新能源课程设计离网型光伏发电系统1015.docx
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新能源课程设计离网型光伏发电系统1015
新能源技术课程设计指导书
1.实验目的与要求
（1）检索资料，了解光伏发电技术的发展状况以及光伏发电原理；
（2）掌握光伏电池模型的建立方法，分析、设计仿真模型，并利用MATLAB进行仿真实现；
（3）掌握光伏电池的测试方法，选择适合的测量器件与量程，验证光伏阵列模拟方法的正确性；
（4）分析离网型光伏发电系统的组成，选择合适的电力变换器拓扑结构并进行原理分析、参数计算；
（5）查阅相关文献资料，确定系统MPPT控制策略，建立MPPT模块仿真模型，并仿真分析；
（6）掌握系统联调的方法，调整控制参数。
2.仪器设备
太阳能电池板1块，万用表2个，太阳能功率表TENMARSTM-207，滑动变阻器（100欧姆，200瓦）1个，计算机1台，系统仿真软件。
3.实验原理
通过集中授课和查阅相关资料了解离网型光伏发电系统的组成和工作原理。
具体包括：
（1）光伏电池的发电原理和数学模型；
（2）DC—DC—AC变换器的拓扑结构、工作原理和参数计算；
（3）研究离网型光伏发电系统最大功率跟踪控制的方法；
（4）通过将光伏阵列外接一个可变电阻，调节可变电阻，记录不同情况下的电压和电流值，从而得到I/V特性，将I和V相乘后，可得到P，进一步可获得P/V特性，通过光伏阵列倾角的调节，从而使照射到光伏阵列上的光强产生变化。
4.实验内容与要求
4.1实验内容
（1）建立光伏阵列数学模型，依托实际光伏电池板参数对光伏电池输出特性进行相关模拟，
研究光强和温度对光伏电池输出特性的影响，并设计实际光伏电池的检测电路进行实验验证；
（2）设计离网型光伏发电系统，包括确定DC-DC-AC变换器拓扑结构、计算电力变换电路参数、确定MPPT控制策略；
（3）在MATLAB环境下建立含光伏阵列模块、电力变换电路模块、MPPT控制模块及输出负载的离网型光伏系统模型，系统调试，在光强和温度突变时系统能够快速、准确、稳定地实现最大功率跟踪控制。
4.2实验要求
（1）画出系统框图及原理图，实验接线图，软件流程图。
（2）不同实验步骤时接线不同则要按实验步骤分别给出接线图。
（3）给出接线图中所测量参数的测量点，指明所测参数的变化范围。
（4）指明测量每个参数所对应仪表及选用依据。
（5）指明在测量数据之前对实验线路、实验装置所必须的调试整定工作。
（6）设计出测量数据记录的表格，画出拟测实验波形的坐标系，对于可以算出理论数据值的必须先进行理论值的计算并填入表中。
（7）表格和波形的单位和坐标在实验进行过程中学生根据所测得的数据和波形进行填写，并作为老师实验操作步骤的给分依据之一。
（8）离网型光伏系统建模仿真实验必须从原理出发设计仿真图，每一个功能块必须细化到仿真的基本元件、部件，功能块中如果有编制的程序，程序必须给出流程图并设计编制好。
（9）按分块调试和系统联调顺序，依次调试分析仿真各模块功能，微调各参数值，仿真并分析最大功率跟踪控制效果。
5.思考题
（1）太阳能电池防止热斑现象的办法？
（2）光伏发电系统中MPPT扰动观察法有啥不足？
6．实验报告
按实验大纲要求完成实验报告。
1光伏电池的基本理论
太阳能是一种辐射能，它必须借助一定的能量转换器才能变换成电能，这个把太阳能转换为电能的半导体能量转换器，就叫做光伏电池。
光伏电池是光伏发电系统的重要组成部分，其光电转换效率和成本对光伏发电的发展具有决定性的影响。
1.1光伏电池的工作原理
光伏电池是利用半导体材料的光生伏打效应制成的。
所谓光生伏打效应，简单的说，就是当物体受到太阳辐射时时，其体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。
半导体材料将光能转换为电能的效率特别高，因此光伏电池多为半导体材料制成。
半导体光伏电池的发电过程可概括为如下四个过程：
（1）收集太阳光使之照射到光伏电池表面。
