完整版基于DSP的光伏电池数字模拟系统研究毕业论文.docx
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完整版基于DSP的光伏电池数字模拟系统研究毕业论文
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华中科技大学硕士学位论文基于DSP的光伏电池数字模拟系统研究姓名:
杜柯申请学位级别:
硕士专业:
电力电子与电力传动指导教师:
段善旭
摘
要
太阳能作为一种新型的可再生资源受到越来越广泛的重视,光伏发电则是太阳能利用中技术含量最高、最有发展前途的技术。
现在,光伏发电系统已在世界范围内得到越来越广泛的应用。
为了在实验室条件下,进行太阳能光伏发电的研究,必须研究出一种可以模拟光伏电池输出I-V特性的模拟器。
本文分析了太阳能光伏电池的输出I-V特性,讨论了光伏电池的数学模型,并在此模型基础之上建立了简单易用的工程数学模型。
本文还根据现有文献讨论了国内外光伏电池模拟器的研究状况,并在这些研究成果的基础上提出了自己的设计方案。
本文从DSP控制电路、IGBT驱动和主电路拓扑结构三个层次详细介绍了系统硬件组成;软件部分,本文提出了用分段二次曲线的方法拟合光伏电池输出特性曲线的算法,并针对特定功率采用汇编语言编写了程序实现该算法。
通过系统仿真和实验证明了系统工作原理的正确性。
实验结果证明本文中所设计的光伏电池模拟器,能够较好的完成设计的目的,模拟器的输出特性符合所要模拟的光伏电池的输出I-V特性,并且模拟器具有较好的动态响应性能,负载突变时,模拟器能够自动跟踪工作点的变化并在当前工作点稳定工作。
因此,本系统能够在实验室条件下满足光伏发电系统的实验要求,为研究工作提供一个较好的实验环境,节省研究经费和时间,加快研究进度。
关键词:
光伏电池、特性曲线、模拟器、BUCK电路、DSP
Abstract
Solarenergyispaidmoreandmoreattentiontoasanewtypeofregeneratedenergysources.AsthemostimportanttechnologyintheuseofSolarenergy,PVpowersystemisusedallovertheworld.It’snecessarytoimitatetheperformancecharacteristicofsolarcellsifresearchingSolarenergyinthelaboratorycondition.ThispaperanalyzedtheI-Vcharacteristicofsolarcellsanditsmathematicalmodel.Furthermore,thispaperpresentstheengineeringanalyticalmodelsofsolarcellsderivedfromthemathematicalmodel.AndthispaperpresentsmyownsolutionofthePVsimulatoronthestudyofallthepapersaboutthesimulator.HardwarethatcontainsDSPcontroller,IGBTdriverandmaincircuitwereintroducedindetail;.QuadraticpolynomialsareusedtofittherealPVarray’sI-Vcharacteristiccurve,anditisprogrammedbyassemblylanguagetofulfillthealgorithm.ThroughthesimulationunderMatlabandtheexperiments,theexactitudeofthesystemisillustrated.Theexperimentalresultsshowthattheoutputcharacteristicsofthesimulatorareveryclosetothoseofactualsolarcells,andthesimulatorsearchtheworkingPointautomaticallyandstabilizetheoutputaccordingtothechangeoftheloads.Therefore,someextent,simulatorcanbeusedinreplacementofactualtothesolarcellsinthelaboratorycondition,provideagoodenvironmentforexperimenttocutdownmoneyandtime.
