基于混合储能的独立光伏发电系统的研究

国内图书分类号：TM615 国际图书分类号：621．3 西南交通大学 硕士研究生学位论文 密级：公开 基于混合储能的独立光伏发电系统的研究 年 姓 专 二O一三年五月 Classified Index：TM6 1 5 U．D．C：621．3 Southwest Jiaotong University Master Degree Thesis STUDY ON A STAND—ALONE PV SYSTEM WITH HYBRID ENERGY STORAGE Grade：2010 Candidate：Linman Liu Academic Degree Applied for：Master Speciality：Power Electronics and Electrical Drives Supervisor：Prof．Kunlun Zhang May,2013 西南交通大学凹南爻遗大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1．保密口，在 年解密后适用本授权书； 2．不保密d使用本授权书。 (请在以上方框内打“v”) 学位论文作者签名：划赫曼 指导老师签 日期：勿B．岁．如 日期：钐秒以、f- 西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1、介绍了光伏发电产业现状及储能系统在独立光伏发电系统中的重要作用。 根据超级电容和蓄电池的不同特点，提出了超级电容和蓄电池混合储能结构，并 分析了该结构的优势。 2、分别介绍了太阳能电池输出特性、蓄电池和超级电容的充放电原理及特性。 搭建了工程用的光伏电池仿真模块，仿真分析了光照强度和环境温度对太阳能电 池的影响；对比分析了超级电容器串联均压法不同方法，通过pism仿真验证了稳 压管均压法、开关电阻均压法、DC／DC变换器均压法的稳压效果。 3、针对蓄电池独立光伏发电系统，采用占空比扰动观察法进行MPPT跟踪， 通过仿真验证了该方法的有效性、快速性和可靠性；提出了一种通过双向变换器 控制蓄电池的独立光伏发电系统，分析了其工作模式、能量管理控制，并搭建仿 真模块进行仿真分析。仿真结果表明当负载变化在额定范围之内时，系统能正常 工作，当有大负载突变时，蓄电池放电电流增加甚至超过了过放电流，增加了蓄 电池内部损耗，严重时会影响蓄电池的寿命。 4、首先介绍了混合储能的特点，推导出混合储能系统的数学模型，并进行性 能分析；提出了通过双向半桥DC／DC变换器控制蓄电池和超级电容的混合储能的 独立光伏发电系统结构；根据蓄电池和超级电容各自的储能特点，分析了混合储 能的工作模式，设计了不同的充放电控制策略，实现能量在两个方向流动过程中 的稳压限流；提出了太阳能电池、蓄电池、超级电容3个能量源的能量管理策略， 使3个能量源能协调工作，确保供电系统的高效稳定运行及快速响应；仿真结果 表明混合储能装置不仅能快速满足负载要求，而且使蓄电池免受大电流充放电冲 击，提高了系统的功率输出能力、延长了蓄电池寿命。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作 了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 主．1料复 日期：劢f；年岁月7,0日 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页 摘要 伴随全球经济的快速发展，一次能源迅速被消耗，造成全世界范围内的能源危机 和环境污染。太阳能以其取之不尽、用之不竭、安全可靠无污染等优点被人类所关注。 但是，随着独立光伏发电系统的大规模发展，以及各种冲击性功率设备的不断增加， 对储能装置提出了新的要求。因此，研究新型储能装置具有重要意义。本文针对基于 蓄电池和超级电容混合储能的独立光伏发电系统进行研究。 首先，本文分析了蓄电池和超级电容混合系统的3种结构，并建立了蓄电池和超 级电容直接并联混合储能系统的等效模型，通过对等效模型的理论分析，针对脉动负 载，分析了混合储能系统的性能改善情况。根据蓄电池和超级电容不同的充放电特性， 采用不同的充放电控制策略来实现稳压限流。本文采用双向半桥DC／DC变换器控制蓄 电池和超级电容的充放电。 其次，根据太阳能电池、蓄电池组、超级电容组3个能量源的特点，提出了一种 能量控制策略。系统能量管理的核心是根据太阳能电池、蓄电池组、超级电容组的工 作状态，控制单向Boost变换器、双向半桥DC／DC变换器1和双向半桥DC／DC变换 器2工作在合适的工作模式，从而使这三种能量源协调工作，确保供电系统的高效稳 定运行及快速响应。 最后，本文对基于蓄电池单独储能的独立光伏发电系统和基于蓄电池和超级电容 混合储能的独立光伏发电系统分别建模仿真，通过对仿真结果的比较分析，得出混合 储能装置不仅能快速的满足负载要求，而且使蓄电池免受大电流充放电的冲击，提高 了系统的功率输出能力、延长了蓄电池寿命。 