光伏储能系统的协调优化控制
摘 要在环境污染和资源短缺问题日益突出的今天，开发可再生无污染的新源是非常必要的，太阳能作为一种取之不尽，用之不竭的无污染型新能源备受人们的关注。光伏产业也在迅速发展，但是光伏发电系统受外界光照强度和温度变化的影响较大，导致光伏发电系统的输出很不稳定，这就使得在光伏系统中加入储能装置变得尤其重要。然而光伏发电能量变化的随机性使得铅蓄电池较在其它场合使用时寿命短，所以需要我们研究合理的充放电控制技术。本文详细介绍了带有储能装置的光伏发电系统，包括光伏系统的整体介绍、光伏电池的光伏效应以及工程应用模型、最大功率点跟踪的原理以及实现方法、储能装置以及光伏发电与储能装置之间充放电的协调控制。在MATLAB的仿真平台上搭建了光伏系统的整体模型，其中我采用DC/DC变换器实现最大功率点的跟踪、采用双向DC/DC变换器作为光伏发电装置与储能装置间的连接设备、在研究了储能装置的蓄电池的工作原理以及性能参数的基础上，研究了如何控制双向DC/DC变换器中的晶闸管开关以实现蓄电池的充电和放电行为。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的背景与意义 1
1.2 课题研究现状 1
1.2.1 太阳能光伏发电研究现状 1
1.2.2储能系统研究现状 3
1.3本文内容安排 4
第2章 光伏发电系统 5
2.1光伏发电系统分类 5
2.1.1 独立运行的光伏发电系统 5
2.1.2不带储能装置的并网型光伏发电系统 5
2.1.3混合型光伏发电系统 6
2.2太阳能电池 6
2.2.1 太阳能电池的工作原理 6
2.2.2 光伏电池模型 7
2.3 MPPT的基本原理 10
2.4 MPPT 常规跟踪算法 12
2.4.1 恒定电压法 12
2.4.2 电导增量法 13
2.4.3 扰动观察法 15
2.5 该模块的matlab仿真模型 17
第3章 光伏系统中的储能装置 20
3.1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
铅酸蓄电池 20
3.1.1 铅酸蓄电池内部原理 20
3.1.2 蓄电池参数 21
3.1.3 影响铅酸蓄电池寿命的因素 22
3.2 镍镉蓄电池 23
3.3镍氢蓄电池电池 23
第4章 储能系统充放电的协调控制 25
4.1 双向DC/DC变换器主电路及工作原理 25
4.2 充放电的协调控制 26
4.2.1 蓄电池充放电的判断 26
4.2.2蓄电池充电控制 27
4.2.3 蓄电池的协调放电 31
4.2 储能控制的仿真模型 31
第5章 总结与展望 35
5.1 工作总结 35
5.2 展望 35
参考文献 36
致谢.............................................................................................................39
附录.............................................................................................................40
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景与意义
随着全球经济的迅猛发展，当今社会对能源的需求量越来越大，能源已经不仅是我们生活中不可缺少的物质基础，同时也对当今社会经济的发展起到巨大的推动作用。现在，我们使用的能源依然主要是不可再生的、亿万年前生成的以石油、煤、天然气为主的不可再生的化石能,但这些能源均是不可再生的，它的存储量随着我们的大量使用在日益减少，面临能源枯竭。据有关资料显示，按照目前能源的消耗速度,世界一次能源最多只能再用200年左右，地球上亿万年积存的化石能源将随着科技的进步被人类消耗殆尽。其中中国的能源危机尤为紧迫，中国剩余的可开采量只有129年左右，同时由于中国人口众多，人均资源拥有量也远少于世界人均水平，但中国的发展又离不开能源的支持，所以新能源的开发尤其重要。此外，环境问题也是当今社会的焦点问题之一，化石能源的大量使用会产生大量的有害气体，加重全球的温室效应，造成环境污染问题的加重，对我们的生存环境造成巨大的威胁。
如何解决这一问题迫在眉睫，为了维持人类社会的生存与发展，解决人类现在面临的能源危机，各个国家都越来越重视对新能源的开发。 目前我们所开发的新能源主要是指发电技术相对成熟、发展前景相对广阔的风力发电以及太阳能发电。其中太阳能发电在可再生能源中占有很大比例，具有很大的发展潜力。太阳能即太阳热辐射能，它的主要表现形式为我们所看到的太阳光线，并且太阳能是取之不尽，用之不竭的无污染能源。地球表面每年接收到的太阳的辐照能量可达，相当于燃烧的标准煤。假设这些光能中的0.1%的能量按5%的比例转化为我们可直接利用的电能， 也可产出相当于目前能耗40倍的电量，将大大缓解目前的资源危机。太阳能发电对今解决能源紧张问题特别重要的意义。