Keywords:
solarcells,characteristicscurve,simulator,BUCK,DSP
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已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,均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到,本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名:
日期:
年月日
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,即:
学校有权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。
本人授权华中科技大学可以将本学位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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□,在年解密后适用本授权书。
本论文属于不保密□。
(请在以上方框内打“√”)
学位论文作者签名:
日期:
年月日
指导教师签名:
日期:
年月日
1绪
1.1本文研究背景
论
1.1.1太阳能是化石能源的主要替代能源[1-2]目前的世界能源结构中,人类所利用的一次能源主要是石油、天然气和煤炭等化石能源,特别是石油和天然气的消耗量增长迅速,已占全世界能源消费总量的60%左右。
但是,石油和天然气的储量是有限的,许多专家预言,石油和天然气资源将在40年、最多50—60年内被耗尽。
煤炭资源虽然远比石油和天然气资源丰富,但是直接应用煤炭严重污染环境,因此亟需研究把煤炭转化成为气体或液体燃料的技术。
看来,人类如不及早采取对策,在不远的将来会面临一场全面的能源危机,这是当前人类面对的一项重大挑战。
为了保证大规模的能源供应,当前世界各国都在制订规划、采取措施、组织力量、增加投资,大力开发太阳能、风能、生物质能、地热能、海洋能以及核聚变能等新能源技术,力争在不太长的时间内,将日前的以化石能源为基础的常规能源系统,逐步过渡到持久的、多样化的、可以再生的新能源系统。
只要应用现代科学技术,广泛开发利用新能源,大力提高能源利用效率,采取合理的能源政策,完全可以避免能源危机的山现。
太阳能以其独有的优势成为人们关注的焦点。
丰富的太阳辐射能,是取之不尽用之不竭、无污染、廉价的能源。
太阳能每秒钟到达地球的能量高达80万kW,如果把地球表面0.1%的太阳能转为电能,转换率为5%,那么每年的发电量可达5.6×1012kWh,相当于目前全世界能耗的40倍。
未来几十年,传统能源任将是主要的能源,但可再生能源的使用在不断增加,将发挥重要作用。
太阳能光伏发电、风能、生物质能、水电和地热能将以补充的形式配合供应需求。
由于光伏发电具有节约成本的优势,它被认为是太阳光照充分时供应电力的首选。
1.1.2我国的太阳能资源我国属于太阳能能源较为丰富的国家之一,全国国土面积23以上的地区每年日照时数大于2000小时,仅陆地面积每年接受的太阳辐射能就约等于几万个三峡工程发电量的总和。
从全国太阳年辐射总量的分布来看,西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、
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福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。
尤其是青藏高原地区最大,那里平均海拔高度在4O0Om以上,大气层薄而清洁、透明度好、纬度低、日照时间长。
例如被人们称为“日光城”的拉萨市,1961年至1970年的平均值,年平均日照时间为3005.7h.相对日照为68%,年平均晴天为108.5天,阴天为98.8天,年平均云量为4.8,太阳总辐射为816kJcm·a,比全国其它省区和同纬度的地区都高。
全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小。
其中尤以四川盆地为最,那里雨多、雾多、晴天较少。
例如素有“雾都”之称的成都市,年平均日照时数仅为1152.2h,相对日照为26%,年平均晴天为24.7天,阴天达244.6,天年平均云量高达8.4。
其它地区的太阳年辐射总量居中。
我国太阳能资源分布的主要特点有:
太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22。
~35。
这一带。
青藏高原是高值中心,四川盆地是低值中心;太阳年辐射总量,西部地区高于东部地区,而且除西藏和新疆两个自治区外,基本上是南部低于北部;由于南方多数地区云雾雨多,在北纬30。
