光伏储能及其充放电及其计算

光伏储能及其充放电及其计算 I 摘要 随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长，化石能 源越来越突显出它的稀缺性。在这种化石能源供应日趋紧张的背景下，很 有必要大规模利用和开发可再生能源。太阳能作为取之不尽、清洁干净的 资源成为人类开发研究的热点，并已经取得了显著的效果。作为分布式发 电的理想能源，独立型光伏发电系统解决了一些地方用电难的问题，已经 明显提高了人民生活水平。本文讨论光伏发电系统的发展状况以及应用前 景，对独立型光伏发电系统进行研究与设计。 本文以基于储能系统的独立型光伏发电系统为研究对象，阐述了独立 型光伏发电的基本原理及其发展趋势。对光伏系统的最大功率追踪控制方 法(MPPT)进行了分析，通过对草坪灯的设计，进一步分析光伏发电系统。 文章给出了光伏系统的容量设计计算，其中包括光伏电池组板功率计算， 蓄电池容量及充放电计算。通过计算系统容量并考虑经济方面的因素，选 定适合系统的各个元件。 本文通过对太阳能草坪灯的研究设计，实现光伏储能及其充放电，进 一步肯定光伏发电在现代社会能源战略中的重要地位。 关键词：光伏发电 最大功率跟踪 MPPT 储能系统 充放电 II Abstract As the global economic and social development, the continued growth of energy consumption and the corresponding fossil energy become more and more highlights its scarcity. Under the background of this kind of fossil energy supply has become increasingly tense, it is necessary to large-scale use and development of renewable energy. Solar energy as an inexhaustible, clean resources become a hotspot of research on human development, and has achieved significant effect. As an ideal energy, distributed generation photovoltaic generating system solves the independent model, the difficulty of some local electricity, has significantly improved people s living standard. This article discusses the development status and application prospect of photovoltaic power generation system, the independent model photovoltaic power generation system research and design. In this paper, based on the energy storage system of the independent model of photovoltaic power generation system as the research object, this paper expounds the independent model, the basic principle of the photovoltaic power generation and its development trend. For photovoltaic system was analyzed, and the Maximum power tracking (MPPT) control method, through to the lawn lamp design, further analysis of photovoltaic power generation systems. Capacity of the photovoltaic