太阳能光伏发电最大功率跟踪点的研究与分析毕业论文设计40论文41文档格式.docx
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恒定电压法(CVT)、导纳增量法(IncrementalConductance)、扰动观测法(P&
O)进行了仔细的研究,还有新兴的神经网络法和模糊控制法进行了仔细的分析,这些方法各有千秋,在不同的应用场合各有所长。
最后,在理论分析的基础上,给出了系统的硬件设计,详细介绍了DC-DC转换电路中的Boost升压变换电路的工作原理,以及其仿真波形,还有正弦波逆变器的SPWM波形产生电路的工作原理,最后通过MATLABSIUMLINK对该其中的一种算法进行了仿真验证。
关键词:
太阳能、光伏电池、最大功率点跟踪、仿真
Abstract
Withthegreenandrenewableenergybewidelyused,solarenergyisacceptedcommonlybecauseofitsunusualadvantages.Buttheoutputofphotovoltaic(PV)arrayisinfluencedbytheenvironmentalfactors,andPVarrayefficiencyandisexpensive.Inordertoreducetheoverallsystemcostandextractthemaximumpossiblesolarenergy,ThispaperfocusesonMPPTcontroltechniquesofPVarray,analysesthetheoryparticularly,andvalidatedbyexperimentalresults.
Firstly,thispaperintroducesthebackgroundandsignificanceofphotovoltaicpowergenerationtechnology,Problemsexistinginthephotovoltaicpowergenerationatofthephotovoltaiccellsandestablishessimulationmodel,Photovoltaiccellsisanimportantpartofphotovoltaicpowergenerationsystem,introducephotovoltaiccellsisofgreatsignificancetothestudyofmaximumpowerpointtracking.Forcommonlyusedmaximumpowerpointtracking(MPPT)methodsandnewcontrolmethodwedifferentmethods,intheirdifferentapplicationoccasions.
Basedontheoreticalanalysis,givesthesystem'
s,introducestheoperatingprincipleoftheDC-DCconversionandtheBoostcircuit,lastbutnotthe least,thealgorithmissimulatedinMatlabSimulink.
Keywords:
Thesolarenergy、Solarcells、maximumpowerpointtracking(MPPT)control、simulation
第1章绪论
1.1课题背景
在全世界的能源结构中,我们使用的不可再生能源石油、煤炭和天然气所占的比例大于80%,随着全球工业化的快速发展、人口增长和社会生活水平的提高,世界面临着能源需求不断增长的巨大挑战,这与能源的日益枯竭形成了鲜明的对比。
目前世界上常规能源的储量有的只能维持半个世纪(如石油),最多的也能维持一、两个世纪(如煤)人类生存的需求。
而世界人口已经突破60亿,比上个世纪末期增加了2倍多,而能源消费据统计却增加了16倍。
而且这些化石燃料的燃烧向大气中释放了大量的二氧化碳、二氧化硫等有害气体,此类气体的排放不仅对自然环境造成严重的污染,并且给人类赖以生存的生态环境带来了巨大的灾难。
能源工业面临经济增长与环境保护双重压力。
能源问题、环保问题是当今世界各国面临的重大问题之一。
