带储能模块的并网光伏发电系统研究

专业学位硕士学位论文 带储能模块的并网光伏发电系统研究 Research On The Grid．connected Photovoltaic Power Generation System With Energy Storage Module 作者姓名 王堑 工程领域 扭越工猩 学 号 31104050 指导教师 邪墓态虽』塾援 完成日期 2013．05 大连理工大学 Dalian University of Tcchnology lIIIII I III Iit IIII IIIIII I III Y241 7392 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目 堂篮自＆搓迭鲍羞圆光迭发电丕红盟窒 作者签名 圣蝇 日期 塑』；年L月j_日 人连理I人学专业学位硕学位论文 摘 要 目前全球能源形势不容乐观，开发可再生新能源，改变能源结构成为大势所趋。太 阳能资源作为分布范围广泛、洁净环保、储量无限的新能源已成为开发的重要对象。现 代工业中最直接利用的能源就是电能，所以利用太阳能发电作为电网的重要补充形式成 为研究热点。由于光伏发电不稳定，会受外界环境和负载的影响，并网会对电网电能造 成污染，所以光伏发电技术中如何高效利用太阳能产生稳定电能，将产生的电能无污染 馈送到电网成为了目前的重点研究方向。 开发了等效不问断电源的储能模块，储能模块包括充放电控制和蓄电池两部分，蓄 电池技术已经相当成熟，本系统主要对充放电控制方法进行研究，充电采用三阶段控制， 放电采用电压控制，设计了电压外环电流内环的双闭环控制策略，该控制策略能有效的 延长蓄电池的寿命；光伏电池阵列的输出功率随环境及负载的变化而不同，其中有且仅 有一个最大功率点，为了实现光伏电池阵列实时工作在最大功率点达到光伏发电的高效 利用，设计了定电压启动变步长追踪的新型电导增量控制算法，使光伏电池阵列输出仅 需0．05s即可达到稳定，且功率波动极小；设计了三相并网逆变器，当光伏电池阵列产 生电能大于负载所需时，可将多余的电能输送到电网，避免光伏发电的浪费，还可节约 成本，当光伏电池阵列产生电能不足负载使用时，电网输送电能进行补充，逆变器的控 制方式采用基于空间矢量的电压外环电流内环的双闭环策略，既实现了单位功率因数馈 送电能不对电网造成污染又减小了直流母线电压的波动。 针对系统随着负载及其环境变化产生的七种不同工作状态，设计了工作模式切换控 制策略，使光伏电池模块、储能系统模块和并网模块的工作状态做出相应的调整。最终 在各模块原理分析及控制策略设计的基础上搭建了整体系统的仿真模型，在Simulink 软件中进行了不同工作模式的仿真分析，仿真结果验证了系统各模块工作状态的正确 I生。 关键词光伏发电；最大功率跟踪；储能模块的充放电；并网逆变器；直流母线 带储月z,匕m佚J-块的并网光伏发电系统研究 Research On The Grid．connected Photovoltaic Power Generation System With Energy Storage Module Abstract As the global energy situation is not optimistic at present，the development of new renewable energy and the transfclrmation of energy structure has become the trend of The Times．The solar energy resource，one kind of widely distributed，clean and infinite energy，has become an important object of study．In the modem industry，electric energy is the most direct use of energy．