光伏发电系统最大输出效率探索(20180814153320)

光伏发电系统最大输出效率探索 XExploration of Maximum Output Efficiency forPhotovoltaic Power System杭州电子工业学院 ( 杭州 310017) 潘玉良 施浒立【 摘 要】 分析了简易光伏发电系统、 太阳能电池板的输出特性和工作效能 , 提出了最大效率跟踪方法 , 建立了相应的效率优化模型 , 构造了求解方法 , 从而得到了光伏发电系统最大输出效率 , 收到了良好效果。关键词 : 太阳能 , 太阳能电池 , 光伏发电系统【 Abstract 】 T he tr acking metho d of the maximum efficiency is presented in this paperafter analyzing the output characteristics and the perform ances of the simple photo votaicpow er system . The solving method is constructed w hile the optimal model fo r the efficiencyis set up. The solution of the maximum output efficiency fo r the photo voltaic pow er systemhas been found and the better effect has been gotten .Keywords : solar energy , solar cell , photovoltaic power system1 引 言自 50 年代第一块光伏电池问世以来 , 光伏电池的研究不断深入 , 制作水平不断提高 , 其制作成本大幅度下降。如今光伏发电的应用已从空间扩展到地面 , 取得了显著的经济效益、 社会效益和环境效益。太阳能是清洁绿色能源 , 它具有不消耗燃料 , 没有环境污染 , 能就地产生 , 不需要长距离输送 , 可靠性高 ,寿命长 , 使用维护简单 , 安全性能好 , 可分散供电 , 与其它电源系统的兼容性好 , 储能比较方便等优点 , 蕴藏着广泛应用前景和无限的生命力。 预计到 21 世纪末或 22 世纪初 , 它将成为全世界重要的发电技术之一 , 会在整个电力构成中占有相当大的比重。但是 ,如今正在使用的光伏发电系统中的大部分设备还处于较为原始的阶段 , 如图 1 所示 : 白天 , 太阳能电池组件接收太阳光 , 输出电能 , 经过防反充二极管直接向蓄电池组充电 ; 夜晚 , 逆变器把蓄电池组输出的直流电变换为交流电 , 供用电器使用。 为了促进太阳能的应用 , 必须进一步提高太阳能的应用技术 , 因为较低的应用研究水平和制造技术已成为制约太阳能应用的瓶颈。 为此 , 本文就寻求光伏发电系统的最大输出效率这一问题进行研讨 , 使光伏发电系统在太阳光辐射发生变化或蓄电池电压发生变化时具备最大输出功率能力 , 使整个发电系统处于最佳输出效能状态。2 太阳能电池的输出特性首先分析太阳能电池的光伏特性曲线 , 即伏安特性曲线 ( I-V 特性曲线 ) 。 它是在一定光强、 一定温度下太阳能电池的负载外特性 , 直接反映出电池输出功率。 在一定的太阳光 (或模拟阳光 ) 照射下 , 这曲线完全由电池的 P-N 结特性和电阻分散参数确定。光照强度不同时 , 太阳能电池的输出特性有较大的改变 , 即对应不同的光照强度有不同的输出特性曲线 , 如图 2( a) 所示。曲线上任何一点都可以作为工作点 , 工作点所对应的纵横坐标即为工作电流和工作电压。工作电流和工作电压之乘积即为电池的输出功率 P 。图 1 简易光伏发电系统即P = I V ( 1)同时 , 也可绘出 P-V 特性曲线 , 如图 2( b) 所示 ,在 P-V 特性曲线上 , 最大功率点就是电压和电流的最佳汇合点 Pm。 当功率达到最大时 , 电流和电压均?50?电子工程师 微 电 子 与 基 础 产 品 V ol. 27 N o. 9 2001X 收稿日期 : 2001— 06— 11不可能在最大值上。