光伏系统与储能系统的协调控制策略
随着世界经济不断地向前发展，人类需要越来越多的能源供应。然而，目前全世界大部分国家和地区还是依靠传统的不可再生的化石资源提供能源。能源来源单一化也使全球能源危机与生态环境污染问题不断加剧，因此能源的可持续发展利用和环境保护也成为21世纪人类关注的重大问题。相比化石能源，太阳能作为清洁的、可再生的能量来源，具有无可替代的优势。同时太阳能还具有存储量大、和采集方便的优点。因此，利用太阳能也慢慢的开始受到人们的重视，而光伏发电也成为目前关注和研究的焦点。然而，光伏发电系统的输出功率容易被外部因素，譬如光照以及温度所影响，输出的功率不稳定。因此，本文针对如何提高太阳能光伏发电系统的输出功率和能量利用效率，利用MATLAB/simulink建模仿真，在光伏发电系统的基础上，对最大功率点的跟踪算法和控制进行研究，并加入储能模块（蓄电池），设计相应的协调控制策略，对系统的输出功率进行控制。首先，概述了光伏发电系统与储能系统的组成，介绍了目前太阳能光伏发电技术的应用的现状，并分析其前景。其次，分析光伏电池的工作原理，并用matlab/simulink对光伏电池进行建模和仿真，得到不同温度以及不同光照强度下的光伏电池的输出曲线。再次，分析并比较了几种最大功率点跟踪方法的原理，最后采用扰动观察法和电导增量法对最大功率点进行跟踪。最后，分析了三种常用的DC/DC变换器的工作原理，并选用BUCK和BOOST型DC/DC变换器进行转换和控制，完成光伏发电系统和储能系统的能量协调控制。
目 录
摘要I
AbstractII
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.1.1能源危机和环境污染1
1.1.2 太阳能的开发和利用 2
1.2 储能技术在光伏发电系统中的应用研究 3
1.2.1 光伏发电系统3
1.2.2 储能技术3
1.2.3 光伏发电系统与储能系统的研究现状3
1.3本文的主要工作 4
第二章 光伏发电系统与储能系统概论 4
2.1 光伏发电系统与储能系统的组成及工作方式4
2.1.1 光伏发电系统与储能系统的组成 4
2.1.2 系
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统的工作方式 5
2.2 光伏电池的工作特性 8
2.2.1 光伏电池工作原理 8
2.2.2 光伏电池等效数学模型 9
2.2.3光伏电池的输出特性 12
2.3 蓄电池储能系统特性13
2.3.1 蓄电池的分类与参数特性 13
2.3.2 蓄电池工作特性 14
第三章 光伏发电系统与储能系统的协调控制策略 16
3.1 光伏电池的最大功率点跟踪16
3.1.1 最大功率点跟踪的基本原理 16
3.1.2几种常用的最大功率点跟踪法算法分析 17
3.1.3 基于扰动观察法和电导增量法的MPPT控制18
3.2 DC/DC变换器作为能量控制器的设计22
3.2.1 几种典型的DC/DC变换电路 22
3.2.2 光伏电池降压电路设计 24
3.2.3 蓄电池充电电路设计及控制分析 25
3.2.4 蓄电池放电电路设计及控制分析 26
第四章 光伏发电系统与储能系统的建模与仿真及结果分析 27
4.1光伏发电系统的模型及仿真 27
4.1.1 光伏电池模型及仿真 27
4.1.2 基于扰动观察法的最大功率点跟踪仿真 29
4.1.3 基于电导增量法的最大功率点跟踪仿真 31
4.2 蓄电池储能系统的模型及仿真34
4.2.1 蓄电池充电电路模型及仿真 34
4.2.2 蓄电池放电电路模型及仿真 35
4.3光伏发电系统与储能系统的建模与仿真 35
4.3.1 光伏发电系统与储能系统的整体模型 35
4.3.2 光伏发电系统与储能系统的输出结果与分析 36
第五章 论文总结与展望 40
5.1 论文总结40
5.2 论文的不足与今后展望40
5.2.1 论文不足之处 40
5.2.2 今后研究方向 40
致谢 41
参考文献 42
附录44
第一章 绪论
1.1课题研究背景
1.1.1能源危机和环境污染