（2）光伏电池吸收具有一定能量的光子，激发出非平衡载流子——电子空穴对。
（3）这些电性符号相反的光生载流子在光伏电池P-N结内建电厂的作用下，电子-空穴对被分离，在P-N结两边产生异性电荷的积累，从而产生电动势，形成光生电压。
（4）在光伏电池P-N结的两侧引出正负电极，并接上负载，则在外电路中即有光生电流通过，从而获得功率输出，这样光伏电池就把太阳能直接转换成了电能。
发展至今，光伏电池的种类已特别繁多，根据制作材料的不同可将光伏电池分为硅光伏电池、有机半导体光伏电池、化合物半导体光伏电池和薄膜光伏电池。
1.2光伏电池的等效电路及数学模型
为了在光伏发电系统研究设计过程中，实现光伏电池与光伏发电系统的匹配，则需要建立光伏电池的数学模型，通过数学关系，来反映光伏电池各项参数的变化规律，以更加深入了解光伏电池输出特性。
基于光伏电池的工作原理，整个光伏电池可简单的看作一个P-N结，其输出特性呈现非线性，等效电路由光生电流及内部并联电阻和串联电阻组成，如图1-1所示。
当光照强度一定时，可将光伏电池看作恒流源，即光生电流Iph一定。
部分Iph流经外部负载R形成端电压V，V正向偏置于P-N结二级管，引起与光生电流方向相反的暗电流Id。
由于电池板表面的接触电阻以及材料本身具有的电阻率等原因，流经负载的电流经过它们时，必然产生一定的损耗，因此在等效电路中加入串联电阻Rs来代表这些损耗。
对于电池边缘的漏电以及电池表面的划痕、微裂痕等处引起的金属桥漏
电等问题，在等效电路中加入串联电阻Rsh来进行等效。
图1-1光伏电池等效电路
由光伏电池的等效电路可得：
IIphIdIsh（1-1）
对于Id有：
IdIoexp
qVAKTIRs1（1-2）
式中，Io为光伏电池的反向饱和漏电流；q为单个电子所含电荷量
（1.61019C）；K为波尔兹曼常数（1.381023JK）；A为光伏电池的二极管理想因子（A=1～5），用来决定其与理想P-N结半导体间的差异；T为光伏电池的温度（以绝对温度表示）。
对于Ish有：
IshV
IRs（1-3）Rsh
则光伏电池输出电流为：
IIphI0expqVAKTIRs1V
RshIRs（1-4）
通常情况下，式1-4中的VIRsRsh项远远小于光伏电池输出电流，因此该项可以忽略。
由一片硅片构成的光伏电池称为单体；多个光伏电池单体组成的构件称为光伏模块；多个光伏模块构成的大型装置称为光伏阵列。
单体产生的电压和电流很小，在实际应用中，通常使用光伏阵列来得到期望的电压和电流，它体现出来的特性与光伏电池特性类似，则光伏阵列输出电流为：
NIpphNIpoexpqVIRs1（1-5）
I
NAKTs
式中，Np和Ns分别为光伏阵列中光伏电池的并联和串联个数。
实际应用中考虑到光伏电池的光照强度和电池结温的变化，根据光伏电池的工作原理可得：
IphIscref,TTref
SSref（1-6）
VocVocref,T298（1-7）
式中，Iscref,为标准测试条件下（光照强度Sref1000Wm2，电池结温Tref298K，太阳辐射光谱AM=1.5）所测得的光伏阵列短路电流，即光伏阵列两端处于短路状态时测得的电流；为光伏阵列短路电流温度系数；Voc为光伏阵列的开路电压，即光伏阵列电路将负荷断开时所测出的光伏阵列两端的电压；
Vocref,即为标准测试条件下所测得的光伏阵列开路电压；为光伏阵列开路电压温度系数；S为光伏阵列的光照强度。
当光伏阵列处于开路状态时有I0，VVoc，代入式（1-5）可得：
NIpph
Io（1-8）expNAKTqVsoc1
当光伏电池工作在最大功率点时，根据式（1-5）可得：
NAKTslnNIpphIm1
RsqNIpoVm（1-9）
Im
式中：
Im为峰值电流，即光伏阵列输出最大功率时对应的电流；Vm为峰值电压，
即光伏阵列输出最大功率时对应的电压。
光伏阵列的数学模型中含有很多的未知量，实际应用中我们可以根据厂商提供的技术参数来对这些未知量进行确定。
厂商提供的技术参数主要包括光伏阵列的电性能参数、规格参数、温度系数。
