新能源發(fā)電與控制技術(shù).ppt

新能源發(fā)電與控制技術(shù) 第一章導(dǎo)論第二章光伏發(fā)電及其最大功率點跟蹤技術(shù)第三章光伏蓄電池與光伏控制器第四章風力發(fā)電技術(shù)第五章風力發(fā)電機組的控制技術(shù)第六章生物質(zhì)能發(fā)電與控制第七章海洋能發(fā)電與控制第八章地熱能發(fā)電與應(yīng)用技術(shù)第九章儲能技術(shù) 第1章新能源發(fā)電與控制技術(shù)導(dǎo)論 1 1能源結(jié)構(gòu)與能源儲備1 2能源的分類與新能源特點1 3新能源發(fā)電技術(shù)1 4發(fā)展新能源的意義 1 1能源結(jié)構(gòu)與能源儲備 1 1 1我國能源結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高 我國能源消費總量也迅速增加 主要表現(xiàn)在兩方面 首先 我國年人均能源消費量逐年增加 導(dǎo)致一次能源消費總量的快速增加 其次 石油 天然氣等在所有一次能源消費中所占比重將越來越大 然而由于我國人均常規(guī)能源資源的相對不足 尤其是石油和天然氣等一次能源的對外依賴性過大 以及電力供應(yīng)的全年性缺乏 已經(jīng)成為我國經(jīng)濟 社會可持續(xù)發(fā)展的一個限制性因素 如果無法妥善解決這些問題 我國將面臨著相當嚴峻的能源形勢 煤炭是我國最主要的能源形式 近幾年來我國煤炭生產(chǎn)和消費都有了明顯的上升 2013年底 我國僅排在全球煤炭儲量的第三位 與我國煤炭的生產(chǎn)量全球第一及儲量全球第三的地位形成鮮明對比的是我國煤炭的儲采比 2013年底我國煤炭的儲采比只有31 我國的已探明煤炭儲量只能持續(xù)生產(chǎn)31年 綜上所述 雖然我國煤炭的產(chǎn)量目前居世界第一 儲量居世界第三 但是我國煤炭產(chǎn)業(yè)存在嚴重的過度開采 相對于發(fā)達國家 我國煤炭產(chǎn)業(yè)不具備可持續(xù)發(fā)展的能力 因此 我國未來必須尋找適當?shù)哪茉葱问絹泶婷禾孔鳛槲覈谝荒茉吹牡匚缓妥饔?以保證我國能源經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展 石油消費量占全國能源消費總量的20 0 雖然石油產(chǎn)量和消費量都遠遠低于煤炭 但石油仍然是我國第二大能源形式 對于我國經(jīng)濟發(fā)展是至關(guān)重要的 從儲量上看 我國石油儲量遠遠低于我國煤炭的儲量 2013年底 我國石油儲量為181億桶 僅占全球石油總儲量的1 1 石油儲量非常缺乏 然而在我國石油儲量相對貧乏的情況下 我國的石油生產(chǎn)量是很大的 在我國石油過度開發(fā)的情況下 我國石油未來的開發(fā)潛力極其有限 未來面臨石油資源枯竭的可能性 天然氣是我國第三大化石能源 但是儲量同樣貧乏 2013年底 我國天然氣儲量為33000億立方米 占全球天然氣總儲量的1 8 居全球第13位 而我國天然氣開發(fā)還處于早期階段 這說明如果未來不斷探明新的天然氣儲量 則我國天然氣的開采年限還會不斷延長 1 1 2我國的能源資源消費現(xiàn)狀 能源是一個國家經(jīng)濟增長和社會發(fā)展的基礎(chǔ)資源 我國改革開放以來 經(jīng)濟增長迅速 隨著經(jīng)濟的快速增長 能源消費量也有了顯著的增長 一個國家的能源消費量受到該國能源供給量和環(huán)境保護兩個方面的約束 首先 從能源供給方面看 能源消費量取決于能源供給量 我國能源供給量雖然持續(xù)增長 但能源供給量的增長已經(jīng)無法滿足經(jīng)濟增長對于能源的需求 能源進口量持續(xù)增長 能源對外依存度逐年增長 其次 能源消費量增加必然對環(huán)境造成負面影響 隨著我國能源消費量的不斷增加 我國的二氧化碳排放量已經(jīng)于2003年超過歐盟并于2006年超過美國成為目前全球最大的二氧化碳排放國 我國目前正處在工業(yè)化和城鎮(zhèn)化的中期階段 面臨經(jīng)濟增長的壓力 而經(jīng)濟增長必然增加我國能源消費量 從而造成能源消費量過大 消費增長速度過快 而這已經(jīng)在一定程度上超出了我國的資源負載能力和環(huán)境承受能力 控制我國能源消費量增長速度 提高我國能源消費效率已經(jīng)成為我國未來經(jīng)濟發(fā)展和解決環(huán)境保護問題的當務(wù)之急 1 1 3我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略 當前 全球氣候變暖和能源供應(yīng)安全已成為世界各國共同關(guān)注的重大戰(zhàn)略問題 成為國際經(jīng)濟 社會 政治 外交 安全等領(lǐng)域的重要話題 隨著我國經(jīng)濟的快速持續(xù)增長 能源資源環(huán)境也已成為影響未來發(fā)展的嚴重制約因素 在這一新形勢下 大力開發(fā)利用可再生能源不僅是世界能源發(fā)展的必然趨勢 也是我國能源戰(zhàn)略和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的必然選擇 在我國應(yīng)對全球氣候變化的國家行動方案中 以及實施節(jié)能減排的工作方案中 都已把加快可再生能源發(fā)展列為一項重大舉措 前不久 我國公布了 可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃 新能源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)將成為帶動我國未來產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整的非常重要的新興產(chǎn)業(yè) 中央和各級地方財政根據(jù) 可再生能源法 的要求 設(shè)立可再生能源發(fā)展專項資金 國家運用稅收政策對可再生能源發(fā)展予以支持 增加國家財政對可再生能源領(lǐng)域的研發(fā)投入 鼓勵科技創(chuàng)新 加強人才培養(yǎng) 支持產(chǎn)學研合作 開展可再生能源的科學研究 技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化 完善保護知識產(chǎn)權(quán)的法制環(huán)境 全面提高可再生能源技術(shù)創(chuàng)新能力和服務(wù)水平 1 2能源的分類與新能源特點 1 2 1能源的分類 能源也稱能量資源或能源資源 是指可產(chǎn)生各種能量 如熱量 電能 光能和機械能等 或可做功的物質(zhì)的統(tǒng)稱 按其來源可分為 1 來自地球外部天體的能源 主要是太陽能 2 地球本身蘊藏的能量 3 地球和其他天體相互作用而產(chǎn)生的能量 如潮汐能 1 2 2新能源特點 新能源的各種形式都是直接或者間接地來自于太陽或地球內(nèi)部深處所產(chǎn)生的熱能 新能源包括各種可再生能源和核能 相對于傳統(tǒng)能源 新能源普遍具有污染少 儲量大的特點 對于解決當今世界嚴重的環(huán)境污染問題和資源 特別是化石能源 枯竭問題具有重要意義 同時 由于很多新能源分布均勻 對于解決由能源引發(fā)的戰(zhàn)爭也有著重要意義 新能源技術(shù)的關(guān)鍵是針對傳統(tǒng)能源利用方式的先進性和替代性 主要包含 高效利用能源 資源綜合利用 可再生能源 替代能源 節(jié)能 1 3新能源發(fā)電技術(shù) 1 3 1新能源發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用 1 風力發(fā)電地球風能約為2 74 109MW 可利用風能為 是地球2 107MW水能的10倍 只要利用上地球1 的風能就能滿足全球能源的需要 風力發(fā)電是目前新能源開發(fā)技術(shù)最成熟 最有規(guī)?