十八世纪的工业革命，对于煤和蒸汽机的使用大大推动了人类社会的生产力水平，使人类步入了机器生产的工业时代。从此，为了满足经济的快速发展，人类开始大规模开采石油、矿产、天然气等资源。然而，随着人口的持续增长和经济的急剧的发展，人类对于资源的需求也日益增长。但是作为不可再生资源，煤炭、石油、天然气等化石燃料的储备却有限，作为现代经济发展的载体的传统能源在21世纪中期将迅速接近枯竭。人类将要面对的主要问题是日益枯竭的能源和对能源的巨大需求之间的不平衡。根据对全球能源储量的统计，综合估算，目前地球上还有大约1370亿吨的石油储量，按照1997年全世界石油的年开采量32.2亿吨计算，地球上的石油还可供人类开采40年左右，即2055年左右石油将宣告枯竭。天然气全球储量大概为143万亿立方米，按照世界天然气年消耗2.1万亿立方米计算，天然气也将在6570年内枯竭。2005年世界探明煤炭储量为9842.11亿吨，按照年开采63亿吨计算，煤炭储量也将在150156年后宣告枯竭。
作为现代经济的的载体，能源问题最终也会导致经济问题，这点在石油上显示的很明显——每次油价波动都会对世界经济造成巨大影响。同时，能源问题也导致国家和地区的的冲突不断。正如近十几年来发生在中东和海湾地区以及非洲等国的战争冲突，归根结底都是对于能源的争夺。所以，能源危机的爆发将对世界产生剧大的影响。
环境污染问题也是目前人们关注的重点。化石燃料基本都是碳合物，因此燃烧会产生气体。然而因为人类对化石燃料的大量地使用，使得大气里面的浓度过高，超出地球生态环境自净能力。而能够吸收地面反射的太阳辐射并重新将其辐射回地面，阻碍地球的热交换，使得地球变暖，也就是所说的温室效应。近年来，由于气候变暖，厄尔尼诺现象加剧，极端气候出现频繁，发生气候灾害也越加频繁。对人类社会生活影响巨大，并对经济造成巨大损失。然而，更大的危险来自于地球两极的冰雪融化。随着全球变暖，南北极冰川融化加快，假如这种情况得不到遏制，南极冰川全部融化，造成海平面上升，结果是大部分人类社会将要被海水淹没。同时，大多化石燃料都含硫，由于燃烧产生二氧化硫，大量二氧化硫排放到大气当中，下雨时则融入雨水，随着雨水降落产生酸雨。酸雨能够腐蚀土地，使得土地酸碱失衡，不再适合植物生长。城市区的酸雨则腐蚀建筑物，并对人体造成伤害。以及，往往化石燃料例如煤炭、石油、天然气的开采都会对环境造成污染。比如煤炭开产区的漫天灰尘，造成大气污染；石油开产区往往会对水源造成污染，影响生活环境。另一个近几年来凸显的问题则是雾霾，前两年全国大范围爆发的雾霾事件也提醒我们环境污染日益严重。对于煤炭的大量燃烧以及汽车尾气的排放使得城市空气可吸入颗粒增多，造成极度恶劣的气候，对人们的生活和健康造成巨大影响。
因此，开发和使用新能源在目前显得很重要也很有意义，而太阳能作为一种简单易得，清洁环保，取之无尽用之无竭的能源，具有很大优势。
1.1.2 太阳能的开发和利用
随着传统的化石能源已经开始出现短缺，人类开始关注可再生的能源，世界能源的结构也在21世纪发生变革。使用清洁环保、资源无限的能源将成为日后的发展的主要趋势。可再生的能源主要包含以下种类：
目 录
摘要I
AbstractII
第一章 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.1.1能源危机和环境污染1
1.1.2 太阳能的开发和利用 2
1.2 储能技术在光伏发电系统中的应用研究 3
1.2.1 光伏发电系统3
1.2.2 储能技术3
1.2.3 光伏发电系统与储能系统的研究现状3
1.3本文的主要工作 4
第二章 光伏发电系统与储能系统概论 4
2.1 光伏发电系统与储能系统的组成及工作方式4
2.1.1 光伏发电系统与储能系统的组成 4
2.1.2 系
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统的工作方式 5
2.2 光伏电池的工作特性 8
2.2.1 光伏电池工作原理 8
2.2.2 光伏电池等效数学模型 9
2.2.3光伏电池的输出特性 12
2.3 蓄电池储能系统特性13
2.3.1 蓄电池的分类与参数特性 13
2.3.2 蓄电池工作特性 14
第三章 光伏发电系统与储能系统的协调控制策略 16
3.1 光伏电池的最大功率点跟踪16
3.1.1 最大功率点跟踪的基本原理 16
3.1.2几种常用的最大功率点跟踪法算法分析 17
3.1.3 基于扰动观察法和电导增量法的MPPT控制18
3.2 DC/DC变换器作为能量控制器的设计22
3.2.1 几种典型的DC/DC变换电路 22
