光伏储能系统的并网控制研究
光伏储能系统的并网控制研究[20191215165934]
摘 要
太阳能资源无污染、储量丰富，是目前为止可以利用的最好资源之一。它可以替代传统能源，并减少由传统能源带来的环境污染和其他资源浪费问题。太阳能光伏利用已经发展多年，装机容量不断增大，现在已经逐步从独立光伏发电系统到并网光伏发电系统。但由于光伏发电的波动性和间歇性，使其不能得到最优的利用，因此可加入储能装置对电网调峰，提高电能质量。
本文首先介绍了光伏电池的结构与原理，进而分析其等效电路与外特性。根据其输出特性，阐述了最大功率点跟踪（MPPT）的原理，采用BOOST电路作为MPPT系统的电路，并详细介绍了MPPT两种控制方法：电导增量法和扰动观察法，并采用扰动观察法，产生的PWM波控制IGBT的开通与关断。将直流母线处的直流电进行逆变并网，通过SPWM来控制逆变器的开通与断开，可以实现向电网供电。最后对蓄电池的原理与特性进行了介绍，分析了蓄电池的充放电控制，采用双向DC/DC变化器结构，并且根据不同的能量管理策略实现BUCK和BOOST两种模式，从而实现充放电功能。
最后通过利用MATLAB/SIMULINK的环境，分别对光伏电池阵列部分，最大功率点跟踪（MPPT）部分，直流逆变并网部分和蓄电池的双向DC/DC变换器部分搭建仿真模型。然后进行每个模块的测试，再搭建成整个系统，选择不同的能量管理策略，最后进行数据分析与处理。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:光伏系统；最大功率点跟踪；蓄电池储能；逆变并网
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 太阳能的利用 1
1.3 太阳能光伏发电系统 3
1.3.1 独立光伏发电系统 3
1.3.2 并网光伏发电系统 4
1.4 本文的研究内容 4
第2章 光伏电池 6
2.1 光伏电池的结构与原理 6
2.1.1 光伏电池的结构 6
2.1.2 光伏电池的原理 6
2.2 光伏电池等效电路及输出特性 7
2.2.1 光伏电池等效电路 7
2.2.2 光伏电池伏安特性曲线 8
2.3 光伏电池的外特性 9
2.3.1 温度和光照特性 10
2.3.2 负载特性 11
2.4 光伏电池的影响因素 12
2.4.1 电池材料的影响 12
2.4.2 电池结温和日照强度的影响 12
2.5 光伏电池仿真建模 14
第3章 光伏系统的逆变并网 17
3.1 最大功率点跟踪原理 17
3.2 电导增量法 18
3.2.1 电导增量法工作原理 18
3.2.2 电导增量法的优缺点分析 20
3.3 扰动观察法 20
3.3.1 扰动观察法原理 20
3.3.2 扰动观察法的优缺点分析 21
3.3.3 扰动观察法的MPPT建模 22
3.4光伏系统的逆变并网 23
第4章 蓄电池储能的控制 26
4.1蓄电池原理与特性 26
4.2 蓄电池的充放电控制 27
4.2.1 蓄电池的充电 27
4.2.2 蓄电池的放电 28
4.3 双向DC/DC变换器工作原理 29
4.4 蓄电池的能量管理策略 32
4.5光储系统并网控制仿真分析..................................................................................32
第5章 结论 34
参考文献 35
致谢......................................................................................................... 36
附录 38
第1章 绪论
1.1 课题背景
能源决定着人类社会生存与发展的重要因素。能源的开发与利用极大地影响着人类社会的发展。随着世界经济的不断发展，人类对资源的依赖性也逐步增强，煤炭、石油等不可再生能源已消耗大半，尤其是全球的传统能源资源有限且分布不均，能源危机已经是不可回避的问题。同样存在的还有环境污染问题，由于能源消耗而引起的环境污染问题层出不穷，燃烧化石能源直接导致了温室效应和酸雨的产生，还有全球变暖现象的产生、自然灾害的频发。尤其是近来雾霾现象关注度的提升，我们不得不产生足够的重视。
图 1.1 传统能源的预测耗尽年份