；虡I(yè)開發(fā)前景的發(fā)電方式 也是世界上增長最快的新能源 在新能源發(fā)電裝機容量中位居第一 2 太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電系統(tǒng) 也稱光伏發(fā)電系統(tǒng) 由光伏電池組 光伏控制器 蓄電池 組 組成 太陽能發(fā)電的基本原理是利用光電效應(yīng) 在陽光照到太陽能板上時直接產(chǎn)生光生電流 光伏電池是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的核心部分 也是太陽能發(fā)電系統(tǒng)中價值最高的部分 其作用是將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為電能 或送往蓄電池中存儲起來 或推動負載工作 電池的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本 3 燃料電池發(fā)電燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能 直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置 其單體電池是由正負2個電極 負極即燃料電極 正極即氧化劑電極 及電解質(zhì)組成 燃料電池具有高效率 無污染 建設(shè)周期短 易維護及成本低的特點 隨著燃料電池的商業(yè)化推廣 市場前景十分廣闊 人們預(yù)測 燃料電池將成為繼火電 水電 核電后的第4代發(fā)電方式 它將引發(fā)21世紀新能源與環(huán)境保護的綠色革命 4 生物質(zhì)能發(fā)電生物質(zhì)能是指所有可以作為能源使用的源于植物的物質(zhì) 其在本質(zhì)上是來源于太陽能 即為太陽能的有機儲存 潮汐發(fā)電潮汐發(fā)電是利用潮水漲 落產(chǎn)生的水位差具有的勢能發(fā)電 也就是把海水漲 落潮的能量變?yōu)闄C械能 再把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔馨l(fā)電的過程 6 地熱發(fā)電地球是一個巨大的熱倉庫 其內(nèi)部的熱能通過熱水 蒸汽 干熱等形式 源源不斷地涌出地表 為人類提供豐富而廉價的能源 地熱發(fā)電是利用超過沸點的中 高溫地熱 蒸汽 直接進入并推動汽輪機 帶動發(fā)電機發(fā)電 或者通過熱交換利用地熱來加熱某種低沸點的工作流體 使之變成蒸氣 然后進入并推動汽輪機 帶動發(fā)電機發(fā)電 核能發(fā)電核能的利用在世界的能源結(jié)構(gòu)中占有重要地位 而鈾又有著比可再生能源高得多的利用價值 1 3 2儲能技術(shù)的應(yīng)用 蓄電池蓄電池組來提高容量 優(yōu)點是成本低 缺點是電池壽命較短 2 抽水儲能電站3 超導(dǎo)儲能4 飛輪儲能5 超級電容器儲能6 氫儲能 1 3 3我國新能源的發(fā)展 我國是全球風電發(fā)展速度最快的國家 2007年 新增風電機組3155臺 新增裝機容量330萬kW 占全球總裝機容量的16 8 僅次于美國和西班牙 我國的光伏電池制造水平比較先進 實驗室效率已經(jīng)達到21 一般商業(yè)電池效率為10 14 生物質(zhì)能發(fā)電在我國尚處于起步階段 蔗渣 稻殼燃燒發(fā)電 稻殼氣化發(fā)電和沼氣發(fā)電等技術(shù)已得到應(yīng)用 總裝機容量約為800MW 我國沿海已建成9座小型潮汐電站 1980年建成的江廈潮汐電站是我國第一座雙向潮汐電站 也是目前世界上較大的一座雙向潮汐電站 其總裝機容量為3200kW 年發(fā)電量為1070萬kWh 我國地熱發(fā)電研究在新中國成立后開始 于1970年 中國科學院在廣東省豐順縣湯坑鎮(zhèn)鄧屋村建起了發(fā)電量為60kW的地熱發(fā)電站 這是我國第一座地熱試驗發(fā)電站 1 4發(fā)展新能源的意義 大力發(fā)展新能源 不管是從節(jié)能減排 還是從發(fā)展低碳經(jīng)濟改善我國現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)及保護生態(tài)環(huán)境 促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展等方面 都具有重要的戰(zhàn)略意義 發(fā)展新能源可促進國內(nèi)碳排放交易市場發(fā)展 改善碳排放交易市場機制 為節(jié)能減排提供良好平臺 發(fā)展新能源能進一步完善我國清潔能源 能夠促進低碳技術(shù)發(fā)展 為發(fā)展低碳經(jīng)濟打下堅實基礎(chǔ) 發(fā)展新能源能改變我國單一的能源構(gòu)成形式 對于構(gòu)建新的能源體系 擺脫傳統(tǒng)化石能源的束縛具有重要意義 我國具有發(fā)展新能源豐富的資源條件和工業(yè)基礎(chǔ) 在國家大力支持下 新能源產(chǎn)業(yè)呈現(xiàn)良好的發(fā)展勢頭 但是 由于技術(shù) 體制 政策等方面原因 新能源還有很長的路要走 未來新能源的發(fā)展將是一條充滿機遇和挑戰(zhàn)之路 因此 要在優(yōu)化能源結(jié)構(gòu) 吸收消化國外先進技術(shù) 制定一系列利好新能源發(fā)展政策等方面加大力度 促進新能源產(chǎn)業(yè)又好又快發(fā)展 第2章光伏發(fā)電及其最大功率點跟蹤技術(shù) 2 1太陽的輻射及太陽能利用2 2光伏電池基礎(chǔ)知識2 3光伏電池發(fā)電原理2 4最大功率點跟蹤技術(shù)2 5基于采樣數(shù)據(jù)的直接MPPT控制法2 6MPPT控制方法的實際應(yīng)用2 7基于物理跟蹤的光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT 2 1太陽的輻射及太陽能利用 1 太陽的活動及輻射實際到達地面的太陽輻射通常由直接輻射和漫射輻射兩部分組成 直接輻射是指直接來自太陽 其輻射方向不發(fā)生改變的輻射 漫射輻射則是被大氣反射和散射后方向發(fā)生了改變的太陽輻射 它由三部分組成 太陽周圍的散射 地平圈散射及其他的天空散射輻射 非水平面接收來自地面的輻射稱為反射輻射 