关键字：光伏发电系统蓄电池超级电容混合储能能量管理 Abstract Accompanied by the rapid development of global economy,the consumption of primary energy became SO rapidly,resulting in worldwide energy crisis and environmental pollution． Solar energy with its advantage of inexhaustible，safe，reliable and non．polluting caused human concern．However,with the development of large—scale photovoltaic power generation system，as well as the increasing of variety impact on power equipment，the energy storage device proposed new requirements．Therefore，the study of new energy storage device has a great significance．Based on the battery and super capacitor hybrid energy storage，this paper studied the independent photovoltaic power generation system． First，this paper analyzed three different kinds of structure of the battery and super capacitor hybrid system，and established the equivalent model of the battery and super capacitor directly parallel hybrid energy storage system．Based on the theoretical analysis of the equivalent model and aimed to the pulsating load，analyzed the improvement of hybrid energy storage system．According to the battery and charge or discharge characteristics of super capacitor,this paper used different charge or discharge control strategies to achieve regulation limiting．This paper used two-way half-bridge DC／DC converter to control the charging or discharging of the battery and super capacitor． Secondly,according to the characteristics of the solar cells，batteries and super capacitor bank brought an energy control strategy．The core of system energy management is based on the working status of solar cells，batteries and super capacitor group．This paper used the working status to control the one—way Boost converter,two—way half-bridge DCfDC converter 1 and two。way half-bridge DC／DC converter 2 running at the appropriate working mode，SO that these three energy sources Can work Coordinately to ensure efficient，stable operation and rapid response of the power supply system． Finally,this paper not only gave simulation model of the independent photovoltaic power generation system based on battery energy storage but also independent photovoltaic power generation system based on the battery and super capacitor hybrid energy storage．