And using solar energy in electricity generation as an important supplement for power grid iS a research hotspot，13ecause of extemaI environment and【oad，the electricity generated by solar energy is not steady，and gridconnection i s an adverse effect for the grid． Considering the problem，how to use solar energy to generate steady eteetricity efficiently and feed the grid without adverse effect iS the key research direction at present． Designed one kind of energy storage device that can supply power continually．The energy storage device includes charge and discharge control system and storage cells． Considering the technology of storage ceils is mature．This article researched charge and discharge control method．Charge is controlled by three stages，and discharge is controlled by voltage．Designed double closed loop strategy consisted ofvoltage outer loop and current inner loop．This kind ofcontrol strategy is able to prolong the life ofstorage cells．The output power of photovoltaic cells array iS changed under different environments or 10ads．In these situations， there iS one and only one maximum power point。f11 order to Je￡photovoltaic calls array work jn the maximum power point in real time efficiently．designed a new conductance increment control algorithm that is started by constant voltage and tracked by variable step．By this way， the photovoltaic cells array just cost 0．05s to achieve steady status，and the fluctuation of power is very slightly．Designed threephase gridconnection inverter，which can supply redundant electricity energy to power grid，By this strategy，waste is avoided，and cost is saved．When the electricity generated by photovoltaic cells array cannot undertake the load，grid will supplement energy to the system，The inverter was designed tO be one kind of voltage and current double closed loop control system based on space vector．In this way，DC bus voltage carl be stabilized and unity power factor output does not have harmful effect on power grid． As the system have seven different working statutes in different load and its environment。 