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1、武汉大学珞珈学院本科毕业设计保密类别 编 号 毕 业 论 文基于matlab的太阳能电站并网运行控制仿真系 别 电气工程与自动化 专 业 电气工程与自动化 年 级 学 号 姓 名 指导教师 2011年 05月 20日39摘 要在20世纪的能源结构中，人类所利用的主要能源是石油、煤炭和天然气等一次性能源。随着经济的发展、人口的增加和社会生活水平的提高，能源消费量日益增长，世界上已经出现了能源危机。世界各国都在积极寻找一种可持续发展且无环境污染的新型能源，其中，太阳能作为一种高效无污染且可持续发展的新能源，尤其受到广泛的重视。太阳能光伏利用的主要形式为太阳能光伏并网系统，在此背景下，本文在太阳能光
2、伏并网系统的系统仿真控制方面进行了较为深入的探索。本文阐述了一种小功率的光伏并网逆变电源的结构、控制原理和设计实现，并就光伏发电系统中的一些关键问题:如光伏阵列的最大功率点跟踪、逆变器输出波形的改善等方面做了详细的理论分析，建立了仿真模型，提出了相应的控制策略。主要内容如下:1介绍了目前国内外光伏发电的现状和发展前景，并对光伏发电系统的结构组成和分类作了简单介绍，对光伏发电系统建立了一个总体认识。2研究了光伏电池的基本发电原理和输出特性。重点研究了光伏电池的输出特性和其影响因素。3光伏电池输出是非线性的，存在输出最大功率跟踪问题。本文研究了最大功率点跟踪方法，并提出了改进方案。使光伏电池工作于
3、最大输出功率点上，获得高效功率输出。采用boost升压变换器实现最大功率跟踪，阐述了boost变换器的工作原理和控制策略。4.对光伏并网逆变器进行研究，阐述了全桥逆变器的工作原理、控制策略，控制方法采用输出电流滞环跟踪方式。关键词：太阳能 光伏并网 最大功率跟踪（MPPT） MATLAB boost变换器 ABSTRACTIn the 20th century,the worlds energy structure,the use of human energy is mainly oil,natural gas and coal,and other one-time energy.Along
4、 with the economic development, population growth and social improvement of living standards, increasing energy consumption, the worlds energy crisis has emerged. Countries in the world are actively looking for a sustainable development of new energy and environmentally, in which solar energy as an
5、efficient non-polluting and sustainable development, new energy, in particular, are widely appreciated. The main form of use of solar photovoltaic solar photovoltaic system, in this context, the article in the solar photovoltaic system simulation control system for a more in-depth exploration. This
6、thesis Presents the configuration ,the operation principle and the design Proeedure of a low power photovoltaic inverter conneeted with electrie utility lines，and deals with such key problems as true maximum power point traeking(MPPT) of PV array and imProvement of inverter output wave and so on by
