离网型光伏发电系统设计报告.docx
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离网型光伏发电系统设计报告
新能源技术课程设计预习报告
题目
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专业：
电131
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完成日期：
一实验目的
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1.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。
二、实验仪器设备与器件
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。
三、实验原理分析
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）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。
（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：
（1-1）
对于Id有：
（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
（
C）；K为波尔兹曼常数（
）；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：
（1-3）
则光伏电池输出电流为：
（1-4）
通常情况下，式1-4中的（V+IRs）/Rsh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：
（1-5）
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：
（1-6）
（1-7）
式中，Iscref,为标准测试条件下（光照强度Sref=1000W/m2，电池结温Tref=298K，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I=0，V=Voc，代入式（1-5）可得：
（1-8）
当光伏电池工作在最大功率点时，根据式（1-5）可得：
（1-9）
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。
（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：
dP/dU=0，
光伏阵列工作于MPP左边时有：
dP/dU=0，
光伏阵列工作于MPP右边时有：
dP/dU<0
对P=UI求一阶导数有：
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。
4MATLAB简介
MATLAB的名称源自MatrixLaboratory，它是一种科学计算软件，专门以矩阵的形式处理数据。
MATLAB将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用MATLAB产品的开放式结构，可以非常容易地对MATLAB的功能进行扩充，从而在不断深化对问题认识的同时，不断完善MATLAB产品以提高产品自身的竞争能力。
目前MATLAB产品族可以用来进行：
数值分析
数值和符号计算
工程与科学绘图
控制系统的设计与仿真
数字图像处理
数字信号处理
通讯系统设计与仿真
财务与金融工程
图4-1MATLAB基本组成
MATLAB产品家族的构成见上图，下面对各个组成部分进行介绍：
MATLAB是MATLAB产品家族的基础，它提供了基本的数学算法，例如矩阵运算、数值分析算法，MATLAB集成了2D和3D图形功能，以完成相应数值可视化的工作，并且提
供了一种交互式的高级编程语言——M语言，利用M语言可以通过编写脚本或者函数文件实现用户自己的算法。
图4-2
MATLABCompiler是一种编译工具，它能够将那些利用MATLAB提供的编程语言——M语言编写的函数文件编译生成为函数库、可执行文件、COM组件等等，这样就可以扩展MATLAB功能，使MATLAB能够同其他高级编程语言例如C/C++语言进行混合应用，取长补短，以提高程序的运行效率，丰富程序开发的手段。
利用M语言还开发了相应的MATLAB专业工具箱函数供用户直接使用。
这些工具箱应用的算法是开放的可扩展的，用户不仅可以查看其中的算法，还可以针对一些算法进行修改，甚至允许开发自己的算法扩充工具箱的功能。
目前MATLAB产品的工具箱有四十多个，分别涵盖了数据采集、科学计算、控制系统设计与分析、数字信号处理、数字图像处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。
Simulink是基于MATLAB的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真，它的建模范围广泛，可以针对任何能够用数学来描述的系统进行建模，例如航空航天动力学系统、卫星控制制导系统、通讯系统、船舶及汽车动力学系统等等，其中包括连续、离散，条件执行，事件驱动，单速率、多速率和混杂系统等等。
Simulink提供了利用鼠标拖放的方法建立系统框图模型的图形界面，而且Simulink还提供了丰富的功能块以及不同的专业模块集合，利用Simulink几乎可以做到不书写一行代码完成整个动态系统的建模工作。
Stateflow是一个交互式的设计工具，它基于有限状态机的理论，可以用来对复杂的事件驱动系统进行建模和仿真。