system design calculation is analyzed, including photovoltaic battery board power calculation, battery capacity, calculation of charge and discharge. Through the calculation of system capacity and to consider economic factors, selected is suitable for the various system components. In this paper, through the study of solar energy lawn lamp design, realization of photovoltaic energy storage and its charge and discharge, further sure photovoltaic energy strategy the important position in modern society. Keywords： photovoltaic (pv) generation; Maximum power tracking MPPT; Energy storage system; Charge and discharge III 目录 摘要 I AbstractII 第一章 引言 .1 1.1 背景与意义 1 1.2 发展前景与面临的问题 4 1.3 本文研究的主要内容 .6 第二章 光伏发电原理与基本特性分析 .7 2.1 光伏电池 .7 2.1.1 光伏电池的种类 .7 2.1.2 硅太阳电池的结构及工作原理 8 2.2 光伏电池的结构与特性分析 10 2.2.1 光伏电池等效电路 10 2.2.2 光伏电池的电气特性 11 2.3 环境因素对太阳能电池输出特性的影响 .12 2.4 光伏阵列最大功率跟踪 14 2.4.1 最大功率跟踪控制原理 14 2.4.2 最大功率跟踪控制方法 .14 2.5 本章小结 .17 第三章 储能系统的分析设计 .18 3.1 蓄电池 .18 3.1.1 蓄电池的分类与应用 18 3.1.2 酸蓄电池工作原理及其 SOC 估计及其容量的计算 21 3.1.3 光伏系统对蓄电池性能要求分析 .24 3.2 蓄电池充放电特性分析 26 3.3 蓄电池 超级电容混合储能系统 .27 3.3.1 混合储能性能分析 .27 3.3.2 储能系统结构 .29 3.4 本章小结 29 第四章 光伏储能及充放电控制系统的设计 .30 4.1 控制电路总体设计方案 30 4.2 系统电路设计 31 4.2.1 系统主电路设计 31 4.2.2 变换电路设计 .32 4.3 系统容量的设计 34 4.3.1 光伏电池的选用 35 4.3.2 蓄电池容量的选择 37 4.3.3 蓄电池充放电计算 38 4.3.4 Boost 电路参数计算 .38 IV 4.4 本章小结 40 第五章 总结与展望 .42 5.1 本文总结 .42 5.2 未来展望 42 参考文献 .44 致谢 .45 1 第一章 引言 1.1 背景与意义 1、背景 能源和环境问题是近十几年来世界关注的焦点，随着全球经济社会的 不断发展，能源消费也相应的持续增长。随着时间的推移，化石能源越来 越突显出它的稀缺性，且这种稀缺性也逐渐在能源商品的价格上反应出来。 能源作为人民生活和社会经济的主要物质基础，对于人民生活水平的提高 和社会经济的发展极为重要。但是，近年来人类对能源需求的日益增加， 化石能源的储量正逐渐枯竭。在这种化石能源供应日趋紧张的背景下，大 规模的利用和开发可再生能源已成为未来全世界能源战略中的重要组成部 分。为了实现环境和能源的可持续发展，目前世界各国都将光伏发电作为 发展的重点。在各国政府的大力支持下，光伏产业迅速发展。太阳能是人 类用之不竭取之不尽的可再生能源，具有绝对的安全性、充分的清洁性、 相对的广泛性、潜在的经济性、资源的充足性及确实的长寿命和免维护性 等优点，在长期的能源战略中具有重要地位。 世界光伏产业和市场发展的另一个突出特点是：光伏发电在能源中的 替代功能越来越大，主要表现在并网发电的应用比例增加非常快，并成为 光伏发电的主体市场(其他应用包括通讯和信号﹑特殊商业和工业应用﹑农 村离网应用﹑消费品和大型独立电站等)。