Simulation results showed that hybrid energy storage device is not only able to quickly meet the load requirements，but also free battery from the impact of high．current charge or discharge．So the hybrid energy storage device has improved output power capacity of the system and extended battery life． 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1I I页 Keywords：Photovoltaic power generation system；Battery：Super capacitor；Hybrid energy storage：Energy management 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 v页 目录 摘要…………………………………………………………………………………………．I Abstract．．………．………．．．………．．……．．…………．……．………………………．………………．……．………．．．…II 目录………………………………………………………………………………………一Ⅳ 第1章绪论…………………………………………………………………………………1 1．1课题研究的背景及意义………………………………………………………………1 1．2光伏发电产业国内外产业现状和发展前景…………………………………………2 1．2．1国外光伏发电产业现状和发展前景……………………………………………．2 1．2．2中国光伏发电产业现状和发展前景……………………………………………．2 1．3独立光伏发电系统的现状和发展前景………………………………………………3 1．3．1独立光伏发电系统的应用领域…………………………………………………．3 1．3．2独立光伏发电系统的结构分析…………………………………………………．4 1．4本文的主要工作………………………………………………………………………6 第2章独立光伏系统主要组成及其特性分析……………………………………………7 2．1独立光伏系统的主要组成……………………………………………………………7 2．2太阳能电池特性………………………………………………………………………7 2．2．1太阳能电池的工作过程…………………………………………………………．7 2．2．2太阳能电池的等效电路分析……………………………………………………．8 2．2．3太阳能电池工程用的数学模型与仿真分析……………………………………．9 2．3蓄电池特性…………………………………………………………………………．．11 2．3．1铅酸蓄电池充放电原理…………………………………………………………11 2．3．2铅酸蓄电池等效电路模型………………………………………………………12 2．3．3铅酸蓄电池充放电端电压变化特性……………………………………………12 2．3．4影响铅酸蓄电池寿命的主要因素………………………………………………14 2．4超级电容器特性……………………………………………………………………．．14 2．4．1超级电容器的特点及应用………………………………………………………14 2．4．2超级电容器等效电路模型………………………………………………………1 6 2．4．3超级电容充放电的分析…………………………………………………………17 2．4．4超级电容器串联均压电路的研究………………………………………………1 8 2．5本章小结……………………………………………………………………………一23 西南交通大学硕士研究生学位论文 第V页 第3章蓄电池储能独立光伏系统的仿真与分析………………………………………一25 3．1太阳能光伏最大功率点的跟踪……………………………………………………一25 3．1．1最大功率跟踪方法………………………………………………………………25 3．1．2 MPPT控制主电路分析…………………………………………………………．26 3．1．3基于Boost变换器的MPPT仿真分析…………………………………………28 3．2蓄电池储能独立光伏发电系统设计及仿真分析…………………………………．．30 3．2．1系统主电路分析…………………………………………………………………30 3．2．2系统的工作模式选择……………………………………………………………30 3．3．3系统的能量管理控制……………………………………………………………32 3．3．4系统的仿真验证…………………………………………………………………32 3．3本章小结……………………………………………………………………………．．38 第4章混合储能独立光伏系统的仿真与分析…………………………………………．．39 4．1混合储能系统的特点………………………………………………………………．．