光伏发电系统建模及其仿真毕业论文

光伏发电系统建模及其仿

真毕业论文

目录

摘要.............................................................................................. 错误！未定义书签。Abstract ........................................................................................ 错误！未定义书签。第一章绪论.. (3)

1.1新能源发电的背景和意义 (3)

1.2光伏产业的现状和前景 (4)

1.2.1太阳能光伏发电的发展现状 (4)

1.2.2光伏发电产业的前景 (6)

1.3本文设计内容 (6)

第二章光伏发电系统概述 (7)

2.1光伏发电系统的基本工作原理 (7)

2.2光伏发电系统的组成 (8)

2.3光伏发电系统的分类 (9)

2.3.1太阳能独立光伏发电系统 (9)

2.3.2 并网光伏发电系统 (10)

2.3.3互补型光伏发电系统 (11)

第三章光伏发电系统建模及其仿真 (12)

3.1光伏电池阵列的建模 (12)

3.1.1 光伏电池阵列的数学模型 (12)

3.1.2 光强和温度对光伏电池输出结果的影响 (15)

3.1.3太阳光光照强度模型 (16)

3.2光伏发电系统的主电路模型 (18)

3.2.1光伏并网发电系统的主电路模型 (18)

3.2.2离网型光伏发电系统的主电路的模型 (19)

第四章光伏发电系统的控制技术 (20)

4.1光伏发电MPPT技术 (20)

4.2电导增量法 (22)

4.2.1电导增量法的原理 (22)

4.2.2电导增量法改进 (24)

4.3 最大功率控制技术仿真 (25)

4.4光伏并网发电系统的控制 (29)

4.4.1并网逆变器控制 (29)

4.4.2 电流环的分析建模 (32)

4.4.3锁相环的原理分析 (33)

4.5离网光伏发电系统的控制 (36)

4.5.1 光伏充电控制分析 (36)

4.5.2独立光伏发电系统的逆变器控制技术 (40)

第五章光伏并网系统中的孤岛效应 (43)

5.1孤岛效应的分析和危害 (43)

5.2 孤岛效应的检测 (43)

5.2.1孤岛检测标准 (43)

5.2.2孤岛检测方法 (44)

结论 (49)

展望 (50)

参考文献 (51)

致谢 (53)

第一章绪论

1.1新能源发电的背景和意义

能源一直是人类社会生存和发展的动力和源泉。伴随着社会的不断发展和进步，化石能源的储量也在日趋枯竭。在国内，据官方统计，仅去年一年，中国的原油进口达1.5亿吨[1]。按目前的消耗速度，中国的现有能源储量至多可使用50年。可喜的是，随着科学技术的不断发展，人类发现了核能、地热能、潮汐能、风能、太阳能等多种新型能源。在化石能源的局限性和环境保护的压力下，世界上大部分国家加强了对这些绿色新型能源和可再生能源的发展支持。尤其是进入21世纪以来，世界各国对能源的需求越来越大。在德国、丹麦等国家可再生能源发电的装机已经达到较高的水平。为促进可再生能源的发展，各国不仅继续加大对可再生能源技术研发的投入，同时从立法和政策方面也都采取措施支持可再生能源的开发和利用，加快其发展步伐，使之成为实现能源多样化、应对气候变化和实现可持续发展的重要替代能源。我国高度重视可再生能源事业的发展，近年来更加大了对可再生能源发展的支持力度，包括国家科技资金投入、政府性工程及优惠政策制定等。尤其是《中华人民共和国可再生能源法》的颁布，有力地推动了我国可再生能源发展的进程，进一步保障了我国发展循环经济概念和建设资源节约、环境友好型社会目标的实现。

从能源供应等诸多因素考虑，太阳能无疑是符合可持续发展的理想的绿色能源，同时太阳能也即将成为21世纪最重要的能源之一。太阳能是从太阳向宇宙空间发射的电池辐射能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量，到达地球表面的太阳能为8.2*109万kW[2],能量密度为1k W/m2左右。太阳能发电有热发电和光发电两种方式。太阳能以其分布广泛,取之不尽,用之不竭,又安全洁净等优点,正逐渐成为人类理想的新一代可再生能源。是人类最终可以依赖的能源。