不得不说，德国、日本和美国的 鼓励政策世界光伏发电市场的增长。欧洲、日本和美国都制定了各自的光 伏发展路线，表 1-1 和表 1-2 给出了一些发达国家的发展目标和光伏发展 路线的比较。 表 1－1 光伏发电成本预测 年份 2004 2010 2020 欧洲（欧元 ）hkW/ 0.25 0.18 0.10 日本（日元 ）/ 30 23 14 美国（美元 ）hk/0.18 0.13 0.10 2 表 1－2 光伏发电装机预测 pGW/ 年份 2004 2010 2020 欧洲 1.2 3.0 41 日本 1.2 4.8 30 美国 0.34 2.1 36 中国 0.065 0.3 1.8 世界 4.0 14 200 其他 1.195 3.8 91.2 我国太阳能资源非常丰富，而且开发利用的潜力非常大，发电产业的 应用空间也非常广阔，可以应用于与建材结合、并网发电、解决边远地区 用电困难问题等。经过 20 多年的发展，我国光伏发电产业的发展己经具有 了初步规模，但是总体水平上还与国外还有很大的差距。这些差距主要表 现为生产规模较小、封装水平不高、技术水平较低，电池效率低，部分材 料仍需进口。另外，我国电池组件的售价和成本都偏高，这样就会导致太 阳能电池造价太高，直接阻碍着太阳能光伏发电的大规模发展。我国必须 要加大这方砸的投入，突破这个技术瓶颈，促进太阳能光伏发电的规模的 扩大。2005 年 2 月 28 日第十届全国人民代表大会常务委员会通过了《中华 人民共和国可再生能源法》把促进可再生能源的开发利用提高到了法律的 高度。近些年来。国家在“973”和“863”等重大项目中也将太阳能电池 的发展放到了重要的位置。积极发展太阳能光伏发电对于解决我国的能源 紧缺和环境污染具有重要的战略意义。相信在政府政策的扶持和学界的大 力研究下，我国的光伏发电技术会得到发展和广泛应用，前景一遍光明。 2、意义 首先从长远来看，太阳能光伏发电将逐渐占据世界能源消费的重要地 位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。可再生 能源将是人类未来的主要能源来源，因此世界上部分发展中国家和大多数 发达国家都十分重视可再生能源对未来能源供应的重要作用。另外，在新 的可再生能源中，风力发电和光伏发电是发展最快的，世界各国都把太阳 3 能光伏发电的商业化利用和开发作为重要的能源发展方向。中国是一个能 源生产大国，也是一个能源消费大国，因此发展可再生能源有很大的必要 性。 无论从中国还是从世界来看，常规能源都是很有限的，中国的一次能 源储量远远低于世界的平均水平，大约只有世界总储量的 10％。图 1-1 给 出的是世界和中国主要常规能源储量预测。 图 1-1 世界和中国主要常规能源储量预测 “到 2030 年太阳能发电将在世界电力的供应中显现其重要作用，达到 10%以上，可再生能源在总能源结构中占到 30％；2050 年太阳能发电将占 总能耗的 20%，可再生能源占到 50％以上，到本世纪末太阳能发电将在能 源结构中起到主导作用” 。这是欧洲 JRC 的预测，如下图所示。 图 1-2 是欧洲 JRC 的预测： 4 图 1-2 世界能源发展趋势 按照目前的经济发展趋势和中国的资源情况，2010 年和 2020 年的电 力供应单靠传统的煤、水、核是不够的，尚存在一定的缺口，需要由可再 生能源发电来填补。因此发展可再生能源势在必行，太阳能是用之不竭取 之不尽的可再生能源，安全可靠、清洁环保，而且开发潜力非常大，是未 来能源发展战略的主体，可保障未来经济的稳定快速的发展。总而言之， 太阳能在长期的能源战略中具有重要的主体地位并且得到广泛的应用。我 国是太阳能资源相当丰富的国家（绝大多数地区年平均日辐射量在 4 以上，西藏最高达 7 ） ，更应该把握这个机会充分利用自2m/kWh2m/kWh 己的优势，为经济稳定快速发展打下良好的基础。 最后，光伏发电有其优缺点，如下： 光伏发电的优点生要有以下六点： （1）无污染、零排放：没有任何物质及声、光、电、磁、机械噪音等 “排放” 。 （2）可再生：资源无限，可满足可持续发展的要求，可直接输出高质 量电能。 （3）资源的普遍性：只是地区之间有是否丰富之分，基本上不受地域 限制。 （4）分布式电力系统：将提高整个能源系统的安全可靠性。特别是对 自然灾害和战备的抗御，它更具有明显的意义。 （5）资源、发电、用电同一地域：能大幅度节省远程输变电设备的投 资费用。 （6）灵活、简单化：发电系统可按需要以模块化集成，容量可大可小。 扩容方便，保持系统运转仅需要很少的维护。系统为组件，安装快速化， 没有磨损、损坏的活动部件。 光伏发电也存在一些难以攻克的缺点，主要有以下两个方面： (1)光电转化率很低。 (2)光伏发电成本太高，在太阳能电池中硅系太阳能电池无疑是发展最 成熟的，但其成本仍居高不下，远小能满足大大规模应用的要求。 总体来说，光伏发电的优点远多于缺点，发展光伏发电是明智之举。 5 1.2 发展前景与面临的问题 1、前景 光伏发电的并网开发应用已经成为目前世界上大规模利用光伏发电的 必然选择。各个国家都纷纷把太阳能作为重要的战略能源之一的举动，使 得光伏发电将逐步发展为一种替代能源，太阳能也将会成为世界能源供应 的主体。根据预测 2030 年太阳能光伏发电在世界总电力的供应中将达到 10％以上；2040 年太阳能光伏发电将占总电力的 20％以上；21 世纪末太阳 能发电将占 60％以上，这就更显示出太阳能在能源战略中的重要地位。 在可再生能源中，太阳能取之不尽，清洁安全，是理想的可再生能源。 我国的太阳能资源比较丰富，且分布范围较广，太阳能光伏发电的发展潜 力巨大。此外，目前太阳能光伏发电技术已日趋成熟，是最具可持续发展 的可再生能源技术之一。在今后的十几年中，太阳电池的市场走向将发生 很大的改变，到 2010 年以前中国太阳电池多数是用于独立光伏发电系统， 从 2011 年到 2020 年，中国光伏发电的市场主流将会由独立发电系统转向 并网发电系统。 2、面临的问题 虽然光伏发电的前景很可观，但同时发展中也存在不少的问题，以下 是光伏发电中面临的主要问题。 （1）投资成本问题 与其它新能源项目相比，太阳能单位造价非常高，高达 6.2 万元/kW， 因此回收效益期比较长。目前国内太阳能电池板的原材料硅的涨价迅速是 造成这种情况的主要原因。目前的价格要比本世纪初翻了数倍，而太阳能 电池板又是整个工程中耗费最大的部分，因此，降低原材料的成本才能从 根本上解决投资成本高的问题。 （2）对电网的冲击 由于光伏发电属于稳定差、能量密度低、调节能力差的能源，发电量 受天气及地域的影响较大，并网发电后会对电网的稳定性、安全性、电网 的供电质量以及经济运行造成一定影响，这也将是阻碍光伏发电发展的一 大问题。 （3）缺乏政策的支持 在国内，由于太阳能光伏发电刚刚起步，政府在这方面给予的支持力 6 度相对不够，加上较高的生产成本，从而使得投资者对光伏发电项目的兴 趣减少，投入这方面的资金不够，影响发展。而相反的，在国外，政府将 给予太阳能光伏发电的用户一定的优惠政策及补贴。要解决该问题，政府 必须加大政策的支持。 1.3 本文研究的主要内容 设计技术要求是：光伏储能的运用和计算。 1、蓄电池的相关参数的计算。 2、储能与光伏应用的结合。 3、光伏储能与实际生活的联系。 4、独立家用和小型商运用光伏储能的模式。 5、对不同的要求量选择不同的光伏储能系统，遵循光伏配套原则。 7 第二章 光伏发电原理与基本特性分析 2.1 光伏电池 太阳能电池也被称为光伏电池，通常由半导体材料制成，其作用是把 太阳能直接转换为直流形式的电能，是光伏阵列中光电转换的最小单元， 由于单个太阳电池的功率极小，因此一般不单独作为电源使用。光伏电池 是利用了半导体材料对光敏感以及半导体的强光伏效应的特征，把光能直 接转化成电能。而且在这种发电过程中，光伏电池本身既不发生任何化学 变化，也没有机械磨耗。在使用过程中，无气无味、无噪音、对环境无污 染。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起， 构成光伏电池组件，便会在太阳能的作用下输出功率足够大的电能。 2.1.1 光伏电池的种类 按照材料分类 1、硅太阳能电池：以硅为基体材料（单晶硅、多晶硅、非晶硅） 2、化合物半导体太阳能电池：由两种或两种以上的元素组成具有半导 体特性的化合物半导体材料制成的太阳能电池(碲化镉、硫化镉、磷化铟、 砷化稼、硒铟铜) 3、有机半导体太阳能电池：用含有一定数量的 C－C 键且导电能力介 于金属和绝缘体之间的半导体材料制成的电池(分子晶体、电荷转移络合物、 高聚物)。 