千瓦级太阳能发电系统与设计——毕业论文.docx

1、 武汉理工大学毕业设计（论文） 千瓦级太阳能发电系统与设计 学院（系）： 自动化 学院 专业班级： 电气 学生姓名： 指导教师： 摘 要 放眼世界， 伴随着能源危机 和环境问题的不断加剧，清洁能源的发展进程正被大大推进。 太阳能作为一种新能源以其无污染、 安全 可靠、易获取等优点越来越受到人们的青睐。无论从近期或远期、从能源环境角度或 从边远地区和特殊应用领域需求的角度考虑，太阳能发电都极具 有 吸引力。 未来十年，发展中国家能源需求增量占全球增量的 85%左右，消费重心逐步东移 。又及 国家能源发展“十二五”规划，光伏发电系统的研究领域可谓炙手可热。 本文通过对光伏发电系统的理论研究学习，建

2、立了完整的光伏发电系统体系，清晰说明了光伏电池在不同光照强度、不同温度下的电压、功率输出特性，并对光伏发电中最大功率跟踪做出了详细分析与实现。研究的重点 是光伏发电系统的控制技术以及在MATLAB/SIMULINK 仿真环境下 的仿真结果，分别对光伏电池进行了数学和物理建模来讨论温度和光照对发电情况的影响，详细分析了最大功率点跟踪方法，且对电导增量控制提出改进，得到变步长扰动控制法，配合 DC-DC 电路讨论了在独立发电系统下 MPPT 的控制，并建立了仿真模型，展现了具体的控制策略。 独立光伏发电系统 能满足偏僻地区的供电要求，应用前景很广阔，本文对离网光伏发电系统的理论研究 具备可行性与实

3、用性于一身，具有 极大的 实际 价值。 关键词 ：光伏电池 ； MPPT 算法； DC-DC电路； MATLAB 仿真 Abstract The world , along with the growing energy crisis and environmental issues , clean energy development process is being greatly promoted . As a new energy with the advantages of its clean , safe , reliable and easy access , solar ene

4、rgy is being liked by more and more people of all ages. Whether from recent or long-term , or from energy and environmental point of view , or from remote areas and from special applications demand point of view , solar power are very attractive . The next decade , the incremental energy demand in d

5、eveloping countries accounted for about 85% of the worlds incremental , consumer focus gradually eastward . Also , in response to the “12th Five Year Plan” of national energy development , research photovoltaic system can be described as a hot one . Based on the theory of photovoltaic systems resear

6、ch study , this paper established a complete system of photovoltaic power generation system , a clear description of the photovoltaic cells in a different light intensity, voltage, power output characteristics at different temperatures , and a detailed analysis and implementation of the maximum powe

7、r point tracking photovoltaic power generation . This paper focuses on the control technology of photovoltaic power generation system and the simulation results in MATLAB / SIMULINK simulation environment were conducted on photovoltaic cells to discuss mathematical and physical modeling the effects

8、of temperature and light on power situation , a detailed analysis of the maximum power point tracking method , and suggest improvements to the incremental conductance control , get control variable step perturbation method , with the DC-DC circuit MPPT control are discussed in the independent power

9、systems , and the establishment of a simulation model to show the specific control strategy. Independent photovoltaic power generation system can meet the power requirements of remote areas , it has very broad application prospects . This paper studies the theory of off-grid PV system with the feasi

10、bility and practicality all in one, has great practical value. Keywords: photovoltaic batteries ; inverter ; maximum power point tracking ; the MATLAB simulation 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 设计目标及意义（含国内外研究现状分析） . 1 1.2 基本内容与技术方案 . 2 1.2.1 光伏电池板种类及工作原理 . 2 1.2.2 计算电池板块数及组合方式 . 2 1.2.3 系统模型的建立 . 2 1.2.4 研究 MPP

11、T 算法 . 3 第 2 章 光伏发电系统概述 . 4 2.1 光伏电池基本原理概述 . 4 2.1.1 光伏电池的定义 . 4 2.1.2 光伏电池的分类 . 4 2.1.3 光伏电池的工作原理 . 4 2.2 光伏电池的等效电路及数学模型 . 5 2.3 光伏发电系统的组成 . 6 2.4 光伏发电系统的分类 . 7 2.4.1 独立光伏发电系统 . 7 2.4.2 并网光伏发电系统 . 7 2.4.3 风 /光互补型发电系统 . 9 第 3 章 光伏电池建模与仿真 . 10 3.1 基于等效电路图的光伏电池建模 . 10 3.1.1 光伏电池原件建模 . 10 3.1.2 试模拟等效可变