designed switching control strategy of working statutes，adjusting working model of photovohaic ceils，storage system and inverter．Finally，on the basis of principle analysis and II 大连理．f人学专业学位硕十学位论文』_二．-二二 design of control strategy，set up the overall system model and analyzed each kind of working mode ofthe system by Simulink software．The result ofsimulation proved me working statutes of the system’S models． Key WordsGridconnected Photovoltaic Power Generation；Maximum Power Poi几t Tracking；Energy Storage Module Charging And Discharging；Threephase Grid．connect仑d Inverter；DC Bus 带储能模块的并网光伏发电系统研究 目 录 摘 要．I Abstract．．．．．．．．．．．．．．．．．．II l 绪{仑l 1．1课题研究背景及意义．．1 1．2并网光伏发电系统而临的问题．3 1．3国内外并网光伏发电技术研究现状．4 1．3．1蓄电池充放电控制研究现状．．4 1．3．2最大功率跟踪技术研究现状．．5 1．3．3并网逆变器控制策略研究现状．．6 1．4本文主要研究内容．7 2光伏电池阵列模块及储能模块．．8 2．1光伏电池工作原理及特性分析．8 2．1．1光伏电池工作原理．．8 2．1．2光伏电池模型．．8 2．1t3光伏电池阵列建模及仿真输出特性10 2．2储能系统及其控制策略13 2．2．1光伏蓄电池工作原理及其参数13 2．2．2双向DC．DC主电路及工作原理．14 2．2．3蓄电池充放电控制策略15 2．3本章小结17 3摹于改进电导增量法的最大功率跟踪及其实现18 3．1最大功率点跟踪MPPT原理及实现电路18 3．1，1最大功率点跟踪MPPT原理．1 8 3．1．2 DCDC电路选取．．19 3．1．3 Boost电路参数设计20 3．2定电压启动变步长的跟踪电导增量法21 3．2．1定电压控制法22 3．2．2传统电导增量法22 3．2．3定电压变步K电导增量法23 3．2．4电导增量法MPPT仿真结果分析25 人连理丁人学专业学位硕学位论文 3．3本章小结26 4三相并网逆变器的设计与控制27 4．1并网逆变器的概述27 4．1．1并网逆变器主电路结构及其工作原理27 4．1．2并网逆变器控制策略28 4．2电压电流双闭环控制策略28 4．2．】前馈解耦控制28 412．2电压电流双闭环参数30 4．2．3锁相环技术32 4．2．4空问矢量脉宽调制技术33 4．3 SVPWM工作原理及实现33 4．3．1 SVPWM基本原理．33 4．3．2 SVPWM技术的实现．35 4．4本章小结40 5带储能模块的并网光伏发电系统仿真研究41 5．1光伏发电系统工作模式及其控制策略41 5．1．1光伏发电系统上作模式分析41 5．1．2光伏发电系统工作模式的控制策略．44 5．2光伏发电系统典型工作模式的仿真分析45 512．1工作模式一45 5．2．2工作模式二46 5．2．3工作模式三47 5．2．4工作模式四47 5．3本章小结48 结 论．．49 参考文献．50 致 谢一53 大连理工大学学位论文版权使用授权书．．54 人连理工人学专业学位硕学位论文 1绪论 由于世界各国对传统能源的同益消耗和传统能源对人们生活环境造成的污染日益 严重，各国将目光投向了可再生无污染的新型能源。近年来，各国大力发展风能、水能、 太阳能、地热能等可再生能源，其中，太阳能是一种分布最为广泛，是可以长期依赖的 清洁环保可再生能源形式。因此，太阳能越来越受到人们的重视，充分开发利用太阳 能这种新型能源成为能源发展的重要研究课题。将太阳能转换为工、Ik直接利用的电能是 太阳能利用的一种重要形式，由于电能在世界范围的成本较高、普遍短缺，所以太阳能 发电技术具有广阔的前景。如何实现最大效率的利用太阳能资源并且实现电网并网成为 光伏发电系统目前必须解决的问题。 1．1课题研究背景及意义 传统能源枯竭及带来的环境污染问题是目前经济发展亟待解决的两大问题。