7、establishing related simulation models applying novel controls trategies and experiments validation.The main contents of the paper are as follows: 1.Introducing the actuality and foreground of PV sourees abroad or our country.The basic structure and types of the PV souree also are presented.Holding
8、apprehend in the mass to the system. 2.This paper has studied on the basic prineiple and output characters of PV cell.The emPhas is on the output eharaeters and its effect factor. 3.The output of PV is non一linear，whieh has Maximum power point tracking(MPPT) Problem.This paper has studied MPPT method
9、，and proposed improved measures.The method of traeing the maximum PV powered points is realized with a boost converter in this design.And then the thesis explains the operation principle and control strategy of boost converte. 4.The operational principles of photovoltaic grid-connected generation sy
10、stem were analyzed. The topology structure of the inverter section is single-phase full bridge，the thesis presents the operation principle，controlstrategy.The control method is hystcrcsis traeking method. Key Words: Solar PV grid-connected Maximum power point tracking(MPPT) MATLAB Boost convcrter目 录
11、第1章 绪论11.1 研究背景11.2太阳能的优点11.3 国内外光伏发电的现状21.4光伏发电并网系统的现状31.5光伏发电系统的发展趋势4第2章 光伏并网发电系统简介62.1 光伏并网发电系统结构组成62.2 光伏并网发电系统的分类72.3 光伏并网发电系统的工作原理82.4 光伏并网发电系统的优缺点82.5 课题研究的主要内容9第3章 光伏电池结构原理及最大功率点跟踪方法103.1光伏电池的分类103.2光伏电池的原理及结构103.3光伏电池的外特性123.3.1 光伏电池板的I-V和P-V特性曲线123.3.2 外特性所包含的主要参数及其影晌因素133.4最大功率跟踪方法研究143.4
12、.1常见的最大功率跟踪算法143.4.2 改进的扰动观察法18第4章 光伏井网发电系统的设计224.1 总体设计224.2 MPPT的控制设计234.2.1 boost电路的工作原理234.2.2 boost电路参数设计254.3 并网逆变部分的分析254.3.1 光伏并网逆变器的分类254.3.2 输出电流的控制方式264.3.3 参数选取28第5章 基于MATLAB的系统仿真305.1 MATLAB软件介绍305.2 基于MATLAB软件SIMULINK模块的仿真模型315.2.1 太阳能光伏发电原理图315.2.2 Buck-Boost的仿真模型325.2.3 逆变器仿真模型345.3