1.2光伏产业的现状和前景

太阳能光伏发电是太阳能利用的一种重要形式，是直接将太阳的光能转变为电能，多种发电方式中，光伏发电是主流。光伏发电是将照射到太阳能电池上的光直接变换成电能输出。

1.2.1太阳能光伏发电的发展现状

1839年法国物理学家贝克勒尔发现光生伏打效应(光电效应的一种)。19世纪70年代赫兹根据光伏效应利用固体硒材料制成了光伏电池。1973年全球石油危机爆发，导致能源价格大幅度上升，这引起了人们对光伏发电技术的浓厚兴趣[13]。之后，光伏发电技术开始逐渐被关注，各国政府和工业界的研究机构投入了大量的人力、物力加强光伏发电技术方面的研究和开发。太阳能光伏发电自20世纪80年代起发展迅速，每年以30%到40%的速度迅猛增长[2]。

为了鼓励太阳能技术的开发和利用，各国政府积极制定各种优惠政策来推动太阳能光伏发电的发展[3]。 1996年，在美国能源部的支持下，美国政府开始了一项“光伏建筑物计划”，投资20亿美元，1997年美国政府在全世界率先宣布发起“百万太阳能屋顶计划气。2002年，美国的光伏电池生产总量达到112.9MW，计划到2010年要求发电成本降到7.7美分/千瓦时。年可减排COZ 351.1万吨，总计可增加就业7.15万人。该计划现已由加州施实。日本政府早在1974年就公布了“阳光计划”，1993年又提出“新阳光计划”，旨在推动太阳能研究计划全面、长期地发展。日本相继颁布了一系列鼓励包括太阳能在内的可再生绿色能源研究与应用地法规，极大地推动了日本光伏工业地发展与应用。2002年，日本的光伏电池生产总量已达到254.SMW，并且以世界最快的增长速度一48.6%增长，计划到2010年一半以上的新居屋顶将安装光伏太阳能系统。德国政府是世界上最早和最积极倡导鼓励光伏应用的国家之一。1990年，德国政府率先推出“1000太阳能屋顶计划”，1993年，德国首先开始实施由政府投资支持，被电力公司承认的1000屋顶计划，继而扩展为2001)屋顶计划，1998年德国政府进一步提出了10万光伏屋顶计划，同时研究开发与建筑相结合的专用光伏组件等。1999年

1月起开始实施“十万太阳能屋顶计划”。德国政府颁布的“可再生能源法”于

2000年4月1日正式生效。此外，意大利、印度、瑞士、法国、荷兰、西班牙都有类似的计划，并投巨资进行技术开发和加速工业化进程。

从世界范围来讲，光伏发电己经完成了初期开发和规模应用发展，示范阶段，现在正在向大批量生产和规模应用发展，从最早作为小功率电源发展到现在作为公共电力的并网发电，其应用范围也己遍及几乎所有的用电领域。并且光伏集中发电、光伏建筑等发展迅速，已逐渐成为市场主力。

我国是世界上主要的能源生产和消费大国之一，提高能源利用效率，调整能源结构，开发新能源和可再生能源是实现我国经济和社会可持续发展在能源方面的重要选择。随着我国能源需求的不断增长，以及化石能源消耗带来的环境污染的压力不断加剧，新能源和可再生能源的开发利用越来越受到国家的重视和社会的关注。

经过十年的努力，我国的光伏产业技术也有很大的提高，光伏电池转换效率也提高了。单晶硅电池实验室效率达20%，批量生产率达14%，多晶硅实验室效率达12%，与发达国家的效率在不断减小。截至2007年10月，全国已建和在建的并网光伏发电工程共有30多个，总装机容量达1 OMW左右。2007年8月，国务院发布的《可再生能源中长期发展规划》更对并网光伏发电建设提出了明确的发展目标，到2010年，全国建成1000个屋顶光伏发电项目，总容量为5万kW;到2020年，全国建成2万个屋顶光伏发电项目，总容量达到100万kW。到2010年，全国建成多处大型并网光伏电站，总容量为2万kW;到2020年，全国光伏电站总容量达到20万kW[4]。

得益于近年来各方面对太阳能光伏产业发展的重视，目前我国已经形成了完整的太阳能光伏产业链。据了解，随着国内太阳能光伏发电的大规模应用及快速发展，其上游的多晶硅大规模产业化生产及应用技术已日趋成熟，尤其是从国内及全球现有生产工艺水平看，已可实现整个多晶硅生产产业链和系统内部的封闭运行，从而接近零排放水平。