目前世 界已探明的传统能源的储量和可使用量不容乐观，并且利用传统能源给环境造成了严重 的污染。为实现经济的可持续发展，JI发和探究可再生新型能源成为世界范围的趋势。 新型能源丰要包括风能、水能、太阳能和地热能等，众多新型能源的利用能够缓解能源 紧张的情况，减轻污染，促进经济发展，实现能源结构的改割21。 综合考虑多种新型能源，从存储量、分布范围和价格等多方面考虑，太阳能的应用 前景最为广阔，最具发展潜力，受到很多国家的重视。电能在世界范围的成本较高、普 遍短缺，开发利用太阳能转换为工业直接利用的电能是太阳能利用的一种重要形式，实 现新型能源的普遍利用。与其他新型能源发电技术及普遍使用的大电网供电系统相比 较，光伏发电具有很多优势 1发电形式简洁，利用率高。光伏发电是光了到电子的直接转换，过程中既无 中问过程也没有机械运动，所以可以得到很高的发电效率，提高了利用率，减少了能源 浪费。 2太阳能资源分布范围广泛，洁净环保。利用过程中无需运输且无污染，无任 何国家实现控制或垄断的可能。 3不用担心太阳能耗尽问题。 4规模人小可根据使用做出调整，安装和拆卸方便。 欧洲联合研究中心JRC对光伙发电的未来发展作出预测2020年世界太阳能电 池的发电量l’世界总能源需求的1％，2050年占到20％，2100年则将超过50％t 3|。 由于太阳能资源独有的优势，世界范围内的研究使得技术不断创新，并且很多国家 带储能模块的并网光伏发电系统研究 出台优惠政策，所以光伏电池的性能提高，成本下降，使光伏发电应用范围不断扩大， 目前已经达到产业化、规模化阶段041。表1．1显示了2004年至2012年全球光伏电池年 产量及增长率。从表中可以看出，近10年来，全球年光伏电池产量增长率平均达到40％ 以上。 表1．1 2004～2012年全球光伏电池产量及增长率 Tab．1．1 G lobal Production of photovoltaic cells for the years 2004t020 1 2 不得不提的是，2012年由于受到反倾销反补贴的影响，太阳能产业是崎岖颠簸的一 年，各个国家都出现了供给过剩及价格下跌的情况，但是据统计数据显示，由J二光伏装 机量的明显增加，光伏市场并没有想象的那么糟糕，反倾销裁决对光伏电站的安装及组 件价格影响不大。下述是各国2012年的光伏装机量及前景【5～51。 德国足世界最大的光伏发电国家，2012年装机量约为7．7GW，预计2013年装机量 为6．5GW。2012年初，德国补贴下调方案正式出台，预计装机量目标为2．5～3．5GW， 此后该目标每年下调400MW。但是2012年德罔光伏市场表现出人意料，竟达到近8GW。 出现这种情况的原因是装机成本下滑，即使补贴下调，电站投资商依旧有利可图。其次 由于德国传统能源电价上涨，使得光伏发电成本更具竞争力，因此大部分德国民众开始 投资光伏发电以节约电费开支。 美国2012年全年装机量增加至3．2GW，2013年有望达到3．9GW。存光伏电站、太 阳能租赁及光伏组件成本下降的推动下，美国仍旧保持强劲的增长趋势。 同本2012年全年光伏装机量为1．4GW，预计2013年装机量达到2．3GW。不同于 欧洲等其他市场，R本光伏市场是最稳定的，因为日本核电关闭后形成的能源真空、高 度发达的经济条件和较高的电价补贴等各项条件保证了光伏发电在只本的蓬勃发展。 中国2012年全年光伏装机量为6．7GW，在各种政策的鼓励下，预计2013年装机量 有望超过6GW。中国出台了多项光伏产、Ik扶持的相关政策，促进了光伏产业的发展 国家能源局发布太阳能发电发展“十二五”规划对装机容量目标做出调整，到2015 年底，太阳能发电装机容量调整到40GW；第二批“金太阳”示范工程项目总装机量达 人连理．I人学专业学位硕士学位论文 2．83GW；国家电网提出未来将对符合条件的分布式光伏项目提供系统方案制定、并网 检测、调试等全过程服务，不收取费用，赋予电力全额收购的免费入网优惠政策。 图1．1是近几年全球光伏系统累计安装量。从图中可以看出太阳能光伏发电产业已 然成为电网电能的重要补充形式，其发展前景十分广阔。 120 100 80 60 40 20 O 全球光伏装机量变化Gw 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 年份 图1．1全球累计安装量 Fig．1．1 Global cumulative installed capacity 国年增长皱 一祟汁装机 传统配电电网系统，施行长距离高压输电，供电模式单一，存在严重的安全隐患， 一点故障就会引发全线大面积停电，严重影响人民生活和经济建设【16】。