(a) I- V 特性曲线 ( b) P-V 特性曲线图 23 太阳能电池的内部等效电路为了搞清楚太阳能电池工作的过程 , 以及影响太阳能电池工作效能的因素 , 须通过等效电路模拟来进行分析。太阳能电池是利用半导体材料的电子特性把阳光直接转换成电能的一种固态器件。当阳光照射到由 P 型和 N 型两种不同导电类型的同质半导体材料构成的 P-N 结上时 , 在一定条件下 , 光能被半导体吸收 , 在导带和价带中产生非平衡载流子——电子和空穴。 由于 P- N 结势垒区存在着较强的内建静电场 , 因 而能在光照下形成电流 密度 J 、 短路电流I sc、 开路电压 V oc。若在内建电场的两侧引出电极并接上负载 , 则负载中就有“ 光生电流” 流过 , 从而获得功率输出 , 这就是光电池的基本工作原理 , 它把太阳的光能直接变成了电能。图 3 光电池等效模拟电路下面对一恒定光照下的光电池单体进行等效模拟分析。“ 光生电流” 可以用一恒定电流源模拟。太阳能电池本身是 P-N 结 , 故用二极管模拟 ; 由于电池板材料前表面和后表面的电极和接触 , 以及材料本身有电阻率 , 基区和顶区不可避免引入附加电阻 ,工作时的负载电流必将引起电池板内部的串联损耗 , 引入串联损耗电阻 Rs ; 此外由于太阳能电池板制作的工艺或材料等问题 , 电池板内部存在漏电 , 使本该流过负载的电流被短路了 , 故引入并联损耗电阻 Rsh。那么 , 这个光电池单体的等效模拟电路如图3所示 , 充电电流 I 可由下式表达 :I = I ph - I d - I sh ( 2)式中 , I p h 为光电流源的输出电流 , 不随工作状态而变化 , 它与入射光通量成正比。I d 为流过 P-N 结上的电流 :I d = I o〔 exp( qVj / nkT ) - 1〕 ( 3)I o 为反向饱和电流 , n 为二极管性能指数 , k 为波尔兹曼常数 , T 为绝对温度 , q 为单元电荷 , V j 为结电压。I sh为漏电流 , 与工作电压成正比 :I sh = Vj / Rsh ( 4)R s 为顶透明电极、 底电极与光伏电池半导体的电阻之和的串联电阻。模拟等效电路的输出电压为 :V = Vj - I Rs ( 5)光伏电池的外特性为I = I ph - I o〔 ex p( qV j / nkT ) - 1〕 -(V + I Rs) / Rsh ( 6)4 光伏电池板上太阳辐射能转换形式设太阳光照射到光伏电池板的辐射功率为 E ,被电池板反射的功率为 Ef , 转化为热的功率为 E q,实际转化为电能的功率为 E m。 反射功率 Ef 应减少 ,本文暂不讨论。 众所周知 , 太阳能电池板的转换效率还不是很高 , 目前实际使用硅材料光伏电池板的效率约为 10% ～ 20% ( 实验室中日本日立制作所研制的双面感光单晶硅太阳能电池的转换效率最高也只有 27% , 它已经非常接近单晶硅太阳能电池的理论值 26% ～ 28% ) 。 可见 , E 中反射和转化为其它形式的能量高达 80% ～ 90% 。下面我们就太阳能电池板受到的辐射以及功率E 的转换问题加以讨论。用公式表示 :E = Ef + E q + Em ( 7)式中 , Ef 指被反射的功率 , Eq 为转化为其它形式能量的功率 ( 大部分转化为热能 , 它大大增加了光伏电池板的温度 , 从而使电池板的性能下降使用寿命缩短 )。 Em 可由下式表示 :E m = E d + E sh + Es + E RL ( 8)式 中 , E d 为 I d 流 过 二 极 管 所 产 生 的 功 耗 E d =0. 7I d; E sh为 漏电 流流 过 Rsh 所 产生 的功 耗 , Esh =I sh 2R sh; E s 为负载电流流过串联损耗电阻 R s 所产生的功耗 E s= I 2R s; ERL 为实际外负载 R L 上获得的功率 E RL = I 2RL 。 ( 8) 式中只有这项才有用。由此看出?51?潘玉良 , 等 : 光伏发电系统最大输出效率探索不管是开路还是短路 , 太阳能板所接受的辐射能 , 最终会由于无法输出而内耗在电池板上 , 从而导致电池板上热量增加、 效率下降。 只有当太阳能板输出为最大时 , 由内部电路引起的功耗才会降到最低。5 光伏发电系统的结构提高光伏发电系统的效率 , 既要提高光伏电池板转换效率 , 还要考虑负载与光伏电池的功率匹配及中间转换电路等有关因素。 ( 8) 式中前三项是不可避免的 , 它只能通过材料和工艺来得到改善。 在本文中我们力图通过功率匹配来降低前两项的功耗提高光伏发电系统的效率。图 4 是具有最优化效率跟踪的光伏发电系统原理框图。 针对蓄电瓶为负载对象 , 把充电时间最短或充电电流最大作为最优化效率跟踪模型的寻求目标。图中控制器是一个 由单片机来控制的智能系统 , 光伏发电系统直流输出经电流采样、 A/ D 变换后送入控制器 , 控制器采用使电流最大化优化模型和优化算法 , 运算后以 PW M 信号输出 , 调整输出电压 , 改变充电电流 , 实现 发电系统最佳功率点的跟踪。 当负载蓄电瓶电压上升时 , 算法会自动调整让发电系统工作在当前的最佳状态 ; 当太阳光发生变化时 , 系统也会自动调整输出电压 , 让发电系统工作在最佳状态。图 4 最优化效率跟踪光伏发电系统原理图6 优化效率模型假设太阳能充电系统在某一时刻 t 蓄电池容量为 Q( t) 、 充电电流为 I ( t)。 那么 , 蓄电池充电公式为Q( t) = Q0 + ∫t2t1I ( t )dt ( 9)Q0 为蓄电池原有电量 , 若充放电同时进行 , 则Q( t) = Q0 +∫tit1I (t) dt - ∫t 2t 1I F(t ) dt ( 10)其中 I F 为放电电流。现仅研究最快充电问题Qz ( t) = ∫t 2t 1I ( t) dt ( 11)从上式可以看到 , 在蓄电池容量或其它选定时 ,求最高充电效率问题可以转化为求最短充电时间 ,或最大充电电流。 现分析影响充电电流的各种因素 :( 1) PWM 调整参数 K ;( 2) 太阳能蓄电池的输出功率 PI , 也就是 DC-DC 变换器的输入功率。P I = P〔 N ( t) , K 〕 ( 12)其中 N ( t) 为随时间变化的光照能量 , 相应的电压和电流为 V I 、 I I 。即N ( t) = C1 V I ( t) ? I I ( t) ( 13)( 3) 整个发电系统的变换效率 G, 它与材料、 线路设计有关 , 制作完毕后较难改变。 但 PWM 调整变量 K 对它有一定影响。因此G= G(k) ( 14)( 4) 蓄电池充电电压 U ( t) 的影响。某一时刻 t的电流可以表示成I (t ) = I ( K , P ( N ( t), k ), G( k) , U ( t) ) ( 15)那么 , 求最大充电电流问题的数学模型为MAX I ( t) = I 〔 K , P (N ( t) , k) , G( k ), U (t ) 〕( 16)服从 :0< V I < V oc (V oc: 开路电压 )K 0≤ K ≤ K Ⅱ (芯片的 PWM 调整范围 )U≤ U′ (U′ : 蓄电池不发生过充电的限定值 )0< I I < I sc (I sc: 短路电流 )在上述过程中 , 在某一时刻不改变光伏电池串并联结构 , P( N ( t), t ) 特性曲线基本确定 , 只要能测出即可。 蓄电池充电电压 U ( t) 亦同样。 所以上述问题简化为单变量优化问题。即在某一时刻 , K 使I 〔 K , G(k)〕 → max ( 17)服从 :0< V I < V ∞K 0≤ K ≤ K ⅡU≤ U′0< I I < I sc可以采用梯度法求解 , 也可以令5I 〔 K , G(k ) 〕5K = 0 ( 18)若式 ( 18) 有解 , 可直接求解得到优化 参数 K 。这时充电量$Q = ∫t2t1 I 〔 k, G( k( t) , t ) 〕 dt → max ( 19)图 5 表示某一时刻 PWM 调整变量 K 与电流 I之间的关系。?52?电子工程师 微 电 子 与 基 础 产 品 V ol. 27 N o. 9 2001图 5 时间、 电流、 K 变量的关系以上是光伏发电系 统最大输出效率的优化方法 , 在实际系统的控制和操作中也可运用人工智能单变量最大值实时搜索方法来实现 , 参见图 4, 检测对象为输出电流 I , 目标为 I → m ax。通常太阳能发电系统是一较平稳的渐变系统 , 因此 , 该方法在实际系统的应用中十分有用。7 结束语本文提出的太阳能发电系统的最大效率跟踪方法 , 是改善和提高该类系统效率的一项十分有用的技术。