39 4．2混合储能系统的数学模型分析……………………………………………………．．39 4．3混合储能系统的性能分析…………………………………………………………一42 4．4混合储能系统的结构分析…………………………………………………………一43 4．4．1直接并联混合储能系统…………………………………………………………43 4．4．2通过电感器并联混合储能系统…………………………………………………44 4．4．3通过功率变换器并联的混合储能系统…………………………………………44 4．5混合储能系统的主电路模型………………………………………………………一45 4．6混合储能系统容量和变换器参数的选择…………………………………………一46 4．7混合储能系统的工作模式的选择…………………………………………………一49 4．8系统能量管理控制策略……………………………………………………………．．51 4．9系统的仿真验证……………………………………………………………………一53 4．10本章小结……………………………………………………………………………58 结论……………………………………………………………………………………………………………………．．59 致谢……………………………………………………………………………………………………………………．．61 参考文献……………………………………………………………………………………62 攻读硕士期间发表的论文及科研成果……………………………………………………66 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1页 第1章绪论 1．1课题研究的背景及意义 能源是全球经济发展的核心动力，伴随全球经济的快速发展，一次能源被迅速消 耗，造成全世界范围内的能源危机和环境污染。煤、石油和天然气等化石能源作为人 类利用的一次能源是不可再生的，用之少之，目前探测到的能源情况如图1．1[1 J。与此 同时，大量化石能源迅速消耗，还造成全球环境破坏，气候异常，温室效应引起的两 极冰山融化、海平面上升，臭氧层空洞扩大，酸雨频发等恶果。这些恶果使人类生活 的空间面临着极大威胁。 石油 天然气 煤 铀 图1．1一次能源探测剩余储量的比较 }世界 《中国 用以发电的能源占大多数，每年需要消耗大量的能源发电，但仍不足以填补电力 短缺的局面。当今人类的生活离不开电能，电力需求更大，同时为了解决电力短缺、 能源危机、环境恶化等问题，研究学者开始寻求无污染、储量丰富、可再生的新型能 源，以从根本上缓解电力与能源需求的矛盾。太阳能以其取之不尽、用之不竭、无污 染、分布范围广等独特的优势备受全世界关注【2’3J。 但是，太阳能具有不稳定性和不连续性的缺点，为了确保独立光伏发电系统的稳 定运行，需要配置一定的储能装置【4】。实际中，中国及其他发展中国家主要以蓄电池作 为独立光伏发电系统的储能系统，但是蓄电池具有功率密度小、充放电效率低、循环 譬麴 ■ 一 t ∞ 如 ∞ 如 ∞ ∞ ∞ 矧 挖 挖 殂 殂 加 扣 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2页 寿命短等缺点。到现在为止，国际上已开始了对超级电容和蓄电池混合储能的研究， 用来代替蓄电池单独储能的储能装置15J。本文针对蓄电池和超级电容混合蓄能的独立光 伏发电系统进行研究。 1．2光伏发电产业国内外产业现状和发展前景 1．2．1国外光伏发电产业现状和发展前景 探索和发展新型可再生能源成为世界性的研究课题，各种新型能源不绝于耳，如 生物能、风能、太阳能。其中太阳能最具优势，发展潜力大，前景最好[6]。截止到2010 年欧盟的装机容量达到29GW领先其他国家和地区，占全球装机总量的70％以上。早 在上个世纪90年代德国、日本、丹麦、意大利等都已制定可再生能源法案，促进光伏 产业的发展，美国将成为继日本、欧洲之后又一大的光伏市场。世界各国的发展历程 如下[8]： 美国从1973年开始就率先制定了政府级的阳光发电计划，后面的几年更是不断增 加投入，旨在加速美国光伏产业的发展。1997年又提出了“克林顿百万屋顶光伏计划”， 在2010年美国光伏系统达到4．7GW。 日本在70年代制定了“阳光计划”，后在1993年又将“月光计划”、“环境计划”、 “阳光计划’’并成“新阳光计划”。1997年为“屋顶光伏计划”补贴9200万美元。1999 年末，己在3万户住宅屋顶安装了容量为120MW的光伏电池组件，2010年光伏发电 装机容量达到5GW。 德国于1990年提出“一千屋顶计划”，开始尝试在建筑物顶端安装光伏发电系统； 1997年慕尼黑贸易展览中心安装了当时世界上最大的屋顶并网光伏系统；1999开始实 施“十万屋顶计划”。2000年安装光伏系统容量超过40MW。 欧盟在1997年1 1月26日发表了《能源的未来：再生能源》的战略与行动白皮书。 白皮书提到，2010年在欧盟境内安装100万套光伏系统，其中乡村供电的独立光伏系 统占了50万套。同时希腊对外宣布一个计划，将建设世界上最大的光伏发电厂。