直接輻射 漫射輻射和反射輻射的總和稱為總輻射 太陽光線與地平面的夾角稱為太陽高度角 它有日變化和年變化 大氣質(zhì)量 m O A OA 1 sinh太陽輻射穿過大氣層的路徑長短與太陽輻射的方向有關(guān) 如圖所示 其中h為太陽的高度角 地球上的能流 單位為 106MW 2 1 2太陽能的轉(zhuǎn)換與利用 1 太陽能的采集集熱器按是否聚光 可以劃分為聚光集熱器和非聚光集熱器兩大類 非聚光集熱器 平板集熱器 真空管集熱器 能夠利用太陽輻射中的直射輻射和散射輻射 集熱溫度較低 聚光集熱器能將陽光匯聚在面積較小的吸熱面上 可獲得較高溫度 但只能利用直射輻射 且需要跟蹤太陽 2 太陽能的轉(zhuǎn)換原則上 太陽能可以直接或間接轉(zhuǎn)換成任何形式的能量 但轉(zhuǎn)換次數(shù)越多 最終太陽能轉(zhuǎn)換的效率便越低 太陽能的轉(zhuǎn)換主要有 1 太陽能 熱能轉(zhuǎn)換 2 太陽能 電能轉(zhuǎn)換 3 太陽能 氫能轉(zhuǎn)換 4 太陽能 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換 5 太陽能 機械能轉(zhuǎn)換 3 太陽能的儲存太陽能無法直接儲存 必須轉(zhuǎn)換成其他形式的能量儲存 1 熱能儲存 利用材料的顯熱儲能 材料相變時放出和吸入的潛熱儲能以及化學反應(yīng)儲熱 2 電能儲存 3 氫能儲存 4 機械能儲存 目前最受人關(guān)注的是飛輪儲能 4 太陽能的傳輸應(yīng)用光學原理 通過光的反射和折射將太陽能直接傳輸 或者將太陽能轉(zhuǎn)換成其他形式的能量進行間接傳輸 直接傳輸適用于較短距離 基本上有三種方法 采用反射鏡及其他光學元件組合 通過光導(dǎo)纖維 可以將入射在其一端的陽光傳輸?shù)搅硪欢?采用表面鍍有高反射涂層的光導(dǎo)管 間接傳輸適用于各種不同距離 是將太陽能轉(zhuǎn)換成其他能量后進行傳輸 如熱能 氫能 電能等 5 太陽能的利用 1 太陽輻射的熱能利用 太陽能熱水器是光熱利用最成功的領(lǐng)域 2 太陽能光熱利用 如太陽房 太陽灶 太陽能溫室 太陽能干燥系統(tǒng) 太陽能土壤消毒殺菌等 3 太陽能熱發(fā)電 利用集熱器給水加熱產(chǎn)生蒸汽 然后通過汽輪機帶動發(fā)電機而發(fā)電 4 太陽能綜合利用 用太陽能全方位地解決建筑內(nèi)熱水 采暖 空調(diào)和照明用能的問題 5 太陽能光伏發(fā)電技術(shù) 利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)原理進行光電轉(zhuǎn)換 2 2光伏電池基礎(chǔ)知識 2 2 1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1 導(dǎo)體 絕緣體和半導(dǎo)體物質(zhì)由原子組成 原子由原子核和核外電子組成 有的電子受原子核的作用力較小 可以在物質(zhì)內(nèi)部的原子間自由運動 這種電子稱為 自由電子 表征物體導(dǎo)電能力的物理量稱為電導(dǎo)率 用 表示 其中n為自由電子濃度 為自由電子的遷移率 e為電子的電量 導(dǎo)體的電阻特性用電阻率 表示 即 1 善于傳導(dǎo)電流的物質(zhì)稱為導(dǎo)體 如銅 鋁 鐵等金屬 它們的電阻率為10 9 10 6 cm 不能導(dǎo)電或者導(dǎo)電能力微弱到可以忽略不計的物質(zhì)稱為絕緣體 如橡膠 玻璃 塑料和干木材等 它們的電阻率為108 1020 cm 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體 其電阻率為10 5 107 cm 如硅 鍺 砷化鎵 硫化鎘等材料都是半導(dǎo)體 2 硅的晶體結(jié)構(gòu)硅是最常見和應(yīng)用最廣的半導(dǎo)體材料 硅的原子序數(shù)為14 它的原子核外有14個電子 這些電子圍繞著原子核做層狀的軌道分布運動 第一層2個電子 第二層8個電子 還剩4個電子排在最外層 稱為價電子 硅原子結(jié)構(gòu) 晶體和所有的晶體都一樣是由原子 或離子 分子 在空間按一定規(guī)則排列而成的 這種對稱的 有規(guī)則的排列叫做晶體的晶格 一塊晶體如果從頭到尾都按一個方向重復(fù)排列 即長程有序 就稱其為單晶體 硅的晶胞結(jié)構(gòu) 3 能級和能帶 上圖所示為單原子的電子能級及其對應(yīng)的固體能帶 字母E表示能量 腳標表示電子軌道層數(shù) 括號中的數(shù)字表示該軌道上的電子數(shù) 每層電子軌道都有一個對應(yīng)的能級 由很多條能量相差很小的電子能級形成一個能帶 4 禁帶 價帶和導(dǎo)帶根據(jù)量子理論 晶體中的電子不存在兩個能帶中間的能量狀態(tài) 即電子只能在各能帶內(nèi)運動 在能帶之間的區(qū)域沒有電子態(tài) 這個區(qū)域叫做 禁帶 全被電子填滿的能帶稱為 滿帶 最高的滿帶容納價電子 稱為 價帶 有的能帶只有部分能級上有電子 一部分能級是空的 這種部分填充的能帶 在外電場的作用下 可以產(chǎn)生電流 而沒有被電子填滿 處于最高滿帶上的一個能帶稱為 導(dǎo)帶 金屬 a 半導(dǎo)體 b 絕緣體 c 的能帶如上圖所示 價電子要從價帶越過禁帶跳躍到導(dǎo)帶里去參與導(dǎo)電運動 必須從外界獲得大于或等于Eg的附加能量 Eg稱為 禁帶寬度 或 帶隙 金屬 半導(dǎo)體 絕緣體的能帶 a 金屬 b 半導(dǎo)體 c 絕緣體 5 電子和空穴 具有一個斷鍵的硅晶體 晶格完整且不含雜質(zhì)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體 半導(dǎo)體在熱力學零度時 電子填滿價帶 導(dǎo)帶是空的 此時的半導(dǎo)體和絕緣體的情況相同 不能導(dǎo)電 當溫度高于熱力學零度時 電子如果從價帶躍遷到導(dǎo)帶后 在價帶中留下一個空位 稱為空穴 具有一個斷鍵的硅晶體如圖所示 半導(dǎo)體的本征導(dǎo)電能力很小 它是由電子和空穴傳導(dǎo)電流 而在金屬中僅有自由電子傳導(dǎo)電流 6 摻雜半導(dǎo)體例如 在純凈的硅中摻入少量的五價元素磷 這些磷原子在晶格中取代硅原子 并用它的四個價電子與相鄰的硅原子進行共價結(jié)合 在摻有五價元素 即施主型雜質(zhì) 的半導(dǎo)體中 電子的數(shù)目遠遠大于空穴的數(shù)目 這樣的半導(dǎo)體叫做電子型或n型半導(dǎo)體 在含有三價元素 即受主型雜質(zhì) 的半導(dǎo)體中 空穴的數(shù)目遠遠超過電子的數(shù)目 這樣的半導(dǎo)體叫做空穴型或p型半導(dǎo)體 單位體積 1cm3 中電子或空穴的數(shù)目叫做 載流子濃度 它決定著半導(dǎo)體電導(dǎo)率的大小 n型半導(dǎo)體中 電子是 多子 空穴是 少子 p型半導(dǎo)體中則相反 空穴是 多子 電子是 少子 n型和p型硅晶體結(jié)構(gòu) 7 載流子的產(chǎn)生與復(fù)合載流子產(chǎn)生 由于晶格的熱振動 