表 2-1 为几种市场上常见的硅太阳能电池的品牌型号规格： 8 表 2-1 几种市场上的硅太阳电池 POLYSUN PS-20M 单晶硅 星火 SF250 单晶硅 我能 WN-230 尚维 SW125M -210W SUMYOK SYK200- 36P 多晶硅 夏普 SY-40- p 多晶硅 输出功率 MP20W 250W 230W 210W 200W 40W 工作电压 U17.6V 28.8V 28.8V 46.6V 36V 18V 工作电流 I1.15A 8.68A 7.99A 4.51A 5.55A 2.22A 开路电压 OC21.9V 36V 36V 57.9V 42.24V 19.44V 短路电流 SI1.26A 9.01A 9.4A 4.94A 6.1A 2.4A 价格(元/瓦) 5.50 5.90 3.50 5.90 6.50 7.00 外形尺寸(mm) 480*357* 25 1635*991 *50 1640*990 *35 1580*1069 *40 1650*992 *35 668*54 6*35 重量(kg) 2.1 18 18 20 19 2.1.2 硅太阳电池的结构及工作原理 目前用于光伏发电系统的太阳能电池多为硅材料太阳电池，其中包括 单晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池。以当前用得最为普遍的单晶硅及多晶 硅太阳电池为例，其单个硅太阳电池外形结构如图 2-1 所示。 品 牌 型 号特 性 参 数 9 图 2-1 太阳能电池的基本结构及工作原理 这是一种 P－N 型硅太阳电池，它的基体材料为 P 型单晶硅，厚度在 0.44mm 以下，上表面层为 N 型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一 个 P－N 结。在上表面上加有栅状金属电极，可提高转换效率；另外，在受 光面上，覆盖着一层减反射膜，它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜，用以 减少入射太阳光的反射，使太阳电池对入射光的吸收率达到 90%以上。 硅太阳电池的工作原理为：对于半导体材料而言，当其中的 P－N 结处 于平衡状态的时候，在 P－N 结处会形成一个耗尽层，存在着由 N 区指向 P 区的势垒电场。当每一个入射光子的能量大于禁带宽度(Eg)，即整个入射 太阳光的能量大于硅禁带宽度的时候，太阳光子照射入半导体内，把电子 从价带激发到导带，在价带中留下一个空穴，产生了一个电子－空穴对。 因此，当能量大于禁带宽度的光子进入电池的 N 区和 P 区中时，会激发产 生光生电子－空穴对。光生电子－空穴对在空间电荷区中产生后，立即被 势垒电场分离，光生电子被推向 N 区，光生空穴被推向 P 区。在 N 区和 P 区中产生的光生电子－空穴对会向 PN 结交界面处扩散，当达到势垒电场边 界时，立即受到势垒电场的作用，使光生电子留在 N 区，光生空穴留在 P 区。而在 N 区中的光生空穴由于内建电场的作用被推到 P 区，P 区中的光生 电子同样被推到 N 区。最后就形成了 N 区中积累了剩余的电子，P 区中积累 了剩余的空穴，而在 PN 结两侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势。 这就是所谓的“光生伏特效应” ，当接上负载后，电流就从 P 区经过负载流 向 N 区，负载即获得功率。 10 2.2 光伏电池的结构与特性分析 2.2.1 光伏电池等效电路 由于光伏电池的输出与外界的光照强度和环境温度呈非线性，分析时 需要将阵列转化为其等效电路，图 2-2 是光伏电池等效电路，其中 是串sR 联电阻，它是构成光伏电池的半导体体电阻和电极电阻等电阻的和； 是h 漏电阻。在恒定光照下，一个处于工作状态下的光伏电池，其光电流 不LI 随工作状态变化而变化，在等效电路中，可把它看作恒流源，光电流的一 部分流经负载 ，同时在负载两端产生端电压 ， 反过来又正向偏置LRLU 于 PN 结二极管，引起与光电流反向的暗电流 。由于太阳板前表面和背表dI 面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，电流经过负载时，必 然引起损耗，在等效电路中可将它们的等效为一个串联电阻 ；同时，由sR 于电池边沿的漏电阻，在电池的划痕、微裂痕等处形成的金属桥漏电等， 使一部分本该通过负载的电流短路，这种作用可用一个并联电阻 来等效。