13、仿真结果及分析34结 论36参考文献37后 记39武汉大学珞珈学院本科毕业设计第1章 绪论1.1 研究背景能源是现代社会存在和发展的即时。随着全球经济社会的不断发展，能源消费也相应的持续增长。根据美国能源情报署的预测，2001年至2025年间，全球能量消费总量将从102.4亿吨油当量增加到162吨油当量。目前，化石能源（石油、煤炭、天然气等）是全球能源消费的主要组成部分，其消费总量逐年攀升。但是，化石能源是不可再生的，而且储量有限，其产量的萎缩不可避免。随着时间的推移，化石能源的稀缺性将越来越突出，并且这种稀缺性也逐渐能源商品的价格上反应出来。此外，由于化石能源污染环境并能产生温室效应，也给社
14、会经济发展带来很大的困扰。由于大量使用矿物能源，全世界每天产生约1亿吨温室效应气体，已经造成其为严重的大气污染，并附带造成了全球变暖，海平面上升等一系列问题。面临现实经济和社会可持续发展的重大挑战，科学技术的高度发展与人类生存环境的急速恶化已形成一个十分突出的矛盾。作为全球能源市场日趋重要的组成部分，我国的能源消费量已占世界能源消费总量的15%。据预测，我国主要能源煤炭、石油、天然气的储采比大约为全球平均水平的50%、40%和70%左右，均早于全球化石能源枯竭速度，能源安全问题越来越重要。而且，我国还是最大的煤炭生产和消费国，煤炭占商品能源消费的76%，已成为我国大气污染的主要来源。因此，能源
15、结构不合理和能源利用技术水平低成为制约我国经济发展和环境改善的重要因素。因此，寻求新的可代替能源和可再生能源是关乎我过长期稳定发展的重大任务。太阳能是人类开发利用的一种取之不尽、用之不竭的清洁能源。开发利用太阳能，对于节约常规能源、保护自然环境、促进经济发展有极其重要的意义。1.2太阳能的优点太阳能的利用主要有光热利用、光伏利用和光化利用三种主要形式。光伏利用近期在世界范围内高速发展。光伏利用主要是光伏发电，具有以下明显的有点：第一：它是人类可以利用的最丰富的能源。据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%。今后足以供给地球人类，使用几十亿年，真是取之不尽，用之不竭。第二：地球
16、上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。第三：太阳能是一种洁净的能源。在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡。绝对不会造成污染和公害。第四：它年呢个提高整个能源系统的安全性和可靠性，特别是从抗御自然灾害的角度来看，它更具有明显意义。第五：资源、发电、用电同一区域，可望大幅节省远距离输变电的投资费用。第六：由于是模块化安装，建构简单，系统大小灵活，可根据用户的需求选择安装容量。第七：光伏建筑集成（BIPVBuilding Integrated photovoltaics）：节省发电基地使用的
17、土用面积和费用，是目前国际上研究及发展的前沿，也是相关领域科技界，最热门的话题之一。由于太阳能电池的主要材料硅的储量十分丰富，随着太阳能电池板的飞速发展，其转换效率不断提高，成本不断下降使光伏发电比其他发电方式在经济效益上有了更大的优势。太阳能发电在人类社会的未来发展中必将占据越来越重要的地位。1.3 国内外光伏发电的现状在国外，近年来太阳能光伏电源已开始由补充能源向替代能源过渡，并从偏远无电地区中小功率的独立发电系统向并网发电系统的方向发展。1979年，美国太阳联合设计公司在能源部的支持下，研制出了面积为0.91.8M的大型光伏组件，建造了户用屋顶光伏试验系统。1980年在MIT建造了有名的
18、“Carlisle House”，屋顶安装了7.5KW光伏方阵，并结合被动式太阳房和太阳集热器，给建筑供电、提供热水和制冷。20多年前，日本三洋电器公司研制出了瓦片形状的非晶硅太阳电池组件每块能输出2.7W的电能，到1997年就已经安装了数兆瓦。美国和欧盟先后实施了“百万屋顶计划”；日本计划到2010年光伏系统的装机容量要达到5GW。世界上规模最大的屋顶光伏系统建在德国慕尼黑展览中心，第一期安装的光伏系统容量为1MW，现在已达到了2MW。法国、印度也陆续推出了”1-5kW级百万屋顶光伏计划”。 我国光伏技术虽然经过40年的努力，已具有一定的水平和基础。但是，与世界先进国家相比仍有不少的差距。目