電子不斷從價帶被 激發(fā) 到導(dǎo)帶 形成一對電子和空穴 即電子 空穴對 載流子復(fù)合 不存在電場時 由于電子和空穴在晶格中的運動是無規(guī)則的 在運動中 電子和空穴常常碰在一起 即電子跳到空穴的位置上 把空穴填補掉 這時電子 空穴對就隨之消失 8 載流子的輸運半導(dǎo)體中載流子在外加電場的作用下 按照一定方向的運動稱為漂移運動 擴散運動是半導(dǎo)體在因外加因素使載流子濃度不均勻而引起的載流子從濃度高處向濃度低處的遷移運動 2 2 2光伏電池的制備硅光伏電池是目前使用最廣泛的光伏電池 晶體硅光伏電池制造工藝技術(shù)成熟 性能穩(wěn)定可靠 光電轉(zhuǎn)換效率高 使用壽命長 已進入工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)階段 1 硅材料的優(yōu)異性能 1 硅 Si 材料豐富 易于提純 2 Si原子占晶格空間小 34 這有利于電子運動和摻雜 3 Si摻雜后 容易形成電子 空穴對 4 容易生成大尺寸的單晶硅 400 1100mm 重438kg 等 2 硅材料的制備制造光伏電池的硅材料以石英砂 SiO2 為原料 先把石英砂放入電爐中用碳還原得到冶金硅 冶金硅與氯氣 或氯化氫 反應(yīng)得到四氯化硅 或三氯氫硅 然后通過氫氣還原成多晶硅 多晶硅經(jīng)過坩堝直拉法 Cz法 或區(qū)熔法 Fz法 制成單晶硅棒 從硅材料到制成光伏電池組件 需要經(jīng)過一系列復(fù)雜的工藝過程 以多晶硅光伏電池組件為例 其生產(chǎn)過程大致是 硅砂 硅錠 切割 硅片 電池 組件 3 光伏電池組件的制備 1 光伏電池單體 前面敘述的光伏電池 在光伏電池的結(jié)構(gòu)術(shù)語中 稱為光伏電池單體或光伏電池片 是將光能轉(zhuǎn)換成電能的最小單元 光伏電池單體的工作電壓為0 45 0 5V 開路電壓約為0 6V 典型值為0 48V 工作電流為20 25mA cm2 一般不直接作為電源使用 2 光伏電池組件 光伏電池實際使用時要按負載要求 將若干單體電池按電性能分類進行串并聯(lián) 經(jīng)封裝后組合成可以獨立作為電源使用的最小單元 這個獨立的最小單元稱為光伏電池組件 光伏電池的單體 組件和方陣 a 單體 b 組件 c 方陣 1 光伏電池組件單體電池的連接方式 將單體電池連接起來構(gòu)成電池組件 主要有串聯(lián)連接 并聯(lián)連接和串 并聯(lián)混合連接方式 如下圖所示 光伏電池的連接方式 a 串聯(lián)方式 b 并聯(lián)方式 c 串 并聯(lián)混合 例如 要生產(chǎn)一塊20W的光伏電池組件 現(xiàn)在有單片功率2 2 2 3W的單晶硅電池片 需要確定組件板型和尺寸 根據(jù)電池片情況 首先確定選用2 3W的電池片9片 組件功率為20 7W 電池片排列可采用4片 9片或6片 6片的形式 20W組件板型設(shè)計排布圖 2 光伏電池組件的板型設(shè)計組件的板型設(shè)計一般從兩個方向入手 根據(jù)現(xiàn)有電池片的功率和尺寸確定組件的功率和尺寸 根據(jù)組件尺寸和功率要求選擇電池片的尺寸和功率 2 2 3光伏電池的設(shè)計1 光伏電池的組成 1 光伏電池組件的串 并聯(lián)組合 電池組件的并聯(lián)連接 使方陣的輸出電流成比例地增加 組件串聯(lián)連接時 使方陣輸出電壓成比例地增加 方陣組合連接要遵循下列幾條原則 1 串聯(lián)時需要工作電流相同的組件 并為每個組件并接旁路二極管 2 并聯(lián)時需要工作電壓相同的組件 并在每一條并聯(lián)支路中串聯(lián)防反充 防逆流 二極管 3 防止個別性能變壞的電池組件混入電池方陣 2 光伏電池組件的熱斑效應(yīng) 在光伏電池方陣中 當組件中的某單體電池被損壞時 而組件的其余部分仍正常工作 這樣正常工作的那部分光伏電池就要對損壞的光伏電池提供負載所需的功率 使該部分光伏電池如同一個工作于反向偏置下的二極管 從而消耗功率而導(dǎo)致發(fā)熱 這就是 熱斑效應(yīng) 串聯(lián)光伏電池組件熱斑形成示意圖 并聯(lián)光伏電池組件熱斑形成示意圖 熱斑效應(yīng)的防護 串聯(lián)回路 需要并聯(lián)一個旁路二極管VDb以避免串聯(lián)回路中光照組件所產(chǎn)生的能量被遮擋的組件所消耗 如圖所示 并聯(lián)支路 需要串聯(lián)一只二極管VDs 以避免產(chǎn)生的能量被遮擋的組件所吸收 串聯(lián)二極管在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中可同時起到防反充的功能 光伏電池組件熱斑效應(yīng)防護電路 3 防反充 防逆流 和旁路二極管 1 防反充 防逆流 二極管 防反充二極管的作用 防止光伏電池組件在不發(fā)電時 蓄電池的電流反過來向組件或方陣倒送 在電池中 防止組件各支路之間的電流倒送 2 旁路二極管 當有較多的光伏電池組件串聯(lián)組成電池或電池的一個支路時 需要在每塊電池板的正負極輸出端反向并聯(lián)1個 或2 3個 二極管VDb 這個并聯(lián)在組件兩端的二極管就叫旁路二極管 旁路二極管一般根據(jù)組件功率大小和電池片串的多少 安裝1 3個二極管 如圖所示 圖 a 采用一個旁路二極管 當該組件有故障時 組件將被全部旁路 圖 b 和圖 c 分別采用2個和3個二極管將電池組件分段旁路 可以做到只旁路組件的一半或1 3 其余部分仍然可以繼續(xù)正常工作 旁路二極管接法示意圖 4 光伏電池的電路光伏電池由光伏電池組件串 旁路二極管 防反充二極管和帶避雷器的直流接線箱等構(gòu)成 常見電路形式有并聯(lián) 串聯(lián)和串 并聯(lián)混合方陣電路 如圖所示 光伏電池基本電路示意圖 a 并聯(lián)電路 b 串聯(lián)電路 光伏電池基本電路示意圖 c 串 并聯(lián)混合電路 2 光伏電池的計算光伏電池串聯(lián)是為了獲得所需要的工作電壓 并聯(lián)是為了獲得所需要的工作電流 一般獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)電壓往往被設(shè)計成與蓄電池的標稱電壓相對應(yīng)或者是它的整數(shù)倍 而且與用電器的電壓等級一致 一般帶蓄電池的光伏發(fā)電系統(tǒng)電池的輸出電壓為蓄電池組標稱電壓的1 43倍 對于不帶蓄電池的光伏發(fā)電系統(tǒng) 在計算電池的輸出電壓時一般將其額定電壓提高10 再選定組件的串聯(lián)數(shù) 例如 一個組件的最大輸出功率為108W 最大工作電壓為36 2V 設(shè)選用逆變器為交流三相 額定電壓為380V 逆變器采取三相橋式接法 負載要求功率是30kW 設(shè)計光伏電池 光伏電池輸出電壓為UP Uab 0 817 380 0 817 465V考慮電壓富余量 輸出電壓為465 1 1 512V 則組件的串聯(lián)數(shù)為512V 36 2V 14塊 現(xiàn)則組件總數(shù)為30000W 108W 277塊 從而并聯(lián)數(shù)為277 