光伏并网发电系统中MPPT控制和实现过程.docx
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光伏并网发电系统中MPPT控制和实现过程
毕业论文
作者:
学号:
学院:
专业:
电气工程及其自动化
题目:
光伏并网发电系统中MPPT控制
和实现方法的研究
指导者:
(姓名)(专业技术职务)
评阅者:
(姓名)(专业技术职务)
年月吉林
摘要
石油、煤炭、天然气、铀等资源短缺引发了光伏产业的大发展,能源替代形式的迫切性和环境保护的严峻性使得太阳能光伏发电技术倍受瞩目。
本文基于光伏模块直流物理模型,在Matlab仿真环境下,开发了光伏阵列通用仿真模型。
利用该模型,可以模拟任意太阳辐射强度、环境温度、光伏模块参数、光伏阵列串并联方式组合下的光伏阵列I-V特性。
此外,该模型还融合了光伏阵列的最大功率跟踪(MPPT)功能,可以用于光伏发电系统和风光复合发电系统的动态仿真。
关键词:
光伏技术;太阳能电池;光伏阵列特性;最大功率点跟踪(MPPT);Matlab仿真
Abstract
Shortageofresourcessuchasoil,coal,naturalgasanduraniumetc.hadledtogreatdevelopmentofphotovoltaicindustry,Greatattentionhasbeenpaidonsolarenergy.PhotonologyduetothestringnentneedofalternativeenergyandthechallengeofenviRonmentalprotection.
AVersatilesimulationmodelforphotovoltaicarrayisdevelopedbasedontheDCphysicalmodelofphotovoltaicmoduleunderMatlabenvironment.Bythemodel,theI-Vcharacteristicsofphotovoltaicarraywithdifferentcombinationscanbesimulatedatanycorrespondinginsolationlevel,ambienttemperatureandparametersofthephotovoltaicmodule.Inadditiontothat,themodelincludesthefunctionofMaximumPowerPointTracking(MPPT).Itcanbeusedinthedynamicsimulationofphotovoltaicsystemsandwind-solarhybridsystems.
Keywords:
photovoltaictechnology;solarcell;characteristicofphotovoltaicarray;MPPT;Matlabsimulation
第1章绪论
1.1课题背景及研究的意义
1.1.1课题背景
目前人类的能源消费结构中,石油、煤炭、天然气、铀等矿物资源占到了人类能源供给量的80%以上。
资料显示,地球上尚未开采的原油储藏量已不足两万亿桶,可供人类开采时间不超60年;天然气储备估计在131800~152900Mm3,将在57~65年内枯竭;煤的储量约为5600亿t,可以供应约160年;铀的年开采量目前为每年约6万t,可维持70年左右。
如果矿石资源一旦短缺,而新的能源体系又没有完全建立,将有可能造成全球性的能源危机,从而导致全球性的经济危机。
近年来频频出现的电、煤、油等常规能源危机严重影响了国家的经济发展和居民的日常生活,能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈。
为了摆脱能源短缺的困扰,开发太阳能资源,寻求经济发展新动力成为各国能源发展的主要课题[1]。
1.1.2课题研究的意义
我国地处北半球,南北距离和东西距离都在5000km以上。
在我国广阔的土地上,大多数地区年平均日辐射量在4kWh/m2以上,西藏日辐射量最高达7kWh/m2。
我国2/3以上地区的年日照大于2000h,与同纬度的其他国家和地区相比,与美国相近,比欧洲、日本优越得多,我国太阳能资源的理论储量达每年17000亿t标准煤。
对太阳能这种可再生能源的开发和利用主要表现在太阳能光伏发电上,在我国发展光伏产业有着三大有利因素:
(1)光伏电站适合特殊的居住环境,特别是青藏高原有着得天独厚的地理环境优势。
(2)国际环境基金项目对光伏产业发展的巨大支持和推动作用,由原国家经贸委、GEF(全球环境基金)、世界银行支持的中国可再生能源商业化发展促进项目于2001年12月正式启动,这为国内中小光伏企业提供了一个良好的发展机遇。
(3)国家能源政策的支持,国家将开发利用新能源和可再生能源放到国家能源建设开发战略的优先地位,这为发展光伏产业提供了巨大的政策支持[3]。
1.2光伏技术概述
太阳能光伏(photovoltaic)技术是将太阳能转化为电力的技术,其核心是可释放电子的半导体物质。
最常用的半导体材料是硅,地壳中硅储量丰富。
太阳能光伏电池有两层半导体,一层为正极,一层为负极,阳光照射在半导体上时,两极交界处便产生电流。
太阳能光伏系统中最重要的是电池,是收集阳光的基本单位。
大量的电池合成在一起构成光伏组件,有时用逆变器对电流进行转换,以适合不同电器的使用要求或与电网相匹配。
太阳能光伏电池主划分为:
晶体硅电池
(包括单晶硅monoc-Si、多晶硅multi-Si、带状硅ribbon/sheetc-Si)、非晶硅电池(a-Si)、非硅光伏电池(包括硒化铜铟CIS、碲化镉CdTe)。
近年来原材料多晶硅价格的不断上涨,致使晶体电池的成本大幅攀升,但也使得非晶硅电池成本优势更加明显。
此外,薄膜电池可大大节约原材料使用,成为太阳能电池的发展方向,但是其技术要求非常高,而非晶硅薄膜电池作为目前技术最成熟的薄膜电池,成为目前薄膜电池中最富增长潜力的品种。