瑞士、 意大利、法国、芬兰、西班牙等国，也陆续制定了光伏发展计划，并投巨资进行技术 开发和加速工业化进程。 1．2．2中国光伏发电产业现状和发展前景 我国早在1958年就开始研究光伏电池。80年代以前，中国光伏电池的年产量比较 低，价格也比较昂贵，所以市场打不开，应用也不多。80年代中期，我国开始向其他 先进的国家学习，各个方面都得到了很大提高。不仅仅是在生产能力价格上取得了进 步，也开始应用于通信、农村电气化、交通等各个领域。经过几十年的发展，目前我 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3页 国实验室研制的光伏电池转换效率已经接近21％。表1．1列举了我国光伏产业发展的 历程及取得的成果[91。 表1—1中国光伏产业发展过程简略 年份 中国取得成果 1959 1971 1973 1981～1990 2002 2003 2007 2008 2009 应用型单晶硅太阳能电池出现 太阳能电池第一次为人造卫星供电 灯浮标首次应用太阳能电池 建立了示范工程，如部队通信系统、微波中继站、农村载波话系统、水闸和石油管 道的阴极保护系统、小型户用系统和村庄供电系统等 “西部省区无电乡通电计划”启动，共计安装了16．SMW的光伏发电系统，西部 780个乡的无电问题得到解决 国家制定1 OO亿元投资政策刺激太阳能光伏产业发展 提出《2005．2007年上海开发利用太阳能行动计划》 甘肃敦煌光伏电站、青海柴达木牌级光伏电站、云南166MW光伏电站等启动 中国财政部颁发《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》 从上个世纪中期我国对光伏有了新的认识，经过近几十长足发展，光伏产业有了 很大提升，技术得到提高，规模扩大。但相比于西方发达国家，我国光伏产业仍存在 很大的差距，通过数代人不懈的努力，在不久的将来会逐渐缩小与发达国家之间的差 距。 1．3独立光伏发电系统的现状和发展前景 1．3．1独立光伏发电系统的应用领域 独立光伏发电系统主要应用在一些特殊场所(如边防哨所、通信中继站、气象台 站、大型海洋浮标等)和无公共电网的边远地区(如偏远的山区、牧场等)，独立光伏 发电系统主要是为其提供照明及电视广播等最基本的生活用电。 我国的西藏、内蒙古、青海、甘肃、新疆、宁夏等省，虽然地处偏远，但具有丰 富的太阳能资源，应该将其资源得到充分的应用。我国正是遵循这一理念，现如今我 国已经安装150MW的独立发电系统在边远地区，估计在2020年将达到30万千瓦【l们。 就目前来看，独立光伏发电站和户用的光伏电源占我国光伏产品的30％，铁路、 气象台电源、公路上的信号源等占我国光伏产品的20％，通信领域占我国光伏产品的 40％，各种民用商品占我国光伏产品的10％。其中，在实际中得以应用的独立光伏产 业的分布为：应用在农村和边远工区占了大约一半，应用在通信和工业上的大约为36％。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4页 随着独立光伏产业的不断发展，将光伏发电与建筑结合已经成为世界各国研究和开发 追逐的热点，推出了光伏幕墙及屋顶光伏电池的实施【111。 1．3．2独立光伏发电系统的结构分析 蓄电池组、光伏电池板阵列、控制调节器和负载构成了独立发电系统，如图1．2 所示。其中控制器一方面是使系统实现最大功率跟踪，另一方面是控制蓄电池的充放 电。随着光照强度和环境温度的变化光伏阵列有不确定的能量输出，因此系统的运行 是不稳定的，需要控制蓄电池的充放电使光伏系统达到稳定运行。蓄电池的使用寿命 决定了独立光伏发电系统的使用寿命，为了更大的延长铅酸蓄电池使用寿命，选择合 理正确的蓄电池充放电控制策略及其重要【l 2l。 图1．2独立光伏发电系统结构图 为了使蓄电池组与光伏阵列的匹配得到更好解决，采用双向DC／DC变换器连接在 直流母线和蓄电池之间【”]，这种结构不仅能使光伏阵列和蓄电池组的容量可根据负载 额定功率进行灵活的选择，而且还能够更好地控制蓄电池组的充放电过程，防止蓄电 池过冲或过放，保护蓄电池免受损害。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5页 图1．3双向变换器控制蓄电池的系统结构 随着独立光伏发电的不断成熟，大功率的负载不断增加，为了提供瞬间大功率输 出满足负载要求，减小冲击电流对蓄电池的损害，本文提出一种以超级电容器和蓄电 池组成混合储能装置构建的独立光伏发电系统结构，如图1．4所示，超级电容和蓄电 池在双向变换器的控制下可避免直流母线和负载不匹配问题[14]，以及实现它们充放电 独立控制，便于控制器的设计。 双向 DC／DCl ： 蓄电池 图1-4混合储能独立光伏发电结构图 此结构不仅优化了蓄电池组和超级电容器组的充放电过程，还使混合储能系统在 结构设计和容量配置上更具灵活性。随着功率变换器发展的成熟，采用双向DC／DC变 换器作为蓄电池和超级电容组的控制器具有了较大可行性‘1 51。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6页 1．