14 19 8 取并聯(lián)數(shù)為20塊 結(jié)論 系統(tǒng)應(yīng)選擇上述功率的組件14塊串聯(lián) 20塊并聯(lián) 組件總數(shù)為14 20 280塊 系統(tǒng)輸出最大功率為108W 280 30 2kW 2 2 4光伏電池分類1 新型高效單晶硅光伏電池為了提高光伏電池的轉(zhuǎn)換效率 探索了多種結(jié)構(gòu)和技術(shù)來改進電池的性能下面介紹幾種高效 低成本硅光伏電池 1 發(fā)射極鈍化及背表面局部擴散 PERL 光伏電池 2 埋柵 BCSC 光伏電池 3 高效背表面反射器 BSR 光伏電池 4 高效背表面場和背表面反射器 BSFR 光伏電池 PERL光伏電池 BCSC光伏電池 2 多晶硅薄膜光伏電池多晶硅薄膜是由許多大小不等和具有不同晶面取向的小晶粒構(gòu)成 其特點是在長波段具有高光敏性 對可見光能有效吸收 又具有與晶體硅一樣的光照穩(wěn)定性 因此被認為是高效 低耗的理想光伏器件材料 多晶硅薄膜光伏電池具有良好的穩(wěn)定性和豐富的材料來源 是一種很有前途的地面用廉價光伏電池 3 非晶硅光伏電池非晶硅也稱無定形硅或a Si 是直接吸收半導(dǎo)體材料 光的吸收系數(shù)很高 僅幾微米厚就能完全吸收陽光 1 非晶硅的優(yōu)點 1 有較高的光學吸收系數(shù) 很薄的非晶硅就能吸收大部分的可見光 2 禁帶寬度比晶體硅大 與太陽光譜有更好的匹配 3 制備工藝和所需設(shè)備簡單 沉積溫度低 耗能少 4 可沉積在廉價的襯底上 可做成能彎曲的柔性電池 2 非晶硅光伏電池結(jié)構(gòu)及性能 1 非晶硅光伏電池結(jié)構(gòu) 性能較好的非晶硅光伏電池結(jié)構(gòu)有p i n結(jié)構(gòu) 非晶硅光伏電池結(jié)構(gòu) 2 非晶硅光伏電池的性能 a 目前商品化非晶硅光伏電池的光電效率一般為6 7 5 非晶硅光伏電池的溫度變化情況與晶體硅光伏電池不同 溫度升高 對其效率的影響比晶體硅光伏電池要小 b 光致衰減效應(yīng) 非晶硅光伏電池經(jīng)光照后 會產(chǎn)生10 30 的電性能衰減 這種現(xiàn)象稱為非晶硅光伏電池的光致衰減效應(yīng) 為減小這種光致衰減效應(yīng)又開發(fā)了雙結(jié)和三結(jié)的非晶硅疊層光伏電池 目前實驗室中其光致衰減效應(yīng)已減小至10 4 化合物薄膜光伏電池目前 光伏電池價格偏高 開發(fā)研制薄膜光伏電池就成為降低光伏電池價格的重要途徑 薄膜光伏電池由沉積在玻璃 不銹鋼 塑料 陶瓷襯底或薄膜上的幾微米或幾十微米厚的半導(dǎo)體膜構(gòu)成 由于其半導(dǎo)體層很薄 可以大大節(jié)省光伏電池材料 降低生產(chǎn)成本 是最有前景的新型光伏電池 5 砷化鎵光伏電池 1 砷化鎵光伏電池的優(yōu)點 1 砷化鎵的禁帶寬度與太陽光譜匹配好 效率高 2 砷化鎵的禁帶寬度大 可以在高溫下工作 3 砷化鎵的吸收系數(shù)大光伏電池可做得很薄 4 砷化鎵光伏電池耐輻射性能好 2 砷化鎵光伏電池的缺點 1 價格比較昂貴 2 砷化鎵密度高 這在空間應(yīng)用中不利 3 砷化鎵比較脆 易損壞 6 聚光光伏電池聚光光伏電池是能在高倍太陽光下工作的光伏電池 大面積聚光器上接受的太陽光匯聚在一個較小的范圍內(nèi) 光伏電池得到較高的光能 使單體電池輸出更多的電能 其潛力得到了發(fā)揮 為了保證焦斑匯聚在聚光電池上 聚光器和聚光光伏電池通常安裝在太陽跟蹤裝置上 跟蹤方法有單軸跟蹤和雙軸跟蹤之分 單軸跟蹤只在東西方向跟蹤太陽 雙軸跟蹤則除東西方向外 同時還在南北方向跟蹤 7 光電化學電池 光電化學電池的結(jié)構(gòu)1 2 電極 3 電解質(zhì)溶液 1 光生化學電池 當受到外部光照時 光被溶液中的溶質(zhì)分子所吸收 引起電荷分離 在光照電極附近發(fā)生氧化還原反應(yīng) 這類電池稱為光生化學電池 2 半導(dǎo)體電解質(zhì)光電化學電池 2 3光伏電池發(fā)電原理 2 3 1p n結(jié)工作原理如圖 a 所示 在交界處n區(qū)中電子濃度高 要向p區(qū)擴散 在n區(qū)一側(cè)就形成一個正電荷的區(qū)域 同樣 p區(qū)中空穴濃度高 要向n區(qū)擴散 p區(qū)一側(cè)就形成一個負電荷的區(qū)域 這個n區(qū)和p區(qū)交界面兩側(cè)的區(qū)域即通常所說的p n結(jié) 如圖 b 所示 2 3 2光伏效應(yīng)光伏效應(yīng)原理如下圖所示 當光伏電池的兩端接上負載 這些被分離的電荷就形成電流 光伏電池是把太陽輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?2 3 3光伏電池的模型和特性1 光伏電池等效電路光伏電池模型主要分為物理模型和外特性模型兩大類 物理模型較為復(fù)雜 外特性模型則是根據(jù)其運行輸出特性分析 得出等效電路模型 光伏電池等效電路模型的典型形式是單二極管形式 如圖所示 光伏電池單元的等效電路模型 a 單二極管形式 b 簡化形式 2 光伏電池伏安特性如圖所示的光伏電池電壓電流關(guān)系曲線 簡稱為伏安特性曲線 光伏電池伏安特性曲線 最大功率點M對應(yīng)的電流值為最佳輸出電流Im 對應(yīng)的電壓值為最佳輸出電壓Um 由Im和Um構(gòu)成的矩形幾何面積即為該特性曲線所能包攬的最大面積 稱為光伏電池的最佳輸出功率或最大輸出功率Pm 由光伏電池伏安特性曲線可得到光伏電池的功率電壓輸出特性曲線 如圖左所示 由圖可知 特性曲線右側(cè)電壓較高區(qū)域內(nèi) 光伏電池可近似視為電壓源 具有明顯的低內(nèi)阻特性 而在左側(cè)電壓較低區(qū)域內(nèi) 光伏電池又近似視為電流源 具有明顯的高電阻特性 光伏電池的功率電壓輸出特性 在電壓源與電流源的交點處為功率輸出最大值 在最大功率點的兩側(cè) 光伏電池的功率輸出會急劇下降至零值 3 光伏電池串并聯(lián)輸出特性一般光伏電池的輸出電壓隨溫度的升高呈負特性 即輸出電壓隨溫度升高而降低 因而在計算電池組件串聯(lián)級數(shù)時 要留有一定的裕量 為提高光伏電池的利用率 最佳選擇是使其工作于光伏電池總伏安特性曲線的最大功率點位置 光伏電池串聯(lián)后的伏安特性如下圖所示 同樣 在確定光伏電池的并聯(lián)數(shù)量時 要考慮負載的總耗電量 當?shù)啬昶骄照涨闆r 同時考慮蓄電池組的充電效率 電池表面不清潔和老化等帶來的不良因素 光伏電池并聯(lián)后的伏安特性如左圖所示 2 3 4光伏電池的仿真建模在仿真中 常選用基于物理特性建立的模型 雖然這一模型較為復(fù)雜 但其仿真精度更高 并能夠反映外界實時變化的情況 參照光伏電池的物理模型 可建立用于實現(xiàn)其仿真的MATLAB Simulink仿真模型 如下圖所示 下圖是在溫度25 光照強度1000W m2的仿真條件下仿真出的單個光伏電池輸出的特性曲線 2 4最大功率點跟蹤技術(shù) 2 4 1最大功率點受外界影響因素光伏電池的輸出特性會受多方面因素影響 如光照強度 溫度 負載狀態(tài)等都會使它的輸出發(fā)生變化 