19、前我国光伏产品的市场份额为：户用光伏电源和独立光伏电站占30%，通信领域占40%，铁路、公路信号源、气象台站电源等其他工业领域占20%，各种民用商品占10%。我国有着十分丰富的太阳能资源。据估算，陆地表面每年接受的太阳辐射能约为501018kj，约相当于1700亿吨标准煤。全国各地太阳辐射总量达33408400MJ/，全国年平均光照小时数为2200h，平均太阳能电力为1700kWh，约为目前装机容量的多倍。我国西藏、青海、新疆、内蒙古南部、陕西北部等广大地区的太阳能辐射总量很大，尤其是青藏高原地区的绝大多数地区的太阳能资源相当丰富，具有得天独厚的开发和利用太阳能的优越资源条件。户用光伏系统和独
20、立光伏电站是解决我国边远无电地区居民和社会用电问题的重要方式。对于联网的光伏发电系统，由于在电网覆盖的地区，光电应用成本太高，目前没有竞争力。我国只有少许示范性的并网光伏发电系统。为了弥补国内的技术空白，中国科学技术部于1996年11月下达了“1-5KW级并网逆变/控制一体化机” ，“九五”国家重点科技攻关项目。我国的光伏发电研究现状如下： 1. 国内的光伏并网发电正在悄然兴起，已经建成的光伏并网发电项目已经有10座； 2. 国家“九五”和“十五”攻关项目：5kW、20kW和50kW并网光伏发电系统； 3. 北京市计科能源新技术开发公司和合肥工业大学能源研究所共同协作，以成功研制出“3KW可调
21、度型并网逆变器”样机，并于1999年7月13日正式通过了科技部组织的项目验收； 4. 深圳园博园光伏发电系统已在用户侧并网，容量为1000kW，为亚洲第一，在国际上也为数不多。在广东南澳岛上正在进行有益的尝试，将光伏发电与风电互补上网，第一期30KW已经并网，运行情况良好,第二期70kW工程正在筹建中； 5. 北京上地技术开发区软件园50kW蝶型屋顶并网光伏发电系统； 6. 北京天普公司的10kW和100kW的并网发电系统； 7. 首都博物馆300kW屋顶并网光伏系统； 8. 北京市计科公司生产基地10kW的可调度式并网光伏发电系统； 9. 位于昌平区的北京生态园的屋顶发电系统； 10.奥运场
22、馆和奥运公园的光伏发电项目等。1.4光伏发电并网系统的现状太阳电池并网发电技术是西方国家光伏发电的未来方向.据BCC预测，在未来的五年,大容量太阳光发电设备市场将有38.5%成长率，超越过去20年的成长。在90年代初期德国立法通过发展再生能源工业开始,引发其他国家的效尤，在美国许多洲纷纷通过制订再生能源配比之方向发展(renewable portfolio standards)，在日本通过新阳光计划(New Sunshine Program)。到2010年,全世界光伏产业将累计达到14-15GW，欧盟希望能够在2010年安装3GW(百万千瓦)的光伏发电装置，这表明世界光伏产业发展有着远大的发展
23、空间；根据美国国家光伏中心的预测。至2020年美国光伏系统的总装机量将达15GW，同时全球总装机量将达70GW；2020年光伏发电成本可以降低到10美分以下，在几乎整个电力市场上都具有竞争力。随着太阳电池成本的降低，MW级光伏电站将不断出现。德国，美国，日本等都在部署更大规模的未来光伏电站计划。2030年以后发电成本会继续降低。所有技术如晶体硅，薄膜以及一些新概念将会在市场上大量涌现。如果新概念得以成功实施，模块的转换效率将进一步提高。最终，光伏模块的能源转换率将达到30%-50%，从而使太阳辐射能可以高效地使用。安装在阳光充足地区的一平方米最高效的光伏模块每年将发电1000千瓦时。到2030
24、年，光伏系统组件将发展成建筑物通用的部件，可以实现大规模的标准化的具体应用，几乎所有新建筑都将安装光伏阵列，把光能转化为电能。欧盟希望在2030年安装的光伏发电装置可能增加到200GW左右,全世界可能会达到1000GW，占世界发电总量的4%。到2030年，光伏发电将会在发展中国家的乡村大规模普及，为1亿多个家庭供电,这将对今天尚不能用上电的17亿人口中的5亿人的生活产生积极影响。未来几十年，传统能源仍将是主要的能源，但可再生能源的使用在不断增加，将发挥重要作用。光伏发电，风能，生物质能，太阳能，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期供