sh 图 2-2 光伏阵列的等效电路 根据图 2-2，就可以得到输出电流 与输出电压 之间的关系：LILU （2.1）dshpLRUI 式中暗电流 应为 PN 结电压 U 的函数，而 U 又与输出电压 存在函数关d L 系： （2.2）sLI 11 经理论计算和大量的实验证实 均可整理成指数形式如下：dI （2.3） 1)(0nKTRUqdsLeI 其中，n 是二极管指数； 是反向饱和电流；K 是波耳兹曼常数(0 )；T 是绝对温度(K)；q 是单位电荷。J/1038.23 将以上式子整理后得到： （2.4）sh LnKTRIUqphL RIeII sL1)(0 2.2.2 光伏电池的电气特性 光伏电池产生的瞬时电能主要取决于几个电池参数和变量的环境条件， 如日照强度和温度。其电动行为可以用简单的非线性电流源串联与内在电 池串联电阻( )为基础。在这种模式下的电流源，可以通过下面表达式表SR 示： （2.5）1 AKTRiVqrsphv spveIi 其中 是一个给定的曝晒下的电流； 是电池反向饱和电流； 和phI rsI pvV 分别是太阳能电池的电压和输出电流；q 是电子电荷；K 为波尔兹曼常pvi 数；T 为电池的温度。因子 A 看成理想的 p-n 结特性的电池偏差，值在的 1－5 之间。此外，反向饱和电流( )和光照下( )取决于日照强度和温rsIphI 度： （2.6） KTqErors rgoeTI)1(3)( （2.7）0)1rscphK 其中 是在参考温度 下的反向饱和电流； 是在电池中所使用的orIr goE 半导体的带隙能量； 是在参考温度下日照电流； 是短路电流温度系；scI 1K ， 为日照系数其单位为 。 2mW 在图 2-3 中，是一个特定的光伏电池的电气特性。其中提出了把日 12 照作为一个可变参数，并考虑两个不同日照下的温度值。图 2-4 所示，可 以观察到的大气条件下 MPOP 对系统的影响。 在光伏电池阵列中，产生的电流表达式类似于式 2.6： （2.8）1 AKTRiVqrsphpv spveInIi 其中 代表并行模块的数量，由 串联的电池构成。因此，由式 2.8pns 可得简单的阵列发电的表达式： （2.9）1 AKTRiVqpvrspvhpv spveInI 从上述表达式可知，通过改变 值可最大限度地提高发电效率，它是 由暴晒和电池温度而定的。 图 2-3 典型的电流电压曲线的光伏电池 图 2-4 典型的功率电压曲线的光伏电池 13 2.3 环境因素对太阳能电池输出特性的影响 当光伏电池的温度发生变化时，其伏安特性和输出性能会产生相应的 变化。图 2-5 所示为不同温度时光伏电池的伏安特性曲线，由图可以看出， 当光伏电池的工作温度升高时，其短路电流有少量的增加，但开路电压会 随着温度的升高而急剧下降，I-V 曲线随之改变，导致填充因子对应下降， 输出最大功率也会减少，因而对于同一块光伏电池。其转换效率随着工作 温度的升高而降低。 图 2-6 所示为不同温度下光伏电池的 P-V 特性曲线。研究表明，光 伏电池的温度每升高 1 ，其功率平均减少大约 0.4%。这就是说，在 25Co 温度下工作的光伏电池的最大输出功率要比 75 温度下工作时高出 20%。Co Co 由此可以看出，温度对光伏电池性能的影响不容忽视。目前国际上定义的 光伏电池的标准工作温度为 25 。o 图 2-5 不同温度下光伏电池的 图 2-6 不同温度下光伏电池的 I-V 曲线(光照恒定) P-V 曲线(光照恒定) 辐照强度对光伏电池功率的影响是很明显的。由图 2-7 和图 2-8 可以 看出，相同温度下，光电流随着辐照强度的增加而线性增加，光伏电池的 开路电压也有稍微增大。分析可见，在利用光伏阵列发电时，往往需要采 用一定的技术和设备以提高电池表面的辐照强度，使得系统的输出功率增 大。 14 图 2-7 不同辐照度下光伏电池的 图 2-8 不同辐照度下光伏电池的 I-V 关系曲 (温度恒定) P-V 关系曲 (温度恒定) 2.4 光伏阵列最大功率跟踪 2.4.1 最大功率跟踪控制原理 从前文对光伏电池伏安特性曲线的分析可以看出，光伏电池的输出电 压和输出电流曲线具有很强的非线性关系，只要能将输出电压控制在某个 特定值，光伏阵列就能工作于最大功率点(Maximum Power Point ，MPP)。 通过一定的控制手段，使光伏电池根据外界环境光照强度和工作温度不断 调整工作点，使自身始终工作于最大功率点处，称之为最大功率点追踪 (Maximum Power Point Tracking， MPPT)。目前太阳能电池板的成本仍 然较高，使用 MPPT 技术可以明显提高光伏发电系统的效率，减少设备的 投资。 