从经济的可持续发展和保护生存环境的角度出发,加快步伐寻找清洁、环保的可再生能源,积极地走一条新能源的可持续发展之路,已成为世界性问题,具有重大的战略意义。
根据21世纪初进行的关于世界能源储量数据的调查研究显示,石油可开采的年数为39年、天然气可开采为61年、煤炭为可采量为220年,世界范围内的石油消耗增长率约为2%,在这个增长速度下,2050年时的石油消费量将是现在的一倍,所有的石油能源将会短短的40年内消耗殆尽。
随着我国经济发展、人口增加和社生活水平的提高,赖以生存的能源同样面临着更加严峻的挑战。
表1.1我国能源剩余资源探明储量和开发年限
我国可开发能源总储量约占世界总量的10.1%,但我过国人口众多,使得人均能源资源占有量远低于世界平均水平。
化石燃料的使用引发的又一重大问题就是环境污染和生态失衡。
化石燃料的大量燃烧产生的温室气体,对大气环境和生态系统产生了极其严重的影响。
在过去的100年里,全球平均气温上升了2~5℃,导致南北两极常年冰封的融化,全球海平面平均上升了10~25cm。
目前,有些岛国已经受到海平面升高的影响,致使家园迁移。
由能源短缺引发的问题也越来越突显,能源短缺和能源配置问题导致局部冲突和战争随时爆发,环境污染的加剧也导致了很多新的社会问题的出现。
经贸的全球化,废物垃圾越境转移问题表现突出,环境污染呈现国际化的新趋势。
常规能源在给人类带来高度发达的物质文明的同时,也在极大程度上使人类面临着前所未有的灾难。
随着全球经济的发展、能源和环境问题日益尖锐,太阳能、风能、地热能等清洁能源已逐渐进入人们的视线。
研究和实践表明,太阳能直接辐射地球的能量丰富分布广泛、可以再生、不污染环境,是国际公认的理想替代能源。
太阳能清洁、无污染,并且取之不尽,用之不竭,因此越来越受到人们的关注。
而且随着现代电力电子技术以及数字信号处理技术的不断进步,太阳能光伏发电得到了巨大的发展,成为目前利用太阳能的主耍方式之一。
欧洲联合研究中心(JRC)对光伏发电的未来发展作出如下预测:
2020年世界太阳能发电的发电量占世界总能源需求的1%,2050年占到20%,2100年则将超过50%。
所以光伏发电有着非常广泛的应用前景,是人类实现可持续发展的重要途径。
1.2国内外光伏发电概况
1.2.1国外光伏发电发展情况
美国、欧洲、日本等发达国家和发展中国家都为自己制定了一系列光伏发展策略和激励政策,使光伏发电产业成为世界光伏发电市场的主要增长点,全球总装机容量逐年递增。
美国实施“百万太阳能屋顶计划”,计划到2010年,总装机容量达到3025MW,完成100万套太阳能屋顶的安装,产生相当于3~5座大型火力燃煤电站产生的电能。
同时,美国参议院在2010年批准了可再生能源税收激励法案,将关键的可再生能源电力行业的税收激励政策延期一年,这项议案的通过为光伏产业的发展拓展了道路。
新世纪初,苏格兰发布了一项新的太阳能光伏计划,苏格兰南方能源公司免费将太阳能光伏系统安装在居民屋顶,以光伏发电系统在屋顶上保留25年作为交换条件,使国民免费享受光伏发电产生的电能。
2002年,日本的光伏电池生产总量在短短10年的时间就超过了美国,已达到254.5MW,并且以48.6%的增长速度快速增长,计划到2010年,一半以上的新居屋顶将安装太阳能光伏系统,总容量达到600MW。
印度提出的“国家太阳能计划”,将在2013年实现130万千瓦的太阳能装机容量,2017年在增加1000万千瓦,最后到2022年,达成太阳能装机总量2000万千瓦的终极目标。
印度国家火电公司也将以长期购买太阳能光伏电力,光伏发电产生的电能将足以满足100万户家庭的用电。
根据欧洲JRC机构对未来几十年能源结构的预测,到2030年,可再生能源在能源总结构中占到30%以上,而光伏发电在电力供应中应达到10%以上,2040年,可再生能源在能源总结构中占到50%以上,光伏发电占电力供应的20%以上,到2l世纪末,可再生能源应占到80%以上,光伏发电占到60%以上,显示出光伏发电在能源总结构发展战略中的重要地位。
由此可见太阳能光伏发电是众多发达国家竞相发展的热点,发展迅速,市场广阔,前景诱人。
1.2.2国内光伏发电发展情况
我国太阳能产业起步比较晚,虽然集热器安装量在世界上排行第一,但是技术含量和集热效率方面普遍较低,因此国外在太阳能热水系统应用上的大量的实践与研究经验是值得我们去学习和思考,然后进一步去探索,以提高我国光伏发电技术和产业的水平,缩短我国光伏发电制造业与国际水平的差距。