25、应电力的首选。1.5光伏发电系统的发展趋势在建筑中注入绿色元素逐渐成为建筑发展的趋势，且绿色建筑也将是二十一世纪世界建筑的主流。绿色建筑有其丰富的内涵，各国评价标准不一，但洁净能源，尤其是太阳能的合理、高效利用是绿色建筑的重要内容。其中，代表太阳能应用最尖端、最先进、最有潜力的光伏发电将是绿色建筑的主角。联合国能源机构的调查报告显示， 光伏与建筑一体化（BIPV）将成为21世纪城市建筑节能的市场热点，太阳能建筑业将是21世纪最重要的新兴产业之一。各国一直在通过改进工艺、扩大规模、开拓市场等，大力降低光伏电池的制造成本和提高其发电效率。国家的倡导，节约能源和可持续发展理念的深入，越来越多的太阳能
26、光伏系统在首都公园景观、小区、公共设施、科普园地、环保等领域已开始开发应用。 近年来，国外推行的光伏与建筑相结合，极大地推动了光伏并网系统的发展。在城镇建筑物上安装的光伏系统，通常采用与公共电网并网的形式。并网光伏系统不需要配备蓄电池，既节省投资，又不受蓄电池荷电状态的限制，可以充分利用光伏系统所发出的电力；光伏阵列一般安装在闲置的屋顶或外墙上，无需额外占用土地，这对于土地昂贵的城市建筑尤其重要；夏天是用电高峰的季节，也正好是日照量最大，光伏系统发电量最多时期，对电网可以起到调峰作用；光伏阵列吸收太阳能转化为电能，大大降低了室外综合温度，减少了墙体得热和室内空调冷负荷，所以也可以起到建筑节能作
27、用。光伏与建筑相结合还有诸多优点，以上只是略点一二。 当今世界太阳能发电有80%是并网发电，而并网发电基本是在城市，也就是说，光伏与建筑一体化已经占整个世界太阳能发电最大比例。它的开发应用是目前世界上大规模利用光伏技术发电的一大热点，一些发达国家都在作为重点项目积极进行。 国外一些国家BIPV为什么可以发展得好，是这些国家充分认识到，随着常规能源的日益枯竭，在能源紧张和环保的双重压力下，太阳能光伏技术无疑是走可持续发展道路的首选技术之一。实际上，国际社会在这一点上早有共识，BIPV技术和市场的发展关键是要有具体、可操作性强的政策和法律法规出台并实施。 可以说，中国BIPV的发展在某种意义上可以
28、理解为“万事具备，只欠东风”，一旦拥有了切实可行、合身的政策这把钥匙，光伏电力就可以开启国内推广的大门，在应用的舞台上大展拳脚，尽情演绎。毫无疑问，光伏电力将是未来绿色建筑的主角。不仅如此，有关专家认为，如果说二十世纪是石油世纪，二十一世纪就将是太阳能世纪。第2章 光伏并网发电系统简介2.1 光伏并网发电系统结构组成光伏并网发电系统的结构图如下图所示：图2.1 太阳能光伏并网发电系统光伏并网发电系统主要由光伏阵列（图中的太阳电池方阵）、并网变流器、系统控制器和继电保护装置组成。光伏阵列由多块太阳能电池板串并联组成，在太阳光的照射下能将光能转化成为电能，是光伏并网发电系统的核心部件。并网变流器将
29、光伏阵列输出的直流电转化成工频交流电输入电网，并网变流器有多种拓扑结构可以选择，不同的拓扑结构应用在不同的场合可以体现出各自的优缺点。系统控制器保证了并网变流器输出的电流与电网同频同相，并实现光伏阵列的最大功率点跟踪，通过DSP等微处理器完成预计的系统功能。继电保护装置保证了系统的安全运行，在电网或光伏系统发生故障时将其切除，保证系统整体的可靠运行。2.2 光伏并网发电系统的分类按照不同的分类方式，太阳能光伏达到系统有不同的分类。按照系统的功能分，目前商用的光伏并网发电系统可以分为两类，一种为不含蓄电池环节的“不可调度式光伏并网发电系统”（图2.1（a）；应一种为含有蓄电池组的“可调度式光伏并
30、网发电系统”(图2.1（b）)。图2.1（a）不可调度式光伏并网发电系统图2.1（b）可调度式光伏并网发电系统不可调度式光伏并网发电系统中，并网逆变器将光伏阵列产生的直流电能转换为和电网电压同频同相的交流电能，当主电网断电时，系统自动停止向电网供电。白天，当光伏系统产生的交流电能超过本地负载所需时，超过部分馈送给电网；其他时间，特别是夜间，当本地负载大于光伏系统产生的交流电能时，电网自动向负载提供补充电能。当电网故障或维修时，处于安全考虑，逆变器停止工作，而且必须使逆变器、电网和负载三者电气断开，光伏电网系统不再向电网和负载供电。按照光伏并网系统的逆变器控制方式分类，可分为电压源电压控制，电压
