独立光伏发电系统的建模与仿真.pdf
- 文档编号:14656382
- 上传时间:2023-06-25
- 格式:PDF
- 页数:72
- 大小:6.26MB
独立光伏发电系统的建模与仿真.pdf
《独立光伏发电系统的建模与仿真.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《独立光伏发电系统的建模与仿真.pdf(72页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
学校代码:
!
Q2竖分类号;!
丛丝!
蟹级:
公珏UDC:
垫学号:
!
哑42隶韵大莹硕士学位论文独立光伏发电系统的建模与仿真研究生姓名:
导师姓名:
申请学位类别王堂亟一级学科名称动力王猩丞王程垫物堡二级学科名称垫篚工程答辩委员会主席固壶数教授学位授予单位盔直太堂论文答辩日期2垒13生且21目学位授予日期2Q!
生且旦评阅人毖亟副夔授基金苤熬授2013年月日肼7-一忻隶南y大粤硕士学位论文独立光伏发电系统的建模与仿真ModelingandSimulationforIndependentPhotovoltaicSystemUlIIIIIIIIIIIIIIIIIIIY2438527ADissertationSubmittedtoSoutheastUniversityFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYChenHUiSupervisedbyProfWangMing-chunSchoolofEnergyandEnvironmentSoutheastUniversityMay2013学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名:
至盘:
舀日期:
!
i:
!
:
挈学位论文使用授权声明大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。
本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。
除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅,可以公布(包括以电子信息形式刊登)论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。
论文的公布(包括以电子信息形式刊登)授权大学研究生院办理。
研究生签名:
衄导师签名:
日期:
沙)沁刁摘要摘要光伏发电作为一种新型发电形式近年来得到了快速发展。
但是光伏发电系统存在光伏电池能量转化率低,以及铅酸蓄电池使用寿命有限等问题,使得独立光伏发电系统使用效率偏低。
本文通过研究具有全局搜索能力的最大功率点跟踪(MPPT)控制算法和铅酸蓄电池的荷电状态预测方法,可以实现光伏发电系统的最大功率输出,延长蓄电池的使用寿命,从而提高整个独立光伏发电系统的利用率。
本文以独立光伏发电系统为研究对象,首先针对光伏电池的等效数学模型进行Matlab仿真,得出光伏电池的输出特性曲线,验证了光伏电池的非线性输出特性;然后运用基于支持向量机回归(SVR)算法建立了光伏电池的MPPT非线性预测模型,并在此基础上搭建基于SVR的MPPT系统仿真模型,其仿真模型的子系统包括光伏电池模块,SVRMPPT模块,DCDC变换器环节和脉冲触发调锘q(PWIVI)环节,仿真结果表明,基于SVR的预测方法能够取得较好的效果;最后利用SVR算法建立了铅酸蓄电池的荷电状态的非线性预测模型,进一步证明了SVR算法的有效性。
本文采用SVR算法对光伏电池的最大功率点跟踪和蓄电池的荷电状态进行预测研究,在Matlab环境下训练了样本数据,并用获得的预测模型拟合测试样本集,仿真实验表明基于SVR算法的非线性预测模型能够适应外界环境的变化,具有很好的推广能力。
关键词:
独立光伏发电系统;支持向量机回归;最大功率点跟踪;荷电状态;建模仿真东南大学硕士学位论文ABSTRACTPhotovoltaicpowergenerationhasdevelopedrapidlyasanewformofpowergenerationtheseyearsHowever,theindependentphotovoltaicpowergenerationsystempossessestheproblemsoflowsolarcellenergyconverSionrateandlimitedservicelifeofthelead-acidbaaery,andtheseproblemsleadtothelowefficiencyofthewholesystemInthisresearch,themaximunpowerpointtracing(MPPT)controlalgorithmhavingtheglobalsearchabilityandthepredictingmethodoflead-acidbatterychargedstateWasinvestigatedtoachievethemaximumoutputofphotovoltaicpowergenerationsystem,prolongtheservicelifeofbattery,andfinallyincreasetheefficiencyoftheindependentphotovoltaicpowergenerationsystemThisworkWascarriedoutontheindependentphotovoltaicpowergenerationsystemFirstly,themathematicalmodelofthephotovoltaiccellsWassimulatedbyMatlab,andtheoutputcharacteristiccurvewasobtainedTheresultsverifiedthenonlinearoutputcharacteristicofthephotovoltaiccellsSecondly,aMPPTnonlinearpredictionmodelWasestablishedforthephotovoltaiccellbasedonthesupportvectormachineregression(SVR)algorithmThen,asimilarpredictionmodelWaslaunchedfort11ewholesystemwhichincludedthephotovoltaicbatterymodule,SVRMPPTmodule,DCDCconverterandPWMpulsetriggerlinkThesimulationresultsshowedthatagoodpredictionCanbeachievedLastly,anonlinearpredictingmodelWasestablishedforthechargedstateofleadacidbatterybasedontheSVRalgorithm,andthepredictingresultillustratedtheeffectivenessofthismethodfurtherModelswereestablishedbasedtheSVMalgorithmtostudythemaximumpowerpointtrackingofthephotovoltaiccellsaswellastopredictthechargedstateofbatteryThesampledatawastrainedbythemodelsintheMatlabenvironment,andthetestsamplesetswerefixedbythemodelsThesimulationresultsshowthatthenonlinearpredictionmodelbasedontheSVRCanadapttothechangesoftheexternalenvironmentwellandhasabroadapplicationprospectKeyword:
Independentphotovoltaicpowergenerationsystem;Supportvectormachineregression;Maximumpowerpointtracking;SOC;ModelingandsimulationII目录目录摘要IABSTRACTII第一章绪论111本课题的研究背景112研究现状1121全球光伏产业的发展现状l122我国光伏产业的发展现状213我国光伏产业的前景预测314光伏发电存在的问题315独立光伏系统的基本结构416本课题主要研究内容5第二章光伏电池的工作特性及MPPT算法721光伏阵列的工作原理722光伏电池的物理数学模型723光伏电池的工程数学模型824光伏电池的模型仿真925光伏电池的特性分析1026光伏电池的最大功率点跟踪算法13261电压反馈法14262电导增量法14263扰动观察法1527DCDC变换电路实现MPPT的原理16271DCDC变换电路的工作原理1627。