图 2-9 光伏系统 MPPT 原理 如图 2-9 所示，通过改变 DC/DC 变换装置的占空比以实现调节光伏 电池的输出功率，进而改变光伏电池的工作点，光伏电池输出电压值的大 小直接受占空比变化的影响。对于最大功率点追踪，也可以从阻抗匹配原 理来理解：由电路理论知识可知，当电源内阻和负载阻抗相等时，电源的 输出功率是最大的。我们可以将光伏电池看作内阻会随环境不断变化的直 流电源，而 DC/DC 变换器改变占空比相当于改变负载的等效阻抗。当两者 15 的阻抗相等时，光伏电池达到最大功率工作点，MPPT 宣告完成。 2.4.2 最大功率跟踪控制方法 最大功率跟踪控制方法有很多，其中许多已经得到实际应用并在实践 中不断加以改进。在这些方法中，使用比较广泛的主要有扰动观察法，恒 定电压法，电导增量法，查表法，二次插值法以及模糊控制等。 1． 扰动观察法 扰动观察法是目前比较常用的一种最大功率追踪方法。其原理是首先 测出在某个电压值下光伏阵列的输出功率，接着给该电压加上一个给定的 扰动后再次检测阵列的输出功率，如果和上次的功率相比是增加的，则说 明光伏阵列的最大功率点在当前工作电压的右侧，应当增加电压(假设为正 扰动)后继续扰动；如果扰动后输出功率减小，则应减小电压后继续扰动。 扰动观察法的控制流程如图 2-10 所示。 2-10 扰动观察法的控制流程图 扰动观察法算法比较简单，且硬件上易于实现，在大多数情况下可以 有效地实现最大功率跟踪，因此是目前使用最广泛的 MPPT 控制算法。但 是，扰动观测法仍存在需要改进的地方：在到达最大功率点时，此控制算 法下的系统无法稳定工作于该最大功率点处，而只能在最大功率点附近来 回振荡，造成了功率损失。即使减小步长，也只能减小振荡幅度，无法消 除，并且过小的步长还会造成系统 MPPT 跟踪缓慢；另外对于光照和温度 16 变化快速剧烈的地方，使用该算法很容易出现误判断，导致最大功率跟踪 失败。 2．恒定电压法 从图 2-8 中的 P-V 关系曲线可以看出，当光伏电池的工作温度基本恒 定时，输出功率曲线的最大功率点处于一个较小的输出电压范围内，说明 光伏阵列的最大功率点基本对应于某一恒定电压值，因此，恒定电压法 (CVT)的控制策略就是使光伏电池的输出电压稳定在该电压值处不变，使之 可以近似认为工作在最大功率点处。不难看出，恒定电压法的控制算法简 单，容易实现，成本也比较低。因此一些需要严格控制成本的小型光伏系 统可以应用该算法，比如目前应用广泛的太阳能路灯系统。 除了以上优点 以外，恒定电压法还存在一些明显的问题。由图 2-5 可以看出，光伏电池 的伏安特性不仅仅与光照强度有关，还会受到电池温度的影响。在环境温 度变化比较大的情况下，如果依然采用恒压法控制，光伏阵列的输出功率 会明显偏离最大功率点。严格来说，CVT 跟踪法只是对 MPPT 控制的近似， 不存在对光伏电池的实时检测和控制，因此受自身工作状态和环境的影响 很大。随着光伏发电控制技术的不断改进，新的 MPPT 算法逐渐取代了恒 定电压法。 3． 电导增量 由光伏电池的 P-V 曲线可以看出，对于光伏电池的输出功率函数，如 果 ，则此时系统工作最大功率点处；若 ，则系统工0/dUP 0/dUP 作于最大功率点左侧；若 ，则系统工作在最大功率点右侧。对0/dUP 于工作最大功率点处的光伏电池，有 ，所以：I （2.10）IVId （2.11）U 17 电导增量法通过比较光伏阵列的电导增量与瞬间电导的关系判断下一 步的控制策略。和扰动观察法相比，该算法对电压的调整不再像扰动观察 法那样具有盲目性、随机性，而是通过每次的测量和比较，计算出最大功 率点的输出电压，之后再对工作点进行调整。电导增量法的控制流程图如 下： 图 2-11 电导增量法的控制流程图 4、 其他常用 MPPT 算法 查表法：所谓查表法是指将光伏阵列所在地区的光照条件和环境温度 以及相对应的最大功率点储存在控制系统中，根据工作中检测到的实时光 照强度和环境温度进行查表，确定该环境下最大工作点所对应的输出电压， 并以此作为参考，使系统工作于最大功率点。查表法简单可靠，反应速度 很快，但它需要事先了解光伏阵列安装地点的光照和温度因素，通用性不 强，且在系统设备老化后原表单数据会逐渐失准，灵活性差。 二次插值法：二次插值法常用于一元函数在某个初始区间内搜索极点 的一种算法，一般用于曲线拟合。光伏阵列的 P-V 曲线是一个非线性函数， 且只有一个极点，即最大功率点。