31、源电流控制，电流源电压控制和电流源电流控制四种方法。以电流源为输入的逆变器，其直流侧需要串联一大电感提供较稳定的直流电流输入，但由于此大电感往往会导致系统动态响应差。因此当前世界范围内大部分并网逆变器均采用以电压源输入为主的方式。逆变器与市电并联运行的输出控制可分为电压控制和电流控制。市电系统可视为容量无穷大的定值交流电压源，如果光伏并网逆变器的输出采用电压控制，则实际上就是一个电压源与电源远并联运行的系统，这种情况下药保证系统稳定运行，就必须采用锁相控制技术以实现与市电同步，在稳定运行的基础上，可通过调整逆变器输出电压的大小及相移以控制系统的有功输出与无功输出。但对于锁相回路的响应较慢、逆变
32、器输出电压值不易精确控制、可能出现环流等问题，如果不采取特殊措施，一般来说同样功率等级的电压源并联运行方式不易获得优异性能。如果逆变器的输出采用电流控制，则只需控制逆变器的输出电流以跟踪市电电压，即可达到并联运行的目的。由于其控制方法相对简单，因此使用比较广泛。综上所述，光伏并网逆变器一般都采用电压源输入、电流源输出的控制方式。2.3 光伏并网发电系统的工作原理太阳能电池阵列是太阳能光伏发电系统中的重要组成部分，他的好坏直接关系到整个光伏系统的性能和质量。由于太阳能电池阵列是由若干太阳能电池组件串并联而成的，因此介绍下太阳能电池的工作原理。太阳能电池的工作原理的基础是，半导体P-N结的光生伏打
33、效应。所谓光生伏打效应就是物体受到光照时，物体内的电荷分布状态发生变化而产生电动势和电流的一种效应。当太阳或其他光照射到半导体P-N结上时，就会在P-N结的两边出现电压。这种现象就是著名的光生伏打效应。使P-N结短路时就会产生电流。光伏并网发电系统的原理就是要把太阳能电池组件发出的直流电转化成交流电，并并入市电电网中，可供正常的交流用电器使用。目前广泛应用于太阳能能并网发电系统中的方案原理是：首先将太阳能转化成电能的形式，然后将电能调节成满足SPWM全桥逆变器需要的直流电压，最后经SPWM全桥逆变器将太阳能回馈给交流电网。在整个系统最主要的环节（逆变器）中，采用的就是SPWM（正弦波脉宽调制）
34、逆变技术。根据电力系统准周期并列的条件，采用SPWM全桥逆变电路的再生能源回馈电网系统并网时应满足以下3个条件：1.再生资源回馈电网系统中逆变器的输出电压和市电电压接近相等，一般压差应在10%以内；2.逆变输出频率接近市电频率，一般频差不超过0.4Hz；3.逆变器输出电压和市电电压相同，通常相位差不宜超过10度。光伏并网控制目标是：控制逆变电路输出的交流电位稳定的高质量的正弦波，且与电网电压同频同相。2.4 光伏并网发电系统的优缺点与独立运行的离网式光伏电站相比，光伏并网系统有以下优点：1光伏电池可以始终工作在最大功率点处，由大电网来接纳太阳能电池板所发的全部电能，提高了太阳能发电系统的效率。
35、2因为直接将电能输入电网，可以充分利用光伏阵列所发出的电能，省略了作为储能环境的蓄电池，降低了蓄电池充放电的电能消耗，免除了对蓄电池的维护，以及其他间接污染，降低了系统的成本。但目前光伏发电系统也存在着三大问题：1光伏阵列发电效率低，大多数太阳能板的光电转换效率在20%左右。2系统的造价成本高，太阳能电池板的生产制造成本远高于传统能源，使其在短时间内不能得以广泛推广。3发电运行受气候环境影响大。并且并网光伏供电系统作为一种分散式发电系统，对传统的集中供电系统的电网会产生不良的影响，如谐波污染，孤岛效应等。2.5 课题研究的主要内容目前由于光伏发电系统成本较高，使其应用大受影响。降低光伏系统发电
36、的成本，这是当今世界范围内研究和开发的一个课题。增加光伏发电的经济吸引力必须选择以下一种或多种途径:1.提高光伏电池转换效率。2.降低制造电池、组件和辅助设备的成本，同时降低安装费用。3.设计高效、可靠的系统，以降低每单位功率输出的费用及提高使用寿命。本课题基于第三个途径，针对一种单相光伏并网发电系统，主要作如下几个方面的研究:1为使光伏电池工作于最大输出功率点上，获得最大功率输出，对光伏电池输出最大功率点的跟踪方法进行研究，设计合适的算法并采用DC/DC变换装置实现跟踪。2研究光伏并网逆变系统的特点，选择合适的并网逆变控制策略。3对光伏并网系统利用MATLAB进行仿真控制分析。第3章 光伏电