为了保证能源供应，减少环境污染，我们必须改变现有的能源结构，开发新的能源来替代即将耗尽的传统能源。从目前看来，太阳能资源是最好的选择。太阳能资源异常丰富，取之不尽，用之不竭，而且没有污染。太阳能资源极大地解决了以上列出的问题，所以世界各国正在积极研究太阳能的利用，争取早日实现产业化，早日完成新老能源的交替。
1.2 太阳能的利用
其实太阳能的利用已有 3000 多年的历史，但将其作为一种能源和动力加以利用，却只有 300 多年的历史，而真正将其作为“近期急需的补充能源”、“未来能源结构的基础”则是近来的事，自进入 20 世纪以来，到现在太阳能科技的发展大致经历了起步（1900-1920）、低潮（1920-1945）、发展（1945-1965）、停滞不前（1965-1973）、大发展（1973-1980）、再次停滞（1980-1992）和走出低谷（1992-至今）七个阶段[1]。可以说太阳能产业的真正快速大规模发展是从 1992年开始的。而第八阶段，也即将到来。
人类利用太阳能有多种方式，太阳能的热利用、热发电和光伏发电是有效利用太阳能的三种基本方式[2]。从20 世纪50 年代，第一块硅太阳能电池的问世，现代太阳能光电转换研究和开发的序幕由此拉开。近年来太阳能光伏发电技术的发展非常迅速，这与太阳能的独特优势有很大的关联。太阳能可以说是目前各类新能源中最具开发潜力的能源之一，与其它方式相比，太阳能发电具有很多与众不同的优势[3]：
(1)太阳能为可再生资源，含量丰富，取之不尽，用之不竭。
(2)太阳能发电不会其他因素的影响，安全、可靠。
(3)太阳能分布非常广泛，因此可以就地供电从而避免远距离输送，带来的能量损耗。
(4)不需要其他燃料，具有较低的运行成本。
(5)太阳能发电系统硬件不易损坏，后期可较简单的维护。
(6)不产生废弃物，不污染环境。
(7)系统建设的周期比较短，而且就有模块化的安装优势，应用范围非常广泛，甚至可以根据实际负载来调整装机容量。
然而，作为新兴的能源，开发利用尚存在一些问题,目前主要包括以下四个方面：
(1)发电效率不高
光伏电池作为光伏发电的基本组成元件，而目前单晶硅电池只能达到百分之二十左右的光电转化率。这就直接导致光伏发电的功率密度不高，不能形成高功率的发电系统。
(2)造价成本昂贵
光伏系统由于其不高的发电效率，若要形成一定的电能需要较多的光伏电池板，则成本高出水力和火力发电的数倍。这也是阻碍光伏发电市场迅猛发展的最大障碍。
(3)光伏发电易受光照、温度等因素的影响
太阳光收到气候和地理位置的影响具有不确定性，这就导致光伏发电的不确定性。此外，随着日趋严重的环境污染，空气中的粉尘颗粒物在电池板的表面附着，减少了光线的接收量，从而降低光电转换的效率。
(4)制造多晶硅和单晶硅材料代价昂贵
硅主要以沙子的形式存在于地球上，其含量丰富，仅次于氧元素。但是若加工为多晶硅和单晶硅材料需要非常复杂的工序，而这些工序消耗的能量巨大，从而导致其生产成本昂贵。
表 1.1 2000-2013年全球光伏新增装机区域统计：MW
中国 美国 欧洲 其它地区 合计
2000年 19 2 58 214 293
2001年 2 3 133 186 324
2002年 19 30 134 271 454
2003年 10 48 202 306 566
2004年 10 61 705 312 1088
2005年 8 82 985 314 1389
2006年 10 110 997 430 1547
2007年 20 166 2023 315 2524
2008年 40 306 5708 607 6661
2009年 160 500 5833 847 7340
2010年 500 1082 13616 1909 17107
2011年 2500 2181 22407 3194 30282
2012年 3500 3774 17580 5011 29865
2013年 11300 5153 10253 10301 37007
表1.1是2000-2013年全球光伏新增装机区域统计，每年世界各国都在加大装机容量，充分显示出光伏的发展趋势。
1.3 太阳能光伏发电系统
光伏发电系统可分为独立光伏系统和并网光伏系统，并网光伏系统的不同是它与公共的电网相连[4]。
1.3.1 独立光伏发电系统
独立光伏发电系统是指不与电网相连接的而具有蓄电池的太阳能光伏发电系统，这是最原始的太阳能供配电方式。主要应用于偏远无电地区和特殊场所等的不能与工供电网连接的地方。