但是与发达国家相比，我国无论在生产规模上，还是在自动化水平上仍然有很大差距，面临着严峻的考验。光伏企业的发展靠市场，光伏市场的发展靠政策。光伏发电成本高，无法与常规能源竞争，所以更需要政府制定强有力的法规和政策支持以驱动我国光伏产业的商业化发展。

1.2.2光伏发电产业的前景

光伏发电有两种发电方式：独立发电,并网发电。由于太阳能发电成本较高,光伏发电多数被用于偏远的无电地区，而且以户用及村庄用的中小系统居多，都属于独立型用户。但是近几年科技不断发展，光伏发电的不断改进，因此，光伏发电产业及其市场发生了极大的变化，开始由边远农村地区独立发电逐步向城市并网发电、光伏建筑集成的方向快速迈进。太阳能己经全球性地由“补充能源”的角色被认可将是下一代“替代能源”[3]。

(a)光伏并网和光伏应用装机容量对比图 (b)光伏并网装机容量所占比例

图1.1 世界光伏应用领域年安装容量统计对比图

1.3本文设计内容

本论文主要通过学习光伏发电系统的发电原理以及系统结构和控制功能，对光伏发电进行全面了解。针对光伏发电系统以及光伏组件的研究，建立相应合适的数学模型，运用Matlab simulink软件仿真在不同环境不同温度下太阳能电池的输出特性和输出功率特性。

其次，针对光伏发电的控制系统，研究不同的控制方式和控制策略，建立对系统影响较大的系统控制模型。

第二章光伏发电系统概述

2.1光伏发电系统的基本工作原理

光伏发电系统是利用半导体材料的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转化为电能的一种新型发电系统。所谓光生伏特效应[1]，就是指物体在吸收光能后，其内不能传导电流的载流子分布状态和浓度发生变化，由此产生出电流和电动势的效应。

这种技术的关键元件是太阳能电池。太阳能电池经过串联后进行封装保护可形成大面积的太阳电池组件,再配合上功率控制器等部件就形成了光伏发电装置。光伏发电的优点是较少受地域限制,因为阳光普照大地;光伏系统还具有安全可靠、无噪声、低污染、无需消耗燃料和架设输电线路即可就地发电供电及建设同期较短的优点。

光能转换设备即光伏电池，是利用光生伏特效应把光能转换为电能的器件。目前光伏发电工程上广泛实用的光电转换器件主要是硅光伏电池，包括单晶硅、多晶硅，和非晶硅电池，其中单晶硅光伏电池的生产工艺技术成熟，已进入大规模产业化生产。现以晶体硅为例描述光发电过程。如图2.1所示，P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。当光线照射光伏电池表面的时候，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给硅原子，使电子发生跃迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成电位差，当外部接通电路时，在该外部电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。

图2.1 光生伏特效应原理

2.2光伏发电系统的组成

太阳能光伏发电系统通常由[2]太阳电池组件、蓄电池、控制器、逆变器、等几部分构成。光伏发电设备极为精炼,可靠稳定寿命长、安装维护简便。理论上讲,光伏发电技术可以用于任何需要电源的场合,上至航天器,下至家用电源,大到兆瓦级电站,小到玩具,光伏电源其实无处不在。

（1）太阳电池组件太阳能光伏发电的最基本元件是太阳电池，有单晶硅、多晶硅、非晶硅等。由太阳能电池组件按系统要求串、并联而成，它是太阳能光伏系统的核心部件。

（2）蓄电池光伏发电系统中的储能设备。当光照不足或晚上、或者负载需求大于太阳能电池组件所需发电量时，将储存的电能释放以满足负载的能量需求。目前太阳能光伏系统常用的是铅酸蓄电池。

（3）控制器整个光伏发电系统的核心控制部分。它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，并按照负载的电源需求控制太阳能电池组件和蓄电池对负载的电能输出。随着太阳能光伏产业的发展，传统的控制部分、逆变器以及监控系统集成的趋势。

（4）逆变器逆变器有离网逆变器和并网逆变器，是将太阳能电池组件产生的直流或者蓄电池释放的直流电转换为负载需要的交流电。通过全桥电路，一般采用空间矢量脉宽调制（SPWM）处理器经过调制、滤波、升压等，得到与负载频率、额定电压等相匹配的正弦交流电供电系统终端用户使用。

2.3光伏发电系统的分类

光伏发电系统通常分为独立光伏发电系统、光伏并网发电系统以及互补型光伏发电系统。不同类型的光伏发电系统特点和组成各不相同，应用场合和环境也有所差异，下文着重介绍独立光伏发电和并网光伏发电系统。