因此可以利用二次插值法搜寻到该极点， 调整控制器从而使光伏阵列实现最大功率输出。 模糊控制：光伏系统中的许多参数是难以精确测量的，实际操作时很 难建立比较准确的数学模型。而模糊控制是以人的经验为基础的模糊推理 系统。把光伏阵列的系统输出功率相对于电压的变化量作为模糊逻辑的输 18 入量，进行模糊化处理后利用专家经验进行判断，从而得到一个隶属度， 将该隶属度进行反模糊化处理后调节系统控制器，从而实现系统最大功率 输出。模糊控制的设计灵活，系统稳定性强，但是模糊推理和反模糊化的 过程比较繁琐。 综合上述方法特点，结合南宁的天气不会发生光照强度和温度快速剧 烈变化的情况，本文设计使用扰动观察法实现最大功率跟踪。 2.5 本章小结 对太阳能光伏电池的结构和特性进行了分析，了解光伏电池的等效电 路图，研究和讨论光伏电池的电气特性；针对环境因素对太阳能电池特性 的影响，研究光伏电池最大功率的跟踪原理和方法。 19 第三章 储能系统的分析设计 3.1 蓄电池 在光伏发电系统中，光伏电池输出功率随太阳辐射强度的变化而变化。 太阳辐射强度受气候、昼夜和季节等因素影响较大。在白天，太阳辐射强 度大的时候，太阳能电池输出功率大；在阴雨天或夜间，太阳辐射强度很 小，太阳能电池输出功率随之很小或者没有功率输出。因此，储能环节对 于独立光伏发电系统的运行起着至关重要的作用。目前独立光伏发电系统 中储能部件一般采用蓄电池。 蓄电池在独立光伏发电系统中所起的作用主要有三点： (1)储存能量，为负载提供可持续供电电源。由于白天和黑夜的交替出 现，另外，阴雨、大雾等天气条件的限制，太阳光的照射强度变化较大， 同时辐射也是不连续的。所以当白天太阳光强度较大时，光伏电池阵列产 生的电能大于负载消耗的要求时，将剩余的电能储存起来，当夜晚没有光 照或者阴雨天光照较弱时使用，所以蓄电池的一个重要作用就是储存能量。 (2)稳压和钳位作用。由于太阳光辐射强度、环境温度时常发生变化， 光伏电池的工作特性受其影响，这样就使负载不能稳定工作在最佳工作点 附近，从而降低了系统的工作效率。如果利用蓄电池给负载供电，对太阳 能电池和负载起到了隔离作用，消除了电压变化对负载的影响，使负载稳 定在最佳工作点附近，从而提高了整个系统的效率。 (3)提供启动电流的作用。由于很多电机类设备在启动时需要大的启动 电流，通常是额定工作电流的 5-1O 倍，然而受到最大短路电流和太阳光辐 照强度的限制，光伏电池阵列可能无法满足负载对于启动电流的需求。这 就要求蓄电池在短时间内提供大的启动电流给负载。 3.1.1 蓄电池的分类与应用 蓄电池有不同类型和大小。通常手电筒用的干电池，称为一次电池 （原电池） 。还有一类可充电电池，称为二次电池，例如：汽车起动用的铅 酸电池，手电筒、收音机使用的镉镍充电电池等。目前光伏系统仍然大量 使用。 20 蓄电池分为酸性蓄电池(即铅酸蓄电池)和碱性蓄电池两大类。其中铅 酸蓄电池主要产品已成系统，按照不同的分类标准，可以把铅酸蓄电池系 列产品分为很多的种类。表 3-1 列出了分类标准和产品系列种类。 表 3-1 酸蓄电池的系统产品分类 分类标准 产品种类 按用途分类 起动用、固定型防酸式、牵引用、 铁路客车用、内燃机车用、按用途 分类摩托车用、航空用、潜艇用、 鱼雷用坦克用、矿灯用 按极板结构分类 涂膏式、管式、形成式 按电解液和充电维护分类 干放电态、干荷电态、带液充电态、 湿荷电态、免维护蓄电池、少维护 蓄电池 按电池盖和排气栓结构分类 开口式、排气式、防酸隔爆式、防酸消氢式、阀控式密闭蓄电池 （1）铅蓄电池。用铅和二氧化铅作为负极和正极的活性物质（即参加 化学反应的物质） ，以浓度为 27%～37%的硫酸水溶液作为电解液的电池，称 为铅蓄电池（俗称。铅酸蓄电池。 ） 。 铅蓄电池不仅具有化学能和电能转换效率较高、充放电循环次数多、 端电压高，容量大（高达 3000Ah）的特点，而且还具备防酸、防爆、消氢、 耐腐蚀的性能。同时随着工艺技术的提高，铅蓄电池的使用寿命也在不断 提高。近年来还开发出具有免维护特点的密封式铅蓄电池。密封式铅酸电 池，维护简便，运输方便，但价格较贵，一般是开口铅电池的 2～3 倍。密 封式铅电池在高温的气候条件下，容易因过充而损坏。 （2）碱性蓄电池。碱性蓄电池按其极板材料，可分为镉镍蓄电池、铁 镍蓄电池等。 碱性蓄电池与铅蓄电池相比具有体积小，可深放电，耐过充和过放电， 以及使用寿命长，维护简单等优点。碱性蓄电池