图 1.2 独立光伏发电系统结构
图1.2 为一种常用的太阳能独立光伏发电系统结构示意图，该系统由光伏电池阵列、双向直流变换器、逆变器、蓄电池和负载构成。在光照较强时，太阳能通过双向直流变换器给蓄电池充电；当无光照时，蓄电池通过双向直流变换器向负载供电。
1.3.2 并网光伏发电系统
与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。
图 1.3 并网光伏发电系统结构
图1.3 是一种常用的并网光伏发电系统结构示意图，该系统包括太阳能电池阵列、双向直流变换器、逆变器、交流负载、控制器和变压器。在关照充足时，光伏发电系统向交流负载供电，再将富余的电能送入电网；当无光照时，可让电网为负载提供电能。
1.4 本文的研究内容
光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能并且添加控制器与逆变器的发电系统。它的主要部件是太阳能电池阵列、MPPT控制、蓄电池和逆变器。光伏发电系统既能独立发电又能并网运行，其优点是无污染、组装简便、适用范围广、使用寿命长等。但是光伏发电系统与光照、温度等因素的变化有很大关系，造成系统很不稳定，波动较大。同时，还要采用最大功率点跟踪来实现电能的最大输出。由于光伏系统输出是直流电，所以需要逆变成交流电并入公共网络。但是并入公共网络的时，光伏系统的输出功率不稳定，为此要增加储能部分来消除波动。利用Matlab/Simulink仿真系统搭建光伏储能系统的并网控制，从光伏电池阵列、最大功率点跟踪、并网逆变器控制、蓄电池储能等几部分进行模拟仿真，并结合不同的情况分析各种控制策略的实用性。
第2章 光伏电池
光伏电池是根据光伏效应将太阳能转换成电能的器件。光伏电池的的种类很多，目前主要使用的是硅太阳能电池，其中单晶硅和多晶硅在能量的转换效率上和使用寿命上等多方面优于非晶硅电池。若干个光伏电池经过一定的组合可组成光伏电池组件，根据组件的不同可组成不同的光伏阵列，根据要求的功率的大小决定组件的数量。光伏发电系统就是由光伏电池阵列以及其他装置组成的。
摘 要
太阳能资源无污染、储量丰富，是目前为止可以利用的最好资源之一。它可以替代传统能源，并减少由传统能源带来的环境污染和其他资源浪费问题。太阳能光伏利用已经发展多年，装机容量不断增大，现在已经逐步从独立光伏发电系统到并网光伏发电系统。但由于光伏发电的波动性和间歇性，使其不能得到最优的利用，因此可加入储能装置对电网调峰，提高电能质量。
本文首先介绍了光伏电池的结构与原理，进而分析其等效电路与外特性。根据其输出特性，阐述了最大功率点跟踪（MPPT）的原理，采用BOOST电路作为MPPT系统的电路，并详细介绍了MPPT两种控制方法：电导增量法和扰动观察法，并采用扰动观察法，产生的PWM波控制IGBT的开通与关断。将直流母线处的直流电进行逆变并网，通过SPWM来控制逆变器的开通与断开，可以实现向电网供电。最后对蓄电池的原理与特性进行了介绍，分析了蓄电池的充放电控制，采用双向DC/DC变化器结构，并且根据不同的能量管理策略实现BUCK和BOOST两种模式，从而实现充放电功能。
最后通过利用MATLAB/SIMULINK的环境，分别对光伏电池阵列部分，最大功率点跟踪（MPPT）部分，直流逆变并网部分和蓄电池的双向DC/DC变换器部分搭建仿真模型。然后进行每个模块的测试，再搭建成整个系统，选择不同的能量管理策略，最后进行数据分析与处理。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:光伏系统；最大功率点跟踪；蓄电池储能；逆变并网
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 III
第1章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 太阳能的利用 1
1.3 太阳能光伏发电系统 3
1.3.1 独立光伏发电系统 3
1.3.2 并网光伏发电系统 4
1.4 本文的研究内容 4
第2章 光伏电池 6
2.1 光伏电池的结构与原理 6
2.1.1 光伏电池的结构 6
2.1.2 光伏电池的原理 6
2.2 光伏电池等效电路及输出特性 7
2.2.1 光伏电池等效电路 7