4本文的主要工作 本论文的主要工作如下： 1、介绍光伏发电产业现状及储能系统在独立光伏发电系统中的重要作用。根据超 级电容和蓄电池的不同特点，提出了超级电容和蓄电池混合储能结构，并分析了该结 构的优势。 2、分别介绍了太阳能电池输出特性、蓄电池和超级电容的充放电原理及特性。搭 建了工程用的光伏电池仿真模块，仿真分析了光照强度和环境温度对太阳能电池的影 响；对比分析了超级电容器串联均压法不同方法，通过pism仿真验证了稳压管均压法、 开关电阻均压法、DC／DC变换器均压法的稳压效果。 3、针对蓄电池独立光伏发电系统，采用占空比扰动观察法进行MPPT跟踪，通过 仿真验证该方法的有效性、快速性和可靠性；提出了一种通过双向变换器控制蓄电池 的独立光伏发电系统，分析了其工作模式、能量管理控制，并搭建仿真模块进行仿真 分析。仿真结果表明当负载变化在额定范围之内时，系统能正常工作，当有大负载突 变时，蓄电池放电电流增加甚至超过了过放电流，增加了蓄电池内部损耗，严重时会 影响蓄电池的寿命。 4、首先介绍了混合储能的特点，推导出混合储能系统的数学模型，并进行性能分 析；提出了通过双向半桥DC／DC变换器控制蓄电池和超级电容的混合储能的独立光伏 发电系统结构；根据蓄电池和超级电容各自的储能特点，分析了混合储能的工作模式， 设计了不同的充放电控制策略，实现能量在两个方向流动过程中的稳压限流；提出了 太阳能电池、蓄电池、超级电容三个能量源的能量管理策略，使三个能量源能协调工 作，确保供电系统的高效稳定运行及快速响应；仿真结果表明混合储能装置不仅能快 速满足负载要求，而且使蓄电池免受大电流充放电冲击，提高了系统的功率输出能力、 延长了蓄电池寿命。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7页 第2章独立光伏系统主要组成及其特性分析 2．1独立光伏系统的主要组成 独立光伏发电系统主要由太阳能电池、控制电路、储能元件(蓄电池和超级电容)、 和负载组成。在白天，当日照强度和环境温度达到一定值时，太阳能电池输出能量供 储能元件和负载使用：在夜晚或阴雨天气，太阳能电池不输出能量，由储能元件(蓄 电池和超级电容)供应负载能量，且储能元件具有提高供电质量、维持系统稳定的作 用[1 61。 太阳能电池：太阳能电池作为整个系统的核心部分，当光照强度和环境温度达到 一定值时，太阳能电池输出能量，一部分供负载使用，多余的一部分让储能元件储存 起来。 控制电路：控制电路一方面是控制光伏电池使其输出最大功率，另一方面控制储 能元件的充放电，保护储能元件。 储能元件：现在的储能元件主要是蓄电池和超级电容，它们的作用：当太阳能电 池输出的能量不能满足负载要求或没有输出能量时，储能元件能够满足负载的需求； 如果负载所需能量小于太阳能电池供给时，多出来的部分流向储能元件中。 2．2太阳能电池特性 2．2．1太阳能电池的工作过程 实际上光伏电池单体被看做是一个PN结，如图3—1所示。当PN结在平衡状态时， 中间地方有个耗尽层，且其存在着势垒电场，电场的方向是由N区指向P区。当太阳 光照射在光伏电池时，光伏电池内部将会产生大量的电子和空穴，在势垒电场的作用 下这些电子和空穴分别向N区和P区扩散，最终使得P区有过剩的空穴，N区有过剩 的电子，这样在PN结两端就形成了光生电动势，光生电动势的方向与势垒电场方向正 好相反，从而产生光生伏特效应。此时在P层和N层连接导线并加入负载，就会有电 流过，从而构成了电池单元。设置多个电池单元进行串并联就会产生电流和电压，输 出相应的功率。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8页 量党 图2．1光生伏打效应简图 2．2．2太阳能电池的等效电路分析 太阳能电池的等效电路工作可以用图2—2描述。参数如表2．1所示。 ▲ ，-Sc【 图2—2太阳能电池单二极管等效电路模型 根据图中各物理量之间的相互关系，可得到光伏电池的输出特性方程： 仁k‘。H掣卜}_半／Xsh p，， L L AA o J j 在讨论实际等效电路时，R。和只拍一般可忽略。因此可得到简化的理想太阳能电池 输出特性方程： ㈧。吨[唧(豢)一，] p2， t jjiI-T 一一 耍重．交通大学硕士研究生学位论文 第9页表2—1单个光伏电池等效电路参数表—————————————————————————————————————一 参数名 描述 娄型———————■———————————————————————————————————一 』￡ 负载电流 蛮量 负载电压 无光照时太阳能电池饱和电流 串联电阻 并联电阻 常数因子 电子电荷 波尔兹曼 变量 常量 变量 变量 常量 常量 常量 1 太阳能电池温度 常量 ————————————————————————————————————————一一l—— 由多个光伏电池单元进行串联、并联构成光伏阵列。由光伏电池的并联实现光伏 阵列的输出电流的增加；由光伏电池的串联实现光伏阵列的输出电压的增加。光伏阵 列的输出特性方程为： 厂 ／ ，． 、 ]仁毗c～知{exp【器J-1| (2-3) 其中，胛，、船p为光伏阵列中光伏电池串联、并联个数。 2．2．