當然 在不同條件下的光伏電池最大功率點的位置也會變化 為了更好地使光伏發(fā)電系統(tǒng)在各種條件下都能發(fā)出最大的功率 首先應(yīng)研究外界溫度和光照強度變化對光伏電池輸出特性的影響 下面分別以單個光伏電池模型仿真出的電壓 電流特性和功率 電壓特性為例 分析在不同的溫度和光照強度下其輸出特性的變化情況 下圖表示設(shè)定環(huán)境溫度為25 不變 不同光照強度對光伏電池電壓 電流特性的影響 由圖可知 短路電流Isc隨光照強度的升高明顯增大 而開路電壓Uoc將隨光照的升高略有增大 下圖表示保持光照強度為1000W m2不變 不同溫度對光伏電池電壓 電流特性的影響 由圖可以看出 溫度對開路電壓有明顯影響 而特性曲線在恒流源線性區(qū)受溫度影響變化不大 隨溫度升高短路電流Isc只是略有增加 圖 a 表示設(shè)定環(huán)境溫度為25 不變的情況下 不同光照強度對光伏電池功率 電壓特性的影響 圖 b 表示保持光照強度為1000W m2不變的情況下 不同溫度對光伏電池功率 電壓特性的影響 2 4 2最大功率點跟蹤 MPPT 原理要提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體效率 一個重要的途徑就是實時變更系統(tǒng)負載特性 即調(diào)整光伏電池的工作點 使之能在不同的光照強度和溫度下始終工作在最大功率點附近 這一跟蹤過程就稱為最大功率點跟蹤 下圖為帶有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖 帶有MPPT功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖 現(xiàn)以在可變光照強度下工作的光伏電池輸出特性為例 簡單介紹MPPT控制過程及原理 圖中有兩條在不同的光照強度下光伏電池工作的輸出特性曲線 曲線1和曲線2 光伏發(fā)電系統(tǒng)中的MPPT控制策略 就是先根據(jù)實時檢測光伏電池的輸出功率 再經(jīng)過一定的控制算法預(yù)測當前工況下光伏電池可能的最大功率輸出點 最后通過改變當前的阻抗或電壓 電流等電量的方式來滿足最大功率輸出的要求 2 4 3各種MPPT控制方法的分類介紹MPPT控制方法可根據(jù)控制算法進行分類 也可根據(jù)具體實現(xiàn)環(huán)節(jié)的控制參數(shù)分類 若根據(jù)MPPT控制算法的特征和具體實現(xiàn)機理的過程 可將MPPT控制方法分為三大類 基于參數(shù)選擇方式的間接控制法 基于采樣數(shù)據(jù)的直接控制法 基于現(xiàn)代控制理論的人工智能控制法 1 基于參數(shù)選擇方式的間接控制法 1 恒電壓跟蹤法 CVT 下圖所示為一組硅型光伏電池在忽略溫度效應(yīng)條件下的輸出特性與負載匹配曲線 由圖可知 在光伏電池溫度不變的條件下 光伏電池的最大功率點與光照強度成正比 2 開路電壓比例系數(shù)法 開路電壓比例系數(shù)法是為了克服環(huán)境和自身結(jié)溫變化對系統(tǒng)的影響 由恒定電壓法改進而成的 3 短路電流比例系數(shù)法 短路電流比例系數(shù)法與開路電壓比例系數(shù)法類似 4 曲線擬合法是根據(jù)光伏電池的P U特性曲線 通過對光伏電池端輸出電壓UL和輸出電流IL的不斷采樣 建立一個與其功能相似的電路原理性模型 再與已得到的最大功率點直接建立擬合曲線方程 5 查表法 查表法是根據(jù)實際需要 預(yù)先設(shè)定好各種參數(shù)模型并存儲在數(shù)據(jù)表中 當系統(tǒng)運行時 再根據(jù)實際工況選擇不同的參數(shù) 通過查表調(diào)取相關(guān)數(shù)據(jù)來進行MPPT控制 2 基于采樣數(shù)據(jù)的直接控制法此類方法的主要特征是根據(jù)電壓 電流的檢測值經(jīng)MPPT控制方法直接實現(xiàn)控制 1 擾動觀測法 定步長 擾動觀測法是研究最多的一種MPPT控制方法 2 變步長式擾動觀察法 變步長式擾動觀察法是常規(guī)擾動觀察法改良衍生出來的 3 電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法是通過比較光伏電池的瞬時電導(dǎo)和電導(dǎo)的變化量來實現(xiàn)最大功率跟蹤的一種控制方法 4 實際測量法 實際測量法又稱為掃描法 5 寄生電容法 寄生電容法是根據(jù)光伏電池單元存在的結(jié)電容所提出的方法 3 基于現(xiàn)代控制理論的智能控制法 1 模糊邏輯控制法 模糊邏輯控制法 簡稱模糊控制 是一種基于模糊邏輯算法的MPPT控制方法 2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法是將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于MPPT的一種控制方法 常用的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如右圖所示 3 滑模控制法 滑模控制法的原理在于控制的不連續(xù)性 通過不斷變化的開關(guān)特性迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定狀態(tài)軌跡附近做小幅度 高頻率地上下 滑模運動 以到達并保持在所設(shè)計的滑動面上 多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 2 5基于采樣數(shù)據(jù)的直接MPPT控制法 2 5 1恒電壓控制法1 恒電壓控制的原理外界環(huán)境條件一定時 光伏電池有且僅有一個最大功率點輸出 對該輸出特性進一步分析可以發(fā)現(xiàn) 當溫度基本保持不變 而光照強度變化時 典型的輸出功率 電壓曲線如圖所示 不同光照強度下的功率 電壓曲線 2 恒電壓控制的仿真光伏發(fā)電系統(tǒng)可由光伏電池 變換器 負載 采樣和控制電路四部分組成 如下圖所示 一般光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲 根據(jù)上圖所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 若負載為獨立于電網(wǎng)運行 即可組成獨立光伏發(fā)電系統(tǒng) 若負載通過另一變換器接入電網(wǎng) 則構(gòu)成并網(wǎng)系統(tǒng) 在具體恒電壓控制法實現(xiàn)過程中 首先是對光伏電池側(cè)傳感器輸出信號進行采樣得到運行參數(shù) 然后在控制電路中將系統(tǒng)參數(shù)通過控制算法和控制程序轉(zhuǎn)換成PWM控制脈沖 以實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制 恒電壓控制法在實際工程應(yīng)用中 一般要提前測試好系統(tǒng)參數(shù) 得出最佳PWM脈寬 再采用固定PWM脈寬方式去實現(xiàn)控制 