2.2.2 光伏电池伏安特性曲线 8
2.3 光伏电池的外特性 9
2.3.1 温度和光照特性 10
2.3.2 负载特性 11
2.4 光伏电池的影响因素 12
2.4.1 电池材料的影响 12
2.4.2 电池结温和日照强度的影响 12
2.5 光伏电池仿真建模 14
第3章 光伏系统的逆变并网 17
3.1 最大功率点跟踪原理 17
3.2 电导增量法 18
3.2.1 电导增量法工作原理 18
3.2.2 电导增量法的优缺点分析 20
3.3 扰动观察法 20
3.3.1 扰动观察法原理 20
3.3.2 扰动观察法的优缺点分析 21
3.3.3 扰动观察法的MPPT建模 22
3.4光伏系统的逆变并网 23
第4章 蓄电池储能的控制 26
4.1蓄电池原理与特性 26
4.2 蓄电池的充放电控制 27
4.2.1 蓄电池的充电 27
4.2.2 蓄电池的放电 28
4.3 双向DC/DC变换器工作原理 29
4.4 蓄电池的能量管理策略 32
4.5光储系统并网控制仿真分析..................................................................................32
第5章 结论 34
参考文献 35
致谢......................................................................................................... 36
附录 38
第1章 绪论
1.1 课题背景
能源决定着人类社会生存与发展的重要因素。能源的开发与利用极大地影响着人类社会的发展。随着世界经济的不断发展，人类对资源的依赖性也逐步增强，煤炭、石油等不可再生能源已消耗大半，尤其是全球的传统能源资源有限且分布不均，能源危机已经是不可回避的问题。同样存在的还有环境污染问题，由于能源消耗而引起的环境污染问题层出不穷，燃烧化石能源直接导致了温室效应和酸雨的产生，还有全球变暖现象的产生、自然灾害的频发。尤其是近来雾霾现象关注度的提升，我们不得不产生足够的重视。
图 1.1 传统能源的预测耗尽年份
为了保证能源供应，减少环境污染，我们必须改变现有的能源结构，开发新的能源来替代即将耗尽的传统能源。从目前看来，太阳能资源是最好的选择。太阳能资源异常丰富，取之不尽，用之不竭，而且没有污染。太阳能资源极大地解决了以上列出的问题，所以世界各国正在积极研究太阳能的利用，争取早日实现产业化，早日完成新老能源的交替。
1.2 太阳能的利用
其实太阳能的利用已有 3000 多年的历史，但将其作为一种能源和动力加以利用，却只有 300 多年的历史，而真正将其作为“近期急需的补充能源”、“未来能源结构的基础”则是近来的事，自进入 20 世纪以来，到现在太阳能科技的发展大致经历了起步（1900-1920）、低潮（1920-1945）、发展（1945-1965）、停滞不前（1965-1973）、大发展（1973-1980）、再次停滞（1980-1992）和走出低谷（1992-至今）七个阶段[1]。可以说太阳能产业的真正快速大规模发展是从 1992年开始的。而第八阶段，也即将到来。
人类利用太阳能有多种方式，太阳能的热利用、热发电和光伏发电是有效利用太阳能的三种基本方式[2]。从20 世纪50 年代，第一块硅太阳能电池的问世，现代太阳能光电转换研究和开发的序幕由此拉开。近年来太阳能光伏发电技术的发展非常迅速，这与太阳能的独特优势有很大的关联。太阳能可以说是目前各类新能源中最具开发潜力的能源之一，与其它方式相比，太阳能发电具有很多与众不同的优势[3]：
(1)太阳能为可再生资源，含量丰富，取之不尽，用之不竭。
(2)太阳能发电不会其他因素的影响，安全、可靠。
(3)太阳能分布非常广泛，因此可以就地供电从而避免远距离输送，带来的能量损耗。
(4)不需要其他燃料，具有较低的运行成本。
(5)太阳能发电系统硬件不易损坏，后期可较简单的维护。
(6)不产生废弃物，不污染环境。
(7)系统建设的周期比较短，而且就有模块化的安装优势，应用范围非常广泛，甚至可以根据实际负载来调整装机容量。
然而，作为新兴的能源，开发利用尚存在一些问题,目前主要包括以下四个方面：
(1)发电效率不高
光伏电池作为光伏发电的基本组成元件，而目前单晶硅电池只能达到百分之二十左右的光电转化率。这就直接导致光伏发电的功率密度不高，不能形成高功率的发电系统。