系统的总效率不但与太阳能电池的转换效率有关 , 同时与 DC-DC 逆变器的效率也有关 , 当检测对象选择为输出电流 I 时 , 不断地寻求得到最大输出电流 I , 就能得到整个发电系统效率的最佳值。参 考 文 献1 林珊 , 许 劲松 , 冯垛 生 . 太阳能 发电 系统 的 DC/ DC 电路单元 . 新能源 , 2000. 22( 11): 27～ 302 催岩 , 顾庆云等 . 8098 单片机光 伏电站控 制器的研制 . 新能源 , 1997. 19( 3): 1～ 33 赵富鑫 , 魏彦章 . 太阳能电池及其应用 . 北京 : 国防工业出版社 , 1985. 2 ■( 上接第 34 页 )V ECT OR( W IDT H R- 1 DOWNT O 0) );EN D COM PONEN T ;上述描述实际上是调用了 A ltera 公司 的参数化模块库 ( LPM ) 中的一个元件。元件描述后 , 只要在程序中用 Generic map 和 port m ap 语句映射该元件即可。所要注意 的是 , 上述口信号 remainder 是num erator 和 denominato r 模运算的结果 , 所以应将remainder 与 denominator / 2 相比较 , 实际结果应在比较的基础上决定加 1 还是不加 1。4. 3 定时器设计定时器根据运算器传来的定时数据定时。它可以通过对基准时钟计数来实现 , 当定时时间一到 , 就触发波形的输出。设计中采用了两个计数模块来同时计数 , 一个模块计数时钟的上边沿 , 而另一模块则计数时钟的下边沿。 这样相当于使系统时钟频率提高了一倍 , 充分利用了系统资源。4. 4 波形输出波形输出是当定时器 满足定时要求触发后就输出此时的正弦值 , 多个点的触发输出就形成了一个正弦波。为节省芯片资源 , 这部分求某时正弦值的功能不采用构造运算器来算出正弦值 , 而是利用查表结构。 象 Xilinx 公司 FPGA 芯片则可以利用 CLB 块来配 置 RAM 或直接利 用 Log iblox 来生成。还有 象Altera 公司的 Flex 10k 系列就用查找表结构 ( LUT )来 构 建片 内 ROM 或 RAM 。在 工程 文 件中 创 建RAM 或 ROM 块以后 , 可以通过将各时刻的正弦值( 以 ASCII 字符表示 ) 写进 M IF 文件 (初始化文件 )中 , 从而存储在 RAM 或 ROM 块中。 在定时器触发后生成该时的地址 , 通 过查询该 RAM 或 ROM 块就可输出该时得正弦值。5 芯片的具体实现本系 统的 FPGA 采用 Altera 公 司的 Flex 10k系列芯片。芯片利用开发软件 Max + plusII 将各个模块 (图 1 虚线框部分 ) 用 VHDL 语言描述并输入 ,由软件自动编译、 综合、 布局和布线 , 生成编程用的数 据 文 件 , 加 载 到 FPGA 的 配 置 存 储 单 元。 对FPGA 芯片进行配置可有多种模式 , 由于本系统中有 单片 机 , 所 以 采用 串 行 从模 式 , 省 掉了 用 一 片EPROM 来存储编程数据 。当系统上电时 , 单片机自动将存在其内部的配置数据送到 FPGA 内部存储单元中。6 结束语系统通过引进现场可编程门阵列芯片 FPGA,来实现波形发生器这一模块 , 且将周围其他数字逻辑电路也集成至该芯片中。这样既可以解决了系统的特殊性 , 又增强系统抗干扰性 , 提高控制精度 , 也简化了调试。此外 , 本系统还将波形发生器、 滤波器等硬件通过 VHDL 语言在 FPGA 芯片中实现 , 而将控制算法等软件用 FPGA 这一硬件来实现 , 使系统体现出“ 硬件软化 , 软件硬化” 这一重要特点。参 考 文 献1 A lter a 公司 . T he Programmable L ogic Data Book. 20002 Jesse H. Jenkins . Designing with FPGA and CPLD.19953 张明勋 . 电力电子设备设计和应用手册 . 北京 : 机械工业出版社 , 1990. 64 天水 红山 试验 机厂 . PL G-10 型高 频疲 劳 试验 机技 术讲座 . 1980. 1 ■?53?潘玉良 , 等 : 光伏发电系统最大输出效率探索