1.3光伏电池的基本特性
光伏电池的基本特性包括光伏电池的输出特性、照度特性和温度特性，光伏电池的输出特性即I-V特性是指光伏电池在某一确定的日照强度和环境温度下，输出电压与输出电流之间的关系，通常用I-V和P-V特性曲线来描述。
图1-2为某光伏电池的输出特性曲线，由光伏电池的输出特性曲线可知，光伏电池的输出
特性呈现非线性。
V（伏特）VmVocV（伏特）VmVoc
（a）I-V特性曲线（b）P-V特性曲线
图1-2光伏电池输出特性曲线
根据光伏电池数学模型可知，光伏电池的输出特性受光照强度和环境温度的影响，不同环境温度下某光伏电池输出特性曲线如图1-3所示，不同光照强度下
某光伏电池输出特性曲线如图1-4所示。
5S=1000瓦/平方米70S=1000瓦/平方米
05101520250510152025
V（伏特）V（伏特）
（a）I-V特性曲线（b）P-V特性曲线
图1-3不同环境温度下光伏电池输出特性曲线
5T=298K70T=298K
05101520250510152025
V（伏特）V（伏特）
（a）I-V特性曲线（b）P-V特性曲线
图1-4不同光照强度下光伏电池输出特性曲线
由图1-3可知，其它条件一定时，光伏电池周围环境温度的升高将使光伏电池的开路电压Voc下降，短路电流Isc轻微增加，从而导致光伏电池的输出功率下降。
光伏电池的温度特性一般用光伏电池的温度系数表示，温度系数小，说明光伏电池的输出随温度变化的越缓慢。
由图2-4可知，其它条件一定时，光伏电池表面光照强度的增加将使光伏电池的短路电流Isc增加，开路电压Voc也略微增加，从而导致光伏电池输出功率增加。
2.1光伏并网控制系统电路结构
电路结构是整个系统的关键部分，它关系着系统的效率和成本。
光伏并网控制系统电路结构要求效率高、成本低，输入要能够承受光伏阵列输出直流电的电压低且波动大的不良影响，输出也要满足一定的电能质量，应根据实际的需要选择适当的主电路结构进行系统设计。
光伏并网发电系统实际上是一个有源逆变系统，按照不同的分类方向，有多种不同的电路结构。
光伏并网发电系统电路结构按输入直流电源的性质可以分为电流型和电压型两大类。
常见的电压型和电流型光伏并网发电系统拓扑结构分别如图2-1（a）和（b）所示。
电流型光伏并网发电系统，其直流侧需要串连一个大电感进行直流储能，从而使直流侧呈现高阻抗的电流源特性。
电压型光伏并网发电系统，直流侧并联一个大电容进行直流储能，从而使直流侧呈现低阻抗的电压源特性。
但由于电流源型光伏并网发电系统中的大电感导致系统动态响应性能差，因此目前国内
外大部分光伏并网发电系统均采用电压型拓扑结构。
图2-1按输入直流电源性质分类的拓扑结构
光伏并网发电系统电路结构按照系统功率变换的级数，光伏并网发电系统的拓扑结构可以分为单级式和多级式。
常见的单级式和多级式光伏并网发电系统拓扑结构分别如图2-2的（a）和（b）所示。
单级式结构不包含DC-DC变换环节，只用一级能量变换来完成升降压和DC-AC转换，控制时既要考虑光伏电池的最大功率跟踪，又要保证逆变输出能够准确的跟踪电网电压，其控制一般较为复杂。
单级式逆变器的电路结构简单，元器件少，成本和功耗较低，但是单级式非隔离型升压的程度有限，靠电感的储能实现，故仅适用于中小功率场合，不适合并网运行。
多级式结构是在前一级或几级电路中实现电压的升降或者隔离，在后级电路中实现DC-AC转换，如DC-DC-AC，DC-AC-DC-AC和DC-AC-AC结构，最为常见的是DC-DC-AC两级式结构。
前级DC-DC用于直流母线电压的缓冲稳压和实现光伏阵列的最大功率跟踪，后级DC-AC用于输出并网，孤岛效应检测和功率补偿等。
虽然两级式结构的元阶数目和环节增加了，但其一方面方便了最大功率跟踪控制，实现了电压的宽输入范围要求，另一方面也便于对逆变器进行控制，
提高了转换的效率。
图2-2按功率变换级数分类的拓扑结构
光伏并网发电系统电路结构按照系统输出的绝缘形式可以分为工频变压器型、高频变压器型和无变压器型。
