光伏系统的分布式优化研究

【摘要】：在不同的光照和温度条件下，每块太阳能电池都有着在当前环境下的最大功率点，即具有自己的最佳工作电压和电流。当移动的云彩、树木或其他投射物的阴影遮挡住太阳能电池板串列中的某一块或某几块时，被遮挡的太阳能电池板的最大功率点将会发生变化，即输出的工作电压和电流发生变化。由于串联支路电流相等，故发生阴影遮挡时，同一串列的太阳能电池板的工作电流将取决于被遮蔽的太阳能电池板的最小输出电流，导致整个光伏系统的工作电流减小以及该遮蔽串列的输出电能大幅降低。这种部分遮蔽导致的失配对系统发电量的影响很难通过简单的公式计算来获得，因为光伏系统发电量受到很多的因素影响，如内部电池模块间互连、模块定向、光伏电池组间的串并联以及逆变器的配置问题等。 为了解决上述问题，本文通过对分布式的光伏发电系统进行研究，为每一块太阳能电池配置一个光伏功率优化器，功率优化器内含最大功率点跟踪算法，可以利用分布式电路调整每一块太阳能电池板输出的电压和电流，并将其转换为最理想的一组输出电压及电流，直至该光伏串列全部取得平衡，避免了系统的失配并提高了每一块太阳能电池板的输出电能。 本文针对如何提高光伏发电系统效率从多方面进行了分析和研究，首先分析研究了太阳能电池输出特性导致光伏系统发电量降低的原因、DC-DC变换器工作原理及其实现阻抗匹配的过程、采用分布式最大功率跟踪控制的必要性等，着重研究了分布式光伏系统的架构和分布式系统控制策略，接着设计了光伏功率优化器系统，包括硬件电路以及部分控制软件的设计、传统DC-DC变换器与采用同步整流技术后效率的比较以及影响变换器效率的参数选取等，并在Matlab/Simulink下搭建了光伏发电系统仿真模型，对上述研究内容进行了仿真实验并给出了验证结果，同时对仿真结果进行了分析。 最后设计了一台试验样机，完成了硬件电路和控制软件调试，给出了实验验证波形，并达到了预期的设计要求。 【关键词】：太阳能电池 部分遮挡 分布式光伏发电 功率优化器 最大功率点跟踪
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM615
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第一章 绪论8-12
• 1.1 全球所面临的能源危机与环境问题8
• 1.2 太阳能光伏技术发展及前景8-9
• 1.3 太阳能光伏技术所面临的问题9-10
• 1.4 太阳能电源管理国内外研究现状10-11
• 1.5 本文的主要工作11-12
• 第二章 太阳能电池及其输出特性12-20
• 2.1 太阳电池工作原理12
• 2.2 光伏电池的种类12-13
• 2.3 太阳能电池板特性13-18
• 2.3.1 太阳能电池的数学模型13-14
• 2.3.2 太阳能电池工作特性的仿真14-17
• 2.3.3 太阳能电池遮蔽实验仿真17-18
• 2.4 光伏发电系统的基本组成18-19
• 2.5 本章小结19-20
• 第三章 DC-DC 变换器20-26
• 3.1 DC-DC 变换器及其分类20
• 3.2 升压式(Boost)DC-DC 变换电路20-22
• 3.3 降压式(Buck)DC-DC 变换电路22-23
• 3.4 升/降压（Buck-Boost)DC-DC 变换电路23-24
• 3.5 本章小结24-26
• 第四章 太阳能最大功率跟踪的研究26-36
• 4.1 最大功率跟踪原理26-27
• 4.2 Boost 和 Buck 变换器实现阻抗匹配27-28
• 4.2.1 Boost 变换器实现阻抗匹配原理27
• 4.2.2 Buck 变换器实现阻抗匹配原理27-28
• 4.3 MPPT 算法的比较研究28-35
• 4.3.1 恒定电压法（CVT）29
• 4.3.2 扰动观测法(P&O)29-31
• 4.3.3 增量电导法(IncCond)31-33
• 4.3.4 滞环比较法33-35
• 4.3.5 其他 MPPT 算法35
• 4.4 本章小结35-36
• 第五章 分布式光伏系统功率优化的研究36-42
• 5.1 太阳能光伏系统结构36-39
• 5.1.1 集中型结构36-37
• 5.1.2 串型结构37
• 5.1.3 交流模块结构37-38
• 5.1.4 分布式串联型结构38
• 5.1.5 分布式并联型结构38-39
• 5.2 分布式优化器工作过程39-41
• 5.2.1 Boost 变换器功率优化过程分析39-41
• 5.2.2 Buck 变换器功率优化过程分析41
• 5.2.3 Buck-Boost 变换器功率优化过程分析41
• 5.3 本章小结41-42
• 第六章 分布式功率优化器系统设计42-54
• 6.1 功率优化器结构框图42
• 6.2 DC-DC 变换器的设计42-44
• 6.3 DC-DC 变换器参数选取44-45
• 6.3.1 电感 L1、输入电容 Cin、输出电容 Cout 的选取44
• 6.3.2 变换器开关管的选取44-45
• 6.3.3 旁通开关管 Q5A/B 选择45
• 6.3.4 旁路二极管的选取45
• 6.4 MOSFET 的驱动45-47
• 6.5 控制电路47-51
• 6.5.1 系统数字控制部分电路设计47-48
• 6.5.2 辅助电源电路48-49
• 6.5.3 采样与滤波电路49-50
• 6.5.4 温度检测电路50
• 6.5.5 通信电路设计50-51
• 6.6 本系统采用的 MPPT 算法研究51-53
• 6.6.1 MPPT 的最佳控制变量选取研究51-52
• 6.6.2 改进型 MPPT 算法52-53
• 6.7 本章小结53-54
• 第七章 太阳能功率优化器仿真结果与样机测试54-62
• 7.1 光伏系统的 Matlab/Simulink 仿真分析54-55
• 7.2 拓扑结构和参数选取对优化器效率影响的研究55-56
• 7.3 直流电源串联电阻模拟太阳能电池仿真56-58
• 7.4 样机测试结果58-60
• 7.5 本章小结60-62
• 主要结论与展望62-63
• 致谢63-64
• 参考文献64-66
• 附录 A: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文66-67
• 附录 B: 功率优化器原理总图和 PCB67-68

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