由上述分析可知， 开发太阳能能源供电，不仅可以缓解世界范围的能源危机，还可以优化传统电网结构， 缓解电能短缺问题，促进电力的发展。 我国的地理位置决定可以广泛利用太阳能资源，实现全国范围使用光伏发电，将多 余产生的电能直接接入中低压配电网，光伏发电补充电网已经成为中国发电趋势。研究 充分利用太阳能发电，实现产生的电能无污染的馈入电网，对我国能源问题和电力系统 问题具有重要意义。 1．2并网光伏发电系统面临的问题 并网光伏发电系统是将光伏发电系统产生的直流电能转化成和电网电压频率、相位 都相同的交流电输送到电网的光伏发电系统。光照充足时，系统产生的电能不仅为负载 提供电能，并且将剩余的电能转化成交流电输送到电网；光照不足时，系统产生的电能 不足负载使用，不足的电能由电网提供。带储能模块的并网光伏发电系统的结构如图1．2 所示。当前系统研究主要面临的问题包括 带储能模块的并网光伏发电系统研究 1并网发电系统中储能模块控制策略设计较困难，要求既能维持直流母线电压， 又能保证合理充放电。 2光伏电池阵列受环境及负载的影响，如何最大效率的利用太阳能，实现输出 稳定电能是光伏发电系统的重要问题。 3并网逆变器输出的电能直接输送到电网，对电能质量要求较高，所以实现逆 变器输出高质量、稳定电能的控制策略至关重要。 盥流 斜线 光伏电池阵列H最人擗跟踪} 斗磊划电叫II僦装置目删E 幽1．2带储能装置的直流母线式并网光伏发电系统 Fig．1．2 DC bus gridconnected photovoltaic power system with energy storing device 1．3国内外并网光伏发电技术研究现状 并网光伏发电重点研究内容包括三部分蓄电池合理充放电控制[1 71，最大功率跟踪 [18]的实现及并网逆变器控制㈣。 1．3．1蓄电池充放电控制研究现状 蓄电池的充放电控制直接关系到蓄电池荷电量的大小，同时还会影响蓄电池的使用 寿命，蓄电池的充电方式按两端电压、电流的控制方式不同，常用的包括恒压、恒流分 阶段控制。 现阶段多采用的是恒压充电，即在整个充电过程中充电电址都保持恒定的数值。充 电初期的电流较大，有可能烧坏充电控制器和蓄电池，对蓄电池的寿命有一定的影响； 容易导致充电不足和电池容量下降；如果蓄电池电压过低，后期充电电流又较小，会导 致充电时问较长。 恒流充电即在充电过程中，充电电流始终保持恒定不变，可以避免恒压充电法因前 期电流过大对蓄电池和控制器的损坏；保证了每个电池在浮充期间都得到完全充电。但 是恒流充电能耗较高、效率较低；丌始充电电流偏小，整个充电过程时间较K；恒流充 人连理．L大学拿业学位硕士学位论文 电没有电压控制，会造成后期充电电压过高，析出气体较多，严重影响蓄电池寿命。 多阶段控制采用恒压充电和恒流充电相结合的的充电策略[201，初期对蓄电池采用恒 流充电，避免充电电流过大；蓄电池达到一定容量后改采用恒压充电，避免了后期充电 电压过高；在两阶段充电完成后对蓄电池采用很小电流的浮充方式来补偿由于自放电造 成的电能损失。 1．3，2最大功率跟踪技术研究现状 光伏电池阵列的输出功率随环境及负载的变化而不同，其中有且仅有一个最大功率 点，为了实现光伏电池阵列实时工作在最大功率点达到光伏发电的高效利用，系统中常 采用最大功率跟踪MPPT控制。MPPT方法根据算法特征和实现机理大致可分为三 类基于参数选择方式的间接控制，例如定电压法Constant Voltage Tracking，CVT [21-221，查表法【23]，光伏阵列组合法[241等基于采样数据的直接控制，如扰动观察法Perturb Observe algorithms，Po[25-271和电导增量法1NC128-31 J等；以及基于现代控制理 论的人工智能控制，例如模糊逻辑控制法‘32。31、神经网络控制法【34‘3 5|，滑模结构控制法 [36-371等。 早期跟踪算法多采用基于参数选择的间接控制，主要原理是根据存储数据和光伏电 池参数，通过固定计算近似跟踪。定电压法是以一恒定电压值控制近似工作在最大功率 点处，因为光伏电池最大功率电压乩变化很小，只需要根据电池出厂参数U。值和光伏 阵列连接情况就可计算出最大功率点处的近似电压值。查表法是建立‘个包含各种工况 下参数的庞大数据表存储起来，系统运行时根据具体工况选择已存储的参数数据表中的 相关数据进行跟踪控制。