1.3光伏产业现状与分析
2004年至2007年年底,太阳能光伏产业形成了爆炸性增长,全球太阳能电池产量增加了43.7%,而中国太阳能电池产量更是猛增了77倍,成为全球名列前茅的太阳能电池生产国。
在国际市场和国内政策的推动下,中国的光伏产业正迎来了发展高峰期,特别是2008年中国光伏产业继续快速发展,太阳能电池和组件产量将占世界产量的27%以上。
截至2007年底,我国太阳能电池产量达1088MW,位居世界前列[2]。
1.3.1产能与市场分析
在世界光伏市场的拉动下,我国光伏产业得到了迅猛发展,至2007年底,我国太阳能电池产量已位居世界前列。
但另一方面,我国光伏市场发展依然缓慢,2007年全国光伏系统仅安装了20MW,不到太阳能电池生产总量的2%。
截止2007年底,我国光伏系统累计安装100MW,约占世界累计安装量的1%。
根据预测,中国光伏需求量到2020年也只有1800MW,这意味着仅过去一年的产能就可满足未来十余年后的规划目标。
1.3.2产业链分析
从产业链构成上看,光伏产业的上游企业是硅材料生产企业,太阳能电池生产位居光伏产业链的中游,具体到光伏产业链的下游企业,除太阳能电池并网发电在发电工程等领域的具体应用外,还包括太阳能电池组件的生产、安装以及太阳能光伏电池与机电产业、建筑材料的结合利用等方面。
目前,光伏行业关联企业以两种模式存在,即一体化模式和专业化模式。
所谓一体化,即打通光伏行业的上下游产业链,就是一家光伏企业既做上游产品又做下游产品,实现一体化发展;所谓专业化,则是指仅仅从事产业链中某一段的生产。
1.4本文的研究内容
随着新型能源的开发利用,光伏发电技术得到了迅猛发展。
其中对于光伏发电组成部分的研究手段也越来越多。
本文选用了最大功率跟踪(MPPT)作为研究的主要内容,并对所得出的数学模型进行了建模与仿真。
本文所要完成的主要内容包括以下几个方面:
1.光伏电池的分类
2.光伏电池输出特性的研究
3.根据光伏电池物理模型建立了其数学模型
4.比较各种MPPT方法,并选用了一种方法进行仿真验证
5.不足及展望
第2章太阳能光伏发电系统原理及组成
2.1太阳能光伏发电系统的工作原理
工作原理:
白天,在光照条件下,太阳电池组件产生一定的电动势,通过组件的串并联形成太阳能电池方阵,使得方阵电压达到系统输入电压的要求。
再通过充放电控制器对蓄电池进行充电,将由光能转换而来的电能贮存起来。
晚上,蓄电池组为逆变器提供输入电,通过逆变器的作用,将直流电转换成交流电,输送到配电柜,由配电柜的切换作用进行供电。
蓄电池组的放电情况由控制器进行控制,保证蓄电池的正常使用。
光伏电站系统还应有限荷保护和防雷装置,以保护系统设备的过负载运行及免遭雷击,维护系统设备的安全使用。
2.2太阳能光伏发电系统的组成
图2-1双级式光伏并网发电系统
光伏系统是由太阳能电池方阵,蓄电池组,充放电控制器,逆变器,交流配电柜、自动太阳能跟踪系统、自动太阳能组件除尘系统等设备组成。
其各部分设备的作用是:
⑴太阳能电池方阵:
在有光照(无论是太阳光,还是其它发光体产生的光照)情况下,电池吸收光能,电池两端出现异号电荷的积累,即产生光生电压,这就是光生伏打效应。
在光生伏打效应的作用下,太阳能电池的两端产生电动势,将光能转换成电能,是能量转换的器件。
太阳能电池一般为硅电池,分为单晶硅太阳能电池,多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池三种。
⑵蓄电池组:
其作用是贮存太阳能电池方阵受光照时发出的电能并可随时向负载供电。
太阳能电池发电对所用蓄电池组的基本要求是:
a.自放电率低;b.使用寿命长;c.深放电能力强;d.充电效率高;e.少维护或免维护;f.工作温度范围宽;g.价格低廉。
目前我国与太阳能发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池和镉镍蓄电池。
配套200Ah以上的铅酸蓄电池,一般选用固定式或工业密封式免维护铅酸蓄电池,每只蓄电池的额定电压为12VDC;配套200Ah以下的铅酸蓄电池,一般选用小型密封免维护铅酸蓄电池,每只蓄电池的额定电压为12VDC。
⑶充放电控制器:
是能自动防止蓄电池过充电和过放电的设备。
由于蓄电池的循环充放电次数及放电深度是决定蓄电池使用寿命的重要因素,因此能控制蓄电池组过充电或过放电的充放电控制器是必不可少的设备。
⑷逆变器:
是将直流电转换成交流电的设备。
由于太阳能电池和蓄电池是直流电源,而负载是交流负载时,逆变器是必不可少的。
逆变器按运行方式,可分为独立运行逆变器和并网逆变器。
独立运行逆变器用于独立运行的太阳能电池发电系统,为独立负载供电。
并网逆变器用于并网运行的太阳能电池发电系统。
逆变器按输出波型可分为方波逆变器和正弦波逆变器。
方波逆变器电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统。
正弦波逆变器成本高,但可以适用于各种负载。
逆变器保护功能:
a、过载保护;b、短路保护;c、接反保护;d、欠压保护;e、过压保护;f、过热保护。
⑸交流配电柜:
其在电站系统的主要作用是对备用逆变器的切换功能,保证系统的正常供电,同时还有对线路电能的计量。
(6)太阳能跟踪系统:
太阳能跟踪系统是能够保持太阳能电池板随时正对太阳,使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置,能够显著提高太阳能光伏组件的发电效率,最大限度的提高太阳跟踪精度,完美实现适时跟踪,最大限度提高太阳光能利用率。
第3章光伏电池的基本原理和输出特性
3.1太阳电池基本原理
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- 关 键 词:
- 并网发电 系统 MPPT 控制 实现 过程