常见的工频变压器性、高频变压器型和无变压器型光伏并网发电系统拓扑结构分别如图2-3的（a）、（b）、（c）所示。
采用工频变压器进行绝缘和变压，具有良好的消除尖波的性能，电路简单，变换只有一级，由于电路中的元器件较少，可适应比较恶劣的环境。
高频变压器与工频变压器相比，体积小，重量轻，成本较低。
但是整个电路经过多级变换，回路较复杂，且高频电磁干扰严重需采用一定的抑制措施。
无变压器隔离方式进一步降低了成本，由于含有升压电路，因此可以和不同输出电压的光伏阵列匹配，同时能够保
证逆变部分输入电压的稳定性，降低电流，减少损耗。
图2-3按输出绝缘形式分类的拓扑结构
DC-DC变换器主要有无变压器隔离的DC-DC变换器和有变压器隔离的DC-DC变换器。
无变压器隔离的DC-DC器主要有：
Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路、Sepic电路和Zeta电路等。
有变压器隔离的DC-DC变换器主要有：
正激式变换电路、反激式变换电路和桥式隔离变换电路等。
有变压器隔离的DC-DC变换电路体积和重量大，通常使用在需要变压器隔离的开关变换器中，以实现变换器输入与输出的直流隔离。
非隔离型DC-DC变换电路中的Sepic电路和Zeta电路较其它几种相对复杂，不易控制。
光伏系统中使用较多的主要是Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路，后三种电路通常不仅要实现光伏电池最大功率跟踪控制，同时要完成系统蓄电池组的充放电。
DC-AC变换电路主要有推挽式、半桥式和全桥式，其电路结构分别如图2-4的（a）、（b）和（c）所示。
推挽式拓扑结构的两个功率管可同时驱动，但功率管承受开关电压为两倍的直流电压，因此适合应用于直流母线电压较低的场合。
半桥式拓扑结构直流侧电压利用率低，在同样的开关频率下电网电流的谐波较大。
全桥式逆变器电路结构简单，但要求较高的直流侧电压。
本设计的光伏并网发电系统不含有蓄电池组，前级输入电压低，因此前级DC/DC变换器选用Boost电路。
Boost电路结构简单，控制方便，能够根据电网电压的大小使得在不同气候条件下的输入电压达到一个合适的水平，实现了系统的宽电压范围输入，同时实现了系统的最大功率跟踪控制，降低了系统成本。
DC/AC变换器采用全桥式电路结构进行逆变控制，与最大功率跟踪分级控制，降低系统控制的复杂性。
考虑到电网对电能质量的要求，系统后级加入LC滤波
器对输出电压进行滤波，整个系统的电路结构如图2-5所示。
图2-5系统主电路图
3光伏并网控制系统MPPT控制
由光伏阵列输出特性可知：
在一定的日照强度和环境温度下，光伏阵列只有在某一输出电压时，输出功率才能达到最大值，此点被称为光伏电阵列的最大功率点。
在光伏发电系统设计中，光伏电池造价占很大的比例，而且光伏阵列的转化效率本身就不是很高，要想提高系统的整体效率，降低系统单位价格的成本，就必须要实时对光伏阵列的工作点进行调整，尽可能的使之工作在最大功率点，这一过程即为光伏电池的MPPT。
光伏电池的MPPT过程实际上是一个动态的自寻优过程，即通过控制光伏电池的输出电压来控制光伏阵列的最大功率输出。
由光伏电池输出特性曲线可知，当光伏电池工作于最大功率点左侧时，其输出功率随光伏电池输出电压的上升而增加；当光伏电池工作于最大功率点右侧时，其输出功率随光伏电池输出电压的上升而下降，每条曲线都有唯一的最大值。
目前，国内外对于光伏阵列MPPT控制方法主要有扰动观察法（P&O）、电导增量法（INC）、模糊逻辑控制法（FuzzyLogicControl）等。
下面主要介绍两种常用的MPPT控制方法的原理。
1）扰动观察法
扰动观察法的原理即通过扰动光伏阵列的输出电压，与扰动之前的输出功率值相比较，如果功率增加则表示扰动方向正确，继续向同一方向扰动，如何功率减小，则向相反方向扰动，如此反复的改变光伏阵列的工作点电压，从而使工作
点最终稳定在最大功率点附近。