光伏阵列组合法是计算系统各工况下的参数和能达到参数要求 的阵列组合方式建立数据表，系统运行时根据具体工况选择阵列的组合方式。间接控制 跟踪速度快，控制简单容易实现，但是数据是经验结果，和实际环境有1定的出入，很 难实现工作在真实的最大功率点。 基于采样数据的直接控制是现阶段采用较多的一种控制方法，相比较问接控制误差 较小，其主要原理足动态自寻优的过程，即实时监测系统输出进行动态跟踪。其中应用 最为广泛的是扰动观察法，其基于光伏阵列输出P．U特性，对输出电流或电压进行扰动， 实时监测输出功率的变化，若功率增加继续正向扰动，否则添加反向扰动，最终控制在 最大功率点或附近较小范围内波动。电导增量法控制思想和扰动观察法类似，根据PU 曲线单峰特性，通过判断电导量的大小可实现跟踪。直接控制控制精度较高，响应速度 快，但是容易产生误判，而且追踪步长固定，不能兼顾速度和精度。 基于现代控制理论的人工智能控制方法仍处于研究丌发中，其原理是依据较复杂的 带储能模块的并网光伏发电系统研究 控制算法得到控制信弓‘达到跟踪目的。模糊逻辑控制法是基于模糊语言1变量、模糊集合 论和模糊逻辑推理的数字控制技术，其原理是将系统变化量模糊化，根据模糊表进行推 理决策，通过隶属函数反模糊求解后实现跟踪控制，这种控制算法动念性能和稳态性能 都很好，但是设计难度人，算法复杂对硬件要求高。神经网络控制法是输入的光伏电池 参数经神经网络处理后得到跟踪控制信号，合理的权重增益能够精确地跟踪最大功率， 这种控制算法需要庞大的采用数据和大量神经网络训练，开发周期久。滑模结构控制法 的原理是控制信号使系统高频、小幅地到达并稳定在滑模面I，通常控制变量由电导量 确定，这种控制算法实现过程简单，但是和电导增量法类似，步长不能兼顾速度和精度。 智能控制由于控制算法复杂，对硬件设备要求较高，所以仅应用于特定要求场合。 上述控制算法各具优缺点，具体应用针对系统要求进行选择确定，目前我国应用中 的控制算法多采用定电压法、扰动观察法和电导增量法，最大功率跟踪技术有待更深一 步的研究。 1．3．3并网逆变器控制策略研究现状 并网逆变器从功率级数考虑分为单级和双级两种结构，单级并网逆变器是一个变换 器同时实现最大功率跟踪和DC．AC变换，结构简单、效率高，但是控制复杂很难实现 功率跟踪和变换电能质量两方面同时兼顾。双级并网逆变器效率低于单级逆变器，但是 最大功率跟踪和DC。AC变换两方面单独控制，能够保证跟踪速度精度和变换电能质量， 但是结构较复杂。根据系统要求，设计出结构、效率、性能合理的并网逆变器成为热点 问题。本文重点介绍双级并网中的后级逆变器的控制策略。 逆变器和电网直接连接，逆变器输出电能会对电网造成波动，所以对逆变器输出电 能要求较高，对逆变器稳定性要求较高。为了实现逆变器单位功率因数、实时和电网同 频同相的控制方法有多种，控制目标可以是电压、电流或功率，控制方法有滞环电流控 制，定时电流控制、直接功率控制、PI控制、模糊摔制【3843l等。 早期使用的主要为参数直接控制，滞环电流控制和定时电流控制原理类似，其工作 原理足根据交流侧电流和参考电流的误差束控制逆变器开关，实现输出电流控制在指定 范围内波动。陔类控制方法实现简单，速度快，但是谐波难处理，电能质量不高。 直接功率控制基于瞬时功率理论，对瞬时功率进行有功无功解耦，实现有功功率和 无功功率的分别控制。减少了输出电能谐波分量，提高了电能质量，但是需要坐标变换， 计算复杂。 PI控制是近年来研究较多的一种方法，PI控制研究初期主要是PI电流控制，较传 统直接控制减少了电能谐波含量，后又基于PI电流控制做了多方而改进，如加入预估 大连理j人学专业学位硕士学位论文 处理的PI预估{卒制，进行多次处理的重复PI控制，多控制目标综合控制的双环PI控制 等。 模糊控制是基于现代控制理论的人j二智能控制，现阶段仍处于研究开发中，其原理 是将系统变化量模糊化，进行模糊推理决策得到模糊输出，进行反模糊求解后进行控制， 这种控制算法动态性能和电能质量都很好，但是设计难度大，算法复杂，对硬件要求高。 1．4本文主要研究内容 本文在阅读大量相关文献的基础上，针对目前并网光伏发电系统做了更为优化的设 计，针对系统中的核心技术问题进行了深入的理论分析和研究。蓄电池储能模块需要双 向能量流动，为了进行合理的充放电，设计了电压外环电流内环的双闭环控制策略；为 了实现光伏发电的高效利用，设计了实现光伏电池阵列实时工作在最大功率点的跟踪方 法；为实现电能无污染送入电网，并维持直流母线电压稳定，设计了合理的逆变器和控 制策略；最后对设计的系统进行试验验证，确定设计方案的J卜确性。 