3.2.2 光伏电池降压电路设计 24
3.2.3 蓄电池充电电路设计及控制分析 25
3.2.4 蓄电池放电电路设计及控制分析 26
第四章 光伏发电系统与储能系统的建模与仿真及结果分析 27
4.1光伏发电系统的模型及仿真 27
4.1.1 光伏电池模型及仿真 27
4.1.2 基于扰动观察法的最大功率点跟踪仿真 29
4.1.3 基于电导增量法的最大功率点跟踪仿真 31
4.2 蓄电池储能系统的模型及仿真34
4.2.1 蓄电池充电电路模型及仿真 34
4.2.2 蓄电池放电电路模型及仿真 35
4.3光伏发电系统与储能系统的建模与仿真 35
4.3.1 光伏发电系统与储能系统的整体模型 35
4.3.2 光伏发电系统与储能系统的输出结果与分析 36
第五章 论文总结与展望 40
5.1 论文总结40
5.2 论文的不足与今后展望40
5.2.1 论文不足之处 40
5.2.2 今后研究方向 40
致谢 41
参考文献 42
附录44
第一章 绪论
1.1课题研究背景
1.1.1能源危机和环境污染
十八世纪的工业革命，对于煤和蒸汽机的使用大大推动了人类社会的生产力水平，使人类步入了机器生产的工业时代。从此，为了满足经济的快速发展，人类开始大规模开采石油、矿产、天然气等资源。然而，随着人口的持续增长和经济的急剧的发展，人类对于资源的需求也日益增长。但是作为不可再生资源，煤炭、石油、天然气等化石燃料的储备却有限，作为现代经济发展的载体的传统能源在21世纪中期将迅速接近枯竭。人类将要面对的主要问题是日益枯竭的能源和对能源的巨大需求之间的不平衡。根据对全球能源储量的统计，综合估算，目前地球上还有大约1370亿吨的石油储量，按照1997年全世界石油的年开采量32.2亿吨计算，地球上的石油还可供人类开采40年左右，即2055年左右石油将宣告枯竭。天然气全球储量大概为143万亿立方米，按照世界天然气年消耗2.1万亿立方米计算，天然气也将在6570年内枯竭。2005年世界探明煤炭储量为9842.11亿吨，按照年开采63亿吨计算，煤炭储量也将在150156年后宣告枯竭。
作为现代经济的的载体，能源问题最终也会导致经济问题，这点在石油上显示的很明显——每次油价波动都会对世界经济造成巨大影响。同时，能源问题也导致国家和地区的的冲突不断。正如近十几年来发生在中东和海湾地区以及非洲等国的战争冲突，归根结底都是对于能源的争夺。所以，能源危机的爆发将对世界产生剧大的影响。
环境污染问题也是目前人们关注的重点。化石燃料基本都是碳合物，因此燃烧会产生气体。然而因为人类对化石燃料的大量地使用，使得大气里面的浓度过高，超出地球生态环境自净能力。而能够吸收地面反射的太阳辐射并重新将其辐射回地面，阻碍地球的热交换，使得地球变暖，也就是所说的温室效应。近年来，由于气候变暖，厄尔尼诺现象加剧，极端气候出现频繁，发生气候灾害也越加频繁。对人类社会生活影响巨大，并对经济造成巨大损失。然而，更大的危险来自于地球两极的冰雪融化。随着全球变暖，南北极冰川融化加快，假如这种情况得不到遏制，南极冰川全部融化，造成海平面上升，结果是大部分人类社会将要被海水淹没。同时，大多化石燃料都含硫，由于燃烧产生二氧化硫，大量二氧化硫排放到大气当中，下雨时则融入雨水，随着雨水降落产生酸雨。酸雨能够腐蚀土地，使得土地酸碱失衡，不再适合植物生长。城市区的酸雨则腐蚀建筑物，并对人体造成伤害。以及，往往化石燃料例如煤炭、石油、天然气的开采都会对环境造成污染。比如煤炭开产区的漫天灰尘，造成大气污染；石油开产区往往会对水源造成污染，影响生活环境。另一个近几年来凸显的问题则是雾霾，前两年全国大范围爆发的雾霾事件也提醒我们环境污染日益严重。对于煤炭的大量燃烧以及汽车尾气的排放使得城市空气可吸入颗粒增多，造成极度恶劣的气候，对人们的生活和健康造成巨大影响。
因此，开发和使用新能源在目前显得很重要也很有意义，而太阳能作为一种简单易得，清洁环保，取之无尽用之无竭的能源，具有很大优势。
1.1.2 太阳能的开发和利用
随着传统的化石能源已经开始出现短缺，人类开始关注可再生的能源，世界能源的结构也在21世纪发生变革。使用清洁环保、资源无限的能源将成为日后的发展的主要趋势。可再生的能源主要包含以下种类：
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