37、池结构原理及最大功率点跟踪方法3.1光伏电池的分类光伏电池是利用半导体光伏效应制成的一种能将太阳辐射能直接转换为电能的的转换器件。光伏电池多用半导体固体材料制造，也有用半导体加电解质的光化学电池，发展到现在已经种类繁多。下面介绍一下光伏电池的分类。按电池结构分类：（l）同质结太阳能电池：同质结太阳能电池是由半导体材料构成一个或多个PN结。如：硅太阳能电池、砷化嫁太阳能电池。（2）异质结太阳能电池：异质结太阳能电池是用两种不同禁带宽度的半导体材料在相接的界面上构成一个异质PN结。如：氧化锢锡/硅太阳能电池。（3）肖特基太阳能电池：肖特基太阳能电池用金属和半导体接触成一个“肖特基势垒”。（4）薄膜
38、光伏电池：利用薄膜技术将很薄的半导体光电材料铺在非半导体衬底上构成。（5）叠层光伏电池：将两种对光波吸收能力不同的半导体材料叠在一起构成。（6）湿式光伏电池：在两侧涂有光活性半导体膜的导电玻璃中间加入电解液构成。按电池材料分类：（l）晶体硅光伏电池。晶体硅光伏电池因为资源丰富、转换效率高，所以是现在开发的最快的光伏电池。但是因它的制造工艺复杂，需耗费大量的能源，所以有成本高、能源回收期长的缺点。（2）非晶硅光伏电池。非晶硅光伏电池资源丰富，制造过程简单，而且制造能耗低，所以作为低成本的光伏电池引人注目。目前其转换效率比单晶硅光伏电池的稍低。(3)化合物半导体光伏电池。化合物半导体光伏电池有-族
39、、-族等许多种类，砷化稼光伏电池是其中一种，其转换效率很高，但存在资源缺乏、有公害等问题。3.2光伏电池的原理及结构太阳电池的发电原理是利用光入射于半导体时所引起的光电效应。光伏电池的基本特性和二极管类似，可用简单的PN结来说明，图3.1为光伏电池的单元模型。当具有适当能量的光子入射于半导体时，光与构成半导体的材料相互作用产生电子和空穴(因失去电子而带正的电荷)，如半导体中存在PN结，那么电子向N型半导体扩散，空穴向P型半导体扩散，并分别聚集于两个电极部分，即负电荷和正电荷聚集于两端，这样如用导线连接这两个电极，就有电荷流动产生电能。这与传统的发电方式是完全不同的:既没有旋转的转动部分，也不排
40、出气体，是清洁的、无噪声的发电机。图3.1 光伏电池的单元模型图3.2 光伏电池等效电路图图3.2是光伏电池等效电路，其中是漏电阻； 是串联电阻，它是构成光伏电池的半导体体电阻和透明电极电阻等的和。式3.1是表示光伏电池特性的一般公式。 （3.1）其中I为电池单元输出电流；几为PN结电流； 为反向饱和电流内；V为外加电压；q是单位电荷；K是玻耳兹曼常数 ()；T是绝对温度；n为二极管指数。电池单元是光电转换的最小单元，将光伏电池单元进行串、并联并封装起来就成为光伏电池组件，功率从几瓦到上千瓦不等，把光伏电池组件按需要再进行串、并联后就形成光伏电池阵列。理论上说，光伏电池阵列的功率可以无限大。3
41、.3光伏电池的外特性光伏电池工作环境的多种外部因素都会影响光伏电池的性能指标，比如光照强度、环境温度、光谱响应等。光谱响应一般是指各种波长的单位辐射光能或对应的光子入射到光伏电池上，产生不同的短路电流，按波长分布求出对应的短路电流变化曲线。光伏电池的温度特性是指，光伏电池工作环境温度和电池吸收光子后使自身温度升高对电池性能的影响，由于光伏电池材料内部的很多参数都是温度和光照强度的函数，所以反映到光照特性指的是光伏电池的电气性能与光照强度之间的关系。主要通过I-V和P-V特性曲线来加以体现，因此本节着重探讨这两种曲线及其相关参数。3.3.1 光伏电池板的I-V和P-V特性曲线图3.3 光伏电池的
42、I-V曲线和P-V曲线光伏电池的输出特性可以用曲线的形式表示出来，根据纵坐标的不同，分为I-V和P-V特性曲线，如图3.3所示。在一定条件下，光伏电池两端电压和电流的对应关系在直角坐标下形成一条曲线，叫做光伏电池的伏安特性曲线，即I-V曲线。可以看出，此I-V曲线具有高度的非线性特征，这样就存在一个最大功率输出问题，在2.4节中将对此问题进行研究。在P-V特性曲线中，可以看出随着端电压由零逐渐增长输出功率先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率输出，这跟I-V曲线说明了同一个问题，为光伏电源控制方法的改进提供了途径。由图3.3可见，光伏电池输出功率受多个因素的影响，尤其取决