进入21世纪后,我国出台而来一系列的优惠政策来鼓励和促进光伏产业的发展,使得我国的光伏产业的道路越走越远,光伏发电技术水平也有了显著提高。
据统计,我国在1995年的时候年装机量就只有1550W,累计安装总量也只有6630W,但是到了2002年我国的年装机量有了20300W多,到了2008年光伏安装总量更是达到40MW,累计安装总量达到了140MW。
由国家发改委制定的《中国可再生能源开发战略规划(2006—2020年)》,给出了我国在可再生能源和新能源方面中长期发展的长远计划。
发电总量预期目标为:
到2020年光伏发电装机总容量要达到1×
106kW左右,是2010年的光伏发电装机总容量的2.2倍。
表1-2我国1995年到2008年的年装机量(W)
年份
1995
2000
2002
2004
2006
2007
2008
2010
装机
1550
3300
20300
10000
20000
40000
500000
累计
6630
19000
45000
65000
80000
100000
140000
890000
1.2.3促进我国光伏发电技术可持续发展的对策
以国内外太阳能利用技术现状的分析等基础上,从战略、体制、机制与政策四个方面提出促进我国太阳能利用技术可持续发展的对策。
首先,根据我国具体国情,制定指导我国太阳能利用技术可持续发展的战略。
主要包括如下四个方面:
一是尽快制定国家太阳能利用技术的短期(2008—2010)、中期(2010—2020)、中长期(2020—2035)与长期(2035—2050)的发展战略,明确不同发展阶段太阳能利用技术的主要目标、实施重点、具体举措,绘画出我国太阳能利用技术的发展路线图,二是以有效增强国家综合实力,提高企业自主创新能力,有效防范风险、合理应对国际一体化与全球性竞争所带来的压力与挑战为目的,加紧实施太阳能利用技术的标准化战略,主要包括太阳能产业标准、技术标准与产品标准,构筑一个有利于打破发达国家太阳能利用技术标准垄断,促进我国太阳能产业发展、技术进步与产品性能不断提高的太阳能利用技术标准化体系,三是以专利法律制度为基础,以获取最大经济效益为目的,加紧实施太阳能利用技术的专利战略体系,具体主要包括专利信息的收集、处理与管理、专利保护、专利技术开发、专利技术实施、专利技术产业化、专利许可贸易等内容。
通过积极有效地运用专利使用权购买战略、专利交叉许可战略、专利联盟战略与专利标准化战略,规避“专利陷阱”,促进我国太阳能利用技术的可持续发展,四是通过自己培养、联合培养与人才引进等手段,加紧实施太阳能利用技术的人才战略,积极打造我国太阳能利用技术的人才库,培养与造就一大批太阳能利用技术的基础研究、技术开发与专利成果产业化等方面的专业领军人才与复合创新型人才,抢占太阳能利用技术的人才高地。
这四个方面是相辅相成的,太阳能利用技术的中长期发展战略指明了太阳能利用技术的前进方向与发展路线,标准化战略与专利战略确保了太阳能利用技术更好更快的发展,人才战略则是上述三种战略的有效支撑与最终保障。
其次,建立与完善促进我国太阳能利用技术可持续发展的体制。
这里的体制主要包括宏观管理体制与社会主义市场经济体制。
一是根据2008年3月胡锦涛总书记在十七大报告中提出建立一个“权责一致、分工合理、决策科学、执行顺畅、监督有力的行政管理体制”的要求,为了加强能源战略决策和统筹协调,国家设立了高层次的议事协调机构———国家能源委员会,负责研究拟订发展战略,审议能源安全和发展中的重大问题,同时组建了国家能源局,设在国家发改委,为副部级单位,地位高于原发改委能源局,负责拟订和组织实施能源行业规划、产业政策和标准,并承担委员会办公室的工作。
经过改革,能源管理体制进一步逐渐健全,能源宏观管理得到加强,但为了促进促进我国太阳能利用技术可持续发展,还需要在能源局下面设置新能源管理办公室,统一管理包括太阳能、风能、生物质能等新能源,协调各种新能源的发展。
二是根据社会主义市场经济的要求,逐步建立与完善和社会主义市场经济相适应的管理体制,充分发挥市场在太阳能利用技术领域配置资金、人才等关键资源的能力,搭建以市场为导向,以企业为主体、政府、大学及科研机构协同参与的自主创新体系,着力提高我国企业自主创新能力,积极抢占太阳能利用技术的战略高地。
第三,构建促进我国太阳能利用技术可持续发展的机制体系,主要包括投入机制、运行机制、激励机制与保障机制等方面。