Stateflow与Simulink和MATLAB紧密集成，可以将Stateflow创建的复杂控制逻辑有效地结合到Simulink的模型中。
在MATLAB产品族中，自动化的代码生成工具主要有Real-TimeWorkshop（RTW）和StateflowCoder，这两种代码生成工具可以直接将Simulink的模型框图和Stateflow的状态图转换成高效优化的程序代码。
利用RTW生成的代码简洁、可靠、易读。
目前RTW支持生成标准的C语言代码，并且具备了生成其他语言代码的能力。
整个代码的生成、编译以及相应的目标下载过程都可以自动完成，用户需要做的仅仅使用鼠标点击几个按钮即可。
MathWorks公司针对不同的实时或非实时操作系统平台，开发了相应的目标选项，配合不同的软硬件系统，可以完成快速控制原型（RapidControlPrototype）开发、硬件在回路的实时仿真（Hardware-in-Loop）、产品代码生成等工作
四、实验步骤设计
1光伏电池的等效电路
（1）利用仿真软件搭建光伏电池数学模型；
图5-1光伏电池等效电路
图5-2光伏电池的MATLAB仿真模型
（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；
I/A
U/V
P/W
I/aP/W
0U/W0U/V
（3）根据所设计原理图画出实验接线图
2前级（DC/DC）电路的工作原理
（1）电路原理图
Boost电路的原理图如图3-2所示。
Boost电路由开关管Q1，二极管D，电感L，电容C组成。
Boost电路的作用是将电压
升压
，其中，
是光伏阵列的输出电压，
是Boost电路的输出电压。
图4-3Boost电路原理图
（2）工作过程
在每个斩波周期内，开关管Ql导通、关断各一次。
开关管Q1导通时，等效电路如图4-3（a）所示，流过电感L的电流为
，在电感未饱和前，电流线性增加，电能以磁能的形式储存在电感L中。
此时，由于二极管阳极接在电源负极，二极管关断，电容C只能向电阻RL放电，提供电阻电流
。
当二极管关断时，其等效电路如图5-4（b）所示，由于流过电感的电流不能突变，电感L两端的电压极性改变，此时，电源和电感串联，向电容和电阻供电。
简言之，开关管Q1导通时，二极管反偏，输出级隔离，由输入端向电感提供能量；开关管Q1断开时，输出级吸收来自电感和输入端的能量。
图5-4Boost电路的工作过程
根据上述分析，列出工作过程中的关系表达式如下：
（4-1）
式中，
为开关管的开关周期；
为占空比；
为开关管的导通时间；
为开关管的截止时间。
整理后得
（4-2）
（3）工作原理
根据电感电流在周期开始是否从零开始，是否连续，可分为连续的工作状
态或不连续的工作状态两种模式。
由于电路在断续工作时，电感电流的不连续
意味着光伏阵列输出的电能在每个周期内都有一部分被浪费了，而且纹波也会
大些。
因此一般把Boost电路设计为连续导通的工作状态。
2后级（DC/AC）电路的工作原理
（1）电路原理图
光伏并网发电系统的逆变器采用单相全桥逆变器结构，其拓扑结构图如图
5-5所示。
图5-5单相全桥逆变器的拓扑结构
（2）工作原理
如图4-4所示是单相全桥并网逆变器主电路结构图，其中
是电网电压，
是输入的恒定的直流电压，
是逆变器的输出电压，
是从逆变器输出到电网的电流。
为交流输出电感，
为直流测支撑电容，即前级Boost电路的输出电容，T1~T4是主开关管，Dl~D4是其反并联二极管。
对四个开关管进行适当的PWM控制，就可以调节
为正弦波，并且与电网电压
保持同相位。
光伏并网发电系统要求在并网逆变器的输出侧实现功率因数为1，波形为
正弦波，输出电流与网压同频同相，其控制策略与一般独立的电压型逆变器的
控制策略有所不同，如图3-4中，每个开关器件上都反并联一个二极管，起着
续流的作用。
交流侧电感的作用在于：
（1）有效抑制输出电流的过分波动；
（2）将开关动作所产生的高频电流成分滤除；
（3）由于输出电感的存在，输出电流
的基波分量
在其上产生一个电压
，这样，变换器的输出电压
的基波
和电网电压
之间将产生一个位移量
，通过PWM控制开关器件使变换器的输出电压
满足上述的矢量关系，这样在理论上可以实现输出电流与电网电压同频同相。
本论文采用脉宽调制方式，通过控制开关器件Tl~T4的导通和关断时间，实现能量从并网逆变器向电网传递，达到输出功率因数为l的目的。
图5-6系统主电路的拓扑结构
图5-7基于IGBT元件的Boost变换器仿真电路
图5-8系统主电路图
4MPPT模块仿真
最大功率跟踪算法MPPT是应用在并网系统的Boost升压电路中，通过控制MOS管开断，从而实现功率跟踪。
本文采用扰动观察法，根据第二章算法流程图，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，如图5-9。
图5-9扰动观察法仿真模型
图中，Cp为扰动步长。
扰动步长太小，到达稳态后精度较好，但跟踪时间长且系统动态性能较差；扰动步长太大，跟踪时间虽缩短，但到达稳态后精度较差.通过改变步长值（取值范围为0.001~0.1），并对光伏系统模型进行仿真，最终得出步长取0.01时仿真效果最为理想。
参考文献
[1]赵争鸣等编著.太阳能光伏发电及其应用.北京：
科学出版社，2005
[2]沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术.北京：
化学工业出版社，2005
[3]司传涛，周林，张有玉，刘强，冯玉.光伏阵列输出特性
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