2.3.1太阳能独立光伏发电系统

独立的光伏发电系统是指在内部封闭电路内消耗光伏电力，不与电网连接，直接向负载供电。主要应用于部队通信系统，卫星通信，铁路公路信号系统，气象、地震台站等偏远地区。鉴于我国边远山区多，独立光伏发电系统有着广阔的发展市场。

独立光伏发电系统由太阳电池组件阵列、充放电控制器、逆变器、蓄电池组等组成。与并网不同的是，为保证负载供电的连续性，独立光伏发电系统必须配置储能设备（蓄电池组）。其具体的工作原理是：白天在太阳光的照射下，光伏阵列将接收的太阳辐射能量（直流电流）通过控制器一部分传送到逆变器转换成交流电，一部分经过充放电控制器以后以化学能的形式存储在蓄电池中。当太阳光不足时，存储在蓄电池中的能量经过逆变器后变成方波或SPWM波，然后再经过滤波和工频变压器升压后变成交流220V、50Hz的正弦电源供给交流负载使用。其运行结构框图如图2.2

图2.2独立运行太阳能光伏发电系统结构框图

独立光伏发电系统有其优点也有不足。优点是简单、经济、灵活、适用范围广泛；不足之处在于蓄电池的使用寿命远远小于光伏组件寿命，因此需要经常更换，而且用电可靠性差，管理控制分散，一般用于用电量小，分散性大的用电负

荷。

2.3.2 并网光伏发电系统

太阳能并网光伏发电系统就是太阳电池阵列中的半导体材料在接收到太阳光辐射时产生的“光伏效应”，将太阳光辐射能直接转换为电能。无需蓄电池储能，直接通过并网逆变器把电能送上电网运行。由电网进行管理控制，像一个发电厂连接到国家电网的发电方式，是电网的补充。

其运行模式是在太阳辐射的条件下，光伏组件阵列输出地电能经过直流汇流箱集中送入直流配电柜，经过DC/AC并网逆变器转换后并入电网。并网系统中PV方阵所产生的电力除了供给交流负载外，多余的电力回馈给电网。在太阳光不足的时候，光伏组件产生的电能或者产生的电能不能满足负载需求是就由电网供电。光伏并网发电系统结构如图2.3所示。

图2.3光伏并网发电系统结构框图

目前常用的并网光伏发电系统具有两种结构形式，其不同之处在于是否带有蓄电池作为储能环节。带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为可调度式并网光伏发电系统，由于此系统中逆变器配有主开关和重要负载开关，使得系统具有不间断电源的作用，这对于一些重要负荷甚至某些家庭用户来说具有重要意义。此外，该系统还可以充当功率调节器的作用，稳定电网电压、抵消有害的高次谐波分量从而提高电能质量。不带有蓄电池环节的并网光伏发电系统称为不可调度式并网光伏发电系统，在此系统中，并网逆变器将太阳能电池板产生的直流电能转

化为和电网电压同频、同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。

现在，世界光伏发电系统的主流应用方式是光伏并网发电方式，与离网太阳能发电相比，并网发电系统有其独特之处。

首先它利用清洁干净的能源，而且是可再生能源，使用中不排放无污染物和温室气体，有利于生态环境的和谐发展，符合可持续发展战略。

其次，所发的多余电能馈入电网，把电网当作储能装置，省掉了蓄电池，比离网光伏发电在经济建设上减少了35%到45%的投资，大大降低了发电成本，更重要的是，省掉蓄电池之后，降低了系统平均故障时间，也杜绝了蓄电池的二次污染。

再者，光伏电池组件可以与建筑物完美结合，既可以发电又能作为建筑材料和装饰材料，是物质资源充分利用，发挥了多种功能。分布式的建设，就地分散供电，进入和退出电网灵活自如，既增强了电力系统抵御战争和自然灾害的能力，又改善了电力系统的符合平衡。

不足之处就是只有在晴朗的白天才能比较稳定提供电力，一旦没有了日照，就会导致发电量下降，干扰电网。

2.3.3互补型光伏发电系统

风/光互补光伏发电系统由光伏电池阵列、风力发电机、控制器、逆变器、蓄电池组、耗能负载箱、支架等组成[6]。太阳能和风能在时间和地域上有很强的互补性。白天太阳光强的时候，风小，晚上太阳落山后，光照弱，但由于地表温差大而风加强。在季节上，风光也有同样的互补效果。而且，风力发电和光伏发电系统在蓄电池和逆变器环节上是可通用的。