在MATLAB仿真平臺上搭建恒電壓控制模型如圖所示 MATLAB Simulink恒電壓控制模型 表2 2各種恒電壓控制法的改進方案 3 恒電壓控制法的改進和發(fā)展 2 5 2干擾觀測法1 干擾觀測法的工作原理干擾觀測法的工作原理 首先在光伏電池工作的某一參考電壓下檢測出其輸出功率 然后在該電壓基礎(chǔ)之上加一個正向電壓擾動量 再次檢測光伏電池的輸出功率 若所測輸出功率增加 說明最大功率點在當前工作點的右邊 可以繼續(xù)增加正向擾動電壓 若所測輸出功率降低 則說明最大功率點在當前工作點的左邊 應(yīng)該反向增加擾動電壓 使得工作點朝左移 如此循環(huán) 直到輸出功率穩(wěn)定在設(shè)定的一個很小范圍內(nèi) 即可認為達到了最大功率點 2 干擾觀測法的分類根據(jù)干擾步長和控制效果的不同 可分為常規(guī)干擾觀測法和改進型干擾觀測法 在常規(guī)干擾觀測法中 根據(jù)控制電壓干擾法的控制流程圖參數(shù)的不同 又分為電壓干擾法 占空比干擾法等 電壓干擾法可以通過比較功率和電壓的變化方向來判斷系統(tǒng)的工作區(qū)域 再對參考電壓進行相應(yīng)的調(diào)整使光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點附近 電壓干擾法的控制流程圖 以典型的獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)為例說明占空比干擾法 如圖所示 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)拓撲 在上圖所示Buck電路中 穩(wěn)態(tài)時負載端電壓UL和光伏電池PV端輸出電壓UPV具有如下關(guān)系UL UPVD式中 D為占空比 這樣只要控制DC DC變換器開關(guān)的占空比D就可調(diào)節(jié)光伏電池的輸出電壓 從而實現(xiàn)MPPT控制 該方法稱為占空比干擾法 3 干擾觀測法的控制參數(shù)選取 1 擾動步長的選取原則 作為干擾觀測法的重要參數(shù) 擾動步長的選取對于此法的控制性能有著決定性的影響 但步長不是一成不變的 且和實際系統(tǒng)存在著緊密聯(lián)系 需要針對系統(tǒng)參數(shù)和動態(tài)響應(yīng)特性進行合理選取 因此研究如何合理選擇擾動步長具有重要意義 2 控制周期的選取 控制周期Ta是干擾觀測法的另一重要參數(shù) 它對算法能否有效跟蹤最大功率點有著決定性作用 4 干擾觀測法的適用對象當外界環(huán)境參數(shù)變化太快時 如光照強度發(fā)生突變 干擾觀測法可能會發(fā)生電壓崩潰 如圖所示 當光照強度發(fā)生突變 如太陽光突然被云層擋住 時 光伏電池的P U曲線將由 變?yōu)?干擾觀測法適用于外界環(huán)境較穩(wěn)定的中小功率光伏發(fā)電系統(tǒng) 以犧牲部分動態(tài)響應(yīng)速度來提升系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度和抗擾動能力 干擾觀測法MPPT控制在光照強度突變時運行分析 5 干擾觀測法的仿真根據(jù)MPPT控制方法的干擾觀測法 建立一個光伏發(fā)電系統(tǒng)通過Buck電路對蓄電池進行最大功率充電的電氣主電路模型 如下圖所示 該模型包括光伏電池模塊 主電路模塊和控制模塊 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)電氣主電路模型 在MATLAB Simulink中建立一個采用傳統(tǒng)定步長干擾觀測法進行MPPT控制的仿真模型 如下圖所示 MATLAB Simulink干擾觀測法MPPT控制仿真模型 該仿真中設(shè)定系統(tǒng)光伏電池的額定功率為300W 在20 25 30ms和35ms時刻光照強度分別設(shè)置為700 800 900W m2和1000W m2 6 干擾觀測法的改進和發(fā)展由于傳統(tǒng)干擾觀測法具有諸多缺陷 如穩(wěn)態(tài)精度不夠 光照強度劇烈變化出現(xiàn)誤判斷 步長和控制周期選取有沖突等 因此就出現(xiàn)了對其改進的一些控制方法 1 變步長干擾觀測法 變步長干擾觀測法的控制思想是加入步長變化環(huán)節(jié) 在工作點遠離最大功率點區(qū)間時 設(shè)定擾動步長相對較大 在工作點接近最大功率點區(qū)間時 設(shè)定步長相對較小 這樣既能在穩(wěn)態(tài)時減小功率損失 又能在外界條件劇烈變化時提高動態(tài)響應(yīng)和系統(tǒng)穩(wěn)定性 從而達到預(yù)定控制效果 2 與遺傳算法相結(jié)合的干擾觀測法 把遺傳算法應(yīng)用于MPPT中 可以使變換器克服外界條件劇烈變化造成的干擾 迅速搜索到最大功率點 下面以Boost電路為例 說明這種算法 遺傳算法的實現(xiàn)可以分為以下幾步 1 選取優(yōu)化變量 2 選擇適應(yīng)函數(shù) 3 選擇操作 4 交叉操作 5 變異操作 6 終止條件判斷gen MAXGEN 2 5 3電導(dǎo)增量法1 電導(dǎo)增量法的原理電導(dǎo)增量法通過比較光伏電池的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來改變系統(tǒng)的控制信號 電導(dǎo)增量法的控制思想與干擾觀測法類似 通過不斷比較光伏電池工作時的電導(dǎo)增量和瞬間電導(dǎo)來改變控制信號 由光伏電池工作特性曲線可知 最大功率點處的光伏電池輸出功率PPV與輸出電壓UPV滿足條件 可得 式中 G為輸出特性曲線的電導(dǎo) dG為電導(dǎo)G的增量 由于增量dUPV和dIPV可以分別用 UPV和 IPV來近似代替 可得 由以上分析可知 電導(dǎo)增量法的控制流程也相對簡單 其控制流程如圖所示 由上述分析可知 與干擾觀測法類似 傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法也用了電壓參考值設(shè)定變化的原理來進行MPPT控制 由于最大功率點處電導(dǎo)判據(jù)會趨于0 因此采用電導(dǎo)和電導(dǎo)增量的方法 可以有效地避免在最大功率點附近反復(fù)進行左右擺動 改善了系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能 電導(dǎo)增量法MPPT控制流程圖 2 電導(dǎo)增量法的仿真分析在MATLAB Simulink平臺建立電導(dǎo)增量法的控制模型 如圖所示 MATLAB Simulink電導(dǎo)增量法MPPT控制仿真模型 根據(jù)控制仿真模型 設(shè)定系統(tǒng)光伏電池額定功率值為300W 在20 25 30ms和35ms時刻的光照強度分別設(shè)置為700 800 900W m2和1000W m2 其仿真曲線如圖所示 電導(dǎo)增量法MPPT控制仿真曲線 a 電壓 電流曲線 b MPPT過程曲線 3 電導(dǎo)增量法的改進 1 具有功率前饋控制的變步長電導(dǎo)增量法 