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1、10级电气工程及其自动化专业毕业设计中期报告光伏并网发电系统的滑模控制器的设计和仿真1. 研究背景与意义1.1研究背景能源是人类社会生存和发展的动力源泉，随着人类对能源的需求日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭。自石油危机以来，常规能源频频告急。此外，化石能源在开采、运输和使用过程中都会对空气和人类生存环境造成很大的破坏。根据相关资料显示,由于大量使用化石能源，已经造成极为严重的大气污染,同时造成温室效应等严重的后果。正是在这样的背景下，太阳能、核能、风能、潮汝能等各种新能源得到了人们前所未有的重视。太阳能作为可再生能源之一，依靠其清洁、分布广泛等特点成为当今发展速度居第二位的能源。光伏产业也被
2、誉为21世纪朝阳产业。太阳能光伏发电采用的是将光能转换为电能的发电方式，其已经成为太阳能利用的一种童要形式。自从1954年美国贝尔实验室首次发明了以PN结为基本结构的具有实用价值的晶体桂光伏电池(Photovoltaic Cells),太阳能发电便得到了迅速的发展。尤其从上个世纪90年代后半期开始,世界太阳能电池的产量逐年增长，当今已经成为世界上发展最快的产业之一。专家预计到2050年左右，太阳能光伏发电将达到世界总发电量10%20%，成为人类的基本能源之一。1.2光伏发电的优点与化石能源、核能、风能等发电技术相比，光伏发电具有一系列的优势，主要可归纳如下：(1)发电原理具有先进性：即直接从光
3、子到电子的转换,没有中间过程(如热能-机械能)和机械运动,发电形式极为简洁。因此，从理论上分析，可以得到很高的发电效率。(2)太阳能资源的无限和分布特性：太阳能福射取之不尽、用之不竭、可再生并洁净环保。太阳能无处不在，无需运输。(3)光伏发电与自然的关系：没有燃烧过程，不排放温室气体和其他废气，不排放废水，环境友好，做到真正的绿色发电。(4)使用性能和寿命的问题：经数十年的应用实践证明，光伏发电性能稳定、可靠、使用寿命长(30年以上)。1.3研究意义 我国正处在经济转轨和蓬勃发展时期，但能源问题严峻，城市中由于大量使用化石能源，环境持续恶化。2000年世界卫生组织(WHO)公布的世界上污染最严
4、重的十个大城市中，中国占了八个，其中北京居于第七位。中国的能源资源储量情况更是危机逼人，按2000年底的统计，探明经济可开发能源总储量约占世界总量的10.1。中国能源剩余可开采总储量的结构为：原煤占58.8，原油占3.4，天然气占1.3，水资源占36.5。我国能源经济可开发剩余可采储量的资源保证程度仅为129.7年。同时，由于中国人口众多、人均能源资源严重不足，人均能源资源探明储量只有135吨标准煤，仅相当于世界人均拥有量(264 吨标准煤)的51。其中煤炭人均探明储量为147吨，为世界人均值(208 吨)的70；石油人均探明储量2.9 吨,为世界人均值的11；天然气人均探明储量为世界人均值的
5、4；即使是水资源，按人口平均，也低于世界人均值。大力发展光伏发电将有助于尽早解决这一问题。 虽然我国光伏产业在近十年来取得了一定的发展，但相比于蓬勃发展的其他国家,我国光伏控制系统的技术还比较落后，总体上我国的光伏技术仍处于初级研发阶段，技术落后、规模小、特别是并网的一些关键技术仍不能实现自主研制。从世界范围来看，我国属太阳能资源十分丰富的国家。有关数据表明：全国2/3以上地区年日照数都大2000小时，太阳能理论上储量高达17000亿吨标准煤/年。西藏西部地区，年太阳最高辐射量排世界第二，仅次于撒哈拉大沙漠，具有利用太阳能发电的良好条件。随着我国对光伏产业的重视，我国的光伏产业必将得到快速地发
6、展。因此，面对我国如此巨大的市场需求，提高光伏电池的转化效率以及实现光伏并网系统的产业化，我们必须掌握光伏并网发电系统的关键技术，不断的完善关键技术的创新。 2. 国内外文献综述与分析光伏发电具有清洁、安全、无污染等优点，但是以前由于光伏发电系统成本较高，使其应用大受影响。增加光伏发电的经济吸引力可通过以下一种或多种途径：提高光伏电池转换效率；降低制造电池、组件和辅助设备的成本，同时降低安装费用；设计高效、可靠的系统,以降低每单位功率输出的费用及提高使用寿命。2.1光伏并网发电系统分类文献1给出了两类光伏并网发电系统。如图2-1所示，光伏并网发电系统一般可分为两种结构形式，一种为不含蓄电池储能
7、环节的不可调度式光伏并网发电系统，另一种为含有蓄电池组的可调度式光伏并网发电系统。两者的区别在于是否使用蓄电池作为中间储能环节，带有蓄电池组的可调度式光伏并网发电系统，因为蓄电池组的存在，可通过开关切换工作于多种模式，整个系统可起到能量调节器、有源功率滤波器和不间断电源等作用。可调度式光伏并网发电系统虽然其功能优于不可调度式光伏并网发电系统，同样由于蓄电池储能环节的存在，带来了很多缺点：如蓄电池组有使用寿命的问题、价格较贵、体积笨重等。上述缺点的存在，使得可调度式并网系统的应用规模难以与不可调度式并网系统相比，目前大部分光伏并网发电系统采用的是不可调度式并网结构。(a) 可调度式光伏并网发电系