本文研究的主要内容 第一章绪论，介绍研究背景意义及关键技术研究现状。分析了光伏发电应用前景， 总结现阶段各关键技术发展现状。 第二章光伏电池阵列模块和储能系统模块。首先介绍了光伏电池原理及其特性，然 后介绍了储能系统的蓄电池工作原理，并对其充放电控制策略进行了详细分析研究。 第三章最大功率跟踪技术。首先介绍了采用的主电路结构及其工作原理，然后介绍 了常用最大功率跟踪方法，最后根据本系统的特点，设计了合理的最大功率跟踪方法。 第四章并网逆变器设计。首先介绍三相逆变器电路结构并简要介绍了其工作原理， 然后详细分析了本系统中采用的控制策略中重要技术，包括电压外环电流内环双闭环控 制，锁相环技术，参数设计原理及其SVPWMSpace Vector Pulse Width Modulation控制 实现原理，并创建了合理的模型。 第』i章系统工作模式及控制策略。详细介绍了系统的几种工作模式，并设计了实现 T作模式选择及切换的控制策略，最终搭建模型对整个系统设计方案进行验证，分析其 运行结果。 带储能模块的并网光伏发电系统研究 2 光伏电池阵列模块及储能模块 2．1光伏电池工作原理及特性分析 2．1．1光伏电池工作原理 光伏电池是将光能直接转换成电能的转换器，它的工作原理核心是半导体PN结接 收光照后产生的光生伏特效应。图2．1为光伏电池的发电示意图。当有太阳光照射到光 伏电池表面即N型区域时，适当能量的光子会在P．N结附近被吸收，受到这些光子的 冲击，使N型半导体区和P型半导体区的价电子获得能量，产生处于非平衡状态的电子 ．空穴对。在PN结的电场作用F，N型半导体的空穴向P型半导体区扩散，P型半导体 区的电了向N型半导体区扩散，这样构成了光生电场。当P-N结与外电路连接时，在 光照下就会产生直流电流，可以作为‘个小的直流电源，为负载提供电能，这就是光伏 电池发电原理。 图2．1光伏电池发电原理 Fig．2．1 Electricgeneration principle of photovoltaic ce 2．1．2光伏电池模型 从上述可知PN结是光伏电池工作原理的核心，光伏电池单元主要部分可以看成是 恒电流源和『F向二极管并联。光伏电池等效电路模型的典型形式如图2．2。图中‰是光 伏电池内部光生电流，场是光伏电池内部暗电流，丘是光伏电池输出负载电流，如是光 人连理j J人学专业学位颂十学位论文 伏电池并联负载的电流，％是等效二极管的端电压， ％，是光伏电池开路电压，飓是 光伏电池串联电阻，R曲是光伏电池并联电阻，尺￡足外接负载电阻。 Rs IL {易l羔～r 图2．2光伏电池等效电路 Fig．2．2 Equivalent circuit ofphotovoltaic cell 考虑-二极管pn结的特性方程，根据光伏电池等效电路模型，可以列出光伏电池单 元的电流、电压特性数学模型。 I LI峨一It一I鼎 卜[expq脚UD／I斗瓦UD 2．1 2．2 2．3 2．4 其中厶。光伏电池单元短路电流； L为二极管的反向饱和电流A q为电子电荷q1．610-19C； A为二极管的理想因子一般取值1～5； k为波尔兹漫常数k1．3810。3J／K； r为绝对温度K。 由于光伏电池单元的串联等效电阻B值非常小，并联电阻R幽值非常大，所以工程 应用中通常会忽略不计。得到的简化工程数学模型为 ]州j、州j ～ 剃啦玎一， 唧 舭一g 乞 叱 乙 箍储能模块的并网光伏发电系统研究 I LphI l，一半z I嘲一i D Q．昏 1‰ 尸_％t％％叫删eXp券1] 2．6 观光伏电池单元输出端电压， P光伏电池单元输出功率。 式2．5和2．6虽然忽略了凡和R曲的影响与真实的光伏电池产生了小的偏差，但是 本质上仍然可以表达光伏电池单元的特性，工程设计中不会造成影响。 通常对于光伏电池厂商而言，他们提供在标准状况下光强S1000W／m2，温度 T25℃的主要参数 光伏电池短路电流，∥将光伏电池的正、负极直接连接，测得的电流即为光伏电池 的短路电流，其大小同光照强度和电池板接受太阳光的面积成正相关； 丌路电压配，光伏电池两端未连接负载时所测得的电压即为开路电压，其大小也 同光照强度成JF相关 最大功率点的电流，。光伏电池工作在最大功率点处时输出的工作电流； 最大功率点电压u。光伏电池1作在最大功率点处时的丁作电压，又称为最佳工 作电压。 最大功率点功率P卅光伏电池在当前光照强度和温度下-J‘以输出的最大功率， 巴U。xI。。 每片光伏电池自身输出电压很小，只有0．5矿左右，工程中的光伏电池为了在太