发电技术作为光伏发电的重要支撑，太阳能发电未来的发展至关重要，发电技术的发展可以改善和提高现有发电系统的稳定性，提高太阳能的转换效率，降低光伏发电的成本，促进光伏产业的进一步发展【1】。
1.2 课题研究现状
1.2.1 太阳能光伏发电研究现状
光伏效应现象的发现，打开了光伏产业发展的大门。在1839年，法国的物理学家Becqurel发现了光伏效应的现象。1883年，另一位科学家发现了固体物质存在的光伏效应，并把这种能够在太阳光照下发生光伏效应的物质称为光伏器件，但是这一时期由于光能的转换效率太低，还没有投入使用。1954年，美国的科学家研制出第一块单晶硅光伏电池，从此太阳能发电有了实用的技术。随着如今光伏能源短缺以及环境污染问题的突出，光伏发电技术的重视程度又上升了一个层次[9]。
表1.1 并网光伏发电市场份额逐年增长情况
年份
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
份额（%）
21.3
23.5
29.9
41.7
50.4
51.4
55.5
65.9
75
图1.1 世界可再生能源应用总量平均年增长率
越来越多的国家开始着手研究发展利用风能、光能发电，提出一系列的鼓励措施，极大地促进了光伏发电这一产业的发展，由表1.1以及表1.2我们也可看出如今光伏产业的发展趋势，光伏发电产业成为20世纪80年代以来增长最快的高新技术之一。随着光伏发电技术的发展，光伏电池的光电转化效率也不断提高, 晶体硅光电池转化率达到15%, 单晶硅光电池转化率是23.3%, 砷化镓光电池是25%, 实验阶段的砷化镓电池的光电转化率已达35%～36%。随着电子器件的发展，光伏电池组件的使用寿命也大大增长，目前可用30年以上[3]。
目前在光伏产业领域较为领先的是日本、美国和欧盟，其光伏发电的产量约占世界上光伏发电量的80%。国外对光伏产业的发展也是相当的重视，其中美国政府方面不断地提出鼓励太阳能发电的一系列措施，不断加大光伏发电方面的资金投入，美国总统克林顿曾在1997年提出“克林顿百万屋顶光伏计划”，可见其对光伏产业的重视。日本由于资源短缺，对光伏发电产业也是十分重视，在20世纪79年代便投资了约有5亿美金大力支持光伏产业，是其迅速发展为光伏电池的生产大国，之后又开启了一系列的计划促进光伏产业发展，截止到2011年，日本的光伏装机总量已达1.2GW，跟2010年相比，增长了30%。为促进光伏产业发展德国曾先后颁布了《可再生能源法》、《可再生能源促进法》。到2011年为止，德国的光伏发电装机容量达7.5GW，创下了全球的历史记录【2】。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题研究的背景与意义 1
1.2 课题研究现状 1
1.2.1 太阳能光伏发电研究现状 1
1.2.2储能系统研究现状 3
1.3本文内容安排 4
第2章 光伏发电系统 5
2.1光伏发电系统分类 5
2.1.1 独立运行的光伏发电系统 5
2.1.2不带储能装置的并网型光伏发电系统 5
2.1.3混合型光伏发电系统 6
2.2太阳能电池 6
2.2.1 太阳能电池的工作原理 6
2.2.2 光伏电池模型 7
2.3 MPPT的基本原理 10
2.4 MPPT 常规跟踪算法 12
2.4.1 恒定电压法 12
2.4.2 电导增量法 13
2.4.3 扰动观察法 15
2.5 该模块的matlab仿真模型 17
第3章 光伏系统中的储能装置 20
3.1
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
铅酸蓄电池 20
3.1.1 铅酸蓄电池内部原理 20
3.1.2 蓄电池参数 21
3.1.3 影响铅酸蓄电池寿命的因素 22
3.2 镍镉蓄电池 23
3.3镍氢蓄电池电池 23
第4章 储能系统充放电的协调控制 25
4.1 双向DC/DC变换器主电路及工作原理 25
4.2 充放电的协调控制 26
4.2.1 蓄电池充放电的判断 26
4.2.2蓄电池充电控制 27
4.2.3 蓄电池的协调放电 31
4.2 储能控制的仿真模型 31
第5章 总结与展望 35
5.1 工作总结 35
5.2 展望 35
参考文献 36
致谢.............................................................................................................39