~40。
地区,太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反,太阳能不是随着纬度的增加而减少,而是随着纬度的增加而增长。
按接受太阳能辐射量的大小,全国大致上可分为五类地区:
一类地区全年日照时数为3200~3300小时,辐射量在670~837×104kJcm2·相当于225~a,285kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。
这是我国太阳能资源最丰富的地区,与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。
特别是西藏,地势高,太阳光的透明度也好,太阳辐射总量最高值达921×104kJcm·a.仅次于撒哈拉大沙漠,居世界第二位,其中拉萨是世界著名的阳光城。
二类地区全年日照时数为3000~3200小时,辐射量在586~670×104kJcm2·相当于200~a,225kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。
此区为我国太阳能资源较丰富区。
三类地区全年日照时数为2200~3000小时,辐射量在502~586×104kJcm2·相当于170~a,200kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部
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和安徽北部等地。
四类地区a,全年日照时数为1400~2200小时,辐射量在419~502×10kJcm·相当于140~170kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区,春夏多阴雨,秋冬季太阳能资源还比较丰富。
五类地区全年日照时数为1000~1400小时,辐射量在335~419×10kJcm·a,相当于115~140kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括四川、贵州两省。
此区时我国太阳能资源最少的地区。
1.1.3光伏发电现状及发展[3-9]太阳能的转换利用方式有光一热转换、光一化学转换和光一电转换等三种方式。
接收或聚集太阳能使之转换为热能,然后用于生产和生活,是太阳能光一热转换利用即太阳能热利用的基本方式。
太阳能热水系统是目前太阳能热利用的主要形式。
利用光生伏打效应原理制成光伏电池,可将太阳的光能直接转换为电能加以利用,称为光一电转换,即光伏发电。
光一化学转换还处于研究实验阶段,这种转换技术包括光伏电池电极化水制成氢、利用氢氧化钙和金属氢化物热分解储能等。
在这些转换利用方式中光伏发电系统是技术含量最高、最有发展前途的技术,它的基本元件是光伏电池。
光伏电池受到太阳光照时能产生光伏效应,将太阳光能转变成直流电能。
在使用时要将光伏电池封装成组件,然后根据需要将组件串并联组成阵列。
通常需要用蓄电池等作为储能装置,才能随时供给负载使用。
如果是交流负载,则还需要通过逆变器将直流电变成交流电。
整个光伏系统还要配备控制器等附件。
世界光伏发电产业发展迅速,最近10年太阳电池及组件生产的年平均增长率为33%,最近5年的年平均增长率为43%,2004年比上年增长61.2%,这一产业已成为当今发展最迅速的高新技术产业之一。
随着光伏产业的发展光伏发电成本正不断降低。
2003年世界重要厂商的成本为2至2.3美元∕瓦,售价2.5至3美元∕瓦。
但随着技术进步、产业规模的不断扩大,光伏发电的成本将继续不断降低。
产业化方面,各国一直在通过改进工艺、扩大规模和开拓市场等措施降低成本,并取得了巨大进展。
以美国为代表,其能源部1990年起动了光伏制造技术(PVMaT)的产业化计划,通过国家可再生能源实验室(NREL)实施,并成立了国家光伏中心,联合产
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业界、大学和研究机构共同进行攻关,以求大幅度降低成本。
这一计划的实施已经产生了非常明显的效果,商品化电池效率从10%一13%提高到12%~15%。
生产规模从1~5兆峰瓦年发展到5~20兆峰瓦年,并正在向50兆峰瓦扩大。
生产工艺不断简化,自动化程度不断提高。
三年来,世界的光伏组件的生产成本降低了32%以上,第一次降到3美元峰瓦以下,国际市场光伏组件售价在4美元峰瓦左右,这种趋势还在继续发展。
美国光伏系统电价成本目标:
2005年光伏系统安装成本3美元峰瓦(11美分千瓦时),2010年1.5美元峰瓦(6美分千瓦时以下)。
欧洲和日本也有类似的计划。
竞争促使各发达国家的产业化技术几乎以大致相同的水平和速度向前发展。
在太阳能光伏发电领域,印度在发展中国家处领先地位。