2Boost电路Matlab仿真分析18273Boost变换器实现MPPT1928本章小结20第三章基于支持向量机模型的最大功率预测研究2131统计学习理论21311学习问题的表述21312经验风险最小化22313VC维22314推广能力与推广的界23315结构风险最小化2432支持向量机25III东南大学硕士学位论文321支持向量机的基本思想25322支持向量机回归(SVR)原理2633支持向量回归机参数优化30331参数优化问题的提出30332参数优化准则及实现方法31333参数优化算法3234基于支持向量机的最大功率跟踪研究33341数据预处理34342样本数据的选择34333仿真分析与结论3635基于SVR预测模型的MPPT控制系统仿真一41351光伏阵列的MPPT系统组成4l35。
2系统各仿真模块的Simulink建模41353基于SVR预测模型的MPPT控制系统仿真42354仿真结果与分析4336本章小结44第四章基于支持向量机模型的铅酸蓄电池荷电状态预测研究4641铅酸蓄电池的工作原理4642铅酸蓄电池的容量及荷电状态分析47421铅酸蓄电池的容量分析47422铅酸蓄电池的荷电状态分析4743支持向量机在铅酸蓄电池SOC预测的应用48431蓄电池的容量测量装置49432SOC预测模型49433支持向量机的结构设计50432训练结果及分析5144本章小结5451研究成果总结5652未来工作展望57致谢58参考文献59研究生期间发表论文63IV第一章绪论11本课题的研究背景第一章绪论我国目前发电所需能源主要依赖传统的不可再生能源,这些传统能源不仅资源有限,而且污染环境。
随着能源的短缺和人们的环保意识的增强,光伏发电作为新型发电形式越来越受到人们的关注并得到了快速发展。
与煤炭等传统能源相比,太阳能具有零污染、分布广泛、取之不尽用之不竭等优点。
因此,最大限度的利用太阳能资源以最优的资源来实现我国经济的持续健康发展具有重要的意义。
12研究现状121全球光伏产业的发展现状光伏电池是利用光生伏打效应这一原理将太阳能直接转化为电能的半导体,所谓光生伏打效应是指半导体受到光照时,能够吸收光子并使得物体内的电荷分布发生变化而产生电动势的现象【l。
自1954年第一块光伏电池诞生以来,光伏发电取得了很大的进步,但是那时它的发展还很缓慢,1973年的石油危机和20世纪90年代的环境污染问题大大促进了光伏电池的发展。
随着人们环保意识的提高,光伏发电越来越受到各国政府的重视,各国政府不断加大科研投入,并出台一些鼓励和扶持光伏产业的政策,刺激了光伏产业的快速发展。
2000年以来,全球光伏产业连续六年以大于30的速度快速增长,2003年全球光伏电池产量已高达750MW12J。
2004年开始,德国新增贴补法案促使德国光伏市场的爆发及随之而来的其他发达国家问新一轮的政策热潮和全球光伏市场的高速膨胀。
2004年全球光伏电池的产量是1256MW,年增长率高达68,2005年全球光伏电池产量达1818MW,年增长率45。
美国光伏政策新纪元到来的标志是2006年加州州长施瓦辛格提出的“百万个太阳能屋顶计划”,他提出了未来10年内在加州建设3000MW光伏发电系统的提案。
正是由于美国、欧洲等发达国家强有力的政策推动,全球光伏市场才呈现后来欣欣向荣的景象【3】。
2010年全球光伏电池产量已达14GW,2011年光伏太阳能电池产量为372GW,由于受国际市场萎缩的影响,2012年光伏太阳能电池产量略微下降,约为36GW纠。
2013年国际可再生能源全体会议讨论并制定了一个新的“能源路线图,即增加太阳能、风能、地热等可再生能源在全球能源使用总量中的比例,争取到2030年,这类新能源使用量的比例不低于30【3】。
光伏杂志PHOTON国际的调查结果表明,2011年全球电池生产了超过50吉瓦的产品,其发电量大约与6座核反应堆相当,使得光伏电力成为现实,光伏发电的前景无限【4,6】。
从长远来看,可再生能源将替代不可再生能源,作为未来人类的主要能源来源。
世界多国都十分看重可再生能源对未来能源供应的重要作用,并将光伏发电的开发和利用作为重要的发展方向。
光伏发电是利用光伏电池直接将太阳能转换为电能,是一种无需燃料、零污染1东南大学硕士学位论文获得电能的新型技术,是人类利用太阳能的所有方式中,最具有前景的高新技术之一。
据欧洲1RC预测,到2030年光伏发电在总能源结构中占到10以上;2050年光伏发电将是总能耗的20;本世纪末光伏发电将在总能源结构中占有主导地位【10l。
122我国光伏产业的发展现状我国是一个能源消费大国,能源消耗仅次于美国,一次能源的人均可消费量仅为世界的三分之一,常规能源的人均存储量不到世界人均的12,所以存在着人均占有量严重不足的问题。
随着我国经济的快速增长,我国能源消耗总量将也飞速增长,且我国利用的常规能源主要是煤,约占64,而煤在燃烧过程中会排放出S02、C02等污染环境和加重温室效应的气体。