固定步長的電導(dǎo)增量法在穩(wěn)定情況下具有較好的跟蹤性能 但當外界環(huán)境出現(xiàn)大的變化 如光照強度發(fā)生大幅度瞬間變化時 系統(tǒng)就會出現(xiàn)誤判斷 動態(tài)響應(yīng)效果不理想 造成相應(yīng)的功率損失 有時甚至會出現(xiàn)電壓崩潰的現(xiàn)象 為此派生出一種改進的電導(dǎo)增量法 又稱具有功率前饋控制的變步長電導(dǎo)增量法 這種方法引入了功率控制環(huán) 使控制方法更加高效穩(wěn)定 與傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法相比 這種改進的電導(dǎo)增量控制法 功率參考值Pref在每個控制周期里的設(shè)定調(diào)整流程圖如右所示 改進的電導(dǎo)增量法控制流程圖 相比于定步長的電導(dǎo)增量法 變步長的電導(dǎo)增量法可以在動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)精度上實現(xiàn)較好的折中 而步長變化規(guī)則的選擇 無疑是實現(xiàn)跟蹤算法的關(guān)鍵 2 最大功率輸出變步長電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法中 電導(dǎo)與電導(dǎo)增量之和與最大功率點之間具有潛在的關(guān)系 當光伏電池的工作點離最大功率點較遠時 這兩者之和保持不變 而當工作點在最大功率點附近時 這兩者之和迅速趨于0 在最大功率點處 這兩者之和則等于0 因此 可以用這兩者之和來控制變步長電導(dǎo)增量法中的步長 獨立光伏發(fā)電系統(tǒng) 在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中 電導(dǎo)增量法的步長即為開關(guān)管的占空比的變化量 D 根據(jù)電導(dǎo)與電導(dǎo)增量之和與最大功率點之間的潛在關(guān)系 設(shè) D是一個與電導(dǎo)增量之和成比例關(guān)系的變量 即 式中 k為步長標號 這樣 在最大功率點附近 步長變化很小 工作點移動也非常小 因此除了一點小誤差外 實際工作點趨向于和最大功率點重合 3 修正變步長電導(dǎo)增量法 通常 定步長的電導(dǎo)增量法只能在動態(tài)響應(yīng)和減小穩(wěn)態(tài)振蕩之間取一個折中 能同時實現(xiàn)兩者的最優(yōu)化 對此 介紹一種修正變步長的電導(dǎo)增量法 可以解決這個問題 能簡單有效地提高MPPT的精度和速度 一般情況下 一個光伏模塊由多個光伏單元串聯(lián)或并聯(lián)組成 其數(shù)學表達式為 相對于傳統(tǒng)的固定步長電導(dǎo)增量法 這種方法能同時有效提高MPPT的速度和準確性 此外 算法簡單 可以很容易地在數(shù)字信號處理器中實現(xiàn) 在大多數(shù)場合 可用光伏電池和負載之間的DC DC變換器來實現(xiàn)MPPT 為了降低系統(tǒng)的復(fù)雜性 光伏電池輸出的功率直接被用來控制變換器的占空比 修正變步長電導(dǎo)增量法的流程圖如圖所示 修正變步長電導(dǎo)增量法的控制流程圖 2 5 4模糊邏輯控制法1 模糊邏輯控制法的工作原理模糊邏輯控制簡稱模糊控制 是一種計算機數(shù)字控制技術(shù) 它以模糊集合論 模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ) 以被控對象的輸出變量偏差ec和偏差變化率 ec為輸入變量 被控量為輸出變量 通過模糊邏輯推理控制得出反映輸入 輸出變量與控制規(guī)則的模糊定量關(guān)系及其算法結(jié)構(gòu) 其實現(xiàn)應(yīng)用的過程是 邏輯控制器先將采集到的控制信息經(jīng)語言控制規(guī)則進行模糊推理和模糊決策 由此求得控制量的模糊集 然后經(jīng)過模糊判決得出輸出控制的精確量 再作用于被控對象 最終使被控對象達到預(yù)期的控制效果 1 重心法解模糊 重心法解模糊所確定的清晰點y 是模糊集B 的隸屬度函數(shù)所涵蓋區(qū)域的重心 重心法解模糊的優(yōu)點在于其直觀合理 言之有據(jù) 缺點在于其計算要求高 實際上 隸屬函數(shù) B y 通常是不規(guī)則的 因而很難計算 2 中心平均解模糊 中心平均解模糊是在模糊系統(tǒng)與模糊控制中最常用的解模糊方法 它計算簡便 直觀合理 可以克服重心法解模糊積分計算困難的缺陷 3 最大值解模糊 最大值解模糊把y 確定為V上 B y 取得其最大值的點 2 模糊邏輯控制法的具體實現(xiàn)在光伏發(fā)電系統(tǒng)MPPT控制中 模糊控制一般定義輸出偏差E及其變化率 E作為模糊控制器的輸入 將控制系統(tǒng)所需要的控制變化量以微分dD的形式從模糊控制器輸出 實時檢測光伏電池的輸出電壓和功率數(shù)據(jù) 當前采樣值和上次采樣數(shù)值分別用n和n 1來表示 則模糊控制器輸入變量ec n 及其變化率 ec n 的函數(shù)表達可分別定義為 3 模糊邏輯控制法的應(yīng)用情況并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)由于其參數(shù)變化 雜散參數(shù)難以確定及其他非線性特性 所以難以建立準確的數(shù)學模型進行控制 因此 模糊邏輯控制在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用就受到關(guān)注 在中小型光伏發(fā)電系統(tǒng)中 由于自身功率等級較低 系統(tǒng)參數(shù)相對較為簡單 對MPPT控制要求并不苛刻 故沒有必要采用難以實現(xiàn) 成本較高的模糊控制來進行MPPT控制 在大型光伏發(fā)電系統(tǒng)中 由于其存在諸多不確定因素 導(dǎo)致出現(xiàn)最大功率多峰值問題 電網(wǎng)波動和系統(tǒng)保護要求等 由此需要具有功能完善 控制效果更佳的控制器 因此模糊控制是一種較好的系統(tǒng)控制方法 2 5 5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法的原理人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量簡單處理單元連接組成 通過模擬人的大腦神經(jīng)處理信息的方式 進行并行處理和非線性轉(zhuǎn)換的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò) 人工神經(jīng)元是受到生物神經(jīng)元的啟發(fā)而得來的 神經(jīng)元之間傳遞信息的路徑是 由樹突接收信息 并通過軸突發(fā)出 最終達到神經(jīng)末梢 傳遞給另一個細胞的樹突 此連接處稱為突觸 生物神經(jīng)元經(jīng)抽象后 可得到下圖所示的一種人工神經(jīng)元模型 它有以下三個基本要素 1 連接權(quán) 2 求和函數(shù) 3 激勵函