3太阳能电池工程用的数学模型与仿真分析 实际应用中，在太阳能电池生产厂家针对开路电压Vo。、短路电流乞、最大功率点 处的电压圪、最大功率点处的电流L、最大功率点输出功率￡有限的产品参数一般只 提供标准测试条件下的测试结果。常用的工程数学模型㈣为： ，=丘。[1一C1(e纠‘c2㈦一1)] f2．41 Cj=(1一L／‘。)e一‰7‘c2‰’ f2—5、 C2=(圪／Vo。～1)／ha(1一厶／k) (2．6) 工程数学模型是基于标准状态下的分析，当环境温度和光照强度发生变化时，这 时候的开路电压吃、短路电流‘、最大功率点处的电压圪、最大功率点处的电流L、 最大功率点输出功率己处的电流按下面公式来计算： DI=S／s，矿[1+a(T一％)] (2—7) DU=[1一c(T—Z旷)】Jn[P+6(s—s，盯)] (2—8) ＼I sc=I scDI 1￡：ImDI(2-9) ￡ C S ^ U．乞足．R彳 g K 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0页 j鼍2 VOC册(2-10) 【圪=圪Du 式中：Sr盯=25。C、乙=1000W／m2。以和c为温度补偿系数，b为光强补偿系数， 推荐使用口=O．0025／。C，b：0．5，c：O．00288／。C【20】 本文采用的单晶硅太阳能电池技术参数如表2-2所示；现根据光伏电池的数学模 型，在simulink里建立仿真模型，图2—3为光伏电池仿真的内部模块： 表2．2单晶硅太阳能技术参数 图2-3光伏电池仿真的内部模块 光伏电池的输出特性受温度和光照强度等环境因素影响很大，在每一个特定外部 环境中都存在一个最大功率输出点，与之对应的则是最大输出功率只，最大工作电压 圪、最大工作电流L；图2．4和2—5为不同环境因素下的理想光伏电池P—v曲线和I—v 曲线： 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1页 250 r———————————————————————————] 200 l』型业b，。 Jj』业壁‘ r}翼《，i J龉————————7 雷 100} j 50 一 0 0 10 20 30 40 50 电压，v 图2-4相同温度而不同光照强度下太阳能电池随光照强度变化P．V曲线和I—V曲线 250 200 150 芝 褥 雷100 ，，，。 一8 ／ ／ 、 ／， o 6 ，／ 5。c——◆ 羹 ／7 喜 ／ 25。C———≯ 1 4 ／45。c———— 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 电压V 电压～ 图2．5相同光照强度而不同温度下太阳能电池随温度变化P．V曲线和I—v曲线 仿真实验结果表明：相同温度而不同光照强度下，光照强度增强，短路电流增大， 此时短路电压幅度变化不大，相应的输出功率增大；相同光照强度而不同温度下，温 度上升，开路电压会相应减少，但短路电流变化幅度不大，所以最大输出功率明显减 小。 2．3蓄电池特性 2．3．1铅酸蓄电池充放电原理 铅酸蓄电池是由正极板、负极板、电解液、电解槽组成。在蓄电池充放电过程中， 蓄电池的正负极板上进行如下反应【20】： 正极发生的化学反应： P602+so一+4H++2e一—_尸6·她+2H20 (2．11) 、、≥t一飞三≥= 。 万 盼4 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 2页 负极发生的化学反应： 乃+．财一—_m觋+2e一 (2．12) 结合公式2—11和2—12可得蓄电池充放电过程总化学反应式： 2H2so,+Pb02+Pb孛---+2PbS04+2H20 f2一13) 从式2—13得出，电池充电过程中，负极板上的PbS04得到电子生成乃；正极板 上的PbSQ失去电子生成助Q；同时，电解质溶液中溶剂水分子不断减少溶质硫酸不 断增加，从而造成溶质比重增加，蓄电池两端电压增加，蓄电池能量相应增加。同样 的，电池充电过程中，正极板上的Pb02与皿Sq反应逐渐牛_威z PbSO,的；负极板上的 活性物质m生成PbSQ；由于正负极都消耗电解液H2so．，结果电解液溶解的比重降 低，蓄电池端电压减小，蓄电池能量随之减小。 2．3．2铅酸蓄电池等效电路模型 Thevenin等效电路模型是铅酸蓄电池最常用的一种等效电路模型[22]，如图2-6所 示：毛。。为理想电压源，C。为两极板之间的电容，％为极板和电解液之间存在的非线 性接触电阻，E。为电容C。两端的电压，％，为产生损耗的电阻。 ■ + 图2-6 Thevenin等效电路模型 根据电路定律n-J得： ‰f墨+c。-掘-g,)、+Eb=UDC--r 瓦。。bcltf 2．3．3铅酸蓄电池充放电端电压变化特性 1．充电时蓄电池端电压的变化情况 蓄电池充电时端电压的变化曲线吲如图2．7所示： 质PbSQ逐渐还原为乃Q和尸6，生成大量的皿Sq， Eboc (2—14) 在充电初期，正负两极活性物 皿sq浓度骤增，导致端电压 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3页 迅速上升