确保能源持续可靠的供给和防止环境的进一步恶化是我国必须设法解决的迫切问题。
我国经济持续发展的所有希望就是开发可再生零污染的新能源,尤其是太阳能的利用方面。
因此,光伏发电的理论研究就具有重要的理论意义。
我国的光伏工业起步落后于德国等发达国家,光伏电池的年产量一直在10kwp以下,且价格昂贵、转换效率低。
由于受到成本和效率的影响,光伏产业的市场发展缓慢,主要应用在卫星系统、铁路信号系统、航标灯和直流日光灯等,功率一般都在几十瓦以下。
在“七五”期间,我国才从国外引进多条光伏电池的生产线,使得国内光伏电池的年销售量达到05MWp,销售单价也由“七五”初期的80元Wp降到40元wp左右,这对光伏产业的发展起到了积极的推动作用【3J。
随着光伏市场的扩展,光伏电池不仅应用于小功率的电源系统,而且开始广泛应用于交通、通信、住宅等领域【lJ。
随着我国光伏产业的成本降低,市场稳步扩大,应用领域开始向工业和农村电气化渗透,并被列入我国的政府计划,如西藏“西藏阿里光伏工程”、“阳光计划”、大规模推广农村户用型离网光伏电源系统等。
特别是近几年的“送电到乡”工程,国家投资了20多亿,安装容量超过20MW,解决了我国800多个无电乡镇的用电问题,推动了我国光伏市场快速增长。
经过这几十年的努力,光伏电池的生产在我国得到快速发展,到2003年底,我国已光伏电池安装容量约为5万千瓦,光伏组件已从2004年的100MW增加到2008年的26GW,成为仅次于日本、美国和德国的第四制造大国,我国历年光伏系统装机容量如图11所示41。
图11我国光伏发电系统累计装机容量但是我国在光伏发电方面仍然停留在制造领域上,光伏组件的销售98是面向海外市场第一苹绪论的,光伏组件的应用仍需进一步拓宽,主要原因是光伏发电的成本比较高,需要政府的扶持和推广。
国家能源局发布的最新数据显示:
到2012年底,我国光伏发电装机容量已达到700万千瓦,仅次于德国;国家能源局局长表示:
2013年我国将继续发展新能源,全年将新增光伏发电装机容量1000万千瓦14J。
13我国光伏产业的前景预测从我国未来的经济发展战略来看,发展光伏产业是我国保障能源持续供应、建设低碳环保社会、培养战略性新兴产业的重要方向。
2011年我国光伏装机容量还不到300万千瓦,2012年我国政府出台了很多优惠政策,很好地推动了光伏发电的发展,从目前情况看,未来几年新的装机容量每年应该保持在500万千瓦左右,按这一趋势,将会很快超过德国成为全球最大的光伏市场【6】。
2012年我国光伏产业面临前所未有的挑战,主要是受国际市场萎缩低迷和欧美贸易保护主义抬头的影响。
为了帮助光伏企业渡过难关,我国已经出台了一系列政策加快培育发展国内光伏市场。
随着国家相关光伏政策的出台,地方政府将会加大落实光伏扶持政策,国内巨大的光伏市场容量将提前释放,光伏企业有望获得较好发展环境,未来我国光伏装机容量仍将会保持较快的增长速度。
14光伏发电存在的问题光伏电池的成本高是限制光伏发电的主要因素,1977年我国光伏发电成本高达200元Wp;2008年单晶硅光伏电池的发电成本为100元Wp至75元Wp,光伏发电成本一直高居不下,是太阳能发电普及的一个瓶颈;到2010年,光伏电池的发电成本仍高于常规发电成本价格,但是已降到15元Wp左右,随着我国光伏电池技术的不断提高,成本会继续走低,因此光伏发电有望在上海郊区和长三角地区逐步推广【l】。
光伏发电的核心问题是光伏发电系统的成本问题,光伏发电的高成本主要有以下几点原斟101:
(1)投资成本高;
(2)技术水平和转换效率低;(3)材料短缺;(4)输出功率受环境因素的制约:
考虑到一些实际问题,各国积极展开如何提高光伏组件的能量转换效率方面的实验研究,尽可能地提高成本的利用率,主要从如下两方面入手:
(1)通过实时地对太阳高度角进行跟踪,始终保持光伏电池板表面与太阳光的光线处于“90”的垂直关系,最大可能地将光能进行转换。
(2)通过设计MPPT控制器的电子器件并结合MPPT的算法,进行最大功率点的跟踪控制,使系统始终工作在最大功率点,提高太阳光能的转换效率。
近几年来,半导体技术的飞速发展使得光伏系统的硬件成本得到了降低,加上其简单的3东南大学硕士学位论文结构,因此目前提高光伏发电系统的转换效率的最好方法是采用MPPT控制器的电子器件系统和智能MPPT算法对系统进行跟踪,使得系统尽可能地工作在最大功率点,提高光伏发电系统的能量转换效率,输出尽可能多的有效电能。
15独立光伏系统的基本结构独立光伏发电系统是指
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 独立 发电 系统 建模 仿真