12、电阻 建模 A . 11 3.1.3 试模拟等效可变电阻建模 B . 12 3.1.4 试模拟等效可变电阻建模 C . 13 3.2 基于数学模型 的光伏电池建模 . 15 3.3 光伏电池模块仿真结果分析 . 17 3.4 温度和光照强度对光伏电池输出的影响 . 18 第 4 章 光伏发电系统的控制技术 . 20 4.1 MPPT 算法概述 . 20 4.2 电导增量法 . 20 4.2.1 电导增量法原理 . 20 4.2.2 电导增量法改进 . 21 4.3 最大功率跟踪系统建模 . 22 4.3.1 电导增量法建模 . 22 4.3.2PWM 脉宽调制建模 . 23 4.3.3Boos

13、t 升压变换器建模 . 23 4.3.4 光伏发电系统整体建模 . 24 4.4 系统建模原理分析 . 25 第五章 结论 . 27 致谢 . 29 参考文献 . 30 附录 . 31 武汉理工大学毕业设计（论文） 1 第 1 章 绪论 1.1 设计目标及意义 （含国内外 研究现状分析） 本文 的 目标是 设计一套太阳能发电系统， 并 基于 Matlab 软件对光伏电池组、 DCDC 转换器、蓄电池等部件进行系统建模， 融入 MPPT 算法 ，得到能在不同温度、光照强度下自动跟踪最大输出功率的光伏发电系统。 放眼世界能源现状，国际油价不断升 高，第三次 的 石油危机即将到来。当 石油、 煤 炭

14、、电力 等非 可再生能源 都 频频告急，节约能源的概念 也 正 在 日渐普及， 作为绿色能源 的太阳能 行情看涨，其 应用和科技 都发展迅猛， 全世界重新洗牌的能源卡位战 蓄势待发。 发展中国家 的 现代化 和工业化 进程 都在 加快，能源消费需求 也 将 会 不断增加。 太阳能在一定程度上 是取之不尽用之不竭 的 ， 作为新能源 之一，全球 的 光伏电池市场竞争 很 激烈， 现在 欧洲和 日本领先的格局已 经 被打破，尽管主要 的 销售市场 仍然 在欧洲，但 是光伏电池的生产重镇 却 已 转移到 了 亚洲。而在中国，太阳能资源丰富，开发潜力巨大，具有广阔的应用前景。 另一方面， 在 未来相当

15、长时间内，化石能源在中国 的 能源结构中仍 然 占 据着 主体地位，应对气候变化 、保护生态环境 的压力 正 日益增大，迫切需要能源 向 绿色转型。相对可再生的太阳能，其他化石能源储备规模较小，应急能力较弱，安全形势较为严峻。且 坚持保护环境，树立低碳 、绿色 发展理念，统筹能源资源开发利用与生态环境保护，在开发中保护，在保护中开发， 积极 参与 培育符合生态文明要求的能源发展模式 ，这 是能源发展的一项基本原则。故为跟随绿色科技发展 的 脚步，响应“十二五”号召 1，中国坚持 将 分布式利用与集中开发 相结合， 来 推进太阳能 的 多元化利用。在青海、 内蒙古、 甘肃、 新疆 等 等 一些太

16、阳能资源丰富、具有闲散土地资源 和荒漠 的地区建设大型并网光伏电站和太阳能热发电项目以增加当地电力供应，鼓励在中东部地区建设与 当地 建筑结合的分布式光伏发电系统。 我国积极发展可再生能源 和新能源 。 自 2002 年以来，我国太阳电池产量 就 一直 以 100%以上的年增长率快速发展， 2010 年产量 为 8.7GW，占世界总产量的 50%， 且 连续四年产量世界第一 。 其中 光伏发电增长强劲，装机容量 已经 达到 300 万千瓦，太阳能热水器集热面积 已 超过 2 亿平方米。预计到 2015 年 时 ，中国将建成 的 太阳能发电装机容量 会达到 2100万千瓦以上，太阳能集热面积达到