8、统(b) 不可调度式并网发电系统图2-1 光伏并网发电系统示意图2.2光伏电池模型文献23介绍了光伏电池模型。考虑工程因素，基于太阳能电池的物理模型，建立了适用于任何条件下的工程用光伏电池仿真模型。2.2.1光伏电池理论模型在理想状态的情况下，光伏电池可以等效成电流为Iph的电流源和一个正向二极管并联组成的电路。但在实际应用中，还应该考虑到电池表面电极和内部阻抗，以及电池的制作材料、工艺等因素，可以等效为一个串联阻抗Rs；另外，电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等原因，造成一部分电流短路，没有流过负载，可用一个并联阻抗Rsh进行等效。光伏电池等效电路如图2-2所示。 图2
9、-2 光伏电池等效电路光伏电池的等效熟悉模型为： (1)式中：I为光伏电池输出电流，V为光伏电池输出电压，Iph 为光伏阵列电流，Io 为反向饱和电流，q为电子电荷(1.610-19C)，n为二极管因子，K为玻耳兹曼常数(1.3810 -23J/K)，Rs 为串联电阻，Rsh为并联电阻。2.2.2光伏电池工程模型文献3中，给出了光伏电池的实用模型。太阳能电池是一种非线性直流电源，其P-V输出特性具有非线性特征，受日照强度、环境温度和负载情况影响。厂家提供标准条件(日照强度Sref=1 kW/m2，电池温度Tref=25C)下电池板的测试参数Isc、Voc、Im、Vm，为了建立工程用模型，在式(
10、1) 的基础上做两个近似：(1)由于Rsh非常大，所以忽略(V+RsI) /Rsh 项。(2)Rs 远小于二极管正向导通电阻，所以假设Isc=Iph。基于以上假设，光伏电池I -V方程简化为： (2)式中： (3) (4)当日照强度和电池温度均有变化时，重新计算任意环境下的Isc、Voc、Im、Vm， (5) (6) (7) (8) (9) (10)2.3光伏并网发电系统国内外研究现状 文献4中给出了光伏发电系统中的关键问题主要有以下两点：(1)最大功率点跟踪控制。光伏电池是一非线性电源，其能够提供的功率除了与自身的内部特性有关之外，与使用环境也有关系。即使是同一外部环境下，不同的负载其能够输
11、出的功率也不同。因此，为了跟踪太阳能光伏电池输出功率最大点，最大限度的提高光伏电池发电效率，最大功率点控制器不可或缺。(2)并网电流控制。系统要实现太阳能并网发电，逆变器控制是关键。系统与电网连接，此时电网相当于无穷大电压源，可以通过控制逆变器的输出电压或是电流来实现电网功率输入。通过控制逆变器的输出电压来实现并网存在如下缺点：首先，对系统的参数依赖较强,对参数变化较敏感；其次，基于系统的稳态数学模型来实现控制，动态响应慢。因此，一般选用控制输出电流实现并网控制。控制并网电流使得网侧单位功率因数即实现并网要求，甚至可以根据实际需要进行电网的无功补偿。单相两级式光伏发电并网系统控制示意图如图2-
12、3所示，系统从结构上分为两级结构，如图。其中，前级采用Boost电路与光伏阵列连接，实现最大功率点跟踪控制并提升电压等级以达到并网电压要求。后一级为单相逆变器，目标是实现并网电流控制以达到功率馈送电网。 图2-3 单相两级式光伏发电并网系统控制示意图3. 研究内容针对光伏并网发电系统，本课题以光伏并网技术为研究对象，将对光伏发电系统结构、光伏电池的数学模型、光伏发电系统最大功率点跟踪算法等问题进行研究探讨。主要研究内容包括:(1)作为控制对象，首先对光伏电池的伏安特性进行深入研究，建立光伏电池相应的数学模型，并定性分析太阳能电池的伏安特性曲线。(2)最大功率点跟踪(MPPT)是光伏并网发电系统
13、中提高系统效率的重要手段。本文分析研究了几种常见的MPPT方法，例如恒定电压跟踪(CVT)法、扰动观察法(P&O)、电导增量法(INC)、占空比扰动观察法等。对比分析发现，常用的控制手段有其局限性，系统的动稳态性能有一定的提高空间。(3)重点分析研究基于滑模控制理论的MPPT新算法。在理论分析的基础之上，将滑模控制理论的思想应用于MPPT控制。对于分析设计的结论,在Matlab/Simulink环境下设计仿真实验。3.1光伏电池输出特性 运用Matlab/Simulink来搭建光伏电池模型，如图3-1和图3-2所示。 图3-1 光伏电池模型的内部结构图3-2 光伏电池的封装图光伏电池的输出特性
14、受外界环境因素影响而变化，在不同的光照强度和环境温度下，光伏电池的输出特性曲线不同，得到的最大功率点也是不同的。利用上述光伏电池模型在不同外界环境条件下进行仿真，得到如图3-3所示的不同光照条件下光伏电池的P-V特性和I-V特性，以及如图3-4所示的不同环境温度下光伏电池的P-V特性和I-V特性。从图3-3分析可得，在一定环境温度下，光伏电池的开路电压稍微变大，但短路电流和输出功率却明显增加。这表明光照强度的变化对光伏电池的开路电压影响较小，对短路电流和输出功率有很大影响。从图3-4分析可得，在一定光照条件下，当环境温度升高时，光伏电池开路电压明显变小，但其短路电流有所增加，输出功率稍微下降。这表明环境温度对光伏电池的开路电压影响很大。(a)不同光照条件下光伏电池的P-V特性(b)不同光照条件下光伏电池的I-V特性图3-3 不同光照条件下光伏电池的输出特性(a)不同环境温度下光伏电池的P-V特性(b)不同环境温度下光伏电池的I-V特性图3-4 不同环境温度下光伏电池的输出特性