一是国家通过自然科学基金、973、863等形式,加大对太阳能利用技术的财政投入与税收优惠力度,着力进行太阳能利用技术的基础研究与共性关键技术研究,企业利用国家税收优惠、加速折旧、设立企业创新专项基金等方式,增加对太阳能利用技术的研发投入与产业化技术的开发、示范、推广应用,银行等金融机构通过建立研发促进基金、创新信贷基金与技术推广基金等业务,建立与完善金融机构对企业太阳能利用技术的投资方式,通过政府、企业与金融机构等社会各界的共同努力,建立全方位、分层次、多渠道的太阳能利用技术研发、示范及推广的动态投入机制。
二是通过政府引导、企业为技术创新主体、研究型大学与科研机构为知识创新主体、金融机构与科技中介积极参与,逐步形成参与各方相互协助、良性互动的太阳能利用技术研发、示范及推广的运行机制,促进太阳能利用技术多出成果、出好成果,并早日实现成果的产业化。
三是通过创造有利于实现科技人才自身价值的研发环境、企业吸引科技人才的创新氛围,重视太阳能利用技术人才的培养、引进与利用,同时通过适当的薪酬刺激、职位升迁、在岗培训等手段,以及设立太阳能利用技术的发明专利奖、科技进步与促进奖、创新基地奖、优秀人才奖等措施,逐步形成对太阳能利用技术研发、示范及推广人才的激励机制,这既有利于减少太阳能利用技术人才的流失,又激励创新型人才回归。
四是通过利用电视、报纸、互联网等新闻媒体,加大太阳能利用技术的宣传力度,通过太阳能利用的产品标准、技术规范和相应的技检程序以及中介机构提供的认证与信息服务,来加强市场监测,规范市场竞争,增强太阳能利用产品的市场认同度,提高投资者信心,建立健全有利于太阳能利用技术扩散的市场规范与服务体系,通过统筹协调与电力法、节能法、科技促进法、环境保护法等相关法律、法规、政策的衔接配套,推进太阳能利用技术研发、示范及推广的制度建设,构建促进我国太阳能利用技术可持续发展的保障机制。
第四,逐步建立与完善促进我国太阳能利用技术可持续发展的政策体系。
太阳能利用技术得到世界各国的普遍重视,世界上至少有48个国家根据自己的国情制定了可再生能源的政策规划,目前全球已经有50多个国家通过立法,采取设备购置补贴政策等不同方式推进可再生能源的发展,相关的配套法律、法规、政策不断完善。
日本、德国等国家的成功太阳能激励政策表明,政策扶持是光伏产业发展的最主要驱动力,政府的政策导向决定光伏产业的发展水准和市场需求,促使一些金融机构和跨国公司相继投资光伏产业,加速该新兴产业走向成熟。
2005年世界并网光伏屋顶安装的总容量3.1GW。
中,德国占48.4%,日本占38.7%,美国占6.5%,这充分显示了促使光伏跨越市场的政策威力。
近年来,我国高度重视太阳能的开发利用,出台了一系列政策与配套措施,具体来讲,主要包括:
2005年2月通过《中华人民共和国可再生能源法》,2006年正式实施,其中对于安排资金支持等若干规定,为开发利用太阳能等可再生能源提供了宏观政策与基本的法律保障,2005年国家发改委编制了《可再生能源产业发展指导目录》,用以指导相关部门制定支持政策和措施,引导相关研究机构和企业的技术研发、项目示范和投资建设方向,建设部等部门也出台了有关扶持太阳能开发利用的政策,根据《关于新建居住建筑严格执行节能设计标准的通知》,国家已推出“可再生能源在建筑规模化应用城市级示范”,对于在建筑中广泛使用太阳能等可再生能源的,给予一定补贴,另外,国家还需要制定合理有效的太阳能利用核心技术与关键设备的引进政策,促进太阳能利用技术的引进、消化、吸收,加速核心技术的再创新与集成创新,通过引进技术含量高及其相关技术培训,加快技术与创新能力的转移与扩散,着力培养自主创新能力,有效提高跨国公司技术扩散的速度和水平,打破跨国公司的技术垄断。
制定我国太阳能利用技术的发展战略,建立完善的管理体制与机制,借助一系列国家太阳能利用技术相关政策的出台与推进,一定能够促进我国太阳能开发利用技术的可持续发展。
1.3光伏发电最大功率跟踪概述
光伏阵列功率输出特性具有非线性特征,受太阳辐照度、环境温度和负载情况影响。
在一定的太阳辐射度和环境温度下,光伏阵列可以工作在不同的输出电压,但是只有在某一输出电压值时,光伏阵列的输出功率才能达到最大值,这时光伏阵列的工作点就达到了输出功率-电压曲线的最高点,称之为最大功率点(MaximumPowerPoint,MPP)。