其具体的算法流程如图3-1所示。
2）电导增量法
电导增量法是根据光伏阵列的P-U曲线为一条连续可导的单峰曲线的特点
得到的。
光伏阵列工作于MPP处时有：
dPdU0，光伏阵列工作于MPP左边时有：
dPdU0，光伏阵列工作于MPP右边时有：
dPdU0，
对PUI求一阶导数有：
dPmaxdUIUdIdU0（3-1）dIdUIU（3-2）
式（3-2）为光伏电池工作于最大功率点时所要满足的条件，这种方法是通过控制输出电导的变化量和瞬时电导值的大小来决定参考电压变化的方向的，其具体的算法流程如图3-2所示。
附件：
太阳能电池板参数
预习报告主要内容包括：
1、实验目的
2、实验仪器设备与器件
包括实验设备、检测设备、必要的软件三、实验原理分析
这一部分主要对照实验内容和要求，分析实验的工作原理，给出设计参数。
关键点如下：
（1）画出系统框图及原理图，分析实验原理；
（2）阐述光伏电池数学模型和离网型光伏发电系统模型工程建模方法；
（3）确定DC-DC-AC电力变换电路的拓扑结构、工作原理并计算各部件参数值；
（4）阐述MPPT控制策略；
（5）阐述对实验数据处理方法的原理，介绍数据处理软件。
四、实验步骤设计这一部分主要给出实验的主要过程，必须考虑完成实验的每一个细节。
关键点如下：
（1）根据光伏电池的等效电路，利用仿真软件搭建光伏电池数学模型；
（2）设置参数，测试不同光照强度下、不同温度下光伏电池的I-V、P-V特性曲线；
（3）根据所设计原理图画出实验接线图，不同实验步骤时接线不同则要按实验步骤分别给出接线图；
（4）给出接线图中所测量参数的测量点，指明所测参数的量程选择；
（5）指明测量每个参数所对应仪表及选用依据；
（6）指明在测量数据之前对实验线路、实验装置所必须的调试整定工作；
（7）设计出测量数据记录的表格，画出拟测实验波形的坐标系，对于可以算出理论数据值的必须先进行理论值的计算并填入表中；
（8）表格和波形的单位和坐标在实验进行过程中学生根据所测得的数据和波形进行填写，并作为老师实验操作步骤的给分依据之一；
（9）离网型光伏系统建模仿真实验必须从原理出发设计仿真图，每一个功能块必须细化到仿真的基本元件、部件，功能块中如果有编制的程序，程序必须给出流程图并设计编制好；
（10）按分块调试和系统联调顺序，依次调试分析仿真各模块功能，调节离网型光伏发电系统的电路和控制参数值，仿真并分析最大功率跟踪控制效果。
五、思考题
这一部分主要是对实验指导书上所提的思考题进行回答，目的是检查学生对相关理论知识的掌握程度，以及考虑实验过程中可能遇到的问题和解决方法。
实验报告主要内容包括：
一、实验过程记录这部分内容包括：
（1）画出实验接线图；
（2）给出实验的详细步骤，给出记录实验数据的表格，并填入实验所测数据值，画出实验所得波形图。
记录在每一步实验中发生的问题和解决的过程。
二、实验结果处理与分析这一部分主要是对实验数据和实验波形进行处理，具体内容如下：
（1）实验数据的整理和选择，必须有对实验结果处理所进行的计算过程。
借助于软件获得一些结果或曲线，必须指明使用的是什么软件，软件的什么工具，如果是自己编制了处理程序则必须给出程序框图或源程序；
（2）绘制不同光照强度下、不同温度下光伏电池的I-V、P-V特性曲线；
（3）所得实验数值和预习所得理论值比较，进行实验结果的误差分析；
（4）实验波形的描述和分析，对照实验现象分析结果的物理、工程意义，得出有意义结论；
（5）仿真实验处理仿真产生的数据与曲线波形；（6）对实验过程中遇到的问题和错误进行分析。
三、实验心得体会这一部分主要是对本次实验的总结，具体内容如下：
（1）实验过程当中遇到什么困难和问题（特别是在预习过程中没有预料到的）？
怎么解决？
（2）通过这次实验掌握了哪些知识，哪些理论得到了印证和巩固，还有什么不足的地方？
（3）通过本次实验所得的收获。
（4）对实验内容和实验过程有什么意见和建议？
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