目前印度有80个公司从事光伏工业和太阳电池组件的生产,6个太阳电池制造厂12个组件生产厂,1997~1998年间,电池生产8.2兆峰瓦,组件生产11兆峰瓦,出口4兆峰瓦,预计2002年生产将达到50兆峰瓦年;截至1998年,印度光伏系统安装容量达到35兆峰瓦,计划1998~2002安装150兆峰瓦。
表1.1列出了近年来世界太阳电池的产量;表1.2为世界近年光伏电池年产量、年增长率和累计用量。
世界各大公司也纷纷制定和实施扩产计划,1998年初PVIR统计,正在实施和扩产的新增能力为263.5兆峰瓦年,比1997年高出2倍,可以说,太阳能光伏发电技术和产业正在腾飞,预测今后10年光伏组件的生产将以20%一30%甚至更高的递增速度发展,到2010年生产将达到4.6千兆瓦,总装机容量达到18千兆瓦。
快速发展的屋顶计划、各种减免税政策、补贴政策以及逐渐成熟的绿色电力价格为光伏市场的发展提供了坚实的发展基础。
市场发展将逐步由边远地区和农村的补充能源向全社会的替代能源过渡。
预测到下世纪中叶,太阳能光伏发电将达到世界总发电量的15%一20%,成为人类的基础能源之一。
我国从20世纪80年代起就开始太阳能电池的开发与生产,国家也在西部无电地
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区大力推广了离网光伏系统的应用,其中“光明工程”和“乡乡通工程”等实施,为我国光伏产业发展和光伏技术提高起到了积极作用。
近年来,国家在“973”和“863”等重大项目中将太阳能光伏电池的发展也放到了重要的位置。
2005年2月通过的《中华人民共和国可再生能源法》中明确提出,“国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统”。
在2006年3月两会发布的中华人民共和国国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要中也指出送电到村和绿色能源县工程:
建成50个绿色能源示范县,利用电网延伸、风力发电、小水电、太阳能光伏发电等,解决350万户无电人口用电问题。
1.2本文主要研究内容和意义
1.2.1研究内容本文主要包括以下研究内容
(1)建立了太阳能光伏电池的工程数学模型,并以此为基础设计了一种采用多段直线和二次曲线模拟光伏电池I-V曲线的算法,该算法简化了函数方程,使其满足DSP计算的要求,同时也保证了较高的模拟精度,减小了系统误差。
(2)设计了一台输出功率为3kW的光伏电池模拟器的实验样机,给出了主电路及控制系统的设计方案,并进行了小功率的实验验证,对实验结果进行了分析。
1.2.2研究意义光伏发电系统的研究如果采用真实的光伏电池阵列,会产生试验成本高、需要大量空旷场地和对日照、自然气候等依赖性强等一系列的问题,因此研究出低成本的按照实际的光伏电池的I-V特性输出的,能够代替实际光伏电池阵列在室内进行各种光伏实验,使之不受场地和环境影响的模拟器成为必须。
本文的研究就是以解决这个问题为目的,设计出能够模拟光伏电池阵列输出的I-V曲线,从而能够代替实际的太阳能光伏电池阵列在室内进行各种光伏实验,并满足易于修改设定的要求的光伏电池模拟器。
使光伏实验不再受到场地、自然气候条件等的影响,降低实验成本,节省实验时间。
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太阳能光伏发电系统及光伏电池研究
[10-22]
2.1太阳能光伏发电系统
2.1.1太阳能发电系统的构成由于太阳能光伏发电系统,是利用以光生伏打效应原理制成的太阳能电池将太阳能直接转换成电能的,也叫做太阳能电池发电系统。
光伏发电系统主要由以下几个基本的部分构成:
光伏组件阵列、控制器、蓄电池组、直流一交流逆变器等部分组成。
(1)光伏组件阵列太阳能电池单体是光电转换的最小单元,它的工作电压为0.45~0.50V,工作电流为20~25mAcm2,一般不能单独作为电源使用。
将太阳能电池单体进行串联、并联并封装后,就成为光伏电池组件,其功率一般为几瓦至几十瓦、百余瓦,是可以单独作为电源使用的最小单元。
光伏组件再经过串联、并联并装在支架上,就构成光伏组件阵列。
常见的太阳能电池主要是硅太阳能电池,目前世界上有三种已经商品化的太阳能电池,即单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。
(2)防反充二极管防反充二极管又称阻塞二极管,其作用是避免由于光伏组件阵列在阴雨天和夜晚不发电时或出现短路故障时,蓄电池组向光伏组件阵列放电。
防反充二极管串联在太阳能电池方阵电路中,起单向导通的作用。
它必须能承受足够大的电流,而且正向电压降要小,反向饱和电流要小。
一般可以选用合适的整流二极管作为防反充二极管。
(3)蓄电池组蓄电池的作用是储存光伏组件阵列受光照时所发出的电能,并随时向负载供电.光伏发电系统对所用蓄电池组的基本要求是:
自放电率低,使用循环寿命长,深放电能力强,充电效率高,可以少维护或免维护,工作温度范围宽,价格低廉。
目前与太阳能电池发电系统配套使用的蓄电池主要是铅酸蓄电池。
(4)充放电控制器充放电控制器是能防止蓄电池组过充电和过放电的设备,一般还具有简单的测量功能。
蓄电池经过过充电或过放电后会严重影响其性能和寿命,所以充放电控制器一般是不可缺少的。
充放电控制器,按照其开关器件在电路中的位置,可分为串联控制型和分流控制型;按照其控制方式,可分为开关控制(含单路和多路开关控制)型和脉宽调制(PWM)控制(含最大功率跟踪控制)型。
开关器件,可以是继电器,也可以是MOS
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晶体管。
但脉宽调制(PWM)控制器,只能用MOS晶体管作为开关器件。
(5)逆变器逆变器是将直流电变换成交流电的一种设备。
由于太阳能电池和蓄电池发出的是直流电,当应用于交流负载时,逆变器是不可缺少的。
逆变器按运行方式,可分为独立运行逆变器和并网逆变器。
独立运行逆变器用于独立运行的光伏发电系统,可为独立负载供电;并网逆变器用于并网运行的光伏发电系统,将发出的电能馈入电网。
逆变器按输出波形又可分为方波逆变器和正弦波逆变器。
方波逆变器的电路简单,造价低,但谐波分量大,一般用于几百瓦以下和对谐波要求不高的系统;正弦波逆变器的成本高,适用于各种负载情况。
(6)测量设备对于小型光伏发电系统来说,一般情况下只需要进行简单的测量,如测蓄电池电压和充、放电电流,这时测量所用的电压表和电流表一般就装在控制器上。
对于大型工业电源系统和大型太阳能光伏电站,则往往要求对更多的参数进行测量,如测量太阳辐射能,环境温度,充、放电电量等,有时甚至要求具有远程数据传输、数据打印和遥控功能。
2.1.2太阳能光伏发电系统的分类光伏发电系统,一般分为独立光伏发电系统和并网光伏发电系统两大类。
独立光伏发电系统如图2.1所示,它由太阳能电池阵列、储能装置、直流—交流逆变装置、控制装置与连接装置等组成。
图2.1
独立光伏发电系统
并网光伏发电系统如图2.2所示,其系统组成基本与独立光伏发电系统一样,只是容量等级、控制方法等有所差别。
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图2.2并网光伏发电系统
2.1.2.1独立光伏发电系统独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的光伏发电系统或主要依靠太阳能电池供电的光伏发电系统,在必要时可以由油机发电、风力发电、电网电源或其他电源作为补充。
从电力系统来说,kW级以上的独立光伏发电系统也称为离网型光伏发电系统。
独立光伏发电系统的工作原理独立光伏发电系统的工作原理是:
太阳能光伏电池阵列吸收太阳光并将其转化成电能后,在防反充二极管的控制下为蓄电他组充电。
直流或交流负载通过开关与控制器连接。
控制器负责保护蓄电池,防止出现过充电或过放电状态,即在蓄电池达到一定的放电深度时,控制器将自动切断负载;当蓄电池达到过允电状态时,控制器将自动切断充电电路。
有的控制器能够显示独立光伏发电系统的充放电状态,并能贮存必要的数据,甚至还具有遥测、送信和遥控的功能。
在交流光伏发电系统中,DC—AC逆变器将蓄电池组提供的直流电变成能满足交流负载需要的交流电。
独立光伏发电系统的系统构成独立光伏发电系统由太阳能光伏电池阵列、防反充二极管、控制器、逆变器、蓄电池组以及支架和输配电设备等部分构成。
其中,太阳能光伏电池阵列在国外文献中常被称为太阳能发电机(SolarGenerator),而其余部分则被统称为太阳能发电机的“平衡系统”(BalanceofSystem)或“配套系统”,简称“BOS”。
有时BOS还包括太阳能
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光伏电池阵列所占用的土地和防雷安全系统。
当太阳能光伏电池十分昂贵时,BOS在整个独立光伏发电系统中所占的费用比例比较小,但随着太阳能光伏电他的不断降价,BOS所占费用比例在逐渐增加。
2.1.2.2并网光伏发电系统光伏发电系统(以下简称光伏系统)的主流发展趋势是并网光伏发电系统。
太阳能电池所发的电是直流,必须通过逆变装置变换成交流,再同电网的交流电合起来使用,这种形态的光伏系统就是并网光伏系统。
并网光伏系统可分为住宅用并网光伏系统和集中式并网光伏系统(电站)两大类。
前者的特点是光伏系统发的电直接被分配到住宅内的用电负载上,多余或不足的电力通过连接电网来调节;后者的特点是光伏系统发的电直接被输送到电网上,由电网把电力统一分配到各个用电单位。
目前,住宅用并网光伏系
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