因此,在光伏发电系统中,要提高系统的整体效率,一个重要的途径就是实时检测光伏阵列的输出功率,通过一定的控制算法预测当前工况下阵列可能的最大功率输出,从而改变当前的阻抗情况,调整光伏阵列的工作点,使之始终工作在最大功率点附近,这一过程就称之为最大功率点跟踪(MaximumPowerPointTracking,MPPT),相应的技术称之为最大功率点跟踪技术。
光伏阵列电压、电流的输出特性下图1-1所示。
假定图中曲线1和曲线2为两不同太阳辐照度下光伏阵列的输出特性曲线,A点和B点分别为相应的最大功率输出点,并假定某一时刻,系统运行在A点。
当太阳辐照度发生变化,即光伏阵列的输出特性由曲线1上升为曲线2。
此时如果保持负载1不变,系统将运行在A'点,这样就偏离了相应太阳辐照度下的最大功率点。
为了继续追踪最大功率点,应当将系统的负载特性由负载1变化至负载2,以保证系统运行在新的最大功率点B。
同样,如果太阳辐照度变化使得光伏阵列的输出特性由曲线2变至曲线1,则相应的工作点由B点变化至B'点,应当相应地减小负载2至负载1以保证系统在太阳辐照度减小的情况下仍然运行在最大功率点。
图1-1光伏阵列功率输出特性
目前,除了采用恒电压跟踪(CVT)方法来近似等效MPPT方法外,常见的MPPT方法还包括干扰观测法(PerturbandObserve)、电导增量法(IncrementalConductance)和模糊逻辑法(FuzzyLogicMethod)等。
干扰观测法的原理是每隔一定的时间增加或者减少光伏阵列输出电压,并观测之后其输出的功率变化方向,来决定下一步的控制策略。
其优点是:
模块化控制回路,跟踪方法简单,实现容易,对传感器精度要求不高,缺点是在光伏阵列最大功率点附近振荡运行,导致一定功率损失,跟踪步长的设定无法兼顾跟踪精度和响应速度,并且在特定情况下会出现判断错误情况。
电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量和瞬间电导来改变控制信号。
该算法控制精确,响应速度比较快,但是对硬件特别是传感器的精度要求比较高,因而整个系统的硬件造价也较高。
模糊逻辑控制具有较好的动态特性和精度,具有一定的应用前景。
第2章光伏电池的原理及特性分析
光伏电池是利用半导体光伏效应将太阳辐射能转换为电能的变换装置。
光伏电池的输出特性易受到光照强度、温度等外界环境的影响,而且光伏电池的转换效率较低也已成为制约光伏发电发展的瓶颈。
光伏电池由光电转化所获得的最大功率向后级电路输送时,造成的能量损失,也成为系统效率低的一个原因,所以,最大功率跟踪控制技术的研究已成为解决上述问题的有效方法。
深入了解光伏电池的原理、内部结构以及电气输出特性对于分析研究光伏系统最大功率跟踪技术有着重要意义。
本章介绍了光伏电池的分类、工作原理,分析了光伏电池的等效电路以及工程实用数学模型,并通过Matlab建立仿真模型得到了光伏电池输出特性曲线,为后文光伏系统最大功率跟踪技术的研究奠定了基础。
2.1光伏电池的工作原理
2.1.1光伏电池种类介绍
光伏电池是将太阳辐射能转化为电能的元件,种类很多,根据电池所用材料的不同分为:
硅太阳能电池、多元化合物薄膜太阳能电池、纳米晶太阳能电池、有机太阳能电池等,其中硅太阳能电池是目前发展最成熟的,在光伏应用中居主导地位。
目前,市场上已经商品化的硅太阳能电池主要有单晶硅太阳能电池、多晶硅薄膜电池和非晶硅薄膜电池三种。
单晶硅电池转换效率最高、制造成本最高、技术也最为成熟。
实验室最高转换效率为24.7%,规模生产时的效率为15%,但由于所使用的单晶硅材料成本高,大幅降低成本很困难,所以,多晶硅薄膜电池和非晶硅薄膜电池作为替代产品正在大力发展。
多晶硅薄膜电池的晶体无规则性使多晶硅薄膜电池的光电转换效率比单晶硅电池要低的多,然而多晶硅薄膜电池成本低廉,这个优势会使多晶硅薄膜电池在未来的太阳能电池市场上占据主导地位。
非晶硅电池属于薄膜电池,因所用的材料可以引发光电效率衰退效应,所以稳定性不高,影响了实际应用。
非晶硅薄膜电池多用于弱光性电源,如计算器、手表等。
在进一步提高转换率、稳定性能之后,非晶硅薄膜电池也将成为太阳能电池行业的主要发展产品。
2.1.2光伏电池工作原理
光伏电池是把太阳辐射到地球上的能量转化为电能的光电转化装置,光电转换的工作原理是光生伏特效应,也就是通过吸收光辐射产生电动势。
原理如下所示。
(1)PN结的形成
制造
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