43、于照射到其表面的太阳辐射量。由于受到当地纬度、经度、时间、空气状态及气象条件等各种因素的影响，实际上某个地方所能接受的辐射量时时刻刻都在变化着，偶然的阴影遮蔽也会使输出功率降低。因此，光伏电池的输出最大功率点、短路电流、开路电压随着辐射强度、环境温度在不停地变化，所以光伏发电系统要不停地调整以使光伏电池工作于最大功率点上，但这又同时使得光伏电池的输出电流、电压在不断变化，即输出功率是不断变化的。3.3.2 外特性所包含的主要参数及其影晌因素1主要参数图3.4光伏电池的伏安特性曲线图3.4是光伏电池在一定的照度和温度条件下的I-V特性曲线。光伏电池的短路电流为、开路电压为。下面是其它反映此曲线特
44、征的各个参数。（1）输出功率和填充因子：由图3.4可知，特性曲线上的任意一点对应着某一条件下的光伏电池工作点，在此点负载所获得的功率设为二，由于I-V曲线具有高度的非线性特征，在曲线上总可以找到一工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点 (Maximum Power Point，MPP)，即图中M点。M点所对应的电流场为最佳工作电流，电压珠为最佳工作电压，入为最大输出功率，填充因子（2）光伏电池的效率：光伏电池的效率是指光伏电池的输出功率与阳光投射到电池表面上的功率之比，其值取决于工作点。通常采用光伏电池的最大效率值作为其率，。由图3.3可知，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于
45、按此定义的效率值，不能做到高效输出。2.光照强度对光伏电池效率的影响光照强度的单位是，在大气层外其值最大，在地面由于受各种因素的影响，其值一般在0到1之间变化。由图3.3可以看出，短路电流随着太阳照度的变化而有较大的变化，开路电压只是有略微的变化。光伏电池的效率叮就会随太阳照度的变化而变化，但只是微弱的变化，它们的关系近似于对数关系。在温度恒定的情况下，电池的理想效率随光强的增加而增加，这是因为短路电流随光强线性增加，开路电压随光强呈对数增加，而填充因子随开路电压增加而增加。实现效率增加的主要困难是在于高电流密度下串联电阻损耗的影响显得更加重要了。因为对一个给定的功率输出，电池的效率决定了所需
46、的电池板的数量，所以电池达到尽可能高的效率是极其重要的。3.4最大功率跟踪方法研究由于太阳能电池板的输出具有非线性特性，而且输出受光照强度、温度和负载特性影响，实时调节太阳能电池板输出电压，使之工作在最大功率点电压处以使太阳能电池板输出功率达到最大值，这个过程即最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tacking，MPPT)。由于光伏电源装置原始投入高，并且光伏电池转换效率较低，所以需要使装置的效率最大，而使光伏电池工作于最大功率点上是一个提高效率的主要途径，因此进行最大功率跟踪控制是光伏发电系统所必需采取的措施。最大功率跟踪控制具体到P-V特性曲线上，就是使光伏电池端电压始
47、终处于附近。通常最大功率跟踪方法都是通过控制功率变换器来实现的，功率变换器可以是DC/DC变换器，也可以是DC/AC变换器，通过DC/AC变换器实现最大功率跟踪由于变换器同时还要实现并网逆变，控制相对比较复杂，本文采用的是boost变换器，这样光伏电池所接的等效负载就是 boost变换器的等效负载。调节boost变换器的占空比D实现对光伏电池的负载的调节，即可调节光伏电池输出电压，从而实现最大功率跟踪的目的。3.4.1常见的最大功率跟踪算法1恒电压控制法（Constant Voltage Tracking-CVT）通过图3.3可知，光伏阵列在不同光照强度下的最大功率输出点总是近似在某一恒定的电压值附近，这样可以采用CVT法，在光伏阵列和负载之间通过一定的阻抗变换，使得系统成为一个稳压器，即阵列的工作点始终稳定在蛛附近。这样不但简了整个控制系统，还可以保证它的输出功率接近最大功率点。但一般硅型光伏阵列的路电压都会受到结温度的影响，在同样的光照强度下，最大功率点还会受到温度的影响，在光伏阵列的功率输