附录.............................................................................................................40
第1章 绪论
1.1 课题研究的背景与意义
随着全球经济的迅猛发展，当今社会对能源的需求量越来越大，能源已经不仅是我们生活中不可缺少的物质基础，同时也对当今社会经济的发展起到巨大的推动作用。现在，我们使用的能源依然主要是不可再生的、亿万年前生成的以石油、煤、天然气为主的不可再生的化石能,但这些能源均是不可再生的，它的存储量随着我们的大量使用在日益减少，面临能源枯竭。据有关资料显示，按照目前能源的消耗速度,世界一次能源最多只能再用200年左右，地球上亿万年积存的化石能源将随着科技的进步被人类消耗殆尽。其中中国的能源危机尤为紧迫，中国剩余的可开采量只有129年左右，同时由于中国人口众多，人均资源拥有量也远少于世界人均水平，但中国的发展又离不开能源的支持，所以新能源的开发尤其重要。此外，环境问题也是当今社会的焦点问题之一，化石能源的大量使用会产生大量的有害气体，加重全球的温室效应，造成环境污染问题的加重，对我们的生存环境造成巨大的威胁。
如何解决这一问题迫在眉睫，为了维持人类社会的生存与发展，解决人类现在面临的能源危机，各个国家都越来越重视对新能源的开发。 目前我们所开发的新能源主要是指发电技术相对成熟、发展前景相对广阔的风力发电以及太阳能发电。其中太阳能发电在可再生能源中占有很大比例，具有很大的发展潜力。太阳能即太阳热辐射能，它的主要表现形式为我们所看到的太阳光线，并且太阳能是取之不尽，用之不竭的无污染能源。地球表面每年接收到的太阳的辐照能量可达，相当于燃烧的标准煤。假设这些光能中的0.1%的能量按5%的比例转化为我们可直接利用的电能， 也可产出相当于目前能耗40倍的电量，将大大缓解目前的资源危机。太阳能发电对今解决能源紧张问题特别重要的意义。
发电技术作为光伏发电的重要支撑，太阳能发电未来的发展至关重要，发电技术的发展可以改善和提高现有发电系统的稳定性，提高太阳能的转换效率，降低光伏发电的成本，促进光伏产业的进一步发展【1】。
1.2 课题研究现状
1.2.1 太阳能光伏发电研究现状
光伏效应现象的发现，打开了光伏产业发展的大门。在1839年，法国的物理学家Becqurel发现了光伏效应的现象。1883年，另一位科学家发现了固体物质存在的光伏效应，并把这种能够在太阳光照下发生光伏效应的物质称为光伏器件，但是这一时期由于光能的转换效率太低，还没有投入使用。1954年，美国的科学家研制出第一块单晶硅光伏电池，从此太阳能发电有了实用的技术。随着如今光伏能源短缺以及环境污染问题的突出，光伏发电技术的重视程度又上升了一个层次[9]。
表1.1 并网光伏发电市场份额逐年增长情况
年份
1997
1998
1999
2000
2001
2002
2003
2004
2005
份额（%）
21.3
23.5
29.9
41.7
50.4
51.4
55.5
65.9
75
图1.1 世界可再生能源应用总量平均年增长率
越来越多的国家开始着手研究发展利用风能、光能发电，提出一系列的鼓励措施，极大地促进了光伏发电这一产业的发展，由表1.1以及表1.2我们也可看出如今光伏产业的发展趋势，光伏发电产业成为20世纪80年代以来增长最快的高新技术之一。随着光伏发电技术的发展，光伏电池的光电转化效率也不断提高, 晶体硅光电池转化率达到15%, 单晶硅光电池转化率是23.3%, 砷化镓光电池是25%, 实验阶段的砷化镓电池的光电转化率已达35%～36%。随着电子器件的发展，光伏电池组件的使用寿命也大大增长，目前可用30年以上[3]。
目前在光伏产业领域较为领先的是日本、美国和欧盟，其光伏发电的产量约占世界上光伏发电量的80%。国外对光伏产业的发展也是相当的重视，其中美国政府方面不断地提出鼓励太阳能发电的一系列措施，不断加大光伏发电方面的资金投入，美国总统克林顿曾在1997年提出“克林顿百万屋顶光伏计划”，可见其对光伏产业的重视。日本由于资源短缺，对光伏发电产业也是十分重视，在20世纪79年代便投资了约有5亿美金大力支持光伏产业，是其迅速发展为光伏电池的生产大国，之后又开启了一系列的计划促进光伏产业发展，截止到2011年，日本的光伏装机总量已达1.2GW，跟2010年相比，增长了30%。为促进光伏产业发展德国曾先后颁布了《可再生能源法》、《可再生能源促进法》。到2011年为止，德国的光伏发电装机容量达7.5GW，创下了全球的历史记录【2】。
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