风/ 光互补型发电系统结构如图2.4所示。其具体工作原理：风力发电机经整流后与太阳电池组件产生的直流电流通过控制器一部分传送到逆变器转化成交流电，一部分对蓄电池充电；当风力小阳光不足或夜间的时候，蓄电池通过直流控制系统向逆变器送电，经逆变器转化为交流电供交流负载使用[4]。

第三章光伏发电系统建模及其仿真

3.1光伏电池阵列的建模

3.1.1 光伏电池阵列的数学模型

太阳能电池的基本特性可以用其电流和电压的关系曲线来表示，电流、电压之间的关系又是通过其他一系列参变量来表示的。特别是与太阳能电池表面的日照强度和电池温度等有关。

理想的光伏电池等效电路如图3.1.

图3.1 光伏电池等效电路

由串并联电阻、二极管、光生电流源组成。I p?是光生电流，当光照恒定时，

由于光生电流不随光伏电池的工作状态而变化，因此可以等效为恒流源。在光伏电池的两端接上负载后，负载端电压反作用于P-N结上，产生与光生电流方向相反的电流I.串联等效电阻R S表示电池中电流受到的阻碍作用，其数值取决于P-N 结深度、半导体材料的纯度和接触电阻。串联电阻越大，线路损失越大，光伏电池输出效率越低;旁路电阻R s?与电池对地的泄漏电流成反比[5]。光伏阵列的输出电压、电流关系式如下：

I=I p??I D e q U+IR s

AkT?1?

U+IR s

R s?

(3-1)

式中:

A 为二极管的理想因子，玻尔兹曼常数ｋ＝1.38*10-23J/K ,q=1.6*10-19C,为电子的电荷量;θ为温度,R sh和R S为并联和串联电阻。由于光生电流I p?与光伏电池的瞬间光照强度E TP成正比增加，并且当取298K(25)为温度零点时，I p?随温度的增高将产生+0.1%的变化[3]。由此可得：

I p?=5.46×10?3E TP1+0.001T?298(3-2)

假定E TP=100Mw/cm2,整个装置的温度比气温高出30℃。得出装置温度表达式：

T=T a+0.3E TP×1000(3-3)

由以上式建立方程组，可得出光伏阵列的理想输出特性。

根据光伏组件的等效电路建立simulink仿真模型，如图3.2（1）为光伏组件的封装模型图，

图3.2（1）光伏电池封装模型图

上图中T为电池温度，R为光照强度，V PV

I out分别为光伏阵列的输出电压

，

和输出电流。这是光伏组件的通用封装模型，在模块内部输入不同的参数即可模拟出不同条件下的I-V 和P-V特性。如图3.2（2）为光伏组件输出特性仿真模型图。

图3.2(2)太阳能光伏组件仿真模型

利用MATLAB环境对光伏电池的模型进行仿真，此时光强为100Mw/cm2,大气温度为25℃。如图3.3，曲线1为光伏阵列输出电压-电流特性的仿真结果，曲线2 是光伏阵列的输出功率-电压特性仿真结果。

(1) (2)

图3.3 光伏阵列的输出特性曲线

3.1.2 光强和温度对光伏电池输出结果的影响

（1）光照强度为1000W/m2时，温度为25℃时，仿真得到的光伏电池单元的输出特性如图3.4

图3.4光伏电池未被遮挡时的输出特性

当光伏电池被遮挡时，理论上，与光照强度直接相关联的光生电流将明显下降，从而光伏电池的短路电流也相应下降。但其开路电压基本不变。输出功率会下降。

仿真验证：光强为500W/m2,温度为25℃

图3.4光伏电池单元未被遮挡和遮挡后的比较

由图可以看出，光照强度下降了一半，短路电流也相应下降了一半，而开路电压基本不变。由此可得出，当1个电池组件中的某个电池单元被遮挡，最直接的影响是该电池的输出能力下降，表现为短路电流下降。

（2）从数学模型中可以看出光伏电池的输出特性也受到温度的影响，为了验证推理的正确性，在上图的仿真环境下，设定在相同光照条件下，改变电池温度，观察输出特性的变化，仿真结果如图3.5所示。

图3.5 相同光照下，不同温度光伏电池的输出特性

3.1.3太阳光光照强度模型

光伏发电系统常年位于一个地方，光伏电池阵列所接收到的光照强度受各种