17、 4亿平方米，发展势头正在看涨 2。 综上所述，太阳能发电是集可行性、发展性、必要性于一身的绿色科技之星，其发展势头不容小觑。本次设计中针对普通户型日常用电的太阳能发电系统能避开用电高峰供电不足，缓解当地供电设备压力，在部分强日照偏远地区有更大发展空间，能解决非系统电网覆盖区域的日常供电问题，且能 自动跟踪不同温度和光照强度下的最大输出功率， 使太阳能得到最大程度 的利用，是组合铺设的最佳方案。 武汉理工大学毕业设计（论文） 2 1.2 基本内容与技术方案 1.2.1光伏 电池板种类及工作原理 太阳能 电池通过光化学效应 或者光电效应 把光能转化成电能，其中太阳能光伏电池（简称光伏电池）大多

18、数都是 直接以硅为基底，主要可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅 这 三种，在使用寿命 和能量转换效率 等 等一些 综合性能方面，多晶硅 和单晶硅 电池 要 优于非晶硅电池， 而 单晶硅电池转换效率比多晶硅更高。当光线照射 在 光伏 电池表面时，一部分光子 会被硅材料 所 吸收， 部分 光子的能量会传递给硅原子，使电子 跃迁，成为自由电子在 PN结两侧集聚形成了电位差，在 外部接通电路后 ，将会有电流 通过外 电路产生一定的输出功率。这个过程的实质 就 是 部分 光子 的 能量转换成电能，即为 光伏 电池板的工作原理。 1.2.2 计算电池板块数及 组合方式 单块的光伏 电池发电功率 主要 取决于日照

19、强度、温度、负载阻抗、阴影等因素，而 光伏 电池板发电总功率还与光伏电池的串、并联组合有关。当光伏电池不当串联时，接收光照较弱的光伏电池温度较低，发电功率较小，可能 会 影响到整条串联电池组的发电功率；同样，当光伏电池不当并联时，发电功率不同的并联电池组两端存在的电压差可能 会 在电池板内部产生环流，也不利于电池板的最大功率输出。根据用户所需电量，考虑到每天有效日照时间、 电池板铺设面积、 电池充电效率、 充电过程中的损耗等 一些 因素， 可以 计算出太阳能电池板的实际输出功率，得出所需电池板的块数。由于住宅表面各部分每天接收的日照强度与日照时间都不同，故除了需对单个光伏电池进行功率分析外，还

20、需要根据数据统计 和 相关函数关系设计光伏电池板的组合方式以及在住宅表面的铺设情况，以达到最大的光能利用率，输出最大 的 发电功率。 以上为根据设计任务书要求做出的分析，实际情况上用户住宅每一面 各个点的 温度与其接受 到的光照强度 基本可认为是一致，不需要考虑不当串并联对整体输出功率的影响，只需在仿真阶段对整个系统进行最大功率跟踪即可。 1.2.3 系统模型的建立 基于 Matlab 软件建立光伏电池 模型，对各项输出性能进行 了 仿真模拟后，在其基础上搭建包含 MPPT 算法 在内 的整个最大功 率跟踪系统。由于对住宅的供电来源于日照 ，故必须加入蓄电池环节 以 保障在晚上无日照时对用户的

21、供电稳定，系统由于增加了储能环节，在调度配合上更优秀，可以做到用电量低时储存电量，在用电高峰期释放储能为用户提供稳定供电的功能。该蓄电池环节在 DCDC 变换环节之后。最后结合最大功率跟踪环境建立武汉理工大学毕业设计（论文） 3 含电堆、蓄电池、 DCDC 在内 的系统级模型。 1.2.4 研究 MPPT 算法 光伏电池发出的电需 要 经过 DCDC 变换后才能供给 蓄电池 与用户 使用。将光伏 发电 领域 中 的“最大功率点跟踪” ，即 MPPT 算法（ Maximum Power Point Tracking）引入 到 DCDC转换环节中，它能够在系统中 起到 协 调光伏 电池板、蓄电池、

22、负载的 作用 ， 更 可以 实时侦测 光伏 电池 板的发电电压并 且 追踪 到 最高电压电流值，使系统 一直 以最大功率输出对蓄电池充电和对用户供电，从而提高输电 的 效率。理论上讲，加入 了 MPPT 算法的太阳能发电系统会比传统 系统 的效率提高 50%，即便有周围环境 的 影响与各种能量损失，最终效率也可以提高 20%-30%。在系统建模中， MPPT 算法被融入到 PWM 环节和 DCDC 环节中加以实现。 武汉理工大学毕业设计（论文） 4 第 2 章 光伏发电系统概述 2.1 光伏电池基本原理概述 2.1.1 光伏电池的定义 光伏电池 是利用光生伏特 这一 效应将 光 能转换 为电能