(2)造价成本昂贵
光伏系统由于其不高的发电效率，若要形成一定的电能需要较多的光伏电池板，则成本高出水力和火力发电的数倍。这也是阻碍光伏发电市场迅猛发展的最大障碍。
(3)光伏发电易受光照、温度等因素的影响
太阳光收到气候和地理位置的影响具有不确定性，这就导致光伏发电的不确定性。此外，随着日趋严重的环境污染，空气中的粉尘颗粒物在电池板的表面附着，减少了光线的接收量，从而降低光电转换的效率。
(4)制造多晶硅和单晶硅材料代价昂贵
硅主要以沙子的形式存在于地球上，其含量丰富，仅次于氧元素。但是若加工为多晶硅和单晶硅材料需要非常复杂的工序，而这些工序消耗的能量巨大，从而导致其生产成本昂贵。
表 1.1 2000-2013年全球光伏新增装机区域统计：MW
中国 美国 欧洲 其它地区 合计
2000年 19 2 58 214 293
2001年 2 3 133 186 324
2002年 19 30 134 271 454
2003年 10 48 202 306 566
2004年 10 61 705 312 1088
2005年 8 82 985 314 1389
2006年 10 110 997 430 1547
2007年 20 166 2023 315 2524
2008年 40 306 5708 607 6661
2009年 160 500 5833 847 7340
2010年 500 1082 13616 1909 17107
2011年 2500 2181 22407 3194 30282
2012年 3500 3774 17580 5011 29865
2013年 11300 5153 10253 10301 37007
表1.1是2000-2013年全球光伏新增装机区域统计，每年世界各国都在加大装机容量，充分显示出光伏的发展趋势。
1.3 太阳能光伏发电系统
光伏发电系统可分为独立光伏系统和并网光伏系统，并网光伏系统的不同是它与公共的电网相连[4]。
1.3.1 独立光伏发电系统
独立光伏发电系统是指不与电网相连接的而具有蓄电池的太阳能光伏发电系统，这是最原始的太阳能供配电方式。主要应用于偏远无电地区和特殊场所等的不能与工供电网连接的地方。
图 1.2 独立光伏发电系统结构
图1.2 为一种常用的太阳能独立光伏发电系统结构示意图，该系统由光伏电池阵列、双向直流变换器、逆变器、蓄电池和负载构成。在光照较强时，太阳能通过双向直流变换器给蓄电池充电；当无光照时，蓄电池通过双向直流变换器向负载供电。
1.3.2 并网光伏发电系统
与公共电网相连接的太阳能光伏发电系统称为并网光伏发电系统。
图 1.3 并网光伏发电系统结构
图1.3 是一种常用的并网光伏发电系统结构示意图，该系统包括太阳能电池阵列、双向直流变换器、逆变器、交流负载、控制器和变压器。在关照充足时，光伏发电系统向交流负载供电，再将富余的电能送入电网；当无光照时，可让电网为负载提供电能。
1.4 本文的研究内容
光伏发电系统是利用太阳能电池直接将太阳能转换成电能并且添加控制器与逆变器的发电系统。它的主要部件是太阳能电池阵列、MPPT控制、蓄电池和逆变器。光伏发电系统既能独立发电又能并网运行，其优点是无污染、组装简便、适用范围广、使用寿命长等。但是光伏发电系统与光照、温度等因素的变化有很大关系，造成系统很不稳定，波动较大。同时，还要采用最大功率点跟踪来实现电能的最大输出。由于光伏系统输出是直流电，所以需要逆变成交流电并入公共网络。但是并入公共网络的时，光伏系统的输出功率不稳定，为此要增加储能部分来消除波动。利用Matlab/Simulink仿真系统搭建光伏储能系统的并网控制，从光伏电池阵列、最大功率点跟踪、并网逆变器控制、蓄电池储能等几部分进行模拟仿真，并结合不同的情况分析各种控制策略的实用性。
第2章 光伏电池
光伏电池是根据光伏效应将太阳能转换成电能的器件。光伏电池的的种类很多，目前主要使用的是硅太阳能电池，其中单晶硅和多晶硅在能量的转换效率上和使用寿命上等多方面优于非晶硅电池。若干个光伏电池经过一定的组合可组成光伏电池组件，根据组件的不同可组成不同的光伏阵列，根据要求的功率的大小决定组件的数量。光伏发电系统就是由光伏电池阵列以及其他装置组成的。
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