变为正。在这种情况下，光伏阵列输出电压通过改变占空比来增加，以达到最大功率输出。如果输出电压增加过大，比如超过了PmPP点，则需要通过改变占空比来降低输出电压。一旦达到最大功率点，占空比将以一个小步长来保持该工作区域。以下公式用来确定功率和电压的变化是正还是负的：p=pn-pn.xC基于上述公式，可以很容易的实现扰动观察法，下图为扰动观察法的工作流程图。图3.3扰动观察法控制流程图扰动观察法简单易实现，不需要事先对光伏板的特性进行研究，适用于各种不同的环境。这种方法需要连续测量阵列的电流和电压，然后根据这些值计算出功率，并根据从两个连续的测量周期中计算出功率和电压的变化。但是扰动观察法也有一些缺点：1、一旦达到最大功率点，就会发生振荡，它不会固定到最大功率点上，而是不断的来回改变电压，从而形成振荡。即使在稳定的辐照情况下，这种振荡也会造成稳态的功率损耗。2、当阵列有部分阴影或损坏时，可能会产生具有多个局部极值点的P-V曲线，扰动观察法无法找多个极值点，会被困于某个局部极值点附近。