23、的器件， 它的 供电方式与 其他类型的电池 不同 。 并 且不同于蓄电池或 者是 燃料电池， 光伏电池不能 够 将待转换的能量储存起来 留待之后使用 ， 而 只能将 接收到的光能 实时 转换为电能。 2.1.2 光伏电池的分类 根据 电池 品种不同， 可以粗略地将 光伏电池分为单晶硅光伏电池、 非晶硅光伏电池、多晶硅光伏电池 等等。到目前 在 世界上商业化生产 和 大规模应用的光伏电池 主要有 以下 三种：晶体硅光伏电池、 聚光光伏电池 和 薄膜光伏电池 。其中晶体硅电池 的 应用最为广泛，占 到 总数的 80%以 上，它的优点是 占地面积小、 转换效率较高，缺点是成本高 、硅耗大 ，比 较适

24、合 城市地区 使用 。薄膜电池近年增长 也 很 迅速 ，占 总数的 10%以上，薄膜光伏电池的优点是成本低 、硅耗小 ， 其 缺点是 投资大、 转换 效率低、占地面积 还有 衰减 大，比较适用 于 建筑光伏一体化 或是 偏僻地区的并网电站 。聚光 太阳能 电池 也 有少量 的 应用，其优点是转换效率高， 而 不能使用分散 阳光 是它的缺点 ，必须用 到 跟踪器调整 系统到与太阳精确相对，目前主要 应 用于航 空航天 。 只考虑晶体硅电池，在 使用寿命 以及 能量转换效率 等 一些 综合性能方面， 多晶硅和单晶硅电池 都 要 优于非晶硅电池，而单晶硅电池转 换效率比多晶硅 电池 更高。比较单晶硅

25、电池与 薄膜电池，当辐照强度低于 200W/ 时，单晶硅电池转换效率低于平时转换效率的 5%，而薄膜电池在辐照强度为 200W/ 时 转换效率较辐照强度为 1000W/ 时性能提高 1%。 2.1.3 光伏电池的工作原理 光伏电池利用光生伏特效应将太阳能 部分 转换成为电能，其主要结构是 P-N 节。当光线照射 于 光伏电池表面时， 光子吸收能量而在 P-N 节上产生电子空穴对，使 带电载流子数目倍增，其中电子 会 迅速进入 P 区，空穴 则会 迅速进入 N 区， 电子发生跃迁，成为自由电子在 P-N 结两侧集聚形成电位差，在 外部接通电路时 ， 将会有电流 流通 外部电路产生一定的输出功率

26、， 具体过程如图 2-1 所示： 武汉理工大学毕业设计（论文） 5 图 2.1 光生伏特效应原理 2.2 光伏电池的等效电路及数学模型 太阳能电池的基本特性可以用其电流与 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 的 参变量来表示的， 尤其 与太阳能电池表面的日照强度和电池 的表面温度 有关。 理想的 光伏电池等效电路如图 2.2 所示 3。 图 2.2 光伏电池等效电路 其等效电路 由串并联 等效 电阻、光生电流源 、 二极管、 负载电阻 组成 ，其中二极管用来等效发电过程中光伏电池内部的 P-N结效应 。 是光生电流源，在电池 温度和 光照恒定时，由于光生电流 基本 不随光伏电池的工作状态 而变化，故 可以等效为恒流源。在光伏电池的两端接上负载 以 后，负载 的 端电压反作用于 P-N 结上， 会 产生与光生电流 反 方向 的电流 I。 串联等效电阻 RS用来 表示 在 光伏 电池中阻碍 电流 作用 的大小 ，该 数值 基本 取决于 PN结 的 深度、 接触电阻 和 半导体材料纯度 。串联电阻越大时 线路 的 损失 也 就 越大， 此时 太阳能 电池 的 输出效率 也 就 越低 ， 旁路电阻 则 与电池对地的泄露电 流成反比。 dI 为 能 通过 P-N节的总扩